2. 地理信息工程国家重点实验室, 陕西 西安 710054;
3. 信息工程大学地理空间信息学院, 河南 郑州 450052
2. State Key Laboratory of Geo-Information Engineering, Xi'an 710054, China;
3. School of Geospace Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China
甚长基线干涉测量因其独具的超高空间分辨率和定位精度，使其从20世纪60年代末开始就一直是美国、前苏联、日本、欧洲等国家和地区的大地测量学研究热点，尤其是近30年来发展中国家的加入，使得全球VLBI事业空前高涨。目前，VLBI已经成为一种常规的空间大地测量技术，在实现和维持天球参考架(celestial reference frame，CRF)与地球参考框架(terrestrial reference frame，TRF)、测定二者间的联系参数、监测地壳形变与海平面上升、深空探测、射电天文学研究等学科及应用领域具有不可替代的作用[1]。
传统VLBI技术24 h测段得到的测站位置精度在5 mm水平，时延测量误差在10~50 ps，对于研究毫米级的地壳和海平面变化以及地球定向参数(earth orientation parameter，EOP)的快速精确测定与预报等十分有限[2, 3]。于是IVS先后于2005、2009年组建了VLBI2010委员会和VLBI2010执行小组，用于定义和指导实现新一代VLBI2010技术及其站网[4]，并在2012年马德里大会上将新网命名为VLBI全球观测系统(VLBI global observing system，VGOS)，同时进一步明确了VGOS的目标：① 全球范围测站位置精度在1 mm水平；② 可连续测量测站位置和EOP的时间序列；③ 大地测量初步产品的生成周期小于24 h[5]。
本文主要对VGOS建设现状与发展趋势进行概述，并扼要介绍国内相关研究的进展情况。
1 国外发展情况IVS于2009年发布的《VLBI2010系统设计指南》[6]中指出，目前影响VLBI产品质量的主要因素有观测策略、源切换间隔、分析策略、随机误差源(包括VLBI时钟误差、延迟测量误差、湿大气延迟误差等)以及测网规模等。该指南同时提出了一系列关于VLBI2010系统的参考建议，包括设立小口径、快转速的天线，采用宽带延迟测量模式，增加天线数量并均衡全球分布，优化观测计划，建立高速数据传输和记录系统，提升系统自动化程度，改进本地连接测量技术、天线形变模型，精化源结构改正等。下面从天线、宽带测量系统、相关机、本地连接以及已建成测站情况等方面进行介绍。
1.1 天线IVS针对天线规格提出了如下建议，目前各国的天线基本都参照这种规格而建。
(1) 口径：12 m或更大。
(2) 表面精度：在一级运行条件下，主反射面和副反射面的综合均方根(RMS)误差对所有指向 < 0.2 mm。
(3) 天区覆盖率：5°以上高度全通视。
(4) 射电频率(radio frequency，RF)范围：2~14 GHz或更高。
(5) 口径效率：优于50%。
(6) 系统温度：低于40 K(不包括大气因素)。
(7) 转动速率和加速度：方位角转速12°/s，高度角转速6°/s，加速度均为3°/s2。
(8) 参考点稳定性：相对于本地局域大地测量网，三维位置应当十分稳定或者作为高度角和温度(可能也与其他参数有关)的函数可精确建模，RMS小于0.3 mm。
(9) 光路径长度稳定性：光路径长度差必须稳定或者作为高度角和温度的函数可精确建模，在一级运行条件下，任意指向的RMS小于0.3 mm。
(10) 维护：底座、转动马达和天线结构有能力每天24 h连续高速运转、观测方向切换2500次以上；天线机械结构除发动机和变速箱外寿命需超过20年；发动机和变速箱的平均无故障时间应长于2年；发动机和变速箱的更换和维护应当方便且经济；天线和马达的维修和维护的计划时间每年小于10 d，费用小于天线费用的10%。
