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从村庄到火星(第八章、刘庆会)
以轻松幽默的风格,自述了一位农村娃,成长为科技工作者,参加嫦娥探月和天问探火,并做出一点贡献的故事。六十年的人生阅历,凝聚成了17万字。另外,以诗歌或散文,介绍工作科研、科学普及、差旅见闻、风花雪月、杂感等等。
8 水泽观测所(2003年4月-2009年4月)
2003年3月31号,我们一家四口,我、妻子,还有11岁的宝贝女儿和3岁的调皮儿子,浩浩荡荡地从日本最南边的鹿儿岛市,来到了北边的岩手县水泽市(现改为奥州市)。我也就此开启了在日本国立天文台水泽观测所的科研生活。
当时在水泽观测所上班的平研究员,热情得很,把我们接到了国立天文台的宿舍。您猜怎么着,这宿舍的租金便宜得就跟白捡似的,三间小平房外加一个很大的院子,一个月才5000日元(大概就350块人民币),比我在鹿儿岛的房租每月4万日元便宜太多了。4月份的时候,鹿儿岛那边早就春暖花开,樱花都谢了,可这北方的水泽,天气还冷得很,阴凉地儿甚至还能瞅见积雪。我这心里一慌,赶紧跑去商店买了被褥啥的,毕竟从鹿儿岛托运的行李还得过两天才到,就这么凑合着过了一夜,那感觉就像在冰窟窿里打了个盹。
第二天上午,我跟个救火队员似的,火急火燎地跑去水泽市役所(市政府),给我们四口人办理市民登记、国民医疗保险、女儿入学、儿子疫苗注射这些杂七杂八的手续。您还别说,在日本办手续那叫一个轻松,我就花了一个多小时,跟玩儿似的就搞定了,一点儿心理负担都没有。下午我又去买了两辆自行车,以后这自行车可就是我们全家在水泽的专属座驾,顺便还办了银行卡啥的。
我们住的宿舍就在水泽观测所园区内,我从二楼办公室到家,也就100来米的距离,我估计应该是通勤时间最短的员工了,溜达两步就到家,简直不要太爽!
水泽观测所原来叫国际纬度观测所,早在1899年就成立了。19世纪末的时候,国际大地测量协会(IAG)搞了个“国际极运动观测计划”,就想通过全球多个观测站来监测地球自转轴的变化。为啥选水泽呢?因为它正好在北纬39度8分,接近标准纬度圈,和全球其他5个观测站一起组成了观测网络。那时候的科学家用天顶仪精确测量天体位置,然后分析地球自转轴的变化。
东京大学天文学科毕业的木村荣,在1899年成了水泽观测所的首任所长,带着大家搞国际纬度观测项目。1902年,他在分析纬度变化数据的时候,发现地球自转轴有个周期约14个月、振幅约0.3角秒的微小摆动,他当时就用Z这个字母表示。后来被命名为“木村项”(Kimura Term),成了地球物理学的重要理论。他也因此在1911年拿了日本学士院奖,1936年又得了英国皇家天文学会金质奖章,可谓荣誉满满!因为这木村项又叫Z项,你到水泽就能看到,市民中心都叫Z馆,木村项的影响力真不小!
水泽观测所1988年并入了日本国立天文台,主要搞VLBI、SELENE探月这些研究。原来有一座平房改成了木村荣纪念馆,前面还立着他的半身铜像。还有一座德式的二层楼房改成了科普馆,对外免费开放,是个涨知识的好地方。
水泽观测所有两台紧挨着的射电望远镜。一台20米的,算是年轻小伙儿,观测波段有S、X、K和Q波段(大体上2到45GHz),是VERA网的四个射电望远镜之一。另一台10米的,就是个老古董,观测波段为S、X和K波段(大体上2到23GHz)。我读博士的时候就用过它,感觉就像见到了老熟人一样。
水泽市坐落在北上川的下游,那河就跟一条调皮的巨龙,“唰”地从市区中间穿过去。这儿自然风光很美,多是山地和丘陵,就像一幅天然的大画卷。水泽观测所在一个叫星之丘的地方,这名字听着就感觉星星都能掉你头上似的。
水泽市就是个小镇,人口满打满算才5万。你要是乐意,两条腿一迈,溜达溜达就能把整个小镇逛个底朝天。全市最高的建筑也就6层,大部分都是2层的小楼,甚至还有好多平房,就像我家住的宿舍就是小平房。不过你可别小瞧它,医院、学校还有各种设施那是应有尽有,和大城市比起来,也差不多。在这儿工作生活,那叫一个安逸,跟泡在温泉里似的舒服。
水泽观测所30来号员工,平常住在园区的就平研究员和我们一家四口。可这平研究员没待多久,就回上海天文台工作去了。我在水泽这一待就是6年(我妻子和孩子们待了7年),周末和节假日,园区里就我们一家四口唱“独角戏”。日本的研究人员工作起来那叫一个认真负责,但也不会跟个永动机似的拼命干。周六和周日,他们很少来加班。这水泽观测所几十亩的大草坪和小树林,就成了我们一家四口的专属游乐园。春夏秋三季,我们就在园区里放风筝、踢足球。冬天,就在雪地里打雪仗、疯跑,跟一群没长大的孩子似的。更绝的是,园区里有好多柿子树,每年秋天,那柿子跟拳头似的,又大又圆。我们把它们摘下来,往纸箱里一放,喷点酒烘一烘,没几天,那柿子就变得柔软香甜,随便吃,感觉自己都快变成柿子精了。
水泽市小得可怜,周围全是耕地。除了大片种水稻的,还有些小块地用来种菜。水泽观测所有个退休老员工,人特好,给了我200多平米的地,让我可劲儿折腾。我就跟个“种菜小白鼠”似的,种了地瓜、花生、生菜、草莓、韭菜啥的,可收成惨不忍睹,就跟考试不及格似的。不过也有成功的例子,种豆角就大丰收。9月前后那阵子,每天能摘10多斤豆角,感觉家里都快变成豆角仓库了,根本吃不完。大蒜也好种,有一年我们用自己种的蒜腌糖蒜,搞了好几大瓶,吃了将近一年,感觉自己说话都带着蒜香味儿。小西红柿也容易伺候,让它自由发枝自由长,一颗西红柿能发出几十个枝,每天能摘一大碗小西红柿。要说生长最快的,还得是茴香苗,根本不用特意种,不知道从哪儿刮来一颗种子,春天就自己发芽了。这芽长得那叫一个快,一天一个样,一个月后,就跟个小巨人似的,长出几十个枝,一米多高。摘点细嫩的枝叶包饺子,那叫一个爽,感觉就跟取之不尽用之不竭的宝藏似的。
我们一家四口收入也不高,过日子就得精打细算。我就经常晚上6点半左右去水泽较大的超市,专挑加工后的食品买,像生鱼片、炸鱼、糖醋里脊啥的。为啥呢?因为这些加工后的食品必须当天卖完,晚上6点半开始,就跟大甩卖似的半价销售。我每次去,都感觉自己像个捡漏大王,能省不少钱。
我在水泽观测所的主要工作就是研究月亮女神SELENE(也就是日本版的嫦娥工程)。
这个SELENE可不是一个简单的卫星,而是一个“三件套豪华套餐”——主卫星带着两个小卫星Rstar和Vstar,绕着月球转悠。主卫星是个稳重的三轴稳定卫星,飞在100千米的圆形极轨上;而两个小卫星Rstar和Vstar就比较“放飞自我”,一个飞在远月点2400千米、近月点100千米的椭圆轨道上,另一个则在远月点800千米、近月点100千米的轨道上撒欢儿。
Rstar是月球背面的“传话大师”,主要任务就是搞“4程多普勒测量”——简单来说,就是当主卫星跑到月球背面时,Rstar就充当信号中转站:地面测站发个上行信号:“Rstar!帮我给主卫星捎个话!”,Rstar收到信号后说:“好嘞!”接着转发给主卫星。主卫星收到信号后说:“收到!”,接着又转发给Rstar。Rstar收到后说:“报告地面!主卫星回信了!”,再传回地面。所有这些信号的传输都是通过锁相环实现的,所有信号的基准都是地面上的氢原子钟。
这样一来,就算主卫星飞到月球背面,我们也能通过4程多普勒数据摸清它的轨道,在世界上首次实现了月球背面重力场的精确探测!
