劉 磊，鄭為民,2,3，張 娟，舒逢春,2,3，童鋒賢，童 力

1. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái), 上海 200030; 2. 中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008； 3. 上海市導(dǎo)航定位重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200030

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中國(guó)VLBI網(wǎng)軟件相關(guān)處理機(jī)測(cè)地應(yīng)用精度分析

劉 磊1，鄭為民1,2,3，張 娟1，舒逢春1,2,3，童鋒賢1，童 力1

1. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái), 上海 200030; 2. 中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008； 3. 上海市導(dǎo)航定位重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200030

為支持國(guó)際VLBI大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理，中國(guó)VLBI網(wǎng)(CVN)軟件相關(guān)處理機(jī)完成了功能、性能升級(jí)，提高了信噪比，實(shí)現(xiàn)了以國(guó)際測(cè)地通用Mk4格式數(shù)據(jù)輸出結(jié)果，可以直接被VLBI通用測(cè)地后處理軟件用于時(shí)延數(shù)據(jù)解算。本文通過(guò)與國(guó)外軟件相關(guān)處理機(jī)DiFX的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)，系統(tǒng)地分析了CVN軟件處理機(jī)帶寬綜合殘余時(shí)延和時(shí)延率精度、帶寬綜合總時(shí)延和時(shí)延率精度、信噪比和VLBI站坐標(biāo)解算值。數(shù)據(jù)顯示，CVN軟件相關(guān)處理機(jī)已經(jīng)達(dá)到了測(cè)地?cái)?shù)據(jù)處理的精度要求，可以用于IVS國(guó)際聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)處理。

VLBI; 軟件相關(guān)處理機(jī); 大地測(cè)量; 信噪比; 時(shí)延; 時(shí)延率

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(very long baseline interferom-etry，VLBI)技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代。得益于氫原子鐘、現(xiàn)代通信、電子計(jì)算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展以及觀測(cè)方法的進(jìn)步，VLBI測(cè)量能力進(jìn)展迅速，其測(cè)量精確度已經(jīng)達(dá)到亞毫角秒量級(jí)，是目前角分辨率最高的天文觀測(cè)技術(shù)[1]，在天體物理[2-3]、天體測(cè)量與大地測(cè)量(測(cè)地)[4]、深空探測(cè)[5-10]等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

VLBI系統(tǒng)通過(guò)分布在全球不同位置的VLBI射電望遠(yuǎn)鏡(臺(tái)站)，在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)地觀測(cè)一系列射電源，數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)處理后再進(jìn)行條紋擬合，鐘差鐘速改正，大氣時(shí)延及電離層等傳播介質(zhì)補(bǔ)償，最終得到的觀測(cè)量可用于天文、測(cè)地及深空探測(cè)研究[1]。VLBI系統(tǒng)已被用于建立天球參考架。與基于恒星位置的參考架相比，基于河外射電源的天球參考架因具有更高的穩(wěn)定性，更接近于理想慣性系，被國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(IAU)采納為國(guó)際天球參考架(International Celestial Reference Frame, ICRF)[11-12]。此參考架確定了天球坐標(biāo)系統(tǒng)的零點(diǎn)以及方向，并提供了一系列參考點(diǎn)，以確定其他天體在參考架中的精確位置。在測(cè)地方面，VLBI技術(shù)可用于研究地球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化和確定精確的時(shí)間系統(tǒng)，包括進(jìn)動(dòng)、章動(dòng)、極移、世界時(shí)等。通過(guò)數(shù)年至數(shù)十年的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)臺(tái)站坐標(biāo)的變化，還可分析地球板塊運(yùn)動(dòng)[13-14]。

近年來(lái)國(guó)際VLBI大地測(cè)量與天體測(cè)量服務(wù)組織(IVS)[15-16]提出了滿足VLBI2010技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的全球觀測(cè)系統(tǒng)VGOS(VLBI2010 global observing system)，以適應(yīng)未來(lái)天體測(cè)量與大地測(cè)量的高精度需求[17]。VGOS系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)是：2020年后，將在全球尺度上，實(shí)現(xiàn)臺(tái)站位置和地球定向參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，24 h快速數(shù)據(jù)處理，VLBI臺(tái)站位置精度達(dá)到1 mm。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)現(xiàn)有VLBI系統(tǒng)進(jìn)行全面升級(jí)，主要包括：采用直徑13 m左右的新型小口徑望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)在單位時(shí)間內(nèi)快速觀測(cè)更多的射電源(每個(gè)scan時(shí)間30 s左右)實(shí)現(xiàn)全天區(qū)更好的參考源覆蓋并獲得更高的天線參考點(diǎn)穩(wěn)定性；通過(guò)超寬帶接收機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以16～32 Gbps高數(shù)據(jù)采樣率增加小口徑天線觀測(cè)靈敏度。采用實(shí)時(shí)超寬帶軟件相關(guān)處理機(jī)、高速e-VLBI和自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期24 h不間斷觀測(cè)。

