孫中苗，范昊鵬

1. 西安測(cè)繪研究所，陜西 西安 710054； 2. 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052

VLBI全球觀測(cè)系統(tǒng)(VGOS)研究進(jìn)展

孫中苗1,2，范昊鵬3

1. 西安測(cè)繪研究所，陜西 西安 710054； 2. 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)因其獨(dú)具的超高空間分辨率和定位精度，使其從20世紀(jì)70年代末開始就一直是各國(guó)的大地測(cè)量學(xué)研究熱點(diǎn)。然而目前VLBI的測(cè)量水平依舊不能滿足許多需要毫米級(jí)精度的科學(xué)和工程領(lǐng)域的需求。為促進(jìn)實(shí)現(xiàn)全球尺度下1 mm位置精度的目標(biāo)，國(guó)際VLBI大地測(cè)量與天體測(cè)量服務(wù)組織(IVS)正在推進(jìn)新一代VLBI全球觀測(cè)系統(tǒng)，即VGOS。本文從組成VGOS測(cè)站的各個(gè)子系統(tǒng)入手，介紹了國(guó)內(nèi)外當(dāng)前的進(jìn)展情況及未來VGOS的發(fā)展趨勢(shì)，并在最后列出了現(xiàn)階段依舊面臨的問題和挑戰(zhàn)。

VLBI；VGOS；寬帶測(cè)量系統(tǒng)；相關(guān)機(jī)；本地連接

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量因其獨(dú)具的超高空間分辨率和定位精度，使其從20世紀(jì)60年代末開始就一直是美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)的大地測(cè)量學(xué)研究熱點(diǎn)，尤其是近30年來發(fā)展中國(guó)家的加入，使得全球VLBI事業(yè)空前高漲。目前，VLBI已經(jīng)成為一種常規(guī)的空間大地測(cè)量技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)和維持天球參考架(celestial reference frame，CRF)與地球參考框架(terrestrial reference frame，TRF)、測(cè)定二者間的聯(lián)系參數(shù)、監(jiān)測(cè)地殼形變與海平面上升、深空探測(cè)、射電天文學(xué)研究等學(xué)科及應(yīng)用領(lǐng)域具有不可替代的作用[1]。

傳統(tǒng)VLBI技術(shù)24 h測(cè)段得到的測(cè)站位置精度在5 mm水平，時(shí)延測(cè)量誤差在10～50 ps，對(duì)于研究毫米級(jí)的地殼和海平面變化以及地球定向參數(shù)(earth orientation parameter，EOP)的快速精確測(cè)定與預(yù)報(bào)等十分有限[2,3]。于是IVS先后于2005、2009年組建了VLBI2010委員會(huì)和VLBI2010執(zhí)行小組，用于定義和指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)新一代VLBI2010技術(shù)及其站網(wǎng)[4]，并在2012年馬德里大會(huì)上將新網(wǎng)命名為VLBI全球觀測(cè)系統(tǒng)(VLBI global observing system，VGOS)，同時(shí)進(jìn)一步明確了VGOS的目標(biāo)：①全球范圍測(cè)站位置精度在1 mm水平；②可連續(xù)測(cè)量測(cè)站位置和EOP的時(shí)間序列；③大地測(cè)量初步產(chǎn)品的生成周期小于24 h[5]。

本文主要對(duì)VGOS建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行概述，并扼要介紹國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的進(jìn)展情況。

1 國(guó)外發(fā)展情況

IVS于2009年發(fā)布的《VLBI2010系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南》[6]中指出，目前影響VLBI產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素有觀測(cè)策略、源切換間隔、分析策略、隨機(jī)誤差源(包括VLBI時(shí)鐘誤差、延遲測(cè)量誤差、濕大氣延遲誤差等)以及測(cè)網(wǎng)規(guī)模等。該指南同時(shí)提出了一系列關(guān)于VLBI2010系統(tǒng)的參考建議，包括設(shè)立小口徑、快轉(zhuǎn)速的天線，采用寬帶延遲測(cè)量模式，增加天線數(shù)量并均衡全球分布，優(yōu)化觀測(cè)計(jì)劃，建立高速數(shù)據(jù)傳輸和記錄系統(tǒng)，提升系統(tǒng)自動(dòng)化程度，改進(jìn)本地連接測(cè)量技術(shù)、天線形變模型，精化源結(jié)構(gòu)改正等。下面從天線、寬帶測(cè)量系統(tǒng)、相關(guān)機(jī)、本地連接以及已建成測(cè)站情況等方面進(jìn)行介紹。

