第４０卷第３期２０２０年６月测绘科学与工程
ＧｅｏｍａｔｉｃｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．４０
，Ｎｏ．３Ｊｕｎｅ．，２０２０
收稿日期：２０２０－０２－１２；修回日期：
２０２０－０３－１１。作者简介：任红飞（１９８４－），男，助理研究员，博士，主要从事空间大地测量与导航技术研究。Ｅ－
ｍａｉｌ：ｒｅｎｈｏｎｇｆｅｉ３３６＠１６３．ｃｏｍ。国内外深空基准发展现状与启示
任红飞
１，２
，魏子卿１，２，刘思伟１，２，姬剑锋
１，２
１．地理信息工程国家重点实验室，陕西西安，
７１００５４；２．西安测绘研究所，陕西西安，
７１００５４摘　要：介绍深空基准的基本内涵，概述国内外在行星／月球历表、射电天球参考架、光学天球参考架、脉冲星星表等深空基准方面的发展现状，分析我国与国外在发展深空基准方面的差距和原因，在此基础上总结了关于发展我国深空基准的启示。
关键词：深空基准；行星／月球历表；天球参考架；脉冲星星表；恒星星表中图分类号：
Ｐ２２８　文献标志码：
Ａ　文章编号：
２０９５－４５５７（２０２０）０３－０００８－０８１ABCDCEFG
深空通常指月球和月球以外的宇宙空间
［１］
。
深空基准是指通过观测深空天体（如河外射电源、
恒星、脉冲星、太阳系行星等）而建立的空间参考系统。具体而言，深空基准包括通过观测遥远射电源实现的射电天球参考架，通过观测恒星实现的光学天球参考架，
通过观测太阳系天体运动实现的行星／月球历表，通过观测脉冲星实现的脉冲星星表，以及通过观测公共源或进行掩星观测实现的不同天球参考架之间的连接参数。
２HFIABCDJKLM
２ １　行星／月球历表发展现状
行星／月球历表主要描述太阳系内自然天体的位置和速度，表现形式可以是一组公式、一组算法、一组程序、一组数据文件或者它们的某种组合
［２］
。行星／月球历表在人类太空活动与深空探
测、人造天体精密定轨和控制、远程武器精确打击，以及各种引力理论检验等方面发挥着重要的不可替代的作用。由于行星／月球历表用途广泛，从古至今国家和科研机构对其极为重视
［３］
。近现
代以来，行星／月球历表编制先后经历了分析与半分析、数值积分、谱分析三种方法。分析法使用最
早，但精度受限；数值法精度最高，但是计算运行
环境要求高；谱分析法是一种“混合方法”，精度可与数值法相比
［３］
。目前国际上最先进的行星／
月球历表主要用数值积分法实现。美国、俄罗斯和法国都具有独立提供高精度行星／月球历表的
能力。美国喷气推进实验室（ＪＰＬ）和麻省理工学院（
ＭＩＴ）于上世纪６０年代提出行星／月球历表发展计划，
７０年代初，它们研制的历表成为世界标准，先后根据不同目的发表了多个版本的历表，成
为国际地球自转服务（ＩＥＲＳ）规范推荐动力学天球参考架的实现，
当前最新版本为ＤＥ／ＬＥ４３６。俄罗斯应用天文研究所（ＩＡＡ）于１９７４年开始编制行星／月球历表，最完整的历表为ＥＰＭ８７，之后逐步改进，于２００６年后相继发表了ＥＰＭ２００４、ＥＰＭ２００８、ＥＰＭ２０１１、ＥＰＭ２０１５等多个版本的历
表，当前最新版本为Ｅ
ＰＭ２０１７［４］
。法国虽然最早开始太阳系行星历书的计算和出版，但是直到
１９９８年天体力学和历书计算所（ＩＭＣＣＥ）成立后才开始编制行星／月球历表，于２
