姚當(dāng) 張志斌 李金嶺 王廣利

(中國科學(xué)院上海天文臺(tái) 上海 200030)

1 引言

VLBI(Very Long Baseline Interferometry)是通過相距數(shù)千至上萬公里、具有獨(dú)立本振的兩臺(tái)或多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡,同時(shí)觀測并記錄河外射電源輻射的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)高角分辨率天文成像、高精度的天體測量及地球定向參數(shù)(Earth Orientation Parameters,EOP)確定等測量研究[1].1979年起,國際VLBI天體與大地測量服務(wù)組織(International VLBI Service for Geodesy & Astrometry,IVS)協(xié)調(diào)和組織全球VLBI測站進(jìn)行國際聯(lián)測,以測定和維持國際天球/地球參考架和EOP[2-3].從1981年開始,IVS每周組織2次基于5-8臺(tái)站的S/X雙頻波段24 h觀測,因觀測數(shù)據(jù)量大及郵寄至相關(guān)處理中心的時(shí)間長,其測量結(jié)果一般滯后3-15 d.世界時(shí)(Universal Time,UT1)是EOP中變化最快且難以精確預(yù)報(bào)的參數(shù),IVS在20世紀(jì)80年代初開始利用單基線開展1 h的UT1加強(qiáng)觀測(Intensive observation,INT1),其得到的UT1精度與24 h觀測接近[4-5],之后便作為快速獲取UT1的重要方式進(jìn)行每日觀測.隨著觀測站的調(diào)整,基線長度的增加,加強(qiáng)觀測的UT1測量精度逐漸提高,目前,IVS實(shí)測的ΔUT1(UT1-UTC(Universal Time Coordinated))與IERS (International Earth Rotation Service) C04事后精密序列的差異在10μs水平[6-7].

21世紀(jì)開始,全球VLBI測站及相關(guān)處理系統(tǒng)經(jīng)過多次升級(jí)后,其觀測能力、產(chǎn)品時(shí)效性和精度等顯著提高,但依然面臨設(shè)備老化、射頻干擾(Radio Frequency Interference,RFI)及運(yùn)維費(fèi)用不足等問題,且VLBI測量精度主要受限于大氣和源結(jié)構(gòu)影響[8-9].為此,IVS提出了采用直徑約12 m且轉(zhuǎn)速快的天線和2-14 GHz寬頻帶接收的VLBI全球觀測系統(tǒng)(VGOS)以滿足全球大地測量觀測系統(tǒng)(Global Geodetic Observing System,GGOS)的1 mm和0.1 mm/yr的站址精度需求,同時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)、快速的EOP測定能力[10].圖1為截至2021年全球VGOS站建設(shè)情況,其中上三角標(biāo)記為已常規(guī)運(yùn)行站,圓圈標(biāo)記表示臺(tái)站已建設(shè)且處于運(yùn)行測試中,而正方形標(biāo)記表示即將在該處建設(shè)VGOS臺(tái)站.可知全球已有9個(gè)VGOS臺(tái)站實(shí)現(xiàn)常規(guī)運(yùn)行,11個(gè)臺(tái)站處于測試中(包括我國的上海佘山和烏魯木齊南山兩個(gè)VGOS臺(tái)站),9個(gè)臺(tái)站在規(guī)劃建設(shè)中.相比于老一代VLBI系統(tǒng)的單右旋圓極化觀測模式,VGOS采用雙極化接收記錄,通過對(duì)兩路極化數(shù)據(jù)的校準(zhǔn),可有效提高條紋的信噪比和相位穩(wěn)定度[11-12].

圖1 VGOS全球建站現(xiàn)狀,△為已運(yùn)行,°為測試,□為計(jì)劃建站.Fig.1 The distribution of VGOS,△: operational,°: antenna built,□: in planning.