1.2 宽带测量系统 1.2.1 馈源IVS对馈源的基本建议是：采用双极化馈源，敏感频率范围为2~14 GHz，馈源相位中心需与频率无关，且极化程度要高。馈源集成在低温杜瓦内，同时简化馈源-低噪放大器(LNA)接口，以确保对接收机噪声的影响最小；采用宽张角设计，与之配套的天线采用双反射面、环形轴对称焦点。目前采用的馈源主要有Eleven和四脊喇叭(quad ridge flared horn，QRFH)两种[7-8]。
Eleven是由瑞典查尔姆斯理工大学研发的一种10倍带宽、对数周期、双偶极阵列馈源，具有波带带宽接近常值、天线增益达11 dBi、相位中心稳定、结构和几何形状简单的特点，样机如图 1所示。QRFH是加州理工大学研制的宽带RF馈源族中的一种，内插4片相互正交的脊，相比Eleven的最大不同点是，它可保证波束形状几乎不变的前提下，适应较大跨度的反射面张角范围，样机如图 2所示。两者指标对比情况列于表 1。
|
| 图 1 Eleven馈源样机 Fig. 1 Prototype of Eleven feed |
|
| 图 2 QRFH馈源 Fig. 2 QRFH feed |
| Eleven馈源 | QRFH馈源 | |
| 频率范围 | 1.2~14 GHz | 2.2~14 GHz |
| 极化配置 | 双线性 | 双线性 |
| 接口配置 | 差分 | 单向 |
| LNA/极化 | 4 | 1 |
| LNA/馈源 | 8 | 2 |
| LNA稳定性要求 | 振幅1.6 dB，相位14° | 无 |
| 校准信号注入方式 | 辐射式/后LNA式 | 辐射式/前LNA式/后LNA式 |
| 口径效率 | 55%~80% | 55%~75% |
| 地面噪声 | 10~20 K | < 20 K(2.2~5 GHz)，< 10 K(5~14 GHz) |
| f/D范围 | 0.35~0.5 | 0.3~2.5自适应 |
| 10 dB馈源半波宽 | 65° | 15°~75°自适应 |
| 尺寸(半波宽65°) | 直径210 mm，高度65 mm | 直径160 mm，高度150 mm |
总体上，两种馈源各有优缺点：Eleven需要更多的LNA，不利于系统集成，但是具备更优的灵敏性和交叉极化；而QRFH可适应更宽范围的f/D值，且成本较低。目前新建成或即将建成的VGOS天线多采用以上两种馈源，具体效果视天线特点而定。
1.2.2 极化VGOS天线馈源大多对线性极敏感。线性极的缺点是条纹幅度与天线间馈源指向差呈正弦相关。随着地球自转，馈源在az-el或x-y型天线上相对射电源的指向会发生改变。对于两台相距甚远的天线，馈源指向角会相差90°之大，此时相关条纹完全消失。该问题可以通过采用双极化馈源避免，即沿轴旋转单极馈源，使得VLBI网中所有馈源在天区上的指向一致。
迄今还无法制造出效果更好的宽带圆极化馈源，但可利用两个数字化的线极化信号构建出圆极化信号：在数字后端(DBE)中，将其中一个信号的相位旋转90°，叠加至另一个上。如果已处理获得两个线极化信号之间的所有4个互相关产品，也可以在相关处理后进行以上步骤[9]。无论是在测站还是在相关机中构建圆极化信号，其困难之处在于模拟设备的增益和经过馈源后两极化通道的相位之间存在不可避免的差异。例如，如果一个极的增益远远大于另一个，则由相位旋转和叠加产生的信号将完全被高增益通道支配，最终将合成一个线极化信号。所以必须测量两通道的相对增益和相位，并在构建圆极化信号之前对其影响进行改正。具体可通过选取合适的射电源观测或利用相位/噪声校准方法，也可综合以上两种方法。