但光有Rstar还不够,咱得知道它自己飞哪儿了吧?于是Vstar出场了,它的任务就是和Rstar作伴,开展同波束VLBI测量。
Rstar和Vstar各自发射3个不同频率的信号(2212、2218、2287MHz)和一个X频段(8456GHz)的信号,然后我们在地面用射电望远镜同一个波束同时观测两个卫星。观测它们的信号在两个测站和两个卫星间的相位差,得到差分相时延,最后算出两个卫星之间的相对位置。这样,Rstar和Vstar的轨道精度提高了,连月球边缘的重力场都能测得更准!
为啥同波束VLBI测量精度高呢?因为在两个卫星间又进行了一次差分,而这两个卫星的距离较近,它们的信号到达测站的路径几乎相同,通过差分,就几乎全部去除了地球大气、电离层和观测装置内部时延的影响,得到了比较纯粹的反映两个卫星相对位置的差分相时延观测量。
说白了,这一整套操作的核心目标就是提高月球全球尤其是月球背面的重力场的解算精度。这也是我在水泽观测所的主要研究内容。
2003年我踏进水泽观测所的大门时,项目的“蓝图”——方案设计——都快画完了!我直接从战场硬核的部分入手:设备测试和关键技术验证。
实际上,水泽的探月小分队满打满算也就十来人,堪称精英中的“袖珍”版。领头的是河野教授和ISAS来的岩田副教授这两位“大老板”。并木副教授和花田副教授是我们两颗小卫星的“包工头”,专门盯着厂家把它们从图纸变成实物,还得通过各种“魔鬼测试”。菊池博士是VLBI软件的码神,我荣幸地扛起了关键技术研究、设备测试和观测的杂耍大旗——哪需要顶哪里!松本博士和后来加入的Sander博士,专门负责定轨和重力场解算。
我接手的第一个活儿就是琢磨S波段同波束VLBI的观测机会。按公式计算(波长除以天线口径),对20米口径的大锅来说,只要Rstar和Vstar两颗卫星之间的角距离小于0.4度,就能玩同波束VLBI这招儿。月亮本身也就0.5度那么大!所以这观测机会多得像食堂饭点的人头——管够!
当然啦,甘蔗没有两头甜。为了提高同波束观测机会,我定了个规矩:只要它俩小于0.4度就上同波束观测!但这也有个小风险:万一赶上点子特别背,信号信噪比可能直接腰斩(降3db),这俩卫星的信号本来就弱得像蚊子哼哼,再弱点儿可咋整?我把这“甜蜜的烦恼”抛给小组讨论,结果大家你看我,我看你,愣是没人敢拍这个“甜蜜的板”。得嘞,我这“技术杂耍手”一想,同波束机会优先!胆子一肥,就这么愉快地决定了!
玩VLBI,终极目标是要拿到精度逆天的皮秒级差分相时延数据。这就意味着相关相位精度得控制在4.3度以内——好家伙,这要求各个流程严苛得堪比在针尖上跳芭蕾!大气和电离层捣乱引起的相位抖机灵?还好,通过差分处理两颗距离很近的卫星信号,基本能把它俩“抵消”掉。但天线波束内部、各个设备本身的“相位小脾气”?这就得亲自上手,好好测试一番了。
这套VLBI观测设备的流程,简单说就是:天线接收信号→两次变频(把频率压到几十kHz)→低通滤波器过滤一下→最后请出记录设备SRTP,把它变成数字信号存起来。
为了摸清设备内部时延和相位的套路,我首先开刀的是下变频器和低通滤波器。一测它们的相频特性,哟呵,这低通滤波器“不太直溜”啊!相位随频率变化弯弯曲曲,一点不直。扒开它的“内脏”一看,原来是切比雪夫型的设计——这类型相位非线性可是出了名的“拧巴”。赶紧在组里吆喝一声:“这滤波器得改!” 我立马给它换成相位特性更线性的巴特沃斯型。再测试,相位随频率变化的曲线瞬间就捋直了!
SRTP这家伙是外购的“黑盒子”,功能是把模拟信号变成数字信号(采样频率200kHz、6比特、同时采4个通道)。买回来不能直接用啊,得验货!我输入个标准正弦波,自己吭哧吭哧写了段测试程序跑起来……结果傻眼了:好几个通道的数据对不上号!一查,好嘛,厂家工程师把通道数据搞混了!这波“严谨的日本制造”滤镜碎了一地……只能改软件给它“掰”回正道。
这让我深深领悟到:传说中的“日本工程师绝对严谨”?嗯…至少在这滤波器和SRTP身上,滤镜碎得噼里啪啦。问题还得靠咱自己一点点扒拉出来,再一点点缝缝补补。
搞同波束VLBI,最担心的是:俩卫星信号虽然都在天线的主波束里,但走的路径可不同,这“相位差”能有多大?光算不行,得上实验!我祭出水泽观测所的看家宝:10米和20米两台射电望远镜。让一个望远镜死盯着地球同步轨道卫星不动,另一个则以卫星位置为中心“手动”扫描。为啥手动?因为这俩望远镜都没有合适的自动扫描程序!悲催的我,只能每分钟手动输入一次方位和俯仰的偏置量。几百个点啊!那场面,我左手饭团右手饮料,笔记本电脑里单曲循环着当年的华语顶流:刀郎在唱《2002年的第一场雪》,沙宝亮深情演绎《暗香》,周董哼哼着《东风破》,S.H.E 则在耳边疯狂洗脑 “你是电,你是光,你是唯一的神话!”就在这“魔性”的背景音里,我像个设定好的人形闹钟,每分钟机械地戳一次键盘输入数据。前后搞了二十多个小时,终于测出来——主波束内的相位变化也就3度左右!妥了,同波束VLBI观测可行,差分相时延有戏!
