基于VGOS系統(tǒng)的UT1初步觀測與計算

姚當,弓劍軍,3,馬浪明,劉佳,吳文雅,徐磊,呂林蔚,吳元偉,張秀忠,王廣利,舒逢春,楊旭海,3

(1.中國科學院 國家授時中心,西安 710600；2.中國科學院大學,北京 100049；3.中國科學院 精密導航定位與定時技術(shù)重點實驗室,西安 710600；4.中國科學院 上海天文臺,上海 200030)

0 引言

甚長基線干涉測量(very long baseline interferometry,VLBI)是實現(xiàn)天球參考架和地球參考架的關(guān)鍵技術(shù),主要由于它觀測的目標為遙遠的河外射電源,在空間上其位置是固定的。VLBI通過確定特定射電源的位置來實現(xiàn)國際天球參考架(ICRF),并通過標定30個分布全球的射電望遠鏡的位置和速度來實現(xiàn)國際地球參考架(ITRF)。VLBI通過測量確定地球定向參數(shù)(EOP),包括只能由其測定的UT1和章動,來連接ICRF和ITRF。

國際測地測天VLBI服務(wù)(IVS)組織協(xié)調(diào)全球天線進行觀測研究,主要包括8～10個站的24 h全天觀測,其世界時UT1測量精度在6～7 μs(相對于IERS C04 05系列),及2～4個站的每天1 h UT1加強觀測,精度為15 μs[1]。為提高測量精度,IVS提出新一代VGOS(VLBI global observation system)系統(tǒng)：1 mm位置精度和0.1 mm/年的速度精度；連續(xù)測量站位置和地球定向參數(shù)及24 h內(nèi)得到初始測地結(jié)果[2]。通過仿真研究,給出了使用12 m口徑、轉(zhuǎn)速快的小天線,寬帶寬,靈敏度高,數(shù)據(jù)傳輸快等特點的天線系統(tǒng)來達到上述要求,同S/X雙頻觀測系統(tǒng)相比較,天線口徑明顯減小,S/X系統(tǒng)的絕大多數(shù)天線口徑都大于20 m；帶寬增大,數(shù)據(jù)率明顯提高,兩者具體比較可參見表1,其中Jy=10-26W·m-2·Hz-1。

表1 S/X系統(tǒng)與VGOS系統(tǒng)對比

如今在天線制造,數(shù)字電子設(shè)備及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)飛速發(fā)展形勢下,新一代射電天線成為可能。2010年10月,IVS VLBI計劃執(zhí)行組將部分可升級的S/X系統(tǒng)升級為VGOS系統(tǒng),計劃到2017年全球?qū)崿F(xiàn)16個VGOS寬帶系統(tǒng)的建設(shè),2019年將實現(xiàn)30個,其中北半球23個,南半球7個[3]。

如圖1所示,截至2017年初,全球陸續(xù)已有9臺符合VGOS系統(tǒng)要求的站址建成,分別為KOKEE,GGAO,WESTFORD,YEBES,WETTZELL和ISHIOKA以及國內(nèi)的吉林、喀什和三亞,還有11臺正處于建設(shè)改造中,且從圖1可發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)VGOS站集中于北半球,希望今后能有更多南半球VGOS站加入全球觀測網(wǎng)中進行測地實驗。

圖1 2017年全球VGOS站分布

1 VGOS系統(tǒng)

中國科學院國家授時中心和上海天文臺共同研制了“中科院VGOS系統(tǒng)”(如圖2所示),包括：三亞、吉林、喀什3個觀測站,和一個西安數(shù)據(jù)處理中心,其中喀什站是與新疆天文臺合作建成,吉林站是與中科院長春人衛(wèi)站合作建成。各站配備標準的VGOS天線,采用方位俯仰式13 m拋物面天線,主副面板精度分別為0.3 mm和0.1 mm；方位角范圍為-270～+270°,轉(zhuǎn)速和加速度分別為12°/s和3°/s2；俯仰角范圍為5～90°,轉(zhuǎn)速與加速度分別為6°/s和3°/s2；配備寬帶接收機及寬帶記錄終端,并外接高穩(wěn)定的氫原子鐘,使用饋源制冷、寬帶相關(guān)等技術(shù),來提高測量精度。目前西安數(shù)據(jù)處理中心的觀測綱要編制軟件、三臺站寬帶VLBI硬件相關(guān)處理機、DIFX軟件相關(guān)處理機、測地與定軌解算軟件都已初步具備服務(wù)能力。