1.2.3 数字后端(DBE)DBE用于将射电模拟信号转化为数字信号，并利用数字滤波处理技术抽取所需数据。目前有两种数字化方法，一是数字化完全取代基带转换器(base band converter，BBC)，即为每个BBC编排数字化算法；二是利用多相位滤波器加FFT方法，因其高效性，非常适用于VGOS。RDBE、DBBC和MDBE是国际上性能最佳的几种DBE。
RDBE(Roach digital back end)由美国麻省理工学院海斯塔克天文台和美国国家射电天文台联合研制。其中RDBE-G(复采样/VDIF格式)系统可直接与一台Mark 6记录系统相连，取代了4台Mark 5C，同时具备噪声二极管控制、GPS/氢钟/RDBE内部时间比对、脉冲校准信号提取等功能[10]。
DBBC(digital base band convertor)在21世纪初已可处理8个1 GHz带宽的输入信号，输出速率最高达32 Gbps。随着VGOS宽带观测模式的提出，DBBC也相应升级为DBBC2010和DBBC3系统。其中DBBC3系统的主要特点是：4个宽带中频(intermediate frequency，IF)输入信号、每个IF同步带宽为14 GHz、采样位数为8、数据处理能力N×5 TMACS(N为处理节点数)、最大输出数率1 Tbps、与现有的DBBC2、DBBC2010系统兼容[11-12]。
MDBE(multipurpose digital back end)是俄罗斯应用天文研究所(IAA)研发的多功能数字后端，可将8个512 MHz或4个1024 MHz带宽的输入信号数字化，并在现场可编程门阵列(FPGA)中进行信号处理。该系统有多种操作模式以适应各种观测需求，且可实现多种信号分析功能，如相位校准(PCAL)信号提取、2位数据统计、输入信号捕获、功率谱密度估计等。MDBE系统小巧而紧凑，可通过远程监控查看整个系统的运行情况，大大简化了系统整体的复杂性[13]。
1.2.4 数据记录系统VLBI发展过程中面临的主要问题之一是寻求最高效的方法记录观测数据[14]，目前使用较多的是美国海斯塔克天文台研制的Mark系统和日本国家信息与通信技术研究所(NICT)牵头开发的K系统。经过40余年的发展，Mark已研制出第6代产品，即Mark 6系统。相比上一代产品Mark 5，Mark 6系统具有的特点和优势有：16 Gbps的持续记录和回放能力，32 Gbps甚至更高的爆发式记录功能，以太网数据包记录，采用高性能、廉价的商用现货硬件，升级简单、服从摩尔定理曲线，基于Linux操作系统、软件开源，利用弹性文件系统管理速率慢或损坏的磁盘，支持e-VLBI，可从Mark 5系统平稳过渡并最大限度地保护了其磁盘数据[15]。
1.2.5 其他新兴宽带测量系统VGOS宽带测量系统可同时观测4个带宽1 GHz、2~14 GHz范围的RF信号，一般需利用频率转换器将频率转换到接收系统可识别范围。欧洲VLBI网(EVN)正在研制的一款1.5~15 GHz多频段全数字接收系统(被称为BRAND项目)，避免了采用不同频段的物理接收机时面临的许多问题，如接收频段、焦点机械位置间的切换，需要维护更多冷却系统和接收机，指向模型存在差异等。同时还可实现多波段VLBI成像、多光谱测量、多波段偏振测量以及多波段、单接收天线大地测量VGOS系统等，其优越性甚至超越美国VLBA的频段快速切换技术。BRAND的实现，可彻底改变当前欧洲VLBI的测量模式，开辟新的科研方向[16]。与此同时，NICT正在研发一套新的宽带VLBI系统——GALA-V。该系统利用K6/GALAS高速采样仪和数字滤波技术，可对射电频率直接采样，避开了频率转换环节[17]。