2004年,我用SRTP等设备观测了双星和Geotail卫星,成功拿到了S波段的相关相位数据,顺便摸清了卫星自旋对相关相位的影响。
这些“踩坑”加“填坑”的心得血泪,最后变成了发表在IEEE和IEICE上的论文。IEEE的审稿大佬特有意思,一边夸成果扎实,一边还化身“贴心英语外教”帮我改稿子。我写的那些“从句套从句,套娃无止境”的长难句,经常被大佬无情拆解:“不是母语者就别整这么复杂的句型了。你看,我帮你拆成三句话,读起来是不是丝滑多了?” 您还别说,改完后一读…嗯,大佬诚不吾欺!
接着我又搞了4程多普勒技术的研究。中继星Rstar是这场“信号接力赛”的灵魂人物,它在头顶和脚下各装了2个平面天线,负责把地面的信号传给主卫星,再把主卫星的回信转回地球。这些信号都是右旋圆偏振信号,简单来说,就是在空中打着右旋小陀螺飞行的电波。
不过,Rstar是个停不下来的“自转狂魔”,也就是我们常说的自旋卫星。它这么一转不要紧,平面天线也跟着转,平面天线的相位不均匀性就直接影响多普勒的测量精度,误差蹭蹭往上涨。问题来了:这相位不均匀具体啥样的?能不能给它们摁住?这活儿,就落在我头上了。
于是我开启了我的“屋顶物理小作坊”。把那块关键的平面天线架在一个电动旋转台上,让它在屋顶上扮演信号发射站。给它输入个正弦波,让它开始发电波。接着,水泽观测所的10米“大锅”(射电望远镜)虎视眈眈地对准了它,SRTP记录仪也接上记录数据。
实验开整!第一步,让平面天线老老实实呆着别转圈儿,记录一波信号当“原生态样本”。然后,仪式感拉满:深吸一口气,启动旋转开关,让平面天线开始旋转,SRTP继续记录数据。
然后捣鼓这些数据。我编了段程序:先把信号在软件里“榨汁”,变频到1kHz(相当于把高速运动慢放);再用带宽窄得像门缝(20Hz)的线性滤波器过滤掉杂音;最后,每隔0.1秒,用“相位拟合大法”,测出精度高达0.0005 Hz的多普勒数据!
结果出炉,喜剧效果拉满:当平面天线从不转到开始转的瞬间,多普勒数据“啪叽”就跳了一个台阶——不多不少,正好0.105 Hz!这就是教科书级别的多普勒效应现场直憋!再把多普勒残差进行傅里叶变换,嘿!0.105 Hz以及它的N倍小弟们(整数倍频率)强度爆表,把背景噪音甩出N条街!这就是平面天线转圈带来的“相位之舞”铁证!更妙的是,我对这些0.105 Hz家族的“显赫成员”一顿积分,就把平面天线的相位特性给精准测量出来了!
这个实验彻底扒光了卫星自旋和天线相位是怎么联手祸害多普勒测量精度的。于是我提出了关键性建议:多普勒测量的间隔必须减小!原来想1秒测一次?不行!必须加把劲,0.1秒测一次!只有这样,才能把这捣蛋的相位不均匀从真正的月球重力场信号里区分开和揪出来。要是还按原计划懒洋洋地1秒一测?得,这俩就在数据里混在一起,月球背面的重力场信号——您就甭想找着了!谢天谢地,大家全票通过了我的提案。
这项研究成果,我也在IEEE发了论文。我得意地在论文里写:“看!我这法子,天线一转圈,相位特性就现原形,根本用不着那贵得肉疼的屏蔽室!”结果,审稿大牛在意见里回复:“你这成果确实有趣又重要,接收是肯定的。但是吧…,‘不需要屏蔽室’这种话就免了吧!你只是刚好有个现成的10米射电望远镜,配套齐全,当然省钱。可那些家里没有射电望远镜的研究人员怎么办?修个大锅的钱,也不低吧!”
2004年,我申请到了日本学术振兴会(JSPS)的外国人特别研究员,这可算是个”肥差”!每年资助200多个刚毕业不久的博士生,我就是其中一个幸运儿。因为那段时间我在同波束VLBI和四程多普勒技术的研究下了功夫,取得了一点成绩,也能为SELENE探月任务贡献力量,所以申请一次就”中了彩票”,每个月能拿到约40万日元的奖学金,当时换算成人民币大概2.8万左右。我拿到通知书非常高兴,向中奖似的跑回家告知妻子。心想,至少这两年,不用6点半去买打折食品了吧。
而且这是奖学金,不是工资!所以不用缴税,也不用交养老保险,这对于将来要回国的我来说很合适。相比之下,国立天文台水泽观测所给的工资可就逊色了。于是乎,我果断以JSPS Fellow的身份在水泽观测所”打工”。说来也搞笑,我这工作内容跟之前一模一样,只不过是换个身份,相当于水泽观测所白找了一个”打工人”。
我虽然主业就是捣鼓SELENE(月亮女神)这摊子事儿,但和鹿儿岛大学的西尾副教授的合作友谊小船一直没翻!我博士论文里就“画了个饼”:要是能整三个观测站,用VLBI先测出每两个测站之间(基线)的差分相位,得到基线大气相位抖动。由于两个站点相隔千里,几千秒以内的短周期相位抖动基本可以当成是“各抖各的”,相互独立。所以,从两个测站得到的相位抖动,其实是两个测站相位抖动的叠加!如果有三组这样的“和”,咱就能像解方程一样,把每个站点的大气相位幅度给反演出来!
西尾副教授一听我这脑洞,大腿一拍:“靠谱!”后来就指挥手下的年轻硕士们,吭哧吭哧又搞了三台小天线,分别杵在水泽、鹿儿岛和小金井市。这帮年轻人很给力,几乎连续观测了将近50个小时!数据哗哗地来,硬是把“饼”给烙成了。
然而,这香喷喷的“饼”出炉后,就一直躺平了!迟迟不见它变成论文飞向学术期刊。后来有次巧遇西尾副教授,我就好奇了:“上次那50小时观测的成果呢?怎么没发论文呢?”他一脸苦笑:“哎哟,别提了!你毕业跑去水泽后,后面接棒的年轻硕士生们…那个英文科技论文写作能力嘛…咳咳,与论文发表所需之间,存在一条难以逾越的鸿沟啊。我呢?也忙得脚打后脑勺,实在没空当写手啊。” 说罢,他大手一挥,仿佛甩掉一个大包袱:“得,数据都给你,你看着办吧!”
接盘就接盘吧!我吭哧吭哧把数据处理了一段时间,果然得到了三条基线的相位抖动数据,再用咱当年的“独门秘方”反演出各个站点的相位抖动,最后请出阿伦方差大神做了一番分析,啪啦啪啦写了一周,一篇IEEE论文就这么顺顺利利、稳稳当当地发表了!