1.1 天 線

IVS針對(duì)天線規(guī)格提出了如下建議，目前各國(guó)的天線基本都參照這種規(guī)格而建。

(1) 口徑：12 m或更大。

(2) 表面精度：在一級(jí)運(yùn)行條件下，主反射面和副反射面的綜合均方根(RMS)誤差對(duì)所有指向<0.2 mm。

(3) 天區(qū)覆蓋率：5°以上高度全通視。

(4) 射電頻率(radio frequency，RF)范圍：2～14 GHz或更高。

(5) 口徑效率：優(yōu)于50%。

(6) 系統(tǒng)溫度：低于40 K(不包括大氣因素)。

(7) 轉(zhuǎn)動(dòng)速率和加速度：方位角轉(zhuǎn)速12°/s，高度角轉(zhuǎn)速6°/s，加速度均為3°/s2。

(8) 參考點(diǎn)穩(wěn)定性：相對(duì)于本地局域大地測(cè)量網(wǎng)，三維位置應(yīng)當(dāng)十分穩(wěn)定或者作為高度角和溫度(可能也與其他參數(shù)有關(guān))的函數(shù)可精確建模，RMS小于0.3 mm。

(9) 光路徑長(zhǎng)度穩(wěn)定性：光路徑長(zhǎng)度差必須穩(wěn)定或者作為高度角和溫度的函數(shù)可精確建模，在一級(jí)運(yùn)行條件下，任意指向的RMS小于0.3 mm。

(10) 維護(hù)：底座、轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)和天線結(jié)構(gòu)有能力每天24 h連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)、觀測(cè)方向切換2500次以上；天線機(jī)械結(jié)構(gòu)除發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱外壽命需超過20年；發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的平均無(wú)故障時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)于2年；發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的更換和維護(hù)應(yīng)當(dāng)方便且經(jīng)濟(jì)；天線和馬達(dá)的維修和維護(hù)的計(jì)劃時(shí)間每年小于10 d，費(fèi)用小于天線費(fèi)用的10%。

1.2 寬帶測(cè)量系統(tǒng)

1.2.1 饋 源

IVS對(duì)饋源的基本建議是：采用雙極化饋源，敏感頻率范圍為2～14 GHz，饋源相位中心需與頻率無(wú)關(guān)，且極化程度要高。饋源集成在低溫杜瓦內(nèi)，同時(shí)簡(jiǎn)化饋源-低噪放大器(LNA)接口，以確保對(duì)接收機(jī)噪聲的影響最??；采用寬張角設(shè)計(jì)，與之配套的天線采用雙反射面、環(huán)形軸對(duì)稱焦點(diǎn)。目前采用的饋源主要有Eleven和四脊喇叭(quad ridge flared horn，QRFH)兩種[7-8]。

Eleven是由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)研發(fā)的一種10倍帶寬、對(duì)數(shù)周期、雙偶極陣列饋源，具有波帶帶寬接近常值、天線增益達(dá)11 dBi、相位中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)和幾何形狀簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，樣機(jī)如圖1所示。QRFH是加州理工大學(xué)研制的寬帶RF饋源族中的一種，內(nèi)插4片相互正交的脊，相比Eleven的最大不同點(diǎn)是，它可保證波束形狀幾乎不變的前提下，適應(yīng)較大跨度的反射面張角范圍，樣機(jī)如圖2所示。兩者指標(biāo)對(duì)比情況列于表1。

圖1 Eleven饋源樣機(jī)Fig.1 Prototype of Eleven feed

圖2 QRFH饋源Fig.2 QRFH feed

Tab.1SpecificationcomparisonbetweenElevenandQRFHfeed

Eleven饋源QRFH饋源頻率范圍1.2～14GHz2.2～14GHz極化配置雙線性雙線性接口配置差分單向LNA/極化41LNA/饋源82LNA穩(wěn)定性要求振幅1.6dB,相位14°無(wú)校準(zhǔn)信號(hào)注入方式輻射式/后LNA式輻射式/前LNA式/后LNA式口徑效率55%～80%55%～75%地面噪聲10～20K<20K(2.2～5GHz),<10K(5～14GHz)f/D范圍0.35～0.50.3～2.5自適應(yīng)10dB饋源半波寬65°15°～75°自適應(yīng)尺寸(半波寬65°)直徑210mm,高度65mm直徑160mm,高度150mm