1.3 相关机相关机是VLBI数据处理的核心设备，分为硬件相关机和软件相关机。前者是用硬件实现大部分运算，如互相关运算、FFT运算、时延补偿和条纹旋转等，代表性产品是曾广泛使用的Mark Ⅳ相关机；后者用软件实现，如澳大利亚斯威本科技大学研制的分布式FX相关机(distributed FX，DiFX)。随着计算机技术的快速发展，DiFX相关机日益普遍，其优点是易于开发研制、升级维护成本低、可靠性高，且可与高速光纤通信网络直接相连实时处理VLBI观测数据[18]。最新的DiFX 2.4相比1.x系列版本作了许多改进：FITS文件由相关输出的二进制文件翻译而得，无需将大型FITS库与DiFX连接，提高了文件的输出速率；可直接从Mark 5磁盘阵列中读取本地数据，省略了数据格式转换、回放等过程；引入灵活的PCAL信号提取功能，可提取任意数量的信号；增加了谱选择和谱平均功能，减少了互乘阶段的计算量和回传的数据量；同时增加了一些其他数据监测工具[19]。
除了DiFX之外，国际上使用的软件相关机还包括EVN的SFXC、日本的多通道K5/VSSP处理机和宽带GIGO3处理机、俄罗斯的GPU集群IAA处理机、美国NASA/JPL的JVC处理机等。
1.4 本地连接本地连接是融合VLBI、SLR、GNSS和DORIS并置观测结果的关键，不但与TRF的实现直接关联，也有利于发现并研究某种空间技术或测区的系统偏差[20]。根据ITRF2014的数据，大多数并置站的本地连接不符值高于3 mm，其中高于5 mm的超过50%、高于10 mm的超过30%。可见，本地连接误差是构建毫米级精度TRF的重要影响因素[21]。
本地连接通常利用GNSS接收机或与全站仪等设备联合测得。芬兰Metsähovi射电天文台在天线反射面的外圈直径上架设两台GNSS接收机，利用其连续观测数据，以后处理方式拟合得到射电望远镜的参考点位置和轴向偏差等参数[22]。该方法可连续测量参考点位置，且可在天线运转时实时测量，但是测量精度受多路径效应、天线遮蔽GNSS信号等因素的影响。
德国Wettzell三天线阵列的本地连接通过3个观测网得到[23]。由13个大地测量型GNSS基准站构成的局域网(站间距4~90 km)，用于监测整个测区的地面形变；由7个GNSS站组成的本地GNSS网(站间距不超过250 m)，用于监测VLBI天线附近区域的地面形变；本地测量网，用于参考点监测和本地连接测量，其中全站仪以0.2~0.4 mm的精度测定点位，数字水准仪测量点位高程，用多个并置的GNSS控制点将本地坐标系转换为地心地固坐标系。扣除因温度、重力引起的天线系统性误差后的连接精度优于0.7 mm，基本满足VGOS网亚毫米级精度的连接测量要求。
1.5 已建成VGOS站IVS模拟研究表明，全球16站网同时观测即可达到VGOS的性能目标，满足地球参考框架、天球参考框架及EOP精化要求。顾及维持和维修所需时间，IVS建议的最小VGOS测网如下[6]：每个主要地质板块至少有3个常态观测站，经济允许地区鼓励多建；在南半球至少有8个常态观测站；至少有6个全球分布的常态观测站以高数据速率与一个或多个相关器相连，以近实时地获得EOP；至少有8个较大(20 m)天线(每半球4个)用于CRF增强；若有可能，VGOS新站点与现有或计划的空间大地测量观测站尤其是SLR站并置；有能力处理至少24个站的连续观测，长期目标是至少32个站。
根据上述建议，目前已改建或新建10余个VGOS站[24-31]，其主要性能列于表 2。
| VGOS站 | 口径/m | 频率/GHz | 噪温/K |
| 美国戈达德 | 12 | 2~14 | 50 |
| 美国寇基 | 12 | 2~14 | 40 |
| 俄罗斯(2台) | 13.2 | S/X/Ka | 不详 |
| 日本石冈 | 13.2 | 2~14 | 30 |
| 韩国世宗 | 22 | S/X/Ka/Q | 20/30/50/80 |
| 欧洲RAEGE网(4台) | |||
| 瑞典翁赛拉(双天线) | 13.2 | S/X/Ka | 不详 |
| 挪威奥勒松(双天线) | |||
| 德国威特赛尔(双天线) | 13.2 | 2~14 | 40 |
| 新西兰沃克沃思 | 12 | 1.4~43 | 不详 |
2 国内发展现状