当时,我们小组可忙了,一手负责两个小卫星,另一手还得伺候激光高度计的测试。当然,激光高度计本身是厂家研发的,它成长路上也是磕磕绊绊:镜面污染、镜面破裂…技术难题跟青春期烦恼似的层出不穷。我在这场大戏里,就客串了一把峰值保持器的临时工。
这峰值保持器,可是我的老熟人了!当年捣鼓试验机的时候,它就是我工具箱里的常客。原理也很简单:一个运放当苦力输出,一个二极管当门神(信号大了开门充电,信号小了关门保峰值),再加一个存储电容当仓库。信号涨它就充,信号跌它就关——妥妥一个“只涨见识(电压)不跌份”的机灵鬼。当然,电容也偷偷漏电,所以这峰值啊,就跟人的记性似的,会慢慢“糊掉”。
按说厂家造这个该是老戏骨了吧?结果一测试,好家伙!峰值保持效果蔫了吧唧,关键还忘了给它装放电开关!这就尴尬了:它好不容易逮住一个峰值,就像松鼠藏了个大坚果,死死抱住不放。想测下一个?您得先搬个小板凳,坐等电容这位慢性子自己慢慢把电漏出去!
我连夜抄起万用表、电烙铁等,对着电路板就是一顿“望闻问切”。果然,电容参数不合适,关键缺了放电开关这根“救命稻草”。赶紧跟厂家说:“电容得换,开关得加!不然这峰值它‘赖着不走’啊!” 这才算把峰值保持器给收拾利索了。
所以你看,就算是宇宙大厂接的活儿,真拧螺丝钉的,指不定就是哪个刚毕业的小鲜肉工程师。想象中那种万无一失的精密流水线?不存在的!该翻的小船说翻就翻!
SELENE计划也要用乌鲁木齐25米射电望远镜观测,需要研发一台致冷接收机。水泽观测所一拍胸脯:“包在我们身上!” 然而,真相是水泽观测所并没有现成的致冷接收机研发人员。于是乎,河野教授和我,两位“半路出家的手艺人”,决定撸起袖子硬上!
情况是这样的:河野教授是小组的头儿,而且眼瞅着就要奔60岁了。所以,“硬上”这活儿……基本上,就是我一个人在折腾。
我们买来压缩机、杜瓦(保温大桶)、低噪声放大器、电源、波导同轴转换器、隔离器这些听起来就很贵的“乐高积木”堆了一桌子。组装!第一版方案很“耿直”:直接把波导同轴转换器怼在杜瓦的输入口上。开机,制冷……效果拔群!——可惜,拔的是冰。没多久,波导输入口处就冻成个亮晶晶的冰坨子,宣告首次喜提失败。
吃一堑长一智,第二版我们学乖了:给输入口加了一截不锈钢波导,优雅地延长了冷热交接的距离。冰是结不成了,我们击掌庆祝后一看读数……这接收机的噪声温度总比我们理想的数值倔强地高出那么几度。几度看着不多,但在追求极致的天文观测里,还是不能容忍。
于是乎,我那阵子就扎根实验室,活像个在精密仪器上搞“微创整容”的江湖郎中。今天瞅着隔离器和低噪放之间那根小铜带,觉得它细得像根营养不良的面条,非得给它加加粗;明天又觉得波导同轴转换器杵那儿位置不好,像堵了财路似的,非得拆下来给人家挪个好位置。
每场“手术”都是一次漫长的修行。给杜瓦拧开24颗螺栓,整理内部布局,给密封圈涂上一层密封胶,再安装好杜瓦抽真空、降温……全套流程下来,20多个小时就溜走了。
抽真空和降温这俩哥们经常并肩作战,我就在旁边当个安静的“吃瓜群众”。看着温度读数从室温的300K一路往下蹦跶,降到几十K还挺麻利。嘿,这时候就邪门了,温度卡壳了,真空度也赖着不降了,活像两个累瘫的马拉松选手在路边罢工。
别急!精彩来了!你得跟它耗上几十分钟,屏住呼吸。忽然!真空度跟打了鸡血似的,唰唰往下降!温度这墙头草一看兄弟跑了,也忙不迭地下降到20K附近了。
在我感觉那台可怜的致冷接收机快要被我折腾得散成零件之前,那顽固的噪声温度,终于像个被训服的小狗,乖乖趴到目标值上了!
实际上,致冷接收机的噪声温度主要取决于低噪声放大器的噪声温度、波导同轴转换器和隔离器的插损等。由于低噪声放大器一直没有换,我折腾的就是尽量降低波导同轴转换器和隔离器的环境温度,让它的插损对噪声温度的影响更小些。
SELENE的VLBI观测站网络,主要靠日本国立天文台VERA的四大金刚撑场子:水泽、鹿儿岛、小笠原、石垣岛四个测站。要是赶上需要火力全开的特殊观测,还得拉上外援兄弟单位——上海25米、乌鲁木齐25米、澳大利亚霍巴特(Hobart)和德国 Wettzell测站,阵容相当豪华。
我们把SRTP、低通滤波器,甚至金贵的致冷接收机这些宝贝疙瘩,打包运往全球各个测站。目标很明确:安装、测试,为2007年10月开始的VLBI观测做准备。
分工也很清晰,我负责水泽、小笠原、上海、乌鲁木齐这几个点的设备安装和测试,而我的好搭档松本,则扛起了霍巴特、Wettzell、鹿儿岛、石垣岛的安装重担。等设备都“安家落户”了,我就在水泽远程“发号施令”,进行试观测和最终调试——所谓的“运筹帷幄之中,决胜千里之外”。
水泽测站的安装测试,简直像在自家后院干活儿!设备就在观测所里头,抽空溜达过去就搞定了,轻松得仿佛只是去泡了杯咖啡。
麻烦的,是小笠原。这小笠原群岛是日本本州东南边一串“与世隔绝”的小岛,归东京都管,但离东京足有1200多千米!主要成员有分婿岛、父岛、母岛。我们的VERA望远镜,就稳稳蹲在父岛这个大约24平方千米的小岛上。
从水泽去小笠原的路线曲折,堪比取经路!先得坐新干线到东京,接着换乘那艘每周只发一班、单程耗时整整26个小时的客货两用船。为了省下那可爱的26000日元,我毫不犹豫地选择了二等票,睡在二层那能躺下几百号人的大通铺上。
船刚驶出东京湾,还能看见两岸高楼大厦的繁华景象,螺旋桨搅起的浪花拖出长长的白线,海鸥在船的周围伴飞着,还挺有那么点“启航”的仪式感。
然而,当海岸线彻底消失在视野,太平洋露出了它“温柔”的真面目——船开始了它规律得像节拍器一样的、10几秒一次的颠簸运动,永不停歇!我的脑袋变成了灌铅的浆糊,胃里更是翻江倒海。根本无法入睡!只能像个幽灵一样,要么飘上甲板吹海风,要么缩在临时休息室,打开电脑无限循环播放我的“晕船保命歌单”:费玉清的《千里之外》、S.H.E的《不想长大》、郑源的《一万个理由》……还要啥《一万个理由》啊?打工人为了省俩钱儿,心甘情愿在海上当26小时的“人肉摇摇乐”,这就是唯一的、朴实无华的理由!