VLBI測(cè)地觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理的基本流程是：①VLBI數(shù)據(jù)中心制定觀測(cè)綱要，確定觀測(cè)時(shí)間、臺(tái)站、頻率等；②臺(tái)站根據(jù)觀測(cè)綱要進(jìn)行觀測(cè)，并將數(shù)據(jù)和日志文件傳到指定VLBI中心；③VLBI中心相關(guān)處理機(jī)完成相關(guān)處理，生成可見(jiàn)度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)相位校正、條紋擬合后，得到VLBI帶寬綜合時(shí)延和時(shí)延率，并生成專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)格式；④通過(guò)測(cè)地軟件解算后，獲得臺(tái)站坐標(biāo)、地球定向參數(shù)等測(cè)量結(jié)果。

相關(guān)處理是整個(gè)VLBI測(cè)地?cái)?shù)據(jù)處理的重要步驟，具有數(shù)據(jù)密集和計(jì)算密集的特點(diǎn)。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)使用自主研發(fā)的CVN(Chinese VLBI network)測(cè)地軟件相關(guān)處理機(jī)，已成功處理了數(shù)十次測(cè)地?cái)?shù)據(jù)[18-19]。但是，由于該處理機(jī)采用探月工程的專(zhuān)用輸出格式等原因，與國(guó)際測(cè)地VLBI處理機(jī)輸出數(shù)據(jù)格式不兼容。為支持國(guó)際VLBI大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理，CVN軟件相關(guān)處理機(jī)進(jìn)行了功能、性能升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了輸出結(jié)果的國(guó)際測(cè)地通用Mk4數(shù)據(jù)格式輸出，提高了信噪比，使處理機(jī)結(jié)果可直接被通用VLBI測(cè)地后處理軟件用于時(shí)延數(shù)據(jù)解算。本文以DiFX(distributed FX correlator)處理機(jī)[20-21]作為參照，系統(tǒng)比較了CVN軟件相關(guān)處理機(jī)測(cè)地時(shí)延(率)。分析表明，CVN軟件相關(guān)處理機(jī)測(cè)地?cái)?shù)據(jù)精度與DiFX一致，可以用于IVS國(guó)際聯(lián)測(cè)的數(shù)據(jù)處理以及臺(tái)站站坐標(biāo)解算。

1 軟件相關(guān)處理機(jī)

1.1 VLBI相關(guān)處理機(jī)原理

FX型(一條基線涉及的兩臺(tái)站信號(hào)先從時(shí)域到頻域做傅里葉變換，再交叉相乘)VLBI相關(guān)處理機(jī)的輸入是基線兩端臺(tái)站獲得的時(shí)域信號(hào)，輸出是臺(tái)站間互相關(guān)譜(稱為可見(jiàn)度函數(shù))。由圖1，F(xiàn)X型相關(guān)處理機(jī)數(shù)據(jù)處理流程所示，兩路信號(hào)進(jìn)入相關(guān)處理機(jī)后首先按頻率通道進(jìn)行解碼；然后根據(jù)預(yù)先計(jì)算的時(shí)延模型進(jìn)行整數(shù)比特時(shí)延補(bǔ)償；經(jīng)過(guò)條紋旋轉(zhuǎn)及快速傅里葉變換后，信號(hào)從時(shí)域變換至頻域，并完成分?jǐn)?shù)比特時(shí)延補(bǔ)償；最終兩路信號(hào)進(jìn)行共軛相乘及累加積分，得到可見(jiàn)度數(shù)據(jù)。為完成精確的測(cè)地?cái)?shù)據(jù)處理，對(duì)部分失效數(shù)據(jù)引入的誤差必須進(jìn)行精細(xì)的數(shù)據(jù)有效率控制，對(duì)在記錄和傳輸過(guò)程中缺失的數(shù)據(jù)也需專(zhuān)門(mén)處理，并進(jìn)行可見(jiàn)度函數(shù)幅度校正。