總體上，兩種饋源各有優(yōu)缺點(diǎn)：Eleven需要更多的LNA，不利于系統(tǒng)集成，但是具備更優(yōu)的靈敏性和交叉極化；而QRFH可適應(yīng)更寬范圍的f/D值，且成本較低。目前新建成或即將建成的VGOS天線多采用以上兩種饋源，具體效果視天線特點(diǎn)而定。

1.2.2 極 化

VGOS天線饋源大多對(duì)線性極敏感。線性極的缺點(diǎn)是條紋幅度與天線間饋源指向差呈正弦相關(guān)。隨著地球自轉(zhuǎn)，饋源在az-el或x-y型天線上相對(duì)射電源的指向會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于兩臺(tái)相距甚遠(yuǎn)的天線，饋源指向角會(huì)相差90°之大，此時(shí)相關(guān)條紋完全消失。該問題可以通過采用雙極化饋源避免，即沿軸旋轉(zhuǎn)單極饋源，使得VLBI網(wǎng)中所有饋源在天區(qū)上的指向一致。

迄今還無(wú)法制造出效果更好的寬帶圓極化饋源，但可利用兩個(gè)數(shù)字化的線極化信號(hào)構(gòu)建出圓極化信號(hào)：在數(shù)字后端(DBE)中，將其中一個(gè)信號(hào)的相位旋轉(zhuǎn)90°，疊加至另一個(gè)上。如果已處理獲得兩個(gè)線極化信號(hào)之間的所有4個(gè)互相關(guān)產(chǎn)品，也可以在相關(guān)處理后進(jìn)行以上步驟[9]。無(wú)論是在測(cè)站還是在相關(guān)機(jī)中構(gòu)建圓極化信號(hào)，其困難之處在于模擬設(shè)備的增益和經(jīng)過饋源后兩極化通道的相位之間存在不可避免的差異。例如，如果一個(gè)極的增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一個(gè)，則由相位旋轉(zhuǎn)和疊加產(chǎn)生的信號(hào)將完全被高增益通道支配，最終將合成一個(gè)線極化信號(hào)。所以必須測(cè)量?jī)赏ǖ赖南鄬?duì)增益和相位，并在構(gòu)建圓極化信號(hào)之前對(duì)其影響進(jìn)行改正。具體可通過選取合適的射電源觀測(cè)或利用相位/噪聲校準(zhǔn)方法，也可綜合以上兩種方法。

1.2.3 數(shù)字后端(DBE)

DBE用于將射電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并利用數(shù)字濾波處理技術(shù)抽取所需數(shù)據(jù)。目前有兩種數(shù)字化方法，一是數(shù)字化完全取代基帶轉(zhuǎn)換器(base band converter，BBC)，即為每個(gè)BBC編排數(shù)字化算法；二是利用多相位濾波器加FFT方法，因其高效性，非常適用于VGOS。RDBE、DBBC和MDBE是國(guó)際上性能最佳的幾種DBE。

RDBE(Roach digital back end)由美國(guó)麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)和美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)聯(lián)合研制。其中RDBE-G(復(fù)采樣/VDIF格式)系統(tǒng)可直接與一臺(tái)Mark 6記錄系統(tǒng)相連，取代了4臺(tái)Mark 5C，同時(shí)具備噪聲二極管控制、GPS/氫鐘/RDBE內(nèi)部時(shí)間比對(duì)、脈沖校準(zhǔn)信號(hào)提取等功能[10]。

DBBC(digital base band convertor)在21世紀(jì)初已可處理8個(gè)1 GHz帶寬的輸入信號(hào)，輸出速率最高達(dá)32 Gbps。隨著VGOS寬帶觀測(cè)模式的提出，DBBC也相應(yīng)升級(jí)為DBBC2010和DBBC3系統(tǒng)。其中DBBC3系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：4個(gè)寬帶中頻(intermediate frequency，IF)輸入信號(hào)、每個(gè)IF同步帶寬為14 GHz、采樣位數(shù)為8、數(shù)據(jù)處理能力N×5 TMACS(N為處理節(jié)點(diǎn)數(shù))、最大輸出數(shù)率1 Tbps、與現(xiàn)有的DBBC2、DBBC2010系統(tǒng)兼容[11-12]。