就这么在茫茫无际的“蓝色蹦床”上熬煎了一天一夜,终于!天边出现了一座小岛的轮廓!正感慨着呢,远处一条鲸鱼突然喷出高高的水柱,仿佛在说:“嘿,新来的?欢迎来到‘晃吐’终点站!” 随着船慢慢驶近港湾,眼前的景象更让我惊掉下巴:几十艘大小船只和岸上的人们锣鼓喧天、齐声欢呼,那热情劲儿,堪比迎接凯旋的奥运冠军!后来才明白,这艘船简直就是小笠原2000多居民的“生命线”啊——蔬菜、大米、瓶装水、饮料……岛上的一切物质文明都靠它!更别提还有船上的几百名游客,那可是岛上的“财神爷”。难怪他们见到大船,那喜悦真是发自内心!
在测站同事的安排下,我住进了一家小旅馆。吃的蔬菜?嗯,刚刚还在我坐的那艘船上呢,绝对“新鲜直达”。洗澡水是储存的雨水,带着一股挥之不去的海腥味,明确标注不可饮用。想喝水?乖乖掏钱买瓶装水吧。
走出旅馆没几步就是海滩。嚯!清澈见底的海水、白得晃眼的沙滩、蔚蓝得不像话的天空,加上岸边小山茂密的树林,一切纯净得仿佛开了滤镜,瞬间让人忘了晕船的痛苦和工作的压力。“哇,童话世界!”——这是我下船后脑子里的第一个念头。
小笠原测站的20米射电望远镜矗立在一个小山丘上。常驻人员?只有一位! 这位“岛主”大哥的主要工作是换换硬盘、做点基础维护,以及照看园区。真正的观测操作,都是在水泽远程搞定的。测站上就他一个人,估计比较无聊。于是,他在庄严的观测室里搞了套架子鼓!没事就敲打一番,让宇宙射线和鼓点一起飞。 据说他的妻子和女儿觉得这岛上生活实在无聊透顶,即将启程返回日本本州的娘家,顺便准备“挥别小岛,也挥别他”——离婚手续正在路上。哎,看来“岛主夫人”也不是那么好当的。
我在小笠原总共待了四天半。说真的,安装测试那点活儿,熟手如我,一天就搞定了。毕竟SELENE的设备闭着眼都能摸熟,测站内部跟水泽站像是复制粘贴出来的。剩下的时间,主要就是眼巴巴等那艘“生命之船”再次出发,好载我回东京。
头两天,这童话滤镜还坚挺着。但第三天开始,惊喜如同退潮般消逝。小超市里本来就不多的蔬菜,肉眼可见地蔫头耷脑;那纯净的海滩,纯净得连只螃蟹都少见,空空荡荡,看久了竟觉得有点寂寞。虽然同船来了几百人游客,但人家都坐着花花绿绿的观光船,分散到周围更小的岛上去了,留在父岛的反倒不多。加上天气闷热,整个岛瞬间感觉空旷得能听到自己发呆的回音。果然,再美的仙境,也架不住无所事事地干等。现在,我只想对着大海喊一句:“船,快出发回东京吧。”
四天半的荒岛求生结束,我们这艘大船要班师回东京了!我和游友们挤在甲板上,准备跟小笠原来个深情告别。好家伙,一上甲板我就惊了:岸边几十艘小船列队欢送,岸上居民架起大鼓,咚咚咚的架势,不知道的还以为我们是凯旋的英雄。随着一声悠长得仿佛在喊“我要走啦—”的汽笛声,缆绳一收,我们这艘“海上巨无霸”正式踏上了归途。那几十艘小船可没消停,像一群兴奋的护航小蜜蜂,围着我们的大船左右穿梭、前呼后拥,那热情劲儿,送出好几海里都不带歇的,我都怕它们直接跟到东京港去蹭饭。
然而,感动不过几分钟,船一驶入太平洋深水区,我那胃就准时开启了“滚筒洗衣机模式”——晕得天旋地转,别说睡觉了,能保持人形就不错了。熬到半夜,我晕晕乎乎、脚步虚浮地摸向厕所。刚推开门,一股神秘的焦香扑面而来。定睛一看,好家伙!厕所里一卷卫生纸正欢快地跳着火焰霹雳舞!我瞬间清醒,冷汗“唰”地下来了——这可是太平洋腹地的船上啊!万一真烧起来,大家伙儿都得集体去龙宫了!说时迟那时快,我化身人工消防栓,打开水龙头,双手捧水,对着那团燃烧的纸卷拼命浇水,来回折腾了很多次,终于把明火扑灭了。
惊魂未定,我立马去找船长告状。船长跟着我过来瞅了瞅那堆黑乎乎的纸,淡定地压低声音说:“这是今晚第三次失火了,别慌,咱船员们正全船防范。”然后他很专业地问了我的工作单位和姓名,掏个小本本认真记下,表情严肃得像在登记失散多年的战友。
我也没有多想,回去继续晕船,偶尔去甲板吹吹风。就这么晕着、熬着、飘着,天总算亮了,离东京只剩两个小时了。这时,忽然看见两艘海警船像粘了502胶水似的,紧紧“咬”在我们大船屁股后面,形影不离。我当时还纳闷呢:这俩船咋跟得这么紧?
终于靠岸东京港。船员广播让大家“稍安勿躁,请勿急于下船”。然后,大型人口普查现场开始了!所有乘客一个接一个排队,登记身份信息,按指纹,程序严谨得堪比进保密局。原本十分钟就能下船,硬是活活折腾了两个多小时。
回到水泽后,这厕所惊魂记也就被我当个奇葩经历抛脑后了。谁知,几个月后,东京警察竟然带着全套“刑侦大礼包”(录音笔、打印机等等)千里迢迢来到水泽观测所找我叙旧! 河野教授很仗义,说可以当翻译。我一摆手:“没事儿!区区警局问话,我这日语还能扛住!” 两位警察一脸严肃,让我把那天“如何发现火”、“如何用水浇”的细节又原原本本复述了一遍,他们录得比记者还认真。
折腾了两个小时,警察终于揭开谜底:“你灭的那把火,是有人故意点的!犯人已经逮着了!” 是个失业又离婚、对社会充满恨意的中年大哥,那晚他本着“我不好过,大家也别想好”的精神,在船上搞了个“五火连珠”,企图打造一场惊天动地的大事故,玩把大的! 我听得目瞪口呆:“嚯!还真有真人版‘海贼王’里的反派啊?!”
更离谱的在后面 ——警察突然话锋一转,亲切地问我:“以您这位灭火英雄的朴素正义感来看,您觉得咱们该判他几年?多少年比较解气?”我当时大吃一惊:“哈?我只是个路过打水的,怎么还兼职陪审团了?!” 赶紧摆手:“法律博大精深,还是您二位专业的定夺吧!”最终,这场“警民恳谈会”历时三小时,我签完字按完手印,警察才带着满满的素材心满意足地回了东京。
你以为这就完了?NO!又过了一个多月,我收到一个沉甸甸的大包裹。打开一看—哟呵!一大包闪亮亮、充满海洋气息的小笠原天然海盐!附赠一封感谢信,大意是:“感谢英雄扑灭火种,挽救了全船乘客的性命,特奉上本岛特产天然海盐聊表心意。欢迎您随时来小笠原玩!”