００８年发表了第一个
第３期任红飞，等：国内外深空基准发展现状与启示
版本的历表ＩＮＰＯＰ０６，之后陆续推出ＩＮＰＯＰ０８、ＩＮ ＰＯＰ１０ａ、ＩＮＰＯＰ１０ｂ、ＩＮＰＯＰ１０ｅ、ＩＮＰＯＰ１３ａ、ＩＮ ＰＯＰ１３ｃ等多个版本，当前最新版本为ＩＮ ＰＯＰ１７ａ［５］。所有历表均以广义相对论为基础，采用特殊摄动的数值积分方法得到，但具体在动力学模型、观测数据处理、解算参数设置等方面各有不同。在动力学模型方面，当前ＥＰＭ历表额外考虑了小行星和ＴＮＯ（Ｔｒａｎｓ－ＮｅｐｔｕｎｉａｎＯｂｊｅｃｔ
ｓ）环对内行星的影响，以及小行星环对外行星的影响；在观测数据方面，不同系列行星历表使用的观测数据随时间呈递增趋势，不同系列历表的接近版本在使用测量数据和测量残差方面基本相当；在解算参数设置方面，根据所用观测资料和具体应用目标，不同历表在解算参数设置方面不尽相同。
我国在编制和利用太阳系天体（日、月）历表方面历史悠久，自商以后，历代王朝均设置专门机构观察天象、制定历法。中国古代对于天象的观测曾经长期领先，数据归算水平也曾十分先进［２］。近代科学发展以后，我国开始落后于西方。明代崇祯年间，徐光启领导下的历算组聘请专家编纂了《崇祯历书》，全面引进了欧洲天文学理论，对中国天文学向近代模式发展有相当重要的作用。２０世纪６０年代以来，空间技术的发展为高精度行星／月球历表编制提供了契机。我国也着手从理论和技术层面开展研究，并在基础理论研究方面取得重要进展。但与国外相比，我国在行星观测方面技术薄弱、数据匮乏。本世纪以来，国内紫金山天文台等研究单位逐步开始研究行星／月球历表的构建理论与方法，取得了重要研究成果［６］。在观测技术方面，随着我国深空探测活动的增多，我国构建了仅次于美国、俄罗斯、欧洲的深空测控系统，测距精度已达到１ｍ，测速精度已达到１ｍｍ／ｓ，差分干涉测量时延精度已达到１～２ｎｓ，时延率精度已达到１ｐｓ／ｓ［７］。随着后续月球、火星、木星等众多深空探测活动的实施，我国构建行星／月球历表的能力将显著提升。２ ２　射电天球参考架发展现状
射电天球参考架是基于运动学概念，通过一套河外射电源的位置来描述惯性空间的参考架。１９９１年，国际天文联合会（ＩＡＵ）第２１届大会提出采用河外射电源位置为基准的河外射电参考系作为天球参考系。截止目前已经完成了天球参考系的４次实现（如图１所示），称为国际天球参考架（ＩＣＲＦ）。ＩＣＲＦ主要以河外射电源（类星体、ＢＬ
Ｌａｃ源、活动星系核）为客体，由ＩＡＵ下设的参考架工作组（ＷＧＲＦ）负责实现。ＩＣＲＦ的第一次实现在１９９５年，包括２１２颗定义源，２９４颗候选源，１０２颗补充源；１９９９年，ＷＧＲＦ公布了扩充后的版本ＩＣＲＦ－Ｅｘｔ．１，该版本不仅增加了原有射电源的观测时段，还新增５９颗源作为候选源或补充源；２００２年，再次扩充后的版本ＩＣＲＦ－Ｅｘｔ．２公布，该版本中射电源的观测时段增加了一倍，并新增５０颗源作为候选源或补充源；２００９年，ＩＥＲＳ／ＩＶＳ工作组联合ＩＡＵ第一工作组公布了最新的版本ＩＣＲＦ２，重新选定了２９５颗射电源作为定义源，射电源的总数达到３４１４颗，近乎５倍于ＩＣＲＦ－Ｅｘｔ．２，观测数据为１９７９年至２００９年间共计４５４０个时段，共计６５０万的ＶＬＢＩ延迟观测量，其实现精度也比之前的版本提高约５～６倍。