由于光速有限，射電源發(fā)出的信號(hào)波前在不同時(shí)刻分別到達(dá)兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡，二者的時(shí)間差被稱為VLBI時(shí)延，表示為

(1)

圖1 FX型相關(guān)處理機(jī)數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Data processing flow of FX type correlator

1.2CVN軟件相關(guān)處理機(jī)

根據(jù)不同實(shí)現(xiàn)方式，VLBI相關(guān)處理機(jī)可分為軟件處理機(jī)和硬件處理機(jī)兩類(lèi)。近年來(lái)，基于通用CPU集群的軟件相關(guān)處理機(jī)因其開(kāi)發(fā)和調(diào)試方便、配置靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)成為VLBI相關(guān)處理機(jī)的主流形式。

CVN軟件相關(guān)處理機(jī)最早由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)針對(duì)探月工程需求自主開(kāi)發(fā)，已成功應(yīng)用于嫦娥1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和探月三期CE-5T1試驗(yàn)，在一系列的月球探測(cè)器測(cè)定軌任務(wù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該相關(guān)處理機(jī)用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，運(yùn)行于Linux集群，采用OpenMP和MPI實(shí)現(xiàn)并行，并使用IntelIPP庫(kù)進(jìn)行加速。處理機(jī)具備實(shí)時(shí)相關(guān)處理功能，并支持探測(cè)器信號(hào)的快速條紋搜索。在探月工程中，CVN處理機(jī)輸出的可見(jiàn)度數(shù)據(jù)采用專(zhuān)用CVN格式，包含一個(gè)多維矩陣，能夠輸出各臺(tái)站、基線的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)及輔助信息。

為支持“九五”國(guó)家重大科學(xué)工程——中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(陸態(tài)網(wǎng))，在探月工程相關(guān)處理機(jī)基礎(chǔ)上研制的CVN測(cè)地軟件相關(guān)處理機(jī)系統(tǒng)[23]，已經(jīng)成功支持了國(guó)內(nèi)探月工程站坐標(biāo)測(cè)量、陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)大量VLBI觀測(cè)資料處理。2012年后，上海VLBI相關(guān)處理機(jī)被接納為IVS相關(guān)處理機(jī)，準(zhǔn)備承擔(dān)國(guó)際觀測(cè)數(shù)據(jù)處理任務(wù)。上海VLBI中心從2015年開(kāi)始采用國(guó)外DiFX軟件相關(guān)處理機(jī)承擔(dān)常規(guī)的IVS國(guó)際數(shù)據(jù)處理任務(wù)，同時(shí)對(duì)CVN軟件處理機(jī)進(jìn)行功能與性能升級(jí)，使其能夠輸出國(guó)際通用數(shù)據(jù)格式，并提高了輸出結(jié)果信噪比。

為支持測(cè)地?cái)?shù)據(jù)的后處理，需要將CVN格式可見(jiàn)度數(shù)據(jù)結(jié)合時(shí)延模型、相位校正信號(hào)、鐘差鐘速等信息生成國(guó)際通用測(cè)地的Mk4格式，供測(cè)地?cái)?shù)據(jù)后處理軟件HOPS(Haystackobservatorypostprocessingsystem)讀取并做條紋擬合。Mk4是VLBI處理機(jī)測(cè)地?cái)?shù)據(jù)處理的輸出格式，由美國(guó)Haystack天文臺(tái)提出并作為HOPS的輸入格式。Mk4格式由一系列具有相同后綴的文件組成，有5種類(lèi)型：

(1)root文件——對(duì)應(yīng)scan的整體信息，包括源名稱，觀測(cè)臺(tái)站，觀測(cè)時(shí)間，頻率通道，等等。

(2)type-1文件——相關(guān)處理機(jī)輸出的可見(jiàn)度數(shù)據(jù)。每條基線對(duì)應(yīng)一個(gè)文件。

(3)type-2文件——條紋擬合結(jié)果，包括不同頻段的帶寬綜合時(shí)延，單通道時(shí)延，時(shí)延率，信噪比等信息。每個(gè)type-1文件可以對(duì)應(yīng)多次擬合，根據(jù)擬合序號(hào)被保留為多個(gè)type-2文件。

