[论文解读] An African VLBI network of radio telescopes

M. J. Gaylard, M. F. Bietenholz+9 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2014

Satellite Communication Systems参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出将非洲大陆上冗余的30–32米卫星地球站天线转换为覆盖全洲的甚长基线干涉测量（VLBI）网络，以提升高分辨率射电天文观测能力，改善成像的UV覆盖，并支持平方公里阵列（SKA）先导项目。该举措利用现有基础设施，仅需新建望远镜成本的约10%，其中加纳库恩图恩塞天线作为试点，已成功转换为VLBI与单镜面射电天文观测站。

ABSTRACT

The advent of international wideband communication by optical fibre has produced a revolution in communications and the use of the internet. Many African countries are now connected to undersea fibre linking them to other African countries and to other continents. Previously international communication was by microwave links through geostationary satellites. These are becoming redundant in some countries as optical fibre takes over, as this provides 1000 times the bandwidth of the satellite links. In the 1970's and 1980's some two dozen large (30 m diameter class) antennas were built in various African countries to provide the satellite links. Twenty six are currently known in 19 countries. As these antennas become redundant, the possibility exists to convert them for radio astronomy at a cost of roughly one tenth that of a new antenna of similar size. HartRAO, SKA Africa and the South African Department of Science and Technology (DST) have started exploring this possibility with some of the African countries.

研究动机与目标

• 将非洲境内废弃的大规模卫星地球站天线（30–32米）重新用于射电天文观测，相比新建望远镜显著降低成本。
• 建立一个功能性的非洲VLBI网络（AVN），提升欧洲与澳大利亚之间的基线覆盖，增强VLBI成像的角分辨率。
• 支持参与SKA先导科学项目，并助力非洲长期建设平方公里阵列（SKA）的最终目标。
• 通过单镜面运行与队列调度观测，提供射电天文领域的培训与科研能力建设。
• 证明可将现有C波段馈源的波导束天线改造为适用于射电天文波段（如4.8–5.1 GHz、8.4 GHz、6.7 GHz）的观测设备。

提出的方法

• 利用国际通信卫星组织（Intelsat）文档、卫星图像及政府联络渠道，调查非洲19个国家中现存的大规模卫星天线（30–32米）。
• 在候选站点（如加纳库恩图恩塞32米天线）开展现场可行性评估，检验其结构与电气状态。
• 对现有C波段微波馈源进行改造，用于射电天文观测，重点覆盖关键VLBI频段：4.8–5.1 GHz、6.7 GHz（甲醇脉泽）与8.4 GHz。
• 开发宽带或多波段馈源（如4.5–9 GHz），以拓展科学观测能力，超越原始卫星波段。
• 部署与VLBI相关 correlated 接收系统，包括使用氢原子钟或GPS时间实现精确的时间与相位校准。
• 实现单镜面运行，支持辐射测量、光谱分析与脉冲星计时，并采用类似哈特RAO 26米望远镜的自动化队列调度系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 非洲大陆上冗余的30–32米卫星地球站天线能否以低成本有效改造为VLBI与单镜面射电天文观测设备？
• RQ2 在EVN与AT-LBA等全球VLBI网络中，增加非洲天线将如何改善UV覆盖与成像质量？
• RQ3 将波导束天线及其现有C波段馈源改造为射电天文运行设备，需进行哪些技术改造？
• RQ4 一个仅由四台或更多天线组成的最小规模非洲VLBI网络，其科学潜力如何？
• RQ5 现有基础设施在多大程度上可支持长期、无人值守、队列调度的可变源监测观测？

主要发现

• 已知非洲19个国家共有26座大型卫星地球站天线（30–32米），其中许多因光纤升级而处于闲置状态。
• 加纳库恩图恩塞32米天线经确认具备改造可行性，位于6°N，可为欧洲与南非之间提供关键基线覆盖。
• 该天线的波导束设计经适当改造后，技术上可适用于射电天文观测，主要涉及馈源系统与接收电子设备的升级。
• 4.8–5.1 GHz频段处于原始C波段范围内，仅需极少修改即可接入，可立即用于VLBI观测。
• 覆盖4.5–9 GHz的超宽带馈源可支持多种科学模式，包括8.4 GHz VLBI与6.7 GHz甲醇脉泽观测。
• 改造后的天线开展单镜面运行，可通过自动化队列调度实现对可变源的长期监测。