２００９年第２７届ＩＡＵ大会推荐从２０１０年１月起正式启用ＩＣＲＦ２［８］。ＩＣＲＦ２在射电源数量上比前一版本有大幅提升，达到３４１４颗，但其中有近２２００颗源为单历元观测，其位置精度比其他源差５倍以上。此外，目前ＩＣＲＦ２在南天４０°以南的数量较少，导致空间分布不均匀。与此同时，大量观测结果表明，ＶＬＢＩ在高频观测射电源时点源更多、精度更高，而当前高频观测数量远远不足。为此，国际上正在进行“ＩＣＲＦ３Ｏｎｇｏｉｎｇ”计划，其主要目标是：①改进甚长基线阵列校准测量（ＶＣＲＳ）的观测精度，使天球参考架的精度相一致；②增加南纬４０°以南的射电源数量，使天球参考架的空间分布更均匀；③增加更多的高频（Ｋ、
９
测绘科学与工程第４
０卷Ｘ／Ｋａ）观测，改进天球参考架的高频覆盖
［９，１０］
。图１　Ｉ
ＣＲＦ的４次实现  射电天球参考架的现有观测数据来源于近３０年累积的多个国际组织的ＶＬＢＩ测地／天测任务。这些组织包括美国宇航局（ＮＡＳＡ）戈德飞控中心（
ＧＳＦＣ）与喷气推进实验室、美国大地测量局、
美国海军天文台与海军研究实验室、德国波恩大学大地测量系以及日本地理测绘局等。自
１９９９年起，ＩＶＳ开始接管ＶＬＢＩ测地／天测的组织协调任务，但观测任务的实施、数据产品的处理与分析仍由各个组织独立进行。观测台站方面，参与观测的射电望远镜分布于全球各大洲，观测数据主要用于大地测量领域，但也可以为天体测量
研究服务。在历次Ｖ
ＬＢＩ观测任务中，全球先后有５３台射电望远镜参与观测，单次观测的组网台站从２站到２０站不等，组网天线口径从３ｍ到１００ｍ不等。目前ＩＶＳ有３４台射电望远镜定期或不定期参与ＶＬＢＩ观测，其中位于南半球的有７台。另外，美国ＶＬＢＡ是ＩＶＳ合作台站，对提高国际天球参考架的精度做出了重要贡献。在实现
ＩＣＲＦ２的过程中，其观测数据量占到总数据量的
２８％，将Ｉ
ＣＲＦ精度提升约一倍以上［８］
。我国在河外射电源观测方面，只有上海天文
台和新疆天文台作为Ｉ
ＶＳ的成员参与国际ＶＬＢＩ的少量观测任务。近年来，昆明４０ｍ、上海６５ｍ射电望远镜相继参与到欧洲ＶＬＢＩ网（ＥＶＮ）、东亚ＶＬＢＩ网（ＥＡＶＮ）等国际ＶＬＢＩ观测网络中，以期通过合作逐步提升我国ＶＬＢＩ观测水平并开展相关科学研究。目前国内正在建设ＶＬＢＩ测地网络，
主要目标是测定地球定向参数。随着ＦＡＳＴ望远镜常态运行和新疆１
１０ｍ射电望远镜建设，我国在河外射电源观测方面的能力将大幅提升，可望为射电天球参考架的精化和加密作出贡献。
２ ３　光学天球参考架发展现状
光学天球参考架是基于运动学概念，以某一历元的一组恒星位置来描述惯性空间的参考架，又称恒星星表。从观测方法上讲恒星星表有基本星表和照相星表之分。基本星表属于大视场的天
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第３期任红飞，等：国内外深空基准发展现状与启示