我看着那包晶莹剔透的海盐,心里五味杂陈:“嗯……这盐够我配白饭吃半年了,谢了哈!至于再去一次?”我脑海里瞬间浮现出那位纵火犯的模糊身影,果断摇头,“还是免了吧!万一再碰上哪位心情不好的‘行为艺术家’,我这小身板真得直接腌在太平洋当咸鱼标本了!”
我们把宝贝疙瘩SRTP和低通滤波器等设备打包发往上海和乌鲁木齐,又把那金贵的致冷接收机单独发往乌鲁木齐。接着,河野教授、花田副教授和我,这“安装三人组”就屁颠屁颠地跟着飞了过来。
第一站,先在北京打个尖儿住了一夜。这可是我阔别祖国小十年后,头一遭踏回这片热土!从机场打车去酒店,付钱时,司机师傅盯着我掏出的钞票,眼珠子都快瞪出来了——好家伙,我带的还是1997年出国时“珍藏”的旧版人民币!要知道,1999年和2005年,人民币可是经历了两次“大变脸”,我这老古董,放现在简直像出土文物。这十年间,祖国的变化何止是钞票换新颜?GDP更是从1996年的8.75万亿一路狂飙到2007年的24.7万亿,足足翻了近三倍!整个国家都在“蹭蹭蹭”往上蹿,那叫一个蒸蒸日上。
安顿好行李,河野教授就嚷嚷着要品尝一下北京烤鸭。我熟门熟路地带他们直奔全聚德。薄饼卷着香脆流油的烤鸭,吃得那叫一个风卷残云,教授和副教授直竖大拇指。唯一的小插曲是那碗老鸭汤,油腻得能当润滑油,喝一口感觉血脂都要报警了。吃饱喝足,我们仨让出租车特意绕到天安门前慢慢溜达了一圈。看着巍峨的城楼和那个大到让人怀疑人生的广场,俩日本教授瞬间被震住了,嘴里只剩下“すごく大きいですね。”(真大啊!)的惊叹。
第二天转战乌鲁木齐。这飞机一坐就是四个多小时,比从东洋飞回中国本土用时还长!河野教授望着舷窗外无垠的大地,由衷感慨:“中国,真的是太大了!” 想想也是,日本那37万平方千米的“小身板”,还不到咱雄鸡版图的4%,对他们来说,“大”绝对是中国的核心关键词,没有之一。
下了飞机没歇脚,直奔南山那架25米大锅(射电望远镜)开干。SRTP那些设备安装起来还算丝滑,轮到致冷接收机就有点“卡壳”了——它的波导口和天线馈源仿佛闹了别扭,死活对不上眼。我们折腾半天,又是加弯波导又是调整姿势,总算霸王硬上弓,安装到位了。测试了下,性能马马虎虎能交差。但尴尬的是,那时中国正准备嫦娥一号,上海天文台和中电16所正给全国的大锅(上海、北京、昆明、乌鲁木齐)研发全新的国产致冷接收机。咱嫦娥奔月,那必须得用自家设备啊!所以,水泽这“舶来品”短暂试装后,就被请下来在墙角当起了安静的备胎。我估摸着,它后来就一直在那儿默默吃灰,从来也没正经执行过观测任务,堪称最贵背景板。
乌鲁木齐的朋友们热情似火。工作一结束,就拉我们去爬附近的西山。看着那山,海拔3000米左右,坡度也平缓,我心里暗笑:“就这?小意思!” 结果,轻敌是要付出代价的——爬到半山腰,我就化身“蒸汽机车”,大汗淋漓,脸色蜡黄,喘得跟破风箱似的。山顶?只好留给下次(或者下辈子)了!下山后,热情的主人直接把我们摁进一户牧民家,端上了一大盆拳头大的煮羊肉!一人一大块,抱着啃,那叫一个豪横鲜美!但代价是,这一顿下去,我接下来一天多看见食物就想打嗝——羊肉太顶饱,简直是“胃容量终结者”。
第二天,我们又作死般地冲向吐鲁番“烤验”自己。那正是盛夏骄阳,气温40℃+!从乌鲁木齐到吐鲁番,风景从绿油油的玉米地、向日葵田,慢慢变成低矮山丘,最后彻底沦为一望无际的戈壁滩。天空倒是蓝得晃眼,可惜地上只有稀稀拉拉的骆驼刺和芨芨草在顽强地抗争。进了吐鲁番盆地,热浪扑面而来,浩瀚的戈壁一直延伸到天边,真担心车子要是敢在这儿趴窝,我们就得变成“人肉葡萄干”了。
终于抵达吐鲁番市,先去著名的葡萄沟“解渴”。站在高处一瞧,好家伙!这条约8千米长的溪流峡谷,像一条被天神硬生生按在无边土黄画布上的绿色翡翠项链。全靠天山雪水通过坎儿井的“毛细血管”滋润着这片绿洲。钻进葡萄架下,头顶挂满晶莹剔透的葡萄,唾手可得。我们还参观了烘干葡萄干的“晾房”——土坯砌的,满墙是洞,全靠吐鲁番的热风牌“天然烘干机”慢慢烘烤。热情的吐鲁番姑娘还拉我们合影,当然,每次快门按下,十块钱就“蒸发”了。
接着去参观交河古城。这地方太神了!整个城就建在河心一个柳叶形的土台上,工匠们不是“盖”房子,而是直接在台地上往下“抠”!抠剩下的土就是墙壁、街道、佛塔、院落…连水井窑洞都是原生土!全靠吐鲁番极度干燥的“防腐秘籍”,让这座1400多岁的古城像个巨大的土制模型奇迹般保存至今。不过,看了几十分钟,我们几个也快被烘成“出土文物”了——炽热的阳光烧烤着大地,感觉身上的水分正“滋滋”作响地蒸发。赶紧逃命似的钻进空调车,一溜烟跑回乌鲁木齐。
再坐四小时飞机来到上海,直奔松江的25米大锅。上海的朋友们超给力,洪台长亲自抡起撬杠帮我们拆箱,那阵仗,跟拆生日礼物似的。熟门熟路,设备调起来就快多了。我还跟夏工等年轻朋友仔细交接了使用方法。人家问的问题也专业:“你们SRTP采样前,有自动增益控制(AGC)吗?” 我很实诚:“没有。”
回到上海天文台徐家汇园区,受到了叶先生的隆重招待。这位中国天文学的泰山北斗、国际天文学会副主席,一点架子都没有,对河野教授、花田副教授都称“先生”,对我也客客气气地喊“刘先生”。我赶紧表示折煞:“不敢当不敢当!我是后辈,很快想回国效力,您叫我小刘就好!” 叶先生瞅了瞅我178cm的身高和壮实的身板,哈哈一笑,从此就半开玩笑地叫我“犀牛”,说犀牛又珍贵又有力量。这外号起的…精准!后来我回国后在北京参加天问一号评审会,叶先生是评委,在会上说:“犀牛关于提高VLBI测定轨精度的想法就很好。” 当时全场专家一脸懵圈,互相使眼色:“犀牛?谁啊?哪个单位的代号?”
晚餐后,平研带我们逛徐家汇看夜景。灯红酒绿,咖啡馆扎堆,漂亮姑娘穿着漂亮短裙悠闲遛弯儿…这对我们几个常年生活在日本水泽(天黑后街上鬼影子都没一个的宁静小镇)的人来说,简直像刘姥姥进了大观园——眼花缭乱!