MDBE(multipurpose digital back end)是俄羅斯應(yīng)用天文研究所(IAA)研發(fā)的多功能數(shù)字后端，可將8個(gè)512 MHz或4個(gè)1024 MHz帶寬的輸入信號(hào)數(shù)字化，并在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)中進(jìn)行信號(hào)處理。該系統(tǒng)有多種操作模式以適應(yīng)各種觀測(cè)需求，且可實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)分析功能，如相位校準(zhǔn)(PCAL)信號(hào)提取、2位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、輸入信號(hào)捕獲、功率譜密度估計(jì)等。MDBE系統(tǒng)小巧而緊湊，可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控查看整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)整體的復(fù)雜性[13]。

1.2.4 數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)

VLBI發(fā)展過程中面臨的主要問題之一是尋求最高效的方法記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)[14]，目前使用較多的是美國(guó)海斯塔克天文臺(tái)研制的Mark系統(tǒng)和日本國(guó)家信息與通信技術(shù)研究所(NICT)牽頭開發(fā)的K系統(tǒng)。經(jīng)過40余年的發(fā)展，Mark已研制出第6代產(chǎn)品，即Mark 6系統(tǒng)。相比上一代產(chǎn)品Mark 5，Mark 6系統(tǒng)具有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)有：16 Gbps的持續(xù)記錄和回放能力，32 Gbps甚至更高的爆發(fā)式記錄功能，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包記錄，采用高性能、廉價(jià)的商用現(xiàn)貨硬件，升級(jí)簡(jiǎn)單、服從摩爾定理曲線，基于Linux操作系統(tǒng)、軟件開源，利用彈性文件系統(tǒng)管理速率慢或損壞的磁盤，支持e-VLBI，可從Mark 5系統(tǒng)平穩(wěn)過渡并最大限度地保護(hù)了其磁盤數(shù)據(jù)[15]。

1.2.5 其他新興寬帶測(cè)量系統(tǒng)

VGOS寬帶測(cè)量系統(tǒng)可同時(shí)觀測(cè)4個(gè)帶寬1 GHz、2～14 GHz范圍的RF信號(hào)，一般需利用頻率轉(zhuǎn)換器將頻率轉(zhuǎn)換到接收系統(tǒng)可識(shí)別范圍。歐洲VLBI網(wǎng)(EVN)正在研制的一款1.5～15 GHz多頻段全數(shù)字接收系統(tǒng)(被稱為BRAND項(xiàng)目)，避免了采用不同頻段的物理接收機(jī)時(shí)面臨的許多問題，如接收頻段、焦點(diǎn)機(jī)械位置間的切換，需要維護(hù)更多冷卻系統(tǒng)和接收機(jī)，指向模型存在差異等。同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)多波段VLBI成像、多光譜測(cè)量、多波段偏振測(cè)量以及多波段、單接收天線大地測(cè)量VGOS系統(tǒng)等，其優(yōu)越性甚至超越美國(guó)VLBA的頻段快速切換技術(shù)。BRAND的實(shí)現(xiàn)，可徹底改變當(dāng)前歐洲VLBI的測(cè)量模式，開辟新的科研方向[16]。與此同時(shí)，NICT正在研發(fā)一套新的寬帶VLBI系統(tǒng)——GALA-V。該系統(tǒng)利用K6/GALAS高速采樣儀和數(shù)字濾波技術(shù)，可對(duì)射電頻率直接采樣，避開了頻率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)[17]。

1.3 相關(guān)機(jī)