体测量方法，是绝对测量；照相星表属于小视场天体测量，是相对测量［１１］。国外第一个表征经典天球参考系的星表由英国天文学家弗兰斯提德在望远镜观测数据的基础上汇编而成［１２］。之后布拉得雷于１７９８年和１８０５年分两卷出版了由其编制的星表，其精度远远超过了在此之前的所有星表，为之后基本星表的编制工作做出重要贡献。１８１８年贝塞尔将布拉得雷星表的恒星数扩充到５００００颗，１８５９年－１８６２年阿格兰德尔出版ＢＤ星表，１８８６年申费尔德出版ＳＤ星表［１３］。２０世纪经典天球参考系通过一系列基本星表来实现。１９３８年ＩＡＵ采用ＦＫ３基本星表，１９６４年采用ＦＫ４星表，１９８８年采用ＦＫ５星表。建立ＩＣＲＳ后，使用依巴谷（Ｈｉｐｐａｒｃｏｓ）星表作为其光学实现。依巴谷星表是由欧洲空间局（ＥＳＡ）的依巴谷空间任务提供的高精度星表。１９８９年８月，欧洲空间局发射第一颗天体测量卫星，开辟了空间天体测量的新纪元［１４］。依巴谷星表包含１１８０００多颗恒星的位置与自行数据，位置精度为几毫角秒，自行精度为几毫角秒每年。这些信息也被用来编制第谷星表，第谷１星表包含１００万颗恒星的位置、自行数据，精度约为２５ｍａｓ与２５ｍａｓ／ａ。包含２５０万颗恒星位置的第谷２星表整体误差为６０ｍａｓ。依巴谷卫星后，欧空局提出了一个新的天体测量卫星任务，称为盖亚（Ｇａｉａ）。该卫星于２０１３年１２月发射，在计划持续５年的任务期间内，每个天体可被观测７０次。盖亚计划将编纂
一个包含１０亿颗恒星的星表（每个天体观测７０次），１０等星精度为１０μａｓ、１５等星为２０μａｓ。目前，盖亚卫星已经公布两期观测数据，第一期数据公布于２０１６年９月，包括仅使用盖亚数据的１１亿颗恒星的位置和星等，基于盖亚和第谷（Ｔｙｃｈｏ）数据的２００万个恒星的位置、视差和自行，３０００多颗变星的光变曲线和特性，以及２０００多颗用于定义天球参考架的河外射电源的位置和星等。第二期数据发布于２０１８年５月，数据包含１３亿颗恒星的位置、视差和自行与３亿颗恒星的位置，１１亿颗恒星的红和蓝光度数据与４亿颗恒星的单测光数据，７亿颗星等在４～１３之间恒星的平均径向速度，以及超过１４０００个太阳系目标的观测数据。第二期数据的坐标使用盖亚天球参考架（Ｇａｉａ－ＣＲＦ２），该参考架使用５５６８６９个被认为是类星体的源实现，与ＩＣＲＦ３的初步版本的整体差异在２０～３０μａｓ之间［１５，１６］。
此外，国外还研究出了多个基于地面照相观测的星表和针对其它特殊目的而编制的星表。照相星表如施密特改正镜测量星表、美国海军天文台ＣＣＤ照相天图星表等；专用星表如暗星星表、变星星表、黄道星表等。
我国是世界上最早编制恒星星表的国家。公元前４００年我国战国时魏国天文学家石申著有《石氏星经》是世界上最古老的星表，其中载有二十八宿距星和１２１颗恒星的位置［１７］。二十八宿的创设是古代天文学的一大进步，在观象授时、制定立法方面发挥了重要作用。有学者认为中国古代的天文学在逻辑性和实用性方面毫不逊于埃及、希腊以及较晚的欧洲天文学。在天文观测仪器方面，中国于汉代就开始浑仪的制造，唐代后逐渐完善。宋代开始探索浑仪的简化途径，到元代由科学家郭守敬完成，其创制的简仪在世界上遥遥领先３００多年，直到１５９８年丹麦天文学家第谷所发明的仪器才能与之媲美。新中国成立以来，我国光学观测取得长足进展。目前已有通用型光学望远镜的最大口径为２
１６ｍ，２００９年建造完成有效口径为４ｍ的巡天望远镜———郭守敬望远镜（ＬＡＭＯＳＴ）。２０１６年国家发改委在《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》中提出将建设一台１２米级口径光学红外望远镜，具备多目标、暗天体高分辨成像和光谱观测的精测能力，最暗天体成像极限亮度达到２８星等，最暗天体光谱极限亮度达到２５星等。设施建成后，使我国光学极限探测能力处于国际领先行列，大幅度提升天文观测重大发现的综合能力，同时为相关领域的前沿研究提供重要支撑，带动我国光学技术的创新发