我国相关单位一直参与VGOS的设计与建设工作。参照VGOS建设标准，设计了国内局域网，其中首个VGOS站正处于集成联试阶段。
该VGOS站的天线口径为13 m，设计有2~14 GHz宽频和X/Ka双频两种工作模式，采用自动换馈方式。宽频馈源为自行研制的四脊喇叭，口径效率大于55%。致冷宽频接收机采用两路线极化方式，出所测试的噪声温度≤15 K@2.2 GHz、≤11 K@8.0 GHz、≤26 K@14.0 GHz，平滑处理后基本在15 K左右；致冷X/Ka双频接收机的噪声温度在X频段为20 K、在Ka频段为28 K，平滑处理后分别在20 K以下和25 K左右。上下变频系统的输出平坦度对于全频段可达3 dBp-p、噪声系数小于5 dB。DBE采用中国第2代VLBI数据采集系统(Chinese VLBI data acquisition system，CDAS)CDAS2，其全中频带宽达2×512 MHz，可以10 Gbps连接以太网，可将中频信号分成多个带宽相等的基带，最大数据速率达4096 Mbps。数据记录采用Mark 6系统。时频系统采用一主一备两台氢原子钟，氢原子钟的频率准确度为3×10-13，天频率稳定度为2×10-15。
3 VGOS未来发展VGOS的发展趋势是，VGOS观测网注重于自动和远程控制并在相当长时间内与已有观测网兼容，互相关处理将采用高性能众核处理器和大数据云计算技术，数据传输实时性更高，采用动态观测计划编排，产品发布速度进一步提高。
3.1 观测网VGOS将统一使用高转速、宽带测量天线，观测频率为3~14 GHz，具体上下限各天线会略有不同。尽管Ka波段(32 GHz)观测具有多种优势[32-34]，但大气中水汽含量过高等不利条件会严重影响观测，降低观测系统灵敏性[35-36]，故IVS并不建议将Ka波段作为常规观测频段。相比传统VLBI(S/X)站网，VGOS将加强自动化运行、远程控制等功能，从而提高系统稳定性、缩减系统响应时间、降低系统运行成本。此外，VGOS将极大地丰富VLBI观测数据(数据量提高1~2个数量级)，EOP产品尤其是UT1-UTC的发布周期也将大大缩短，有望达每天每3 h一次[37]，但与S/X天线混合观测依旧是不可避免的阶段，一方面，VGOS的测量结果需要与旧系统确定的TRF保持一致性；另一方面，旧系统的天线口径较大，灵敏性高，有助于观测弱源并维持天球参考框架的稳定。
3.2 相关处理中心随着国内外深空探测项目的增多，e-VLBI软件处理机的要求也越来越高，在VGOS和EVN2015计划中，均提出e-VLBI相关处理的需求。未来相当一段时间内e-VLBI、e-Transfer以及硬盘记录模式将会并存，因此软件相关处理机需同时具备实时处理、磁盘缓存的准实时处理和事后处理3种模式。实时相关对软件处理不仅提出功能和性能的要求，更重要的是对大规模集群计算提出可靠性要求：在功能上具备实时网络通信接口和应对网络传输波动冗余能力；在性能上具备不低于总数据流速率的处理能力；在可靠性上具备发生计算节点故障时自动转移与恢复计算能力[38]。
根据IVS VGOS观测计划[39]，2020年将有24个测站进行常规观测和相关处理，观测的爆发数据率为32 Gbps，每天联合观测相关处理的总数据量将达到1 PB以上，所需计算机CPU核数将达3900核。而目前IVS相关处理中心中拥有最多核数的USNO也仅有512核，与VGOS未来的需求相差甚远[40]。为此，研究高性能众核处理器，如GPU或者MIC(Intel many integrated core architecture)，建立混合架构高性能集群，就成为解决海量VLBI数据相关处理的可行技术路径之一。在软件编程架构上，除了采用传统的MPI并行计算编程方式，还可借鉴目前流行的大数据云计算Map-Reduce编程方式，降低MPI并行编程的学习和开发复杂度[38]。