(4)type-3文件——臺(tái)站信息，包括相位校正信號(hào)、時(shí)延模型，等等。

(5)type-4文件——日志信息，可選。

圖2顯示了CVN處理機(jī)生成Mk4測(cè)地格式數(shù)據(jù)示意圖。處理機(jī)采用專(zhuān)用軟件讀取輸出的可見(jiàn)度數(shù)據(jù)數(shù)組、job文件和vex文件，以及可選的相位校正信號(hào)文件，生成root文件、type-1和type-3文件。HOPS軟件包中的fourfit程序讀取Mk4格式進(jìn)行條紋擬合，將條紋擬合結(jié)果，包括殘余時(shí)延(率)、總時(shí)延(率)、信噪比等輸出至type-2文件。

圖2 CVN處理機(jī)輸出Mk4格式示意圖Fig.2 Demonstration of CVN correlator output to Mk4 format

1.3DiFX軟件處理機(jī)

為便于判斷CVN處理機(jī)結(jié)果正確性，采用國(guó)外DiFX處理機(jī)作為對(duì)比的參考對(duì)象。DiFX是目前世界上應(yīng)用最廣泛的VLBI軟件相關(guān)處理機(jī)，由澳大利亞Swinburne大學(xué)、美國(guó)NRAO等聯(lián)合開(kāi)發(fā)，支持天體物理、測(cè)地以及深空探測(cè)等多種應(yīng)用。DiFX采用C++語(yǔ)言，高度模塊化，運(yùn)行于Linux集群，使用IntelIPP進(jìn)行加速。上海VLBI中心已于2015年建立了基于DiFX的天文與測(cè)地VLBI數(shù)據(jù)相關(guān)處理平臺(tái)，目前已成功處理近30次IVS觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到了IVS組織認(rèn)可[24]?；诂F(xiàn)有的測(cè)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)將CVN和DiFX處理結(jié)果在不同后處理階段進(jìn)行比較，可分析驗(yàn)證CVN處理機(jī)的輸出精度，為CVN處理機(jī)后續(xù)進(jìn)行IVS數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備。

2 CVN軟件相關(guān)處理機(jī)與DiFX輸出精度比較

(2)

帶寬綜合時(shí)延是條紋擬合時(shí)，分別綜合S頻段與X頻段所有頻率通道數(shù)據(jù)擬合出的時(shí)延，較準(zhǔn)確地反映了S頻段與X頻段的群時(shí)延，在參數(shù)解算時(shí)作為觀測(cè)量使用。本文使用HOPS中的alist程序讀取條紋擬合結(jié)果，并從中提取每個(gè)scan每條基線擬合得到的帶寬綜合殘余時(shí)延和時(shí)延率、帶寬綜合總時(shí)延、時(shí)延率和信噪比等信息。通過(guò)比較同一批觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)兩個(gè)相關(guān)處理機(jī)后的擬合結(jié)果的差異** 本節(jié)所討論的時(shí)延、時(shí)延率、信噪比差異含義為對(duì)應(yīng)scan，波段和基線CVN結(jié)果減去DiFX結(jié)果的差值。，驗(yàn)證了CVN軟件相關(guān)處理機(jī)的精度。在此基礎(chǔ)上，本文通過(guò)一次完整的測(cè)地觀測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程，比較了基于兩個(gè)處理機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)的VLBI臺(tái)站坐標(biāo)解算結(jié)果，二者在誤差范圍內(nèi)一致。

2.1 帶寬綜合殘余時(shí)延和殘余時(shí)延率精度比較

帶寬綜合殘余時(shí)延和殘余時(shí)延率由條紋擬合程序根據(jù)可見(jiàn)度數(shù)據(jù)擬合得到，其擬合結(jié)果僅依賴于處理機(jī)的相關(guān)處理結(jié)果，是衡量處理機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量最直接的指標(biāo)。在輸入時(shí)延模型相同的情況下，兩個(gè)處理機(jī)的帶寬綜合殘余時(shí)延和殘余時(shí)延率可以直接進(jìn)行比較。比較時(shí)采用了2014年IVS聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)代碼為k14349，共有挪威、中國(guó)(上海)、日本、德國(guó)4個(gè)臺(tái)站(Ny，Sh，Ts，Wz)，16個(gè)頻率通道。每個(gè)通道帶寬8MHz；觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)1h，共30個(gè)scan。其中Wz站記錄格式為Mark5a格式，其余3站為Mark5b格式。

