VGOS觀測(cè)網(wǎng)初步觀測(cè)及其討論

李政，楊旭海，弓劍軍，楊穎

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；

2.中國(guó)科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；

3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；

4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文與空間學(xué)院，北京 100049）

0 引言

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI，very long baseline interferometry）是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的最重要的射電天文技術(shù)。它采用無(wú)線電干涉法，使相距數(shù)千公里的口徑較小的射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率等效于直徑為望遠(yuǎn)鏡間基線長(zhǎng)度的射電望遠(yuǎn)鏡，使觀測(cè)分辨率顯著提高。基于VLBI具有超高空間分辨率和高精度定位的特性，已成為天體物理、天體測(cè)量和空間大地測(cè)量等領(lǐng)域的核心技術(shù)，特別是在地球定向參數(shù)測(cè)定、國(guó)際天球參考架與地球參考架的建立與維持、深空探測(cè)器的導(dǎo)航定位等方面[1-3]發(fā)揮了不可替代的作用。

VLBI觀測(cè)能力依賴于天線口徑的大小，因此許多國(guó)家紛紛建立大型射電天文望遠(yuǎn)鏡。例如，英國(guó)建立直徑66.5 m的固定式拋物面射電望遠(yuǎn)鏡和直徑76 m的可轉(zhuǎn)動(dòng)拋物面射電望遠(yuǎn)鏡；美國(guó)在波多黎各阿雷西博鎮(zhèn)建設(shè)直徑達(dá)305 m的拋物面射電望遠(yuǎn)鏡等。我國(guó)的射電天文研究在導(dǎo)航和天文研究需求推動(dòng)下近年有了長(zhǎng)足發(fā)展，除了原有上海佘山25 m射電天文望遠(yuǎn)鏡和烏魯木齊南山25 m射電天文望遠(yuǎn)鏡，近年發(fā)展大口徑天線以適應(yīng)天體物理和深空探測(cè)發(fā)展需求，如北京密云50 m，云南昆明40 m，以及亞洲可連續(xù)觀測(cè)的最大射電天文望遠(yuǎn)鏡上海天馬65 m等相繼建成。2016年7月3日，位于中國(guó)貴州省的世界上最大的（500 m）球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）進(jìn)入測(cè)試調(diào)試階段。

然而，VLBI系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本高，大型射電天文望遠(yuǎn)鏡在VLBI應(yīng)用方面由于轉(zhuǎn)動(dòng)速度慢等因素?zé)o法滿足天文和測(cè)地某些特殊需求，因此新型測(cè)地VLBI系統(tǒng)[4]—VLBI2010構(gòu)想因需求而產(chǎn)生：實(shí)現(xiàn)臺(tái)站坐標(biāo)單次測(cè)量精度1 mm，地球自轉(zhuǎn)參數(shù)能連續(xù)不間斷測(cè)量，提升VLBI技術(shù)能力，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。2012年VLBI2010更名為VGOS（VLBI全球觀測(cè)系統(tǒng)）。根據(jù)國(guó)際VGOS系統(tǒng)發(fā)展動(dòng)態(tài)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心建立了符合VGOS技術(shù)規(guī)范的3臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)，科研目標(biāo)是利用VLBI差分觀測(cè)實(shí)現(xiàn)測(cè)軌系統(tǒng)的系統(tǒng)差修正，實(shí)現(xiàn)與天球參考架的直接連接以及地球定向參數(shù)的精確連續(xù)測(cè)定。

1 VGOS概述

2003年 IVS（International VLBI Service for Geodesy and Astronomy）成立的 WG3（working group 3）工作組明確了下一代測(cè)地型VLBI系統(tǒng)的具體規(guī)范。WG3會(huì)議提出VLBI2010系統(tǒng)需要達(dá)到全球基線1 mm測(cè)量精度、地球定向參數(shù)和各站點(diǎn)位置連續(xù)測(cè)量、提供24 h以內(nèi)的大地測(cè)量結(jié)果，其中最重要任務(wù)為測(cè)量UT1和章動(dòng)。為了促進(jìn)實(shí)施WG3提出的建議，2005年IVS成立了V2C（VLBI2010 Committee）工作組[5-6]，2012年V2C改名為VTC。WG3和V2C提出了一系列建議和建設(shè)規(guī)范：改進(jìn)儀器、天線小型化、快速自動(dòng)尋找射電源、寬頻帶觀測(cè)、全球合理布設(shè)站點(diǎn)、隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差研究、系統(tǒng)精度以及其性能評(píng)估。