3.3 数据传输VGOS系统采用高速互联网传输数据，各台站与附近通信干路之间以光纤相连，数据传输速率可达1~10 Gbps[41]，所以当2020年VGOS网完全建成时，即使全天时观测，数据传输方面也不足以造成困难。但是由于所有数据都将汇合于相关处理中心，与相关处理中心相连的线缆其容纳的数据量会剧增。例如对于由20个VGOS站组成的观测网，该段线缆需具备100 Gbps传输速率的能力[42]。关于这点，有以下方法可以缓解：一是相关处理中心的操作员可以对来自台站的数据初步检测，平衡数据给各个相关处理中心带来的任务负荷；二是在相关处理中心建立高容量RAID系统(缓冲池系统)，需要时从该系统中抽取有用数据；三是在相关处理中心建立并使用分布式运行架构，从而有效分担处理庞大的数据[43]。
3.4 观测计划未来VGOS产品应具有相当高的一致性，一种方法是增加每个测段的测站数，并使用动态观测计划编排，以此来保证任何突发情况(如测站损坏、失控、精度降低等)发生时可以迅速生成并实施新的计划。第2种是同时多个测网并行观测，结果相互比对，但是这种情况需要全球布设大量的VGOS测站，短时间内尚无法实现。
3.5 产品发布随着VGOS网的逐渐完善，VLBI产品的发布周期将大大缩短，同时精度及可靠性会显著提高。表 3列出了IVS几种产品的预测时间分辨率、更新速率、滞后时间及精度等信息。
| 产品类别 | 产品时间分辨率 | 更新周期 (时间) |
最终数据滞后时间 | 包含产品 | 精度(WRMS) |
| 超快速 | 30 min | 30 min | 30 min | UT1-UTC | 7 μs |
| UT1-UTC | 5 μs | ||||
| 快速连续近实时 | 3 h | 3 h(UTC 0, 3, …, 21 h) | 3 h | 极移 | 75 μas |
| 岁差-章动改正 | 75 μas | ||||
| UT1-UTC | 5 μs | ||||
| 连续分批次 | 3 h | 每次相关处理结束后 | 3~6 d | 极移 | 75 μas |
| 岁差-章动改正 | 75 μas | ||||
| UT1-UTC | 3 μs | ||||
| 中速连续近实时 | 3 h | 24 h(每日UTC 12 h) | 12 h | 极移 | 45 μas |
| 岁差-章动改正 | 45 μas | ||||
| UT1-UTC | 3 μs | ||||
| 中速分批次 | 3 h | 24 h(每日UTC 12 h) | 3~6 d | 极移 | 45 μas |
| 岁差-章动改正 | 45 μas | ||||
| UT1-UTC | 1 μs | ||||
| 极移 | 15 μas | ||||
| 最终 | 3 h | 7 d(第3天UTC 12 h) | 7 d | 岁差-章动改正 | 15 μas |
| 天线坐标 | 3 mm | ||||
| 源坐标 | 15 μas |
4 结束语
随着世界各地VGOS项目如火如荼地开展，大地测量VLBI将迎来崭新纪元。从编排观测计划、相关处理、观测策略到数据处理分析，几乎每个环节都会得到革新。这项前无古人的事业，将成倍提高大地测量参数的解算精度，为全球大地测量领域的发展提供其独有的贡献。然而当前VGOS系统在建设和运行方面依旧面临许多问题和挑战[43]：设备指标与IVS推荐方案吻合程度不同，包括观测频段差异、RF通道划分数不同以及相位、电缆和幅度校准能力参差不齐等；VGOS测站与传统站的连接问题，即新网与旧网观测结果一致性保障问题；新网与旧网观测频带结构的兼容性问题；不同设备系统的兼容性问题，如RDBE、DBBC之间存在的本机振荡器参数不兼容现象，旁带、格式和位编码定义识别错误以及其他无法解释的延迟误差等；相关处理过程中数据量过于庞大的问题；以及自动化与远程控制不够成熟等；越来越严重的射频干扰也特别值得关注。
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