基于已建成的VGOS臺(tái)站,IVS已陸續(xù)組織開展了一些測地觀測試驗(yàn).2017年,7個(gè)VGOS臺(tái)站參加了連續(xù)15 d 24 h加密觀測,群時(shí)延精度在2 ps左右[13].綜合2017年至2019年的VGOS觀測數(shù)據(jù),可獲得亞毫米的站坐標(biāo)精度[14],印證VGOS天線的小型化、高轉(zhuǎn)速及寬帶特性可提升時(shí)延測量精度.在UT1加強(qiáng)觀測上,可有效提高觀測數(shù)目、改善天區(qū)分布,更有效分離鐘差和濕大氣延遲.Haas等[15]2021年利用Onsala雙VGOS天線與Ishioka站開展的加強(qiáng)觀測,相比于傳統(tǒng)的INT1觀測,其得到的UT1形式精度可改善3-4倍.

本文利用INT1和VGOS同時(shí)段觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,評(píng)估VGOS測站開展的加強(qiáng)觀測對(duì)UT1的測定能力.第2節(jié)介紹了VGOS數(shù)據(jù)及相應(yīng)處理方法,第3節(jié)對(duì)INT1與VGOS觀測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,研究了極移誤差對(duì)兩者的影響,同時(shí)分析了VGOS 1 h和30 min的UT1測量結(jié)果,并且分析了我國烏魯木齊南山13 m和上海佘山13 m VGOS的UT1測定能力,第4節(jié)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié).

2 數(shù)據(jù)與處理

傳統(tǒng)VLBI測站的UT1加強(qiáng)觀測每天1次,其中Kokee (簡稱Kk)和Wettzell (簡稱Wz)每周一至周五18:30-19:30 (UT)開展INT1觀測.在2020年,IVS組織了22次2-5個(gè)VGOS測站參與的測試觀測,2021年起,與Kk和Wz分別并置的2個(gè)VGOS臺(tái)站(KOKEE12M-K2,WETTZ13S-Ws)每隔2-7 d在18:30-19:30 (UT)開展基于VGOS的UT1加強(qiáng)觀測任務(wù).表1為INT1與VGOS單基線UT1加強(qiáng)觀測的配置對(duì)比,可知VGOS天線的轉(zhuǎn)速明顯優(yōu)于INT1,觀測頻段上,INT1在S和X波段進(jìn)行觀測,S波段通過6個(gè)通道記錄,每個(gè)通道帶寬為4 MHz,X波段則通過8個(gè)通道記錄,VGOS則是在4個(gè)頻段,每個(gè)頻段8個(gè)通道、每個(gè)通道帶寬為32 MHz下觀測記錄,此外VGOS記錄了雙極化數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量急劇增多,較難實(shí)現(xiàn)高頻次觀測.

表1 INT1與VGOS單基線測站配置對(duì)比Table 1 The baseline comparison between INT1 and VGOS

Kk-Wz基線和K2-Ws基線在2021年的觀測情況如圖2所示,從1月到10月,K2-Ws基線共觀測了71次,Kk-Wz基線共觀測了174次.因VGOS天線轉(zhuǎn)速快、記錄頻段多,有效降低了目標(biāo)的觀測時(shí)間及天線的切換時(shí)間,K2-Ws基線1 h的有效觀測數(shù)比Kk-Wz基線平均高出1倍.實(shí)際上,若VGOS 4個(gè)波段的16通道全部記錄,且不限制目標(biāo)的最短觀測時(shí)長(40 s),1 h有效觀測數(shù)將更多.為評(píng)估對(duì)比兩基線的UT1加強(qiáng)觀測,本文挑選了61次同一時(shí)段內(nèi)兩基線都有觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析.

圖2 2021年Kk-Wz與K2-Ws觀測情況Fig.2 The observation of Kk-Wz and K2-Ws in 2021

不同于S/X的右旋圓偏振,VGOS采用4波段雙線極化記錄方式,因此相關(guān)處理環(huán)節(jié),需對(duì)4種極化組合進(jìn)行相關(guān)處理,后處理中,需對(duì)4組極化組合分別進(jìn)行條紋擬合,校準(zhǔn)各個(gè)通道的殘余相位以及不同極化鏈路的相位與時(shí)延偏差,從而獲得更精確的多通道群時(shí)延/時(shí)延率[16].圖3左右分別展示了經(jīng)相關(guān)和后處理后的Kk-Wz基線和K2-Ws基線的群時(shí)延精度(σKk-Wz,σK2-Ws)統(tǒng)計(jì)的柱狀圖,可知Kk-Wz基線在X波段的群時(shí)延精度分布更彌散(0-130 ps),特征精度(柱狀圖峰值)在23 ps處,而K2-Ws基線的群時(shí)延精度分布則集中在0-15 ps范圍,特征精度在3 ps.