V2C的主要任務(wù)包括：進(jìn)行原型機(jī)設(shè)計(jì)概念研究，測(cè)試寬頻帶概念，利用Monte-Carlo模擬器研究VGOS系統(tǒng)運(yùn)行的能力并實(shí)踐驗(yàn)證，以及研究分析誤差的處理方法及低信噪比下的相位延遲解算。表1為VGOS系統(tǒng)規(guī)范的主要技術(shù)特征[7]。從表1中可以看出，新一代VLBI系統(tǒng)主要在觀測(cè)帶寬，數(shù)據(jù)采集、記錄、傳輸速率，觀測(cè)效率以及數(shù)據(jù)處理能力等方面做了較大提升。

表1 VGOS系統(tǒng)主要特征

2012年3月，VLBI2010工程執(zhí)行組V2PEG與V2C提出了VLBI2010全球觀測(cè)系統(tǒng)（VGOS，VLBI2010 global observing system）的概念，用來(lái)命名新一代VLBI臺(tái)站組成的觀測(cè)網(wǎng)。2013年，按照VLBI2010標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心著手建設(shè)國(guó)內(nèi)第一套VGOS觀測(cè)網(wǎng)，在三亞、吉林、喀什建立觀測(cè)站，西安為VLBI數(shù)據(jù)處理中心。天線口徑13 m（符合VLBI2010規(guī)范），觀測(cè)頻率帶寬為1 GHz。為使得基線測(cè)量精度達(dá)到1mm，設(shè)計(jì)要求觀測(cè)射電源的群時(shí)延精度約為幾十皮秒，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和射電源交替觀測(cè)。截止到2016年4月，國(guó)家授時(shí)中心VGOS觀測(cè)網(wǎng)己基本建設(shè)完成。

2016年4月17日和4月19日，系統(tǒng)在C波段上對(duì)射電源3C84分別進(jìn)行了單基線（三亞—喀什）窄帶（32 M）和寬帶（512 M）試觀測(cè)，得到相關(guān)條紋，表明系統(tǒng)已基本運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

2 VGOS觀測(cè)綱要編制

觀測(cè)綱要文件（VEX，VLBI experiment），是VLBI系統(tǒng)的總輸入文件，體現(xiàn)觀測(cè)方法與研究目標(biāo)，主要包含根據(jù)任務(wù)需求的觀測(cè)計(jì)劃、觀測(cè)模式包括對(duì)射電源觀測(cè)模式、衛(wèi)星觀測(cè)模式和射電源—衛(wèi)星交替觀測(cè)模式按需靈活配置，還包括數(shù)據(jù)采集模式、相關(guān)處理以及系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的全部配置信息及與觀測(cè)相關(guān)的配置參數(shù)。系統(tǒng)具有自動(dòng)化運(yùn)行及遠(yuǎn)程配置功能，表2列出VEX文件主要參數(shù)[8]。

表2 VEX文件主要參數(shù)

利用SCHED軟件生成觀測(cè)綱要文件，SCHED軟件主要用于綜合成圖和相位參考等射電天文觀測(cè)。本節(jié)主要介紹常規(guī)射電源、衛(wèi)星觀測(cè)以及射電源—衛(wèi)星交替觀測(cè)兩種模式的觀測(cè)綱要編制方式。

常規(guī)的射電源及衛(wèi)星觀測(cè)編制步驟如下：

1）初始key文件

key文件是SCHED的輸入文件，主要信息包括：

① Station Catalog：用于添加“輸入臺(tái)站列表”中未包含的各臺(tái)站地固系坐標(biāo)，指向范圍，天線轉(zhuǎn)速，磁盤記錄格式等；