１
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测绘科学与工程第４
０卷展
［１８］
。此外，我国还计划于２
０２２年发射口径为２ｍ的中国空间站巡天望远镜，中国南极昆仑站也将建造一台口径２
５ｍ的巡天望远镜。这些望远镜的在履行科学目标的同时，也将为光学参考架的精化提供技术支持。
２ ４　脉冲星星表发展现状
脉冲星是旋转的中子星，具有超高压强、超高温度、超高密度、超强磁场和辐射。脉冲星星表主要由脉冲星在天球的位置、自行和一些物理参数来表征，是开展脉冲星观测、研究脉冲星科学理论、构建脉冲星时间系统与发展脉冲星导航的基础。
由于距离遥远，脉冲星的信号辐射到达地球后十分微弱，因此建立脉冲星历表需要利用灵敏度极高的射电望远镜开展长期观测。脉冲星观测
已经有５
０年的历史。目前在射电波段已经发现了２６
００余颗脉冲星，并初步建立了脉冲星星表。为开展脉冲星时间尺度研究、引力波探测、行星／
月球历表精化等科学与工程目标，国外正在组织大型射电望远镜形成计时阵列，合作开展高精度脉冲星观测
［１９］
。当前主要合作观测项目有三项，
分别是澳大利亚Ｐ
ａｒｋｅｓ望远镜脉冲星计时阵（ＰＰＴＡ）、北美纳赫兹引力波探测天文台（
Ｎａｎｏ Ｇｒａｖ）和欧洲脉冲星测时阵（
ＥＰＴＡ）［２０］
。这些项目通常对一组毫秒脉冲星每两到三周进行一次测时观测，每个毫秒脉冲星的典型持续观测时间为
１ｈ。其中，澳大利亚Ｐａｒｋｅｓ望远镜脉冲星计时阵常规监测２
０颗毫秒脉冲星，Ｊ０４３７－４７１５的计时精度可达１００ｎｓ；北美纳赫兹引力波探测天文台常规监测３
段仲仪６颗毫秒脉冲星，Ｊ１７３７＋０７４７的计时精度可达３０ｎｓ；欧洲脉冲星测时阵常规监测毫秒脉冲星１
８颗［２０］
。几乎全世界所有的大型射电望
远镜都参与到以上三个计时阵列当中，
它们包括：澳大利亚Ｐａｒｋｅｓ、美国Ａｒｅｃｉｂｏ、美国ＧＢＴ、德国的Ｅｆｆｅｌｓｂｅｒｇ、英国的Ｌｏｖｅｌｌ、法国的Ｎａｎｃａｙ、荷兰的ＷＳＲＴ和意大利的ＳＲＴ等（如图２所示）
。图２
　国外参与脉冲星计时观测的大型射电望远镜  我国射电脉冲星观测始于上世纪９０年代，１９９６年，中科院新疆天文台利用南山２５ｍ射电望远镜率先在国内开展脉冲星观测
［２１，２２］
。近年来，
昆明４０ｍ、佳木斯６６ｍ、上海６５ｍ相继投入到脉冲星观测之中。但是在观测能力和业务实施方面与国外还有较大差距，无法满足构建高精度脉冲星
星表的需求。２
０１６年９月２５日ＦＡＳＴ建成后极大地提升了我国射电脉冲星的观测能力，实现了我国利用自己射电望远镜自主发现脉冲星的愿
望。截至２
０１９年８月２８日，ＦＡＳＴ已发现１３２颗优质的脉冲星候选体，其中有９３颗已被确认为新发现的脉冲星。然而Ｆ
ＡＳＴ的覆盖天区和跟踪能力有限，
仍需要有更多大口径望远镜对其已发现脉冲星开展长期监测，并对其观测天区之外的脉
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