圖2 中科院VGOS系統(tǒng)組成

接收機是天線系統(tǒng)的重要組成部分,其性能的好壞直接影響到整個觀測系統(tǒng)。高靈敏度、高穩(wěn)定度、高可靠性的超寬帶接收機能夠大大提高系統(tǒng)觀測能力。饋源由四脊喇叭、耦合器、低噪聲放大器(LNA)、3 dB電橋及連接電纜組成,全部置于制冷杜瓦內(nèi),滿足臺站系統(tǒng)噪聲溫度小于50 K的要求,然而對于喀什站,由于電磁環(huán)境差,噪聲溫度在80 K左右。真空泵作為前期輔助工具使杜瓦內(nèi)的真空度低于0.001 pa,后通過氦氣壓縮機來維持杜瓦內(nèi)溫度處于12 K左右,以保障放大器的正常工作環(huán)境：低于70 K；接收機配備兩級放大器,左旋、右旋極化信號首先經(jīng)過一級低噪聲放大器,后經(jīng)過開與關(guān)可控的二級放大器來切換衛(wèi)星和射電源觀測模式(衛(wèi)星信號太強,容易引起系統(tǒng)飽和)之后經(jīng)過下變頻器轉(zhuǎn)換為中頻信號再由記錄設(shè)備采集數(shù)據(jù)并記錄；系統(tǒng)的10 MHz信號由氫鐘提供,相位校準源從信號接收口注入相位信號,以此拉平設(shè)備造成的相位跳動,具體可參見圖3。

圖3 VLBI 2010天線接收系統(tǒng)

每個測站天線的觀測頻段為1.2～9 GHz,每站配有4套相同的記錄終端,每一套記錄終端具有32個通道,每個通道32 MHz,每套記錄終端最大可記錄兩路16通道的512 MHz,2 bit量化或者一路32通道的1 024 MHz,1 bit量化的寬帶中頻信號采樣能力,記錄的數(shù)據(jù)首先以Mark5B格式存儲在本地磁盤陣列上,后通過專網(wǎng)傳回西安數(shù)據(jù)處理中心。

數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。數(shù)據(jù)傳回西安后,各臺站VLBI數(shù)據(jù)經(jīng)過10 GE SFP+接口將數(shù)據(jù)高速送入相關(guān)處理機的數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器,經(jīng)分路處理后送入臺站時延處理單元的FPGA芯片進行條紋旋轉(zhuǎn)、傅里葉變換和小數(shù)比特延遲補償運算,然后再同步送入基線單元進行交叉相乘得互相關(guān)函數(shù)的譜,并進行短時標的累加積分經(jīng)網(wǎng)口按規(guī)定的格式將結(jié)果送存儲服務(wù)器存儲。硬件相關(guān)處理機在基于觀測綱要生成的工作文件安排下運行,后處理進行帶寬綜合,提取觀測時延,數(shù)據(jù)分析軟件根據(jù)觀測時延數(shù)據(jù),利用最小二乘方法,解算并得到EOP及大氣等參數(shù)。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程

2 實驗與數(shù)據(jù)處理

2017年8月20日至8月22日對中星12號衛(wèi)星(定點東經(jīng)87.5°)進行差分VLBI觀測,射電源觀測頻率在3.5～4 GHz,衛(wèi)星為3.82 GHz,選取的參考射電源與目標衛(wèi)星的角距小于15°[4]。因系統(tǒng)初建成,盡量選取C波段流量在1 Jy以上且在之前實驗中系統(tǒng)能夠得到條紋的射電源,主要有1741-038,2008-159,2134+00,0003-066,0106+013,0420-014,0605-085,0742+103,1055+018,3C273B和1510-089等,具體參見表2。