本次處理使用的DiFX版本為2.4.1，其調(diào)用的IntelIPP庫(kù)版本為7.0。為精確比較殘余時(shí)延，兩個(gè)處理機(jī)需采用同樣的時(shí)延模型。為此，先將DiFX的時(shí)延模型替換為CVN的時(shí)延模型，然后再進(jìn)行相關(guān)處理。DiFX的im文件中每個(gè)scan提供數(shù)個(gè)模型，彼此銜接，長(zhǎng)度均為2min。CVN處理機(jī)每個(gè)scan提供一個(gè)模型，起始終止時(shí)刻與scan重合。替換時(shí)保持DiFX模型起始終止時(shí)刻不變，將CVN處理機(jī)的5次多項(xiàng)式系數(shù)變換到每個(gè)DiFX模型開(kāi)始時(shí)刻。相關(guān)處理時(shí)兩處理機(jī)采用相同的設(shè)置，包括FFT點(diǎn)數(shù)、積分時(shí)間、鐘差鐘速等。在對(duì)兩處理機(jī)的輸出結(jié)果進(jìn)行條紋擬合時(shí)，所有選項(xiàng)均采用fourfit默認(rèn)設(shè)置，即采用相位校正信號(hào)自動(dòng)調(diào)整和不剔除壞頻率通道。在進(jìn)行比較時(shí)，剔除了所有帶有錯(cuò)誤代碼以及數(shù)據(jù)質(zhì)量(QC，qualitycode)低于5的數(shù)據(jù)，并對(duì)兩處理機(jī)的結(jié)果按照scan和基線進(jìn)行匹配。此處的“數(shù)據(jù)質(zhì)量”(QC)為fourfit程序?qū)l紋擬合結(jié)果做的一個(gè)評(píng)估，分為0—9共10個(gè)等級(jí)(數(shù)字越高擬合質(zhì)量越好)以及若干表示條紋擬合錯(cuò)誤的字母。測(cè)地解算時(shí)通常采用數(shù)據(jù)質(zhì)量不小于5的結(jié)果。

圖3是帶寬綜合殘余時(shí)延差異隨信噪比的變化。虛線和實(shí)線分別對(duì)應(yīng)著X頻段和S頻段帶寬綜合殘余時(shí)延彌散的理論值，由如下公式給出[2]

(3)

式中，SSNR是信噪比；frms是對(duì)應(yīng)頻段的各頻率通道帶寬均方根，根據(jù)k14349的頻率配置，X頻段和S頻段分別為298.3MHz和50.9MHz。由于S頻段相比于X頻段頻率通道帶寬均方根較小，相同信噪比條件下，其對(duì)應(yīng)的帶寬綜合時(shí)延彌散較大。由圖中可以看出兩個(gè)處理機(jī)的帶寬綜合殘余時(shí)延差異隨著信噪比的增加而減小，并遠(yuǎn)小于理論彌散值。圖中，X頻段和S頻段的帶寬綜合殘余時(shí)延的加權(quán)平均差異分別為0.02ps和0.74ps；彌散或加權(quán)均方根(weightedrootmeansquare，WRMS)分別為0.77ps和9.35ps。加權(quán)平均差異遠(yuǎn)小于加權(quán)均方根，說(shuō)明數(shù)據(jù)圍繞0值波動(dòng)，無(wú)顯著系統(tǒng)性偏差。S頻段加權(quán)均方根差異超過(guò)9ps。此差異源于兩處理機(jī)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的不同：Wz站數(shù)據(jù)采用Mark5a格式數(shù)據(jù)，DiFX輸出的最后一個(gè)積分周期結(jié)束時(shí)刻在scan結(jié)束時(shí)刻之后，而CVN軟件相關(guān)處理機(jī)所有積分周期均在scan范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致DiFX在處理某些scan數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)比CVN處理機(jī)多輸出一個(gè)積分周期，條紋擬合時(shí)結(jié)果略有不同。

圖3 k14349帶寬綜合殘余時(shí)延差異隨信噪比變化Fig.3 Difference of multi-band residual delay for k14349 as a function of signal to noise ratio

圖4是殘余時(shí)延率隨信噪比的變化，同樣可以看出差異隨著信噪比的增加而減小，S頻段差異比X頻段要大，但是大部分在0.1ps/s之內(nèi)。

圖4 k14349殘余時(shí)延率差異隨信噪比變化Fig.4 Difference of multi-band residual delay rate as a function of signal to noise ratio

圖5展示了k14349觀測(cè)CVN處理機(jī)相對(duì)于DiFX處理機(jī)結(jié)果信噪比的差異，以百分比表示。二者大部分?jǐn)?shù)據(jù)信噪比相對(duì)差異在0.5 %以內(nèi)。少量數(shù)據(jù)CVN結(jié)果相較于DiFX低約2 %。信噪比稍較低同樣是由于某些情況下DiFX會(huì)多輸出一個(gè)積分周期導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)條紋擬合結(jié)果信噪比較CVN結(jié)果稍高。