相關(guān)機(jī)是VLBI數(shù)據(jù)處理的核心設(shè)備，分為硬件相關(guān)機(jī)和軟件相關(guān)機(jī)。前者是用硬件實(shí)現(xiàn)大部分運(yùn)算，如互相關(guān)運(yùn)算、FFT運(yùn)算、時(shí)延補(bǔ)償和條紋旋轉(zhuǎn)等，代表性產(chǎn)品是曾廣泛使用的Mark Ⅳ相關(guān)機(jī)；后者用軟件實(shí)現(xiàn)，如澳大利亞斯威本科技大學(xué)研制的分布式FX相關(guān)機(jī)(distributed FX，DiFX)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，DiFX相關(guān)機(jī)日益普遍，其優(yōu)點(diǎn)是易于開發(fā)研制、升級(jí)維護(hù)成本低、可靠性高，且可與高速光纖通信網(wǎng)絡(luò)直接相連實(shí)時(shí)處理VLBI觀測(cè)數(shù)據(jù)[18]。最新的DiFX 2.4相比1.x系列版本作了許多改進(jìn)：FITS文件由相關(guān)輸出的二進(jìn)制文件翻譯而得，無(wú)需將大型FITS庫(kù)與DiFX連接，提高了文件的輸出速率；可直接從Mark 5磁盤陣列中讀取本地?cái)?shù)據(jù)，省略了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、回放等過程；引入靈活的PCAL信號(hào)提取功能，可提取任意數(shù)量的信號(hào)；增加了譜選擇和譜平均功能，減少了互乘階段的計(jì)算量和回傳的數(shù)據(jù)量；同時(shí)增加了一些其他數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工具[19]。

除了DiFX之外，國(guó)際上使用的軟件相關(guān)機(jī)還包括EVN的SFXC、日本的多通道K5/VSSP處理機(jī)和寬帶GIGO3處理機(jī)、俄羅斯的GPU集群IAA處理機(jī)、美國(guó)NASA/JPL的JVC處理機(jī)等。

1.4 本地連接

本地連接是融合VLBI、SLR、GNSS和DORIS并置觀測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵，不但與TRF的實(shí)現(xiàn)直接關(guān)聯(lián)，也有利于發(fā)現(xiàn)并研究某種空間技術(shù)或測(cè)區(qū)的系統(tǒng)偏差[20]。根據(jù)ITRF2014的數(shù)據(jù)，大多數(shù)并置站的本地連接不符值高于3 mm，其中高于5 mm的超過50%、高于10 mm的超過30%?？梢姡镜剡B接誤差是構(gòu)建毫米級(jí)精度TRF的重要影響因素[21]。

本地連接通常利用GNSS接收機(jī)或與全站儀等設(shè)備聯(lián)合測(cè)得。芬蘭Mets?hovi射電天文臺(tái)在天線反射面的外圈直徑上架設(shè)兩臺(tái)GNSS接收機(jī)，利用其連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，以后處理方式擬合得到射電望遠(yuǎn)鏡的參考點(diǎn)位置和軸向偏差等參數(shù)[22]。該方法可連續(xù)測(cè)量參考點(diǎn)位置，且可在天線運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量，但是測(cè)量精度受多路徑效應(yīng)、天線遮蔽GNSS信號(hào)等因素的影響。

德國(guó)Wettzell三天線陣列的本地連接通過3個(gè)觀測(cè)網(wǎng)得到[23]。由13個(gè)大地測(cè)量型GNSS基準(zhǔn)站構(gòu)成的局域網(wǎng)(站間距4～90 km)，用于監(jiān)測(cè)整個(gè)測(cè)區(qū)的地面形變；由7個(gè)GNSS站組成的本地GNSS網(wǎng)(站間距不超過250 m)，用于監(jiān)測(cè)VLBI天線附近區(qū)域的地面形變；本地測(cè)量網(wǎng)，用于參考點(diǎn)監(jiān)測(cè)和本地連接測(cè)量，其中全站儀以0.2～0.4 mm的精度測(cè)定點(diǎn)位，數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量點(diǎn)位高程，用多個(gè)并置的GNSS控制點(diǎn)將本地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地心地固坐標(biāo)系?？鄢驕囟取⒅亓σ鸬奶炀€系統(tǒng)性誤差后的連接精度優(yōu)于0.7 mm，基本滿足VGOS網(wǎng)亞毫米級(jí)精度的連接測(cè)量要求。