表2 觀測射電源簡介

因射電源的時延測量精度與SNR(signal noise ratio)和帶寬成正比,SNR與源流量、觀測時長、帶寬成正比,所以在射電源觀測中,120 s為一個周期,射電源跟蹤記錄90 s,天線轉(zhuǎn)動30 s,采用512 MHz帶寬2 bit量化,觀測頻率為3 522～4 034 MHz進行實驗觀測。

各站數(shù)據(jù)經(jīng)專網(wǎng)傳回西安數(shù)據(jù)處理中心后,通過硬相關(guān)機處理,得到各通道的頻譜值,后處理從相位信息中提取時延值,并經(jīng)過帶寬綜合處理,將3 522～4 034 MHz綜合到3 826 MHz頻率處,從中提取出射電源觀測群時延,再結(jié)合三站氣象站采集的溫度、濕度、氣壓數(shù)據(jù),生成分析軟件所需的NGS數(shù)據(jù)格式文件[5],如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程

信號到達接收機的觀測時延主要包括幾何時延、對流層時延、電離層時延、天線形變引入的時延等。在觀測時延中扣除對流層時延、電離層時延、天線形變等非幾何時延后,同理論計算的幾何時延相減后進行最小二乘求解所需參數(shù),具體流程如圖6所示。

圖6 解算流程圖

由于初次實驗,并未深入研究設(shè)備時延、源結(jié)構(gòu)、天線熱形變等影響,所以在解算中這些誤差源都未扣除,解算時只扣除了電離層、對流層時延,其中電離層采用IGS(International GNSS Service Center)提供的電離層文件插值獲得,對流層則采用GMF(graphical definition model)模型。具體的時延模型公式為：

(1)

式(1)中,i表示觀測數(shù),j表示待解算參數(shù)個數(shù),Oi為觀測時延,vi為殘差,φi(x)為幾何時延,Ttrop,i為大氣時延,Tion,i為電離層時延,Tclock,i為鐘差,Tother,i為設(shè)備、射電源結(jié)構(gòu)等引入的時延。在不考慮設(shè)備、射電源結(jié)構(gòu)等誤差源的情況下,解算結(jié)果可表示如下：

Toc,i=Oi-φi(x0)-Tion,i-Ttrop,i-Tclock,i,

(2)

(3)

vi=Aδx-Toc,i。

(4)

式(2)～(4)中,Toc,i表示觀測值與理論值之差,A表示求解參數(shù)的偏導數(shù)矩陣。使用數(shù)據(jù)分析軟件VieVS(vienna VLBI and satellite software),采用單次解模式,射電源坐標來自ICRF2[6],站坐標由GPS測量提供,歲差章動采用IAU 2006/2000A模型,EOP初值由IERS公布的EOP C04 08給出,每次觀測解算估計以下參數(shù)：各站濕大氣天頂距時延改正值ΔTzwd,站間鐘差改正值ΔTclock及一個UT1改正值ΔUT1[7],如式(5)和式(6)所示。

(5)

(6)

式(5)中,mw(ε)為濕大氣映射函數(shù)。由于此次觀測時間長,超過15 h,鐘差與大氣變化快,同國際上1 h加強觀測不同,其鐘差估計間隔為1 440 min,本文需對濕大氣和鐘差進行分段估計。同時在解算過程中進行高頻改正,采用拉格朗日方法將EOP初值序列插值到觀測歷元后,加入海洋潮汐影響和短周期UT1變化的高頻模型修正[8],便于與IERS C04比較。

3 結(jié)果與分析

經(jīng)過VieVS對3 d數(shù)據(jù)處理,解算結(jié)果參見表3,表中JL代表吉林站,SY代表三亞站,KS代表喀什站,ΔUT1表示解算結(jié)果與IERS C04 08數(shù)據(jù)文件中(UT1-UTC)參數(shù)值之差。從表3中可知3次的精度基本一致,為0.2 ms左右,且3次實驗的解算結(jié)果在UT1約1σ情況下是吻合的。