CVN結(jié)果相對(duì)于DiFX結(jié)果的差異圖5 k14349信噪比的相對(duì)差異Fig.5 Difference of signal to noise ratio for k14349

2.2 帶寬綜合總時(shí)延和總時(shí)延率精度比較

可見(jiàn)度數(shù)據(jù)經(jīng)條紋擬合后，得到殘余時(shí)延(率)，通過(guò)將其與對(duì)應(yīng)時(shí)刻模型時(shí)延(率)，以及鐘差(速)相加，可以得到總時(shí)延(率)。本節(jié)比較所采用的原始數(shù)據(jù)為CVN組織的烏魯木齊南山站(Ur)改造后的站坐標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)，觀測(cè)代碼為cn1502。北京密云、上海佘山、云南昆明和烏魯木齊南山4個(gè)CVN臺(tái)站參加(代號(hào)Bj，Sh，Km，Ur)，采用S/X雙頻共16個(gè)頻率通道，每通道帶寬8MHz；觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)24h，共227個(gè)scan。觀測(cè)數(shù)據(jù)分別用DiFX和CVN軟件相關(guān)處理機(jī)處理，各自采用獨(dú)立的時(shí)延模型。DiFX版本為2.3，其調(diào)用的IntelIPP庫(kù)版本為7.0，模型計(jì)算使用Calc9.1。CVN模型計(jì)算程序由上海天文臺(tái)研發(fā)，并與國(guó)際上的主流模型進(jìn)行了比較[25]。相關(guān)處理時(shí)兩處理機(jī)采用相同的設(shè)置，包括FFT點(diǎn)數(shù)、積分時(shí)間、鐘差鐘速等。處理機(jī)結(jié)果采用fourfit做條紋擬合，兩組數(shù)據(jù)剔除的相同的壞頻率通道。

由于Bj站沒(méi)有注入相位校正信號(hào)，各臺(tái)站相位校正均采用手動(dòng)模式，并對(duì)兩處理機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)通道采用相同的校正值。這樣做的原因是，由于兩處理機(jī)所采用不同的時(shí)延模型導(dǎo)致殘余條紋的差異，基于兩組數(shù)據(jù)各自進(jìn)行相位校正會(huì)導(dǎo)致一個(gè)恒定的相位差異，進(jìn)而導(dǎo)致條紋擬合時(shí)各基線10ns量級(jí)的恒定時(shí)延差異。該恒定時(shí)延差異完全由于相位校正時(shí)不同的初相造成，不影響解算結(jié)果。為比較時(shí)延的彌散情況，擬合采用了相同的相位校正值，以獲得同樣的初始相位。本次觀測(cè)4個(gè)臺(tái)站均采用Mark5b格式記錄，不會(huì)出現(xiàn)上節(jié)中DiFX處理機(jī)某些scan比CVN處理機(jī)多輸出一個(gè)積分周期的情況。由于開(kāi)發(fā)環(huán)境、任務(wù)劃分策略等算法實(shí)現(xiàn)細(xì)以及所采用時(shí)延模型的不同，兩個(gè)處理機(jī)的擬合結(jié)果以及臺(tái)站坐標(biāo)解算結(jié)果不完全相同，但分析顯示結(jié)果在精度范圍內(nèi)一致。

圖6顯示了cn1502各基線精度差異。每幅圖從上到下依次是帶寬綜合總時(shí)延差異、總時(shí)延率差異、信噪比差異。由圖可知，WRMS與信噪比呈反相關(guān)關(guān)系，信噪比較低時(shí)WRMS較大。在本次觀測(cè)中，Ur站由于X頻段饋源兩個(gè)IF的極化均接反，導(dǎo)致Ur站與極化正確臺(tái)站的相關(guān)基線在X頻段上信噪均較低，普遍在20以下((f)、(j)圖)，但Sh站X頻段兩個(gè)IF的一個(gè)極化也接反，恰好與Ur站一致，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)Sh-Ur基線X頻段信噪比反而較高，總的效果介于全部接反和全部正確之間(圖l)。除Ur站以外的其余基線X頻段信噪比較高，普遍高于20，對(duì)應(yīng)的WRMS均在3ps以內(nèi)((b)、(d)、(h)圖)。數(shù)據(jù)表明，兩個(gè)處理機(jī)計(jì)算的總時(shí)延率符合很好，差異通常在0.1ps/s以內(nèi)。

