首次利用全球導航衛星系統校準電波望遠鏡波束

核心概念

本文展示了全球導航衛星系統（GNSS）在電波望遠鏡波束校準方面的首次應用，證明了GNSS信號可用於有效繪製電波望遠鏡波束圖，並具有提高未來大型電波干涉儀觀測精度的潛力。

摘要

文章資訊

本篇文章為一篇學術研究論文，發表於 Cambridge Large Two 期刊。

研究目標

• 本研究旨在探索利用全球導航衛星系統（GNSS）信號校準電波望遠鏡波束的可行性。
• 研究團隊希望利用商用 GNSS 接收器和加拿大氫強度測繪實驗（CHIME）的原型機深度碟形發展陣列（D3A）來驗證這一方法。

研究方法

• 研究人員使用位於加拿大 Penticton 附近的 Dominion 電波天文台（DRAO）的 D3A，並將其指向特定天區。
• 他們利用商用 Septentrio Mosaic X-5 接收器收集了三天內經過 D3A 波束範圍內的 GNSS 衛星信號。
• 通過分析接收到的 GNSS 訊號強度和衛星位置信息，研究人員繪製了 D3A 的二維波束圖。

主要發現

• 研究結果顯示，GNSS 衛星信號可以有效地用於繪製電波望遠鏡波束圖。
• 由於 GNSS 衛星數量眾多且信噪比高，研究人員能夠通過連續多日的重複測量，探測到 D3A 波束的多個旁瓣。
• 在三天的測量中，研究人員發現主波束主瓣的測量差異最小可達 0.56 db-Hz，展現出良好的重複性。

主要結論

• 本研究首次證明了利用 GNSS 進行電波望遠鏡波束校準的可行性。
• GNSS 校準技術具有成本低、效率高、覆蓋範圍廣等優點，有望成為未來大型電波干涉儀（如加拿大氫天文台和電波瞬變探測器，CHORD）波束校準的重要手段。

研究意義

• 本研究為電波天文學領域提供了一種新的波束校準方法，有助於提高未來電波觀測的精度。
• GNSS 校準技術的應用將促進宇宙學和電波瞬變現象（如快速電波爆發，FRB）的研究。

研究限制與未來方向

• 本研究僅使用了商用 GNSS 接收器，未來可以使用更高精度的接收器來提高測量精度。
• 未來研究可以進一步探索利用 GNSS 進行電波望遠鏡相位校準的可能性，以更好地消除電離層效應的影響。

統計資料

研究人員使用了三天時間收集數據，從 2022 年 8 月 30 日 UTC 時間 00:21:57 到 2022 年 9 月 2 日 UTC 時間 19:25:37。
D3A 望遠鏡在觀測期間指向（高度，方位）=（80.5◦，0◦）。
研究人員在 800-1200 MHz 和 1200-1600 MHz 兩個頻段內觀測到超過 80 顆 GNSS 衛星。
其中 45 顆衛星經過波束中心 10 度範圍內。
研究人員主要使用 L1 頻段（1575 MHz）進行觀測，因為該頻段的測量結果最穩定且信號最強。
對於 GPS 衛星 G23 和 G29，研究人員在主波束主瓣測量到的最小差異為 0.56 db-Hz。
衛星 G04 在波束峰值處的平均功率測量標準差最小，為 0.09 db-Hz。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

First Use of GPS Satellites for Beam Calibration of Radio Telescopes

by Sabrina Berg... 於 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.06144.pdf

深入探究

如何將 GNSS 波束校準技術應用於其他類型的電波望遠鏡？

GNSS 波束校準技術的應用潛力不僅限於文中提到的 CHORD 或漂移掃描望遠鏡，其他類型的電波望遠鏡也能從中受益。以下列舉一些應用方向：

應用於不同觀測頻率的電波望遠鏡： 儘管目前 GNSS 訊號主要集中在 L 波段（約 1.1-1.6 GHz），但未來 GNSS 系統可能會拓展至其他頻段。此外，可以通過調整電波望遠鏡的接收機，使其能夠接收 GNSS 訊號的諧波頻率，從而擴展 GNSS 校準技術的應用範圍。