1.5 已建成VGOS站

IVS模擬研究表明，全球16站網(wǎng)同時(shí)觀測(cè)即可達(dá)到VGOS的性能目標(biāo)，滿足地球參考框架、天球參考框架及EOP精化要求。顧及維持和維修所需時(shí)間，IVS建議的最小VGOS測(cè)網(wǎng)如下[6]：每個(gè)主要地質(zhì)板塊至少有3個(gè)常態(tài)觀測(cè)站，經(jīng)濟(jì)允許地區(qū)鼓勵(lì)多建；在南半球至少有8個(gè)常態(tài)觀測(cè)站；至少有6個(gè)全球分布的常態(tài)觀測(cè)站以高數(shù)據(jù)速率與一個(gè)或多個(gè)相關(guān)器相連，以近實(shí)時(shí)地獲得EOP；至少有8個(gè)較大(20 m)天線(每半球4個(gè))用于CRF增強(qiáng)；若有可能，VGOS新站點(diǎn)與現(xiàn)有或計(jì)劃的空間大地測(cè)量觀測(cè)站尤其是SLR站并置；有能力處理至少24個(gè)站的連續(xù)觀測(cè)，長(zhǎng)期目標(biāo)是至少32個(gè)站。

根據(jù)上述建議，目前已改建或新建10余個(gè)VGOS站[24-31]，其主要性能列于表2。

表2 國(guó)外VGOS站簡(jiǎn)況

2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)相關(guān)單位一直參與VGOS的設(shè)計(jì)與建設(shè)工作。參照VGOS建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)局域網(wǎng)，其中首個(gè)VGOS站正處于集成聯(lián)試階段。

該VGOS站的天線口徑為13 m，設(shè)計(jì)有2～14 GHz寬頻和X/Ka雙頻兩種工作模式，采用自動(dòng)換饋方式。寬頻饋源為自行研制的四脊喇叭，口徑效率大于55%。致冷寬頻接收機(jī)采用兩路線極化方式，出所測(cè)試的噪聲溫度≤15 K@2.2 GHz、≤11 K@8.0 GHz、≤26 K@14.0 GHz，平滑處理后基本在15 K左右；致冷X/Ka雙頻接收機(jī)的噪聲溫度在X頻段為20 K、在Ka頻段為28 K，平滑處理后分別在20 K以下和25 K左右。上下變頻系統(tǒng)的輸出平坦度對(duì)于全頻段可達(dá)3 dBp-p、噪聲系數(shù)小于5 dB。DBE采用中國(guó)第2代VLBI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Chinese VLBI data acquisition system，CDAS)CDAS2，其全中頻帶寬達(dá)2×512 MHz，可以10 Gbps連接以太網(wǎng)，可將中頻信號(hào)分成多個(gè)帶寬相等的基帶，最大數(shù)據(jù)速率達(dá)4096 Mbps。數(shù)據(jù)記錄采用Mark 6系統(tǒng)。時(shí)頻系統(tǒng)采用一主一備兩臺(tái)氫原子鐘，氫原子鐘的頻率準(zhǔn)確度為3×10-13，天頻率穩(wěn)定度為2×10-15。

3 VGOS未來發(fā)展

VGOS的發(fā)展趨勢(shì)是，VGOS觀測(cè)網(wǎng)注重于自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制并在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)與已有觀測(cè)網(wǎng)兼容，互相關(guān)處理將采用高性能眾核處理器和大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性更高，采用動(dòng)態(tài)觀測(cè)計(jì)劃編排，產(chǎn)品發(fā)布速度進(jìn)一步提高。

3.1 觀測(cè)網(wǎng)

VGOS將統(tǒng)一使用高轉(zhuǎn)速、寬帶測(cè)量天線，觀測(cè)頻率為3～14 GHz，具體上下限各天線會(huì)略有不同。盡管Ka波段(32 GHz)觀測(cè)具有多種優(yōu)勢(shì)[32-34]，但大氣中水汽含量過高等不利條件會(huì)嚴(yán)重影響觀測(cè)，降低觀測(cè)系統(tǒng)靈敏性[35-36]，故IVS并不建議將Ka波段作為常規(guī)觀測(cè)頻段。相比傳統(tǒng)VLBI(S/X)站網(wǎng)，VGOS將加強(qiáng)自動(dòng)化運(yùn)行、遠(yuǎn)程控制等功能，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、縮減系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。此外，VGOS將極大地豐富VLBI觀測(cè)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)量提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí))，EOP產(chǎn)品尤其是UT1-UTC的發(fā)布周期也將大大縮短，有望達(dá)每天每3 h一次[37]，但與S/X天線混合觀測(cè)依舊是不可避免的階段，一方面，VGOS的測(cè)量結(jié)果需要與舊系統(tǒng)確定的TRF保持一致性；另一方面，舊系統(tǒng)的天線口徑較大，靈敏性高，有助于觀測(cè)弱源并維持天球參考框架的穩(wěn)定。