② Source Catalog：用于添加“輸入射電源表”中未包含的射電源位置信息；

③Setup Information：觀測(cè)模式設(shè)置，其中觀測(cè)模式里包含模式編號(hào)，模式定義，數(shù)據(jù)記錄格式，記錄通道數(shù)，采樣比特值，單通道帶寬，參考頻率，本振頻率，極化信息，相位校正信號(hào)頻率等信息；

④The Scan：scan可以定義為各觀測(cè)臺(tái)站對(duì)同一目標(biāo)源同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)度。這部分包含觀測(cè)起始時(shí)間，每一個(gè)觀測(cè)周期所需要的觀測(cè)源（射電源或衛(wèi)星）作為選擇射電源的初始key文件，需要在The Scan后添加常用的觀測(cè)源。源表在路徑為sched_11.3/catalogs/source.vlba。

2）計(jì)算臺(tái)站共視時(shí)段

3）key文件的編輯。作為SCHED的輸入文件，key文件需修改的部分除觀測(cè)代碼及觀測(cè)時(shí)間外，重點(diǎn)修改的為觀測(cè)模式和scan信息。

① 觀測(cè)模式配置：觀測(cè)模式分兩種，射電源模式和衛(wèi)星模式。射電源模式參數(shù)設(shè)置見表3，衛(wèi)星觀測(cè)模式除通道數(shù)為1以外，其余均保持不變。以C波段為例。

2.1 常規(guī)射電源、衛(wèi)星觀測(cè)綱要編制

表3 射電源觀測(cè)模式部分參數(shù)設(shè)置

② scan信息編輯：scan信息包含觀測(cè)時(shí)間、參與觀測(cè)臺(tái)站、觀測(cè)模式、觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)、天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間等。例如：

其中，group表示循環(huán)觀測(cè)的源的個(gè)數(shù)，rep表示循環(huán)次數(shù)，dur表示觀測(cè)時(shí)間，gap表示預(yù)留天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

4）VEX文件生成

key文件編輯完成，在同一路徑下運(yùn)行命令：sched

這里需要特別說(shuō)明，VEX文件給出的射電源坐標(biāo)均以赤經(jīng)赤緯的形式給出，而在設(shè)置衛(wèi)星觀測(cè)模式時(shí)，注入的是衛(wèi)星的預(yù)報(bào)軌道文件，當(dāng)觀測(cè)模式切換至衛(wèi)星模式時(shí)，利用衛(wèi)星預(yù)報(bào)軌道文件使天線對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。

2.2 射電源—衛(wèi)星觀測(cè)綱要編制

為了實(shí)現(xiàn)GEO衛(wèi)星定軌以及機(jī)動(dòng)后的軌道快速恢復(fù)，需要在衛(wèi)星附近（近角距）選擇強(qiáng)源對(duì)其進(jìn)行差分觀測(cè)。在地心天球坐標(biāo)系下，射電源的位置是確定不動(dòng)的，而衛(wèi)星是不斷運(yùn)動(dòng)的。解決辦法是將衛(wèi)星的地固系預(yù)報(bào)軌道投影到天球坐標(biāo)系上，并選擇滿足近角距要求的射電源，按每分鐘一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出對(duì)應(yīng)時(shí)刻適合觀測(cè)的射電源，以此作為觀測(cè)計(jì)劃的依據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為key文件The Scan部分的規(guī)范格式，最后用SCHED生成觀測(cè)綱要文件。具體流程如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星—射電源交替觀測(cè)綱要生成流程

通過(guò)上述方法可以得到24 h的衛(wèi)星差分觀測(cè)綱要，其中忽略了各臺(tái)站對(duì)衛(wèi)星以及衛(wèi)星在天球坐標(biāo)系上投影的視差。3個(gè)臺(tái)站中，緯度最高為北緯43°，最低為北緯18°，對(duì)同步軌道衛(wèi)星及其在天球坐標(biāo)系上的投影最大視差分別為和（同步衛(wèi)星與臺(tái)站經(jīng)度相同），雖然選擇射電源與衛(wèi)星最大夾角在某一固定值范圍內(nèi)，如角距小于，但優(yōu)先選擇與衛(wèi)星角距最小的射電源，在實(shí)際觀測(cè)當(dāng)中，基本滿足觀測(cè)需求。