表3 實測數(shù)據(jù)解算結(jié)果

為驗證此次結(jié)果的合理性,采用蒙特卡羅仿真分析方法[9]對觀測進行仿真測試,生成各個觀測的仿真時延,并得到仿真時延與理論時延之差,具體過程如圖7所示。仿真參數(shù)主要包括3部分：①鐘；②濕大氣；③白噪聲(表征系統(tǒng)誤差)。鐘的模擬采用Allan標準方差1×10-14@50 min,符合當前站上氫鐘的頻率穩(wěn)定特性[10]；因系統(tǒng)不穩(wěn)定因素多,白噪聲設(shè)為30 ps；對流層模型根據(jù)湍流理論[11]及由Nilsson提出的策略[12]進行仿真,三站對流層參數(shù)在仿真中設(shè)置一致。

圖7 仿真流程圖

因系統(tǒng)誤差影響是隨機的,所以對2017年8月20號的數(shù)據(jù)進行30次仿真(3 d觀測綱要基本一致),得到一個可信的統(tǒng)計結(jié)果來分析比較實際解算結(jié)果。在理想情況下(無站坐標、電離層誤差,只含鐘及大氣誤差)統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示,圖8(a)表示VieVS解算得到的ΔUT1(UT1-UTC)值與IERS C04 08中事后精密值比較,實心點表示VieVS值,中間橫線表示IERS值；圖8(b)表示偏差值ΔUT1VieVS-ΔUT1IERS,其偏離IERS(UT1-UTC)參數(shù)平均為0.0 761 ms,方差為0.1 399 ms。

圖8 理想情況下仿真結(jié)果(2017-08-20)

目前三站站坐標采用GPS測量獲得,同國際上測地觀測方式得到的精確站坐標存在十幾厘米的誤差,這對解算結(jié)果中的偏差有很大影響[13],為更好分析其對結(jié)果影響,在喀什站站坐標加入Δx=10 cm,Δy=10 cm,Δz=10 cm偏差,仿真結(jié)果如圖9所示,平均偏差為0.188 7 ms,方差為0.139 9 ms,可見站坐標誤差主要影響偏差。

圖9 站坐標偏差影響(2017-08-20)

3 d觀測都是在C波段單頻觀測,不同于國際上S/X雙頻觀測,它能有效地扣除電離層時延,本文在解算過程中則采用IGS提供的電離層網(wǎng)格插值獲得,這勢必將存在幾個TECU的誤差,仿真中加入0.1倍電離層時延到觀測時延中,結(jié)果如圖10所示,平均偏差為0.048 3 ms,方差為0.278 9 ms,可見電離層對方差影響大。

綜上分析,在站坐標不精確,無法有效扣除電離層情況下,經(jīng)仿真可知,該模式下的解算精度在0.2 ms左右,同實測結(jié)果在一個量級上,可證實在觀測數(shù)據(jù)少的情況下,實測解算結(jié)果是合理的,同時也為后續(xù)開展相關(guān)工作提供了經(jīng)驗。

圖10 電離層影響(2017-08-20)

4 結(jié)語

當前中科院首先在國內(nèi)建立3臺VGOS天線,并有相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理中心；近期利用3臺天線開展了射電源與衛(wèi)星的觀測,通過上述實測數(shù)據(jù)結(jié)果及分析可知,本次解算結(jié)果與IERS事后精密值在≈1σ下基本吻合,這表明三站能獨立自主地開展UT1測量,這對授時單位來講是非常重要的,同時在衛(wèi)星定軌精度上也有改進。后續(xù)將在C波段開展專門的UT1觀測模式,測試系統(tǒng)的測量精度。

致謝:在此感謝上海天文臺的錢志翰老師,張秀中老師,舒逢春老師,王廣利老師等在觀測、硬相關(guān)及數(shù)據(jù)處理上的指導,并對合作單位新疆天文臺與長春人衛(wèi)站表示感謝,正是在他們的運營維護下,基礎(chǔ)設(shè)施才有了保障。