3.2 相關(guān)處理中心

隨著國(guó)內(nèi)外深空探測(cè)項(xiàng)目的增多，e -VLBI軟件處理機(jī)的要求也越來越高，在VGOS和EVN2015計(jì)劃中，均提出e -VLBI相關(guān)處理的需求。未來相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)e -VLBI、e -Transfer以及硬盤記錄模式將會(huì)并存，因此軟件相關(guān)處理機(jī)需同時(shí)具備實(shí)時(shí)處理、磁盤緩存的準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理和事后處理3種模式。實(shí)時(shí)相關(guān)對(duì)軟件處理不僅提出功能和性能的要求，更重要的是對(duì)大規(guī)模集群計(jì)算提出可靠性要求：在功能上具備實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信接口和應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸波動(dòng)冗余能力；在性能上具備不低于總數(shù)據(jù)流速率的處理能力；在可靠性上具備發(fā)生計(jì)算節(jié)點(diǎn)故障時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)移與恢復(fù)計(jì)算能力[38]。

根據(jù)IVS VGOS觀測(cè)計(jì)劃[39]，2020年將有24個(gè)測(cè)站進(jìn)行常規(guī)觀測(cè)和相關(guān)處理，觀測(cè)的爆發(fā)數(shù)據(jù)率為32 Gbps，每天聯(lián)合觀測(cè)相關(guān)處理的總數(shù)據(jù)量將達(dá)到1 PB以上，所需計(jì)算機(jī)CPU核數(shù)將達(dá)3900核。而目前IVS相關(guān)處理中心中擁有最多核數(shù)的USNO也僅有512核，與VGOS未來的需求相差甚遠(yuǎn)[40]。為此，研究高性能眾核處理器，如GPU或者M(jìn)IC(Intel many integrated core architecture)，建立混合架構(gòu)高性能集群，就成為解決海量VLBI數(shù)據(jù)相關(guān)處理的可行技術(shù)路徑之一。在軟件編程架構(gòu)上，除了采用傳統(tǒng)的MPI并行計(jì)算編程方式，還可借鑒目前流行的大數(shù)據(jù)云計(jì)算Map-Reduce編程方式，降低MPI并行編程的學(xué)習(xí)和開發(fā)復(fù)雜度[38]。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸

VGOS系統(tǒng)采用高速互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，各臺(tái)站與附近通信干路之間以光纖相連，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1～10 Gbps[41]，所以當(dāng)2020年VGOS網(wǎng)完全建成時(shí)，即使全天時(shí)觀測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸方面也不足以造成困難。但是由于所有數(shù)據(jù)都將匯合于相關(guān)處理中心，與相關(guān)處理中心相連的線纜其容納的數(shù)據(jù)量會(huì)劇增。例如對(duì)于由20個(gè)VGOS站組成的觀測(cè)網(wǎng)，該段線纜需具備100 Gbps傳輸速率的能力[42]。關(guān)于這點(diǎn)，有以下方法可以緩解：一是相關(guān)處理中心的操作員可以對(duì)來自臺(tái)站的數(shù)據(jù)初步檢測(cè)，平衡數(shù)據(jù)給各個(gè)相關(guān)處理中心帶來的任務(wù)負(fù)荷；二是在相關(guān)處理中心建立高容量RAID系統(tǒng)(緩沖池系統(tǒng))，需要時(shí)從該系統(tǒng)中抽取有用數(shù)據(jù)；三是在相關(guān)處理中心建立并使用分布式運(yùn)行架構(gòu)，從而有效分擔(dān)處理龐大的數(shù)據(jù)[43]。

3.4 觀測(cè)計(jì)劃

未來VGOS產(chǎn)品應(yīng)具有相當(dāng)高的一致性，一種方法是增加每個(gè)測(cè)段的測(cè)站數(shù)，并使用動(dòng)態(tài)觀測(cè)計(jì)劃編排，以此來保證任何突發(fā)情況(如測(cè)站損壞、失控、精度降低等)發(fā)生時(shí)可以迅速生成并實(shí)施新的計(jì)劃。第2種是同時(shí)多個(gè)測(cè)網(wǎng)并行觀測(cè)，結(jié)果相互比對(duì)，但是這種情況需要全球布設(shè)大量的VGOS測(cè)站，短時(shí)間內(nèi)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