3 觀測(cè)及相關(guān)處理結(jié)果

利用第2節(jié)提到的實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星差分觀測(cè)的方法，在2016年11月2日進(jìn)行了觀測(cè)試驗(yàn)，利用DiFX對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)處理并用HOPS軟件畫圖，過(guò)程及結(jié)果如下。

3.1 差分觀測(cè)

2016年11月2日進(jìn)行了衛(wèi)星—射電源交替觀測(cè)，觀測(cè)代碼為t61102，目標(biāo)衛(wèi)星為中星12，觀測(cè)起始時(shí)間為03:49:00（UT），整個(gè)觀測(cè)持續(xù)1 h。通過(guò)計(jì)算在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)選取的射電源為3C273B和3C279，與衛(wèi)星角距小于10°，觀測(cè)頻段為C波段，總計(jì)91個(gè)scan，觀測(cè)配置信息如表4所示。

表4 t61102參數(shù)配置

依據(jù)第2.2節(jié)中提到的原理，利用腳本生成scan信息，最后利用SCHED生成觀測(cè)綱要文件，待觀測(cè)結(jié)束后利用DiFX進(jìn)行相關(guān)處理。

3.2 相關(guān)處理結(jié)果

DiFX（Distributed FX）是目前使用最廣泛的軟件相關(guān)處理機(jī)。其相關(guān)處理流程主要分為兩個(gè)過(guò)程：首先基于臺(tái)站進(jìn)行整數(shù)時(shí)延補(bǔ)償、條紋旋轉(zhuǎn)、FFT和小數(shù)時(shí)延補(bǔ)償；其次基于基線進(jìn)行交叉相乘和積分累加，輸出可見度數(shù)據(jù)。DiFX處理機(jī)概念最早受Swinb-urne大學(xué)脈沖星觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄和處理的CSRP2系統(tǒng)啟發(fā)，2005年由Deller博士在Swinb-urne大學(xué)開發(fā)的DiFX軟件相關(guān)處理機(jī)，逐步替換了ATNF S2硬件相關(guān)處理機(jī)[9-11]。

在相關(guān)處理之前需要先從各臺(tái)站的格式器獲取鐘差文件，并計(jì)算鐘速。將鐘差、鐘速信息添加到clock.v2d文件中，再進(jìn)行相關(guān)處理。通常在初次相關(guān)處理之后單通道時(shí)延較大，此時(shí)應(yīng)讓各臺(tái)站的鐘差加上或者減去HOPS輸出的單通道時(shí)延（single band delay，SBD）后，在此進(jìn)行相關(guān)，使得SBD盡量低于0.1。此外，DiFX中只包含射電源的計(jì)算模型（遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)延模型，L Plank，2013），對(duì)于衛(wèi)星等近場(chǎng)目標(biāo)源需要先計(jì)算其時(shí)延模型[8]，然后在處理衛(wèi)星scan時(shí)替換掉原有的射電源模型。

相關(guān)處理之后選取了中間結(jié)果較理想的第29，30，31 3個(gè)觀測(cè)，其中scan29目標(biāo)為衛(wèi)星，scan30目標(biāo)為射電源3C273B，scan31目標(biāo)為射電源3C279。scan的具體信息列于表5。

表5 scan具體信息

處理結(jié)果：圖2，圖3和圖4為中星12號(hào)衛(wèi)星下行信號(hào)在各條基線上的相關(guān)條紋及SBD，表6為scan29相關(guān)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)；圖5，圖6和圖7為射電源3C273B在各條基線上的相關(guān)條紋及SBD，表7為scan30相關(guān)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)；圖8，圖9和圖10為射電源3C279在各條基線上相關(guān)條紋及SBD，表8為scan31相關(guān)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