圖3 Kk-Wz與K2-Ws觀測群時(shí)延精度對(duì)比Fig.3 The group delay accuracy comparison between Kk-Wz and K2-Ws

帶寬綜合后的群時(shí)延經(jīng)模糊度消除、鐘跳修正等處理后,利用最小二乘方法可對(duì)所需參數(shù)進(jìn)行求解.解算時(shí),射電源初始坐標(biāo)采用ICRF3 (The 3rd realization of the International Celestial Reference Frame)星表,Kk與Wz的站坐標(biāo)和站速采用ITRF2014 (International Terrestrial Reference Frame at epoch 2014.0)結(jié)果,而對(duì)于K2與Ws,根據(jù)24 h觀測的并置站相時(shí)延可計(jì)算得到.表2為經(jīng)過相時(shí)延計(jì)算后K2與Ws在ITRF下分別與Kk、Wz的三維坐標(biāo)差異(Δx、Δy、Δz),因并置站相距近,K2與Ws的站速度分別和Kk、Wz相同.EOP先驗(yàn)值從IERS C04文件中獲取.對(duì)于單基線觀測,僅估計(jì)站間鐘差、各站天頂濕時(shí)延和ΔUT1.

表2 基于相時(shí)延得到的基線地心矢量Table 2 Baseline geocenteric vector obtained by the phase delay

3 結(jié)果與討論

3.1 K2-Ws與Kk-Wz基線

目前,IVS的多家分析中心將其UT1加強(qiáng)觀測的解算結(jié)果上報(bào)給IVS,其中法國巴黎天文臺(tái)VLBI分析中心(Paris Observatory Analysis Center,OPAR)和俄羅斯應(yīng)用天文學(xué)研究所分析中心(Institute of Applied Astronomy Analysis Center,IAA)會(huì)同時(shí)上報(bào)傳統(tǒng)加強(qiáng)觀測和基于VGOS的加強(qiáng)觀測結(jié)果,維也納分析中心(The Special Analysis Center in Vienna,VIE)也會(huì)在其產(chǎn)品網(wǎng)站上發(fā)布加強(qiáng)觀測結(jié)果(https://www.vlbi.at/index.php/pr oducts/).圖4為本文及各分析中心基于兩基線測量得到的ΔUT1與IERS C04序列中的ΔUT1插值至對(duì)應(yīng)時(shí)刻的差異(δUT1)情況,其中的△為Kk-Wz基線對(duì)比結(jié)果,*為K2-Ws基線對(duì)比結(jié)果,誤差棒為ΔUT1的形式誤差.從圖可知,總體上Kk-Wz基線與K2-Ws基線在相同觀測時(shí)段下δUT1在誤差范圍內(nèi)吻合,此外,可發(fā)現(xiàn)OPAR提供的K2-Ws結(jié)果存在較明顯的偏差,很有可能其解算時(shí)采用的初始臺(tái)站坐標(biāo)存在較大的偏差.

圖4 不同分析中心測定的ΔUT1相對(duì)C04序列的差異.△為Kk-Wz,*為K2-Ws.Fig.4 ΔUT1 time series of different analysis centers w.r.t.C04.△represents the Kk-Wz baseline,and * represents the K2-Ws baseline.

表3給出了各個(gè)分析中心加強(qiáng)觀測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)信息,包括相對(duì)C04序列的平均偏差,平均偏差的RMS (Root Mean Square),平均形式誤差等,其中OPAR的結(jié)果,在扣除偏差平均值后,其RMS則為30.8μs.因OPAR、IAA、VIE在解算時(shí),采用EOP的預(yù)報(bào)值作為先驗(yàn)值,而本文先驗(yàn)值則為IERS C04的事后精密序列,極移先驗(yàn)值要優(yōu)于其他分析中心,以至整體結(jié)果較優(yōu).通過本文處理的K2-Ws與Kk-Wz的結(jié)果可知,K2-Ws得到的ΔUT1形式精度比Kk-Wz提高1倍[17],且在與C04序列的一致性上,略優(yōu)于Kk-Wz基線.