第二天,我和河野教授分别做了报告。河野讲日本月球探测器SELENE的宏大构想,我则汇报了两个小卫星、VLBI、4程多普勒以及博士期间研究的大气相位抖动。坏就坏在,我在国外蹲了十年,对天文、VLBI的术语有点陌生。讲着讲着,日语单词就时不时从汉语里蹦跶出来:把“相位”说成“位相”,“频率”说成“周波数”,“波导管”说成“导波管”,“电路图”说成“回路图”…台下几十位搞嫦娥VLBI的专家听得估计满头问号,仿佛在看一场中日双语无字幕切换的直播。
报告结束闲聊时,洪台长语重心长:“中国探月和射电天文正在大发展,你忙完SELENE回来吧!” 我深表认同,“洪台长说得对!SELENE搞VLBI的,满打满算就我和菊池俩人,外加快退休的河野教授当顾问,也只能算散兵游勇。等把这任务啃完,我保证第一时间打包滚回来!”
我们终于把SELENE的VLBI观测设备布置完毕,八个测站都准备就绪!接下来,我开始在水泽观测所搭建一个观测遥控中心。这样一来,我们就可以在水泽观测所远程遥控分布在全球各地的八个测站设备,通过SRTP实时监控信号的频谱,就像是在玩一场高大上的”远程遥控游戏”。
松本利用卫星的运行轨道,精确计算出各测站每一时刻的方位和俯仰,作为天线的跟踪文件。而我则又开发了一套自动化软件,能够自动生成观测用的vex文件和SRTP的参数控制文件,为观测做好了万全的准备。
虽然通过卫星间的差分,我们已经成功去除了地球大气和电离层时延的绝大部分影响,但为了追求完美,我们还是决定对比一下大气和电离层时延改正前后对定轨和重力场解算的影响。于是,我又马不停蹄地学习起了GPS解算软件。这个软件简直就是”黑科技”,只需要下载GPS轨道参数和观测数据,就能轻松解算出大气天顶时延、GPS测站的位置等,用于研究地震等地球科学问题。至于电离层时延的解算,那就交给平研的软件了。他利用CODE全球电离层预报模型,让我们对电离层时延有了更精准的掌握。
另外,我们还成功掌握了两个小卫星和激光高度计的上行命令注入和下行遥测参数的编制与判定方法。不过,这些工作需要在日本卫星测控中心值班,而且涉及到卫星的控制和生死攸关的操作,作为一名外国人,我感觉有点敏感,所以只能遗憾地错过了这段”刺激”的值班经历。
总而言之,万事俱备,只等卫星发射了!让我们一起期待这个激动人心的时刻!
2007年9月14日,月亮女神SELENE卫星在种子岛宇宙中心一飞冲天,正式开启了它的奔月之旅。经过一系列轨道调整,终于在10月9日成功分离出它的“小伙伴”——Rstar中继星,又在10月14日分离了另一位“小跟班”——VLBI卫星Vstar。至此,我们的VLBI观测大戏正式拉开帷幕。
说到这两个小卫星的分离方式,那可真是一场“弹簧弹射秀”。它们的分离机构是一圈被精心压缩的弹簧,一旦解锁机构打开,弹簧就会把小卫星以一定的角度“蹦”出主卫星的怀抱。更有趣的是,小卫星分离时还自带大约5秒一圈的自旋,这可不是为了炫技,而是为了保持姿态的稳定。分离后,这两个小家伙就开启了“自由飞翔”模式,再也不会进行任何姿态或轨道调整,完全是“放飞自我,随遇而安”的节奏。
而我,作为VLBI观测的“独苗苗”负责人,也正式开启了“月球时间”的工作模式。简单来说,就是“月亮出来我值班,月亮落下我休息”。一个月中大概有半个月需要上夜班,听起来挺浪漫的,但实际操作起来可没那么轻松。好在观测不是每晚都有,大概每周三次左右,算是给自己的生物钟留了点喘息的机会。
过了一段时间,河野教授本着“人道主义”精神,决定让小组的所有人(实际上也就7位)都轮流值夜班,毕竟一个人扛着所有的夜班确实有点“过分”。但问题来了——其他同事对整个VLBI观测系统并不熟悉,一遇到问题就给我打电话,让我半夜从温暖的被窝里爬起来“救火”。这让我瞬间从“VLBI观测负责人”变成了“VLBI救火队长”,属实是苦不堪言。
好在后来,一位叫原田的博士加入了我们的团队。这位仁兄居然主动请缨,愿意值夜班!于是,最后几个月的观测任务,大部分夜班都由原田承包了。这下可让我轻松了不少,毕竟“救火队长”的日子真的不是谁都能扛得住的。
不过,每次观测开始后,我都会认真处理各测站的数据,确保能捕捉到Rstar和Vstar的信号。观测结束,我还会非常礼貌地给八个测站发一封“观测报告”,感谢他们的辛勤工作。毕竟,团队合作才是王道,感谢别人也是科研工作中不可或缺的一部分。
从2007年11月开始,Rstar和Vstar的同波束VLBI观测正式开始,一直到2009年2月才画上句号。因为Rstar在2009年2月完成了它的使命,光荣地坠落在月球表面。而Vstar则因为轨道的原因,至今仍在绕月飞行,继续它的“太空冒险”。每次想到这里,我都忍不住感叹:宇宙的浪漫,大概就是如此吧!