圖2 吉林—喀什基線衛(wèi)星單通道時(shí)延及相關(guān)條紋

圖2中左圖橫軸為時(shí)延，單位為μs，右圖橫軸為帶寬，單位為MHz，深色為相位，淺色為幅度，兩圖縱軸為無(wú)量綱。下同。

圖3 吉林—三亞基線衛(wèi)星單通道時(shí)延及相關(guān)條紋

圖4 喀什—三亞基線衛(wèi)星單通道時(shí)延及相關(guān)條紋

圖5 吉林—喀什基線3C273B單通道時(shí)延及相關(guān)條紋

圖6 吉林—三亞基線3C273B單通道時(shí)延及相關(guān)條紋

圖7 喀什—三亞基線3C273B單通道時(shí)延及相關(guān)條紋

圖8 吉林—喀什基線3C279單通道時(shí)延及相關(guān)條紋

圖9 吉林—三亞基線3C279單通道時(shí)延及相關(guān)條紋

圖10 喀什—三亞基線3C279單通道時(shí)延及相關(guān)條紋

表6 衛(wèi)星相關(guān)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表7 3C273B相關(guān)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表8 3C279相關(guān)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)

續(xù)表8

4 討論與總結(jié)

本次試驗(yàn)得到了較為理想的衛(wèi)星、射電源相關(guān)條紋，驗(yàn)證了衛(wèi)星—射電源差分觀測(cè)的觀測(cè)綱要編制放方法的可行性，并且群時(shí)延均在50 ps以下，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由表7和表8可以看出，包含喀什站的基線信噪比相對(duì)較低，不包含喀什站的基線信噪比較高，這是由于喀什站附近存在較大的干擾造成的。另外依據(jù)本次試驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果，也可以對(duì)各臺(tái)站天線的系統(tǒng)等效流量密度（system equivalent flux density，SEFD）進(jìn)行評(píng)估。因?yàn)?個(gè)臺(tái)站的設(shè)備均一致，所以認(rèn)為3個(gè)臺(tái)站的SEFD相等。SEFD計(jì)算公式如下：

式（1）中，F(xiàn)為源對(duì)應(yīng)波段的流量密度；SNRS為基線信噪比；B為帶寬；chN為通道數(shù)；intT為積分時(shí)間[12]。

利用式（1）以及表8三亞—吉林基線的數(shù)據(jù)可得天線在C波段下的SEFD為4129Jy，表9列出了部分國(guó)際觀測(cè)站在S/X波段的SEFD。

表9 部分國(guó)際臺(tái)站的系統(tǒng)等效流量密度

表9給出的是各臺(tái)站在S/X波段的SEFD，而此次觀測(cè)是在C波段上，由式（1）可知，天線的SEFD和目標(biāo)源的流量密度F是線性關(guān)系，而射電源3C273B在S，C，X波段的流量密度分別為2.256Jy，3.490Jy，2.632Jy（rfc_2016d_cat）。但考慮到基線信噪比SNR會(huì)隨著流量密度的變化而變化，大致可以判斷國(guó)家授時(shí)中心VGOS觀測(cè)網(wǎng)臺(tái)站的SEFD約為4 000左右。與表9列出的部分國(guó)際臺(tái)站的SEFD情況比較可以看出，國(guó)家授時(shí)中心VGOS天線的SEFD大致與部分國(guó)際臺(tái)站相近。

本文主要介紹了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心按VGOS要求建立的國(guó)內(nèi)第一套測(cè)地型VLBI系統(tǒng)，并對(duì)編寫觀測(cè)綱要（VEX）文件做了較為詳細(xì)的說(shuō)明。其中主要介紹常規(guī)射電源、衛(wèi)星觀測(cè)綱要編制以及衛(wèi)星差分觀測(cè)綱要編制。并利用DiFX相關(guān)處理軟件對(duì)2016年11月2日的衛(wèi)星差分觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，得到衛(wèi)星及射電源的相關(guān)條紋。通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)表明國(guó)家授時(shí)中心VLBI2010觀測(cè)網(wǎng)基本建立完成，達(dá)到正常觀測(cè)需求，經(jīng)過(guò)不斷的努力，最終系統(tǒng)可以達(dá)到高精度、常規(guī)化運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。為未來(lái)我國(guó)在測(cè)地與航天器定位方面提供有力支持。

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