圖6 cn1502各基線精度差異比較Fig.6 Precision comparison of each baseline for cn1502

各分圖中從上到下依次為帶寬綜合總時(shí)延差異、總時(shí)延率差異和信噪比圖6 cn1502各基線精度差異比較(續(xù))Fig.6 Precision comparison of each baseline for cn1502(continude)

圖7展示了cn1502兩處理機(jī)結(jié)果數(shù)據(jù)信噪比的相對(duì)差異。由于參與相關(guān)的4個(gè)臺(tái)站均為Mark5b格式，兩處理機(jī)每個(gè)scan輸出有效積分周期個(gè)數(shù)基本相同，相較于k14349，信噪比的差異更小，基本集中在0.5%的范圍內(nèi)。

圖7 cn1502信噪比的相對(duì)差異Fig.7 Difference of signal to noise ratio for cn1502

2.3 臺(tái)站坐標(biāo)解算精度比較

在完成cn1502后處理之后，將其導(dǎo)入vgosDB數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行Ur臺(tái)站坐標(biāo)解算。本次解算使用了最新的測(cè)地VLBI后處理軟件nuSolve0.2.2版本，由NASA/GSFC開(kāi)發(fā)[26]。nuSolve解算的算法基于廣泛使用的傳統(tǒng)測(cè)地軟件CALC/SOLVE。由于借鑒了現(xiàn)代軟件工程的開(kāi)發(fā)方法，更加注重用戶體驗(yàn)，nuSolve安裝和使用均比CALC/SOLVE便捷。針對(duì)兩個(gè)處理機(jī)的輸出結(jié)果，nuSolve附帶的vgosDbMake程序?qū)l紋擬合得到的Mk4格式轉(zhuǎn)換為vgosDB版本1數(shù)據(jù)庫(kù)；vgosDbCalc程序調(diào)用Calc11生成vgosDB版本2數(shù)據(jù)庫(kù)；vgosDbProcLogs程序讀取4個(gè)臺(tái)站的log文件，生成vgosDB版本3數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)準(zhǔn)備好之后，使用nuSolve將其分別導(dǎo)入，進(jìn)行相同的數(shù)據(jù)操作，基本流程是：

(1) 選擇要導(dǎo)入的數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2) 切換到單通道時(shí)延(SBdelay)，剔除壞數(shù)據(jù)點(diǎn)，逐基線調(diào)整跳秒。

(3) 切換到群時(shí)延(GRdelay)，解模糊度(ambig)。

(4) 解電離層改正值(IonoC)。

(5) 解大氣時(shí)延(zenithdelay)和臺(tái)站坐標(biāo)(station)。兩組數(shù)據(jù)均選擇Sh站為參考站。

(6) 解基線鐘差(baselineclocks)。兩組數(shù)據(jù)均選擇Bj站為參考站。

(7) 解時(shí)間變化率(dUT1rate)、章動(dòng)(nutation)。

(8) 做權(quán)重調(diào)整(reweighting)。

(9) 做數(shù)據(jù)修整(outliner)，首先剔除(elimination)模式，再恢復(fù)(restoration)模式，然后重復(fù)，直到?jīng)]有數(shù)據(jù)被剔除。

(10) 解算完成，生成解算報(bào)告。

對(duì)兩個(gè)處理機(jī)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)根據(jù)上述步驟進(jìn)行了解算、評(píng)估(見(jiàn)表1)。解算過(guò)程中所涉及的觀測(cè)量均為時(shí)延，其中有效觀測(cè)量是指通過(guò)fourfit進(jìn)行條紋擬合得到的數(shù)據(jù)質(zhì)量在5—9之間的數(shù)據(jù)。表1顯示，兩組數(shù)據(jù)的觀測(cè)量數(shù)目及擬合質(zhì)量一致。由前文可知，兩處理機(jī)條紋擬合結(jié)果差異的均方差約10ps，小于解算結(jié)果的均方差(40ps)，即CVN處理機(jī)輸出結(jié)果的條紋擬合精度可以滿足解算的需要。本次解算主要關(guān)心Ur站坐標(biāo)，兩組數(shù)據(jù)的解算結(jié)果X、Y、Z、U、E、N分量結(jié)果分別羅列于表2中。解算結(jié)果表明，在精度范圍內(nèi)，兩組數(shù)據(jù)對(duì)于Ur站坐標(biāo)的解算結(jié)果無(wú)顯著差異。