VLBI的数据处理堪称“数据炼丹术”,我在这条“炼丹”道路上也算是吃尽了苦头。所以我首先搞定Rstar和Vstar的2程多普勒数据,以及Rstar和主卫星的4程多普勒数据,这数据见效快。
把1000多秒的多普勒数据往多项式拟合里一扔,残差FFT分析立刻给了我一个大大的“惊喜”——0.18Hz及其整数倍的成分特别嚣张,这不正是Rstar小卫星自转和天线相位不均匀搞的鬼吗?更过分的是,0.18Hz的8、16、24倍成分简直横行霸道,异常突出,原因嘛,还得怪罪于那两个八柱体的小卫星,它们的八面体金属外壳简直是“相位不均匀放大器”,加强了干扰。
为了驯服这些捣乱的家伙,我祭出了“Kaiser窗口函数”这个法宝,精心调制出一个线性低通滤波器,把0.05Hz以下的重力场信号和0.18Hz以上的干扰信号分开。结果不负众望,去掉卫星天线相位的干扰后,幅度0.1Hz左右的重力场信号终于清晰可见!这下可以小小的嘚瑟一下了——我可是第一个看清月球背面重力场信号的“探月先驱”!在20多人的大例会上宣布这个好消息时,那激动劲儿,别提多嘚瑟了。
我们团队用一年多的观测数据,又精雕细琢,终于成功构建了包含月球背面重力场信号的模型。这篇Science论文的发表,可谓名至实归,不过我的名字排在后面,毕竟这是日本的“地盘”,我这“小透明”还得继续努力。
论文发表过程中还闹了个小笑话。大家还记得4程多普勒那事吧?右旋圆偏振信号在Rstar顶部天线中转时,频率会上跳0.18Hz;到了底部天线,频率又会下跳0.18Hz。结果有个“马大哈”同事在处理数据时把符号搞反了,导致重力场模型里多出个“神秘异常”,位置还正好对应着月球背面某个坑。这下可把搞地质科学的同事们乐坏了,他们兴致勃勃地写了一段关于月球从熔岩到固化的“史诗级”解释,连Science的审稿专家都给蒙混过关了。后来我们仔细一查,才知是4程多普勒处理时的小失误,大家哭笑不得,赶紧修正,总算有惊无险。
这次经历也让我深深明白:那些对仪器和数据处理不太熟悉的“纯科学家”写的文章,咱们还是得多长个心眼。不是他们说啥咱们就信啥,毕竟有时候数据处理中的一个小错误,就能让科学家们脑补出一部“月球演化史”。
当然,我也没闲着,关于多普勒数据处理方法、结果分析、卫星自旋以及天线相位的研究,我也在IEEE上发表了一篇论文。回国后,北京的硕士生小何来上海天文台学习时接过了接力棒,深挖数据又在IEEE上续写了一篇。更巧的是,多年后我还在《中国科学》上用中文又写了一篇关于4程多普勒技术的论文,也算是给国内的工程师们贡献一点技术参考吧。
VLBI的数据处理,堪称一场“数据炼金术”,而Rstar和Vstar的同波束VLBI数据处理,更是让我和菊池这对“数据苦行僧”吃尽了苦头。这活儿,说不累那是假的。
首先,Rstar和Vstar之间的差分相时延解算条件就堪称“苛刻中的战斗机”——差分相关相位的误差必须小于4.3度。这就好比在针尖上跳舞,稍不留神就会“跌落深渊”。更让人头疼的是,Rstar和Vstar的信号强度本身就很弱,日本的四个测站还偏偏要用SX波段的弹簧振子馈源,而不是常见的喇叭型馈源。这下可好,各种干扰信号也跟着“鸠占鹊巢”,把卫星信号搅得“鸡飞狗跳”。
于是,我和菊池只能化身“数据修复师”,手动+半自动地处理每一次观测数据。我们像福尔摩斯一样,利用多基线的闭合时延来寻找“蛛丝马迹”,修正那些“调皮”的错误数据。这一折腾,就是大半年的时光。说到这里,不得不提一句:嫦娥一号的VLBI数据处理,可比SELENE“高大上”多了——嫦娥VLBI团队几分钟就搞定了,真是让人羡慕啊。
好在功夫不负有心人,我们最终得到了精度达到皮秒量级的同波束VLBI观测数据,把月球卫星的测定轨精度提升到了10米左右。这在当时可是个“里程碑”式的突破。不过,要说用这些数据解算月球重力场的效果,只能说“差强人意”。松本和Sander两位大佬用这些数据进行重力场解算后发现,效果并没有预想中那么“惊艳”,只对十几阶以下的低阶重力场模型有所改善。
至于原因嘛,也只能用“天意弄人”来形容了。一是Rstar和Vstar的轨道实在太高了,远月点能达到1000千米左右,自然对重力场信号“不敏感”;二是牛顿老先生早就告诉我们,重力场是力,对应的观测量是加速度(即多普勒频率),而差分相时延对应的是位移,位移是加速度的两次积分,自然就更“迟钝”了。
不过,虽然效果没达到预期,但咱们毕竟是“第一个吃螃蟹的人”。而且,皮秒量级的同波束VLBI观测数据和月球卫星测定轨精度的提升,再加上用同波束VLBI数据解算重力场,这些可是“前无古人”的壮举啊!写几篇论文自然是“手到擒来”。
结果,松本用了一半的数据,发了篇JGR论文;Sander用全部的数据,也发了篇JGR论文;菊池用部分数据,再加上VLBI解算方法,发了篇Radio Science论文;我则用全部观测数据,再加上同波束VLBI观测技术,也发了篇Radio Science论文;至于花田副教授,直接把Vstar卫星和观测结果综述了一下,也发了篇“重量级”的论文。
其中,我那篇论文的作者多达38人,是我写过的“人最多”的论文。不仅包括了SELENE小组的科研人员,还有八个测站帮忙观测的领导和朋友。其中,中国作者就有11人之多。除了上海天文台和新疆天文台的VLBI专家外,还有两位“巾帼英雄”——史博士和黄博士。这两位女侠还专门跑到国立天文台“打工”了三个月,帮忙处理Rstar和Vstar的VLBI观测数据。这下可算是在国际舞台上“大展拳脚”了一番。史博士现在是上海天文台的研究员,黄博士现在是中国地质大学的教授,都成为了很有名气的科学家。
SELENE的多普勒和VLBI观测数据,对我个人的帮助也是立竿见影。回国后,我不仅自己继续研究这些数据,还带着学生一起发扬光大,又发了很多论文。这些数据就像一颗种子,在我回国后继续生根发芽,开出了科研之花。
终于到了2009年5月,SELENE的观测大戏落下帷幕,数据处理也总算告一段落。我这个在海外漂泊了12年的”老海龟”,43岁的年纪,又到了人生下半场的重要抉择时刻。
回望这12年的海外生涯,真是”漂”得心惊胆战。留学的选择不仅改变了我的人生轨迹,也让全家人的命运随之起伏。话说2002年,我和妻子因为济南试验机制造总公司的改制,断了后路,社保没了,回原单位的门也关了。儿子在日本出生长大,已经9岁,虽然说着一口流利的日语,但中文却越来越生疏。女儿更是从6岁起就跟着我们在日本读书,完全融入了当地生活。
到了2009年5月,我怀揣着忐忑的心情来到上海天文台参加面试。这次面试有两个内容,一是能否以中国科学院百人计划的身份人才引进?二是能否评为4级研究员?这可是我人生中的一场”大考”——评审专家多达12人,堪称”豪华阵容”!他们个个都是国内VLBI和射电天文领域的”大拿”,包括德高望重的叶院士、南京大学的郑老师,以及其他高校和科研院所的专家们。我也不敢怠慢,精心准备了PPT,详细汇报了自己的研究成果,尤其是这六年在水泽观测所的”得意之作”——同波束VLBI技术和四程多普勒技术。我还信誓旦旦地向评审们保证,回国后一定全心全意投入工作,服从安排,不挑不拣,干好每一件交代的任务。
功夫不负有心人,我的诚意和研究成果打动了评审专家们。他们一致认为我既有真才实学,态度又端正,于是顺利通过了两项考核,还给我评了个研究员。如今回想当时立下的”豪言壮语”,还真是一点都没食言,这些年确实是这么干过来的。
就这样,我顺利加入了中国科学院上海天文台,成为了VLBI测定轨和天马望远镜团队的一员。有趣的是,入职第二天,我居然被邀请担任仲硕的面试评委,结果当然是通过。他现在已是我们团队里的研究员,接收机领域的大专家了。
不过,2009年5月我女儿还在读高三,妻子和孩子们只能继续在日本生活。直到2010年3月,女儿考上大学,妻子才带着儿子回到上海。