表3 不同分析中心的δUT1統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 The statistical δUT1 results of different analysis centers

對(duì)于加強(qiáng)觀測,由于僅對(duì)站間鐘差、各站天頂濕時(shí)延和ΔUT1進(jìn)行估計(jì),在射電源坐標(biāo)、站坐標(biāo)相對(duì)準(zhǔn)確情況下,初始極移的偏差將是影響ΔUT1的主要誤差源之一,因此本文定量研究了不同的先驗(yàn)極移精度對(duì)于ΔUT1的影響.圖5為Kk-Wz和K2-Ws分別在0.1 mas、0.5 mas和1 mas極移偏移誤差下得到的ΔUT10.1、ΔUT10.5和ΔUT11與極移未偏移得到的ΔUT1對(duì)比(DUT1=ΔUT1-ΔUT1offset,其中offset可為0.1、0.5、1),該值可反映出先驗(yàn)極移偏差對(duì)于ΔUT1估計(jì)誤差的傳遞關(guān)系.圖5的上兩圖為極移X分量(Xpole)影響,下兩圖為極移Y分量(Ypole)的影響.從下圖可知,Ypole的誤差與ΔUT1估計(jì)存在較為明顯的線性傳遞,其每100μas的誤差將對(duì)Kk-Wz測定的ΔUT1引入1.3μs左右的偏移,對(duì)K2-Ws測定的ΔUT1引入1.1μs左右的偏移.對(duì)于Xpole,K2-Ws數(shù)據(jù)反映出的依賴關(guān)系的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于Kk-Wz基線,其每100μas的誤差將對(duì)K2-Ws測定的ΔUT1引入1.7μs左右的偏移.若Xpole和Ypole均存在100μas的誤差,則誤差傳遞至K2-Ws基線的ΔUT1的誤差則為2.8μs/100μas,同Nothnagel分析INT1數(shù)據(jù)得到2.3μs/100μas的結(jié)論接近[18].

圖5 極移誤差對(duì)Kk-Wz基線及K2-Ws基線測定UT1影響,Δ線表示1 mas偏移,°線表示0.5 mas偏移,*線表示0.1 mas偏移,紅線為ΔUT1形式精度.Fig.5 The impact of errors in polar motion on UT1 for Kk-Wz and K2-Ws,the line of Δ,° and * represent the pole offsets of 1 mas,0.5 mas and 0.1 mas,and the red line is formal error of ΔUT1.

此外,根據(jù)ΔUT1形式精度抖動(dòng)可知,K2-Ws觀測比Kk-Wz穩(wěn)定,且形式精度與極移誤差影響的相關(guān)性也相對(duì)明顯,如圖5右上圖的矩形框區(qū)域.對(duì)于Kk-Ws觀測,因形式誤差不穩(wěn)定,受極移誤差的影響波動(dòng)大,且部分觀測時(shí)段下,如第32 d、100 d,即使存在較大極移偏差DUT1的變化也非常小,主要因其有效觀測數(shù)目少(12個(gè)),導(dǎo)致射電源天區(qū)分布差,極移的偏差被站間鐘差和濕大氣所吸收,進(jìn)而未能在ΔUT1中體現(xiàn).K2-Ws觀測在形式精度相對(duì)較小時(shí)受極移誤差的影響比較穩(wěn)定,而形式精度較差時(shí)極移誤差將對(duì)ΔUT1產(chǎn)生較大的影響,如第70 d前后(臺(tái)站環(huán)境濕度大)和215 d前后(Ws仰角都在30°以內(nèi)),這在圖4的同一時(shí)段下得到體現(xiàn),不同分析中心存在較大差異.