應用於不同類型的天線陣列： GNSS 校準技術不僅適用於單一天線的電波望遠鏡，也適用於由多個天線組成的陣列，例如綜合孔徑電波望遠鏡。通過對陣列中每個天線進行 GNSS 校準，可以提高整個陣列的成像精度。

結合其他校準技術： GNSS 校準技術可以與其他傳統的校準方法（例如，天文點源校準、全息測量等）結合使用，以實現更全面、更精確的波束校準。

然而，需要注意的是，將 GNSS 校準技術應用於其他類型電波望遠鏡時，需要考慮以下因素：

電波望遠鏡的工作頻率範圍： 需要選擇合適的 GNSS 訊號頻率或其諧波頻率進行校準。
電波望遠鏡的天線方向圖： 需要根據天線方向圖的特性，選擇合適的 GNSS 衛星和觀測時間，以獲得最佳的校準效果。
GNSS 訊號的接收和處理： 需要對電波望遠鏡的接收機和數據處理系統進行相應的調整，以適應 GNSS 訊號的接收和處理。
總之，GNSS 波束校準技術具有廣泛的應用前景，可以為不同類型的電波望遠鏡提供一種高效、便捷的校準手段。

除了 GNSS 衛星信號，還有哪些信號源可以用於電波望遠鏡的波束校準？

除了 GNSS 衛星信號外，電波天文學家還利用多種其他信號源進行波束校準，每種方法各具優缺點，適用於不同的觀測條件和科學目標：

天文點源: 利用遙遠星系或類星體等發射強無線電波的天體作為校準源。這些天體位置固定，訊號穩定，但數量有限，且亮度較低，需要較長的積分時間。

太陽: 太陽是強無線電波源，可用於校準低頻電波望遠鏡。但太陽活動會影響其輻射強度，且觀測時間受限。

無人機: 搭載已知發射特性的無線電發射器，可以精確控制飛行軌跡，靈活覆蓋望遠鏡波束範圍。但無人機飛行高度和續航時間有限，且受氣象條件影響較大。

衛星: 除 GNSS 外，其他類型的衛星，例如 Orbcomm 衛星，也可用於波束校準。這些衛星通常發射較強的訊號，但軌道和發射特性可能不如 GNSS 穩定。

地面信號源: 利用地面發射塔或專用校準源發射的訊號進行校準。這種方法靈活性高，但易受地面環境干擾，且需要精確測量校準源的位置和發射特性。

全息測量: 利用相鄰望遠鏡或輔助天線接收來自目標源的訊號，通過干涉測量技術重建望遠鏡波束。這種方法精度高，但需要額外的設備和複雜的數據處理。

未來，隨著技術的發展，預計會出現更多新型的波束校準技術和信號源，例如低軌衛星星座、高空氣球平台等，為電波天文學家提供更豐富的選擇。

高精度的波束校準技術如何促進我們對宇宙演化的理解？

高精度的波束校準技術在現代電波天文學中扮演著至關重要的角色，它直接影響著觀測數據的準確性和可靠性，進而影響我們對宇宙演化的理解。以下列舉一些高精度波束校準技術的貢獻：

提高宇宙學參數測量精度: 高精度波束校準可以減少儀器誤差對宇宙微波背景輻射觀測的影響，進而提高對宇宙學參數（例如，哈勃常數、暗能量狀態方程等）的測量精度，幫助我們更好地理解宇宙的起源、演化和組成。

精確測量星系和星系團的性質: 高精度波束校準可以提高對星系和星系團中氫原子 21 厘米譜線觀測的靈敏度和分辨率，從而更精確地測量它們的質量、大小、距離、運動狀態等，幫助我們研究星系的形成和演化、星系團的動力學和熱力學性質等。

探測宇宙再電離時期的信號: 宇宙再電離時期是宇宙演化過程中的一個重要階段，高精度波束校準可以幫助我們從強烈的宇宙學前景輻射中分離出微弱的再電離時期信號，從而研究宇宙早期的星系形成、第一代恆星和星系的性質等。

發現新的天文現象: 高精度波束校準可以提高電波望遠鏡的靈敏度，幫助我們發現新的天文現象，例如快速射電暴、脈衝星、伽瑪射線暴等，擴展我們對宇宙的認識。

總之，高精度波束校準技術是推動電波天文學發展的關鍵因素之一，它將繼續在我們探索宇宙奧秘的過程中發揮重要作用。