3.5 產(chǎn)品發(fā)布

隨著VGOS網(wǎng)的逐漸完善，VLBI產(chǎn)品的發(fā)布周期將大大縮短，同時(shí)精度及可靠性會(huì)顯著提高。表3列出了IVS幾種產(chǎn)品的預(yù)測(cè)時(shí)間分辨率、更新速率、滯后時(shí)間及精度等信息。

表3 IVS產(chǎn)品預(yù)測(cè)

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著世界各地VGOS項(xiàng)目如火如荼地開展，大地測(cè)量VLBI將迎來嶄新紀(jì)元。從編排觀測(cè)計(jì)劃、相關(guān)處理、觀測(cè)策略到數(shù)據(jù)處理分析，幾乎每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)得到革新。這項(xiàng)前無(wú)古人的事業(yè)，將成倍提高大地測(cè)量參數(shù)的解算精度，為全球大地測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展提供其獨(dú)有的貢獻(xiàn)。然而當(dāng)前VGOS系統(tǒng)在建設(shè)和運(yùn)行方面依舊面臨許多問題和挑戰(zhàn)[43]：設(shè)備指標(biāo)與IVS推薦方案吻合程度不同，包括觀測(cè)頻段差異、RF通道劃分?jǐn)?shù)不同以及相位、電纜和幅度校準(zhǔn)能力參差不齊等；VGOS測(cè)站與傳統(tǒng)站的連接問題，即新網(wǎng)與舊網(wǎng)觀測(cè)結(jié)果一致性保障問題；新網(wǎng)與舊網(wǎng)觀測(cè)頻帶結(jié)構(gòu)的兼容性問題；不同設(shè)備系統(tǒng)的兼容性問題，如RDBE、DBBC之間存在的本機(jī)振蕩器參數(shù)不兼容現(xiàn)象，旁帶、格式和位編碼定義識(shí)別錯(cuò)誤以及其他無(wú)法解釋的延遲誤差等；相關(guān)處理過程中數(shù)據(jù)量過于龐大的問題；以及自動(dòng)化與遠(yuǎn)程控制不夠成熟等；越來越嚴(yán)重的射頻干擾也特別值得關(guān)注。

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(責(zé)任編輯：叢樹平)

Research Progress of VLBI Global Observing System (VGOS)

SUN Zhongmiao1,2,FAN Haopeng3

1. Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China; 2. State Key Laboratory of Geo-Information Engineering, Xi’an 710054, China; 3. School of Geospace Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China

Known for unique super-high spatial resolution and positioning accuracy, very long baseline interferometry (VLBI) has been a geodetic research hotspot in various countries since late 1970s. The measuring capability of VLBI currently, however, still stays below satisfaction to a number of scientific and engineering fields, which require millimeter-level accuracy. In order to realize the goal of 1 mm positioning accuracy on global scales, the international VLBI service for geodesy and astrometry(IVS)recommended constructing a new generation VLBI observing system, namely VGOS. Starting with subsystems that constitute a VGOS station, this paper introduced the present progress and development trend of VGOS at home and abroad, and finally listed the problems and challenges which still should be faced at present stage.

VLBI；VGOS；broadband measurement system；correlator；local tie

The Nation Natural Science Foundation of China (No. 41474015)

SUN Zhongmiao (1968—), male, PhD, research fellow, majors in physical geodesy, space geodesy and marine survey.

FAN Haopeng

孫中苗，范昊鵬.VLBI全球觀測(cè)系統(tǒng)(VGOS)研究進(jìn)展[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(10)：1346-1353.

10.11947/j.AGCS.2017.20170326.

SUN Zhongmiao,FAN Haopeng.Research Progress of VLBI Global Observing System (VGOS)[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1346-1353. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170326.

P229

A

1001-1595(2017)10-1346-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(41474015)

2017-06-20

修回日期： 2017-08-01

孫中苗(1968—)，男，博士，研究員，研究方向?yàn)槲锢泶蟮販y(cè)量、空間大地測(cè)量、海洋測(cè)繪。

E-mail： sun_szm@163.com

范昊鵬

E-mail： fanhaopeng2008@163.com