圖6為K2-Ws基線30 min和1 h觀測情況下測得的UT1對(duì)比情況,其中上三角表示1 h結(jié)果,右三角表示前30 min結(jié)果,圓圈表示后30 min結(jié)果.從圖可知30 min與1 h測量結(jié)果整體變化趨勢(shì)相一致.表4給出了基于18:30-19:30、18:30-19:00、19:00-19:30數(shù)據(jù)集結(jié)果的統(tǒng)計(jì)信息,可知,在與C04一致性上,三者得到的結(jié)果差異不大,因30 min觀測數(shù)減少,形式精度增大至11.1μs,整體上仍優(yōu)于Kk-Wz結(jié)果.若VGOS測站采用最高記錄速率時(shí)(32 Gbps),30 min觀測在減少數(shù)據(jù)量的同時(shí),也保證了測量精度,可超快速測量UT1.

表4 K2-Ws不同觀測時(shí)長δUT1統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 The statistical δUT1 results of different observed time on K2-Ws baseline

圖6 K2-Ws 1 h與30 min測得ΔUT1相對(duì)于C04的時(shí)間序列Fig.6 ΔUT1 time series of one hour and half hour observed by K2-Ws w.r.t.C04

3.2 S6-U6基線

2021年初,上海佘山13 m(S6)和烏魯木齊南山13 m (U6)建成,截至7月,同國內(nèi)其他臺(tái)站共開展了8次24 h VGOS測地觀測.本文利用18:30-19:30(UT)時(shí)段兩站的觀測數(shù)據(jù)對(duì)UT1進(jìn)行估計(jì)分析,其與K2-Ws的加強(qiáng)觀測的比較如圖7所示.因S6-U6基線長度為K2-Ws基線的1/3,對(duì)應(yīng)UT1精度要低于K2-Ws基線,但兩基線相近時(shí)刻所測結(jié)果的趨勢(shì)保持一致.表5給出了S6-U6基線8次加強(qiáng)觀測情況及統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可知S6-U6基線測得的ΔUT1與C04的平均偏差在-19.2μs,RMS為46.2μs,平均形式精度為17.7μs,相比于佘山25 m和南山25 m基線的15-40μs形式精度,整體得到提升[19].

圖7 K2-Ws與S6-U6實(shí)測結(jié)果對(duì)比Fig.7 ΔUT1 time series of K2-Ws and S6-U6 w.r.t.C04

表5 2021年S6-U6基線δUT1結(jié)果Table 5 The δUT1 result of S6-U6 in 2021

4 總結(jié)

截至2021年,全球已有9個(gè)VGOS觀測站開展常規(guī)觀測,其中K2-Ws的UT1加強(qiáng)觀測已實(shí)現(xiàn)例行化觀測服務(wù).本文首先針對(duì)2021年同時(shí)段K2-Ws與Kk-Wz基線的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析,結(jié)果表明,VGOS 1 h觀測測得的ΔUT1平均形式精度為7.4μs,較傳統(tǒng)INT1基線提高1倍,且與IERS C04的一致性上,K2-Ws所測的ΔUT1相對(duì)于IERS C04序列偏差的RMS為25.3μs,略優(yōu)于Kk-Wz的28.2μs.其次,分析了初始極移的精度影響,表明,K2-Ws基線因1 h觀測數(shù)目多,受極移初始值誤差的影響比Kk-Wz穩(wěn)定,每100μas的極移誤差將對(duì)ΔUT1引入2.8μs的偏移.然后對(duì)K2-Ws 30 min的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可知數(shù)據(jù)記錄量減半的同時(shí),其測定的ΔUT1與1 h觀測相當(dāng),可用于UT1超快速獲取.

最后,針對(duì)國內(nèi)于2021年初建成并處于測試階段的VGOS觀測站,基于8次24 h VGOS測試數(shù)據(jù),開展了烏魯木齊南山13 m和上海佘山13 m單基線測定UT1研究,其測量得到UT1 RMS為46.2μs,后續(xù)可長期組織開展單基線1 h UT1加強(qiáng)觀測,以檢驗(yàn)其測定能力.

致謝感謝上海天文臺(tái)舒逢春老師提供上海佘山和烏魯木齊南山VGOS站的相關(guān)處理結(jié)果.