表1 cn1502解算結(jié)果評(píng)估參數(shù)

表2 cn1502 解算Ur站坐標(biāo)結(jié)果

3 結(jié) 論

為支持VLBI國(guó)際測(cè)地?cái)?shù)據(jù)處理，CVN軟件相關(guān)處理機(jī)進(jìn)行了升級(jí)改造。通過(guò)對(duì)CVN和DiFX軟件相關(guān)處理機(jī)的測(cè)地觀測(cè)結(jié)果的條紋擬合及站坐標(biāo)解算，分析了CVN軟件相關(guān)處理機(jī)測(cè)地應(yīng)用精度。結(jié)果表明，兩處理機(jī)輸出的帶寬綜合殘余時(shí)延的加權(quán)平均差異無(wú)系統(tǒng)性偏差，S頻段加權(quán)均方差在10 ps之內(nèi)，X頻段加權(quán)均方差在1 ps以內(nèi)。S頻段帶寬綜合總時(shí)延差異的加權(quán)均方差在9 ps以內(nèi)，X頻段在信噪比較高時(shí)(大于20)加權(quán)均方差在3 ps以內(nèi)。殘余時(shí)延率和總時(shí)延率差異通常在0.1 ps/s以內(nèi)。信噪比差異通常在0.5%以內(nèi)。兩個(gè)處理機(jī)相關(guān)結(jié)果分別經(jīng)參數(shù)解算得到的烏魯木齊南山站坐標(biāo)一致，差異在誤差范圍內(nèi)。綜合對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，CVN軟件相關(guān)處理機(jī)已經(jīng)達(dá)到了測(cè)地?cái)?shù)據(jù)處理要求，具備處理IVS國(guó)際聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)的能力。

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(責(zé)任編輯：叢樹(shù)平)

Precision Analysis of Chinese VLBI Network Software Correlator for Geodetic Applications

LIU Lei1,ZHENG Weimin1,2,3,ZHANG Juan1,SHU Fengchun1,2,3,TONG Fengxian1,TONG Li1

1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 2. Key Laboratory of Radio Astronomy, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3. Shanghai Key Laboratory of Space Navigation and Positioning Techniques, Shanghai 200030, China

To support international VLBI geodetic data processing, Chinese VLBI Network (CVN) software correlator has been updated for better performance and more features, including geodetic Mk4 data format output and improvement of signal to noise ratios. After updating, the visibility output of the software correlator can be sent to the standard VLBI geodetic postprocessing software to derive observables. To verify the correlation result, we have carried out correlation with both CVN software correlator and the popular DiFX correlator by using the same data set. We have compared the derived multi-band residual delay/rate, total delay/rate, signal to noise ratio, and the solved VLBI site positions. The comparison results demonstrate that the CVN software correlator has achieved the required precision, and therefore it can be used for IVS geodetic data processing.

VLBI; software correlator; geodesy; signal to noise ratio; delay; delay rate

The National Natural Science Foundation of China (Nos. 11373061; 11303077; 11573057); The Shanghai Program of Shanghai Academic Research Leader (No. 14XD1404300); The Shanghai Outstanding Academic Leaders Plan; CAS Key Technology Talent Program; Ten Thousand Talent Program

LIU Lei (1984—), male, PhD, assistant researcher, majors in VLBI geodetic data processing, development of VLBI software correlator.

ZHENG Weimin

劉磊，鄭為民，張娟，等.中國(guó)VLBI網(wǎng)軟件相關(guān)處理機(jī)測(cè)地應(yīng)用精度分析[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(7)：805-814.

10.11947/j.AGCS.2017.20160600. LIU Lei,ZHENG Weimin,ZHANG Juan,et al.Precision Analysis of Chinese VLBI Network Software Correlator for Geodetic Applications[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(7):805-814. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160600.

P228

A

1001-1595(2017)07-0805-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(11373061; 11303077; 11573057); 上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目(14XD1404300); 上海市領(lǐng)軍人才項(xiàng)目; 中國(guó)科學(xué)院關(guān)鍵技術(shù)人才項(xiàng)目; 國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃

2016-11-22

劉磊(1984—)，男，博士，助理研究員，研究方向?yàn)閂LBI測(cè)地?cái)?shù)據(jù)處理與VLBI軟件相關(guān)處理機(jī)開(kāi)發(fā)。

E-mail： liulei@shao.ac.cn

鄭為民

E-mail： zhwm@shao.ac.cn

修回日期： 2017-03-21