VLBI全球觀測系統(tǒng)(VGOS)研究進展

孫中苗^1,2, 范昊鵬³     

1. 西安測繪研究所, 陜西 西安 710054; 
2. 地理信息工程國家重點實驗室, 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

收稿日期：2017-06-20；修回日期：2017-08-01

基金項目：國家自然科學(xué)基金（41474015）

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之一作者簡介：孫中苗(1968-), 男, 博士, 研究員, 研究方向為物理大地測量、空間大地測量、海洋測繪。E-mail:sun_szm@163.com

通信作者：范昊鵬, E-mail：fanhaopeng2008@163.com

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

關(guān)鍵詞：VLBI    VGOS    寬帶測量系統(tǒng)    相關(guān)機    本地連接   

Research Progress of VLBI Global Observing System (VGOS)

SUN Zhongmiao^1,2, FAN Haopeng³     

Abstract: 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.

Key words: VLBI     VGOS     broadband measurement system     correlator     local tie    

甚長基線干涉測量因其獨具的超高空間分辨率和定位精度，使其從20世紀60年代末開始就一直是美國、前蘇聯(lián)、日本、歐洲等國家和地區(qū)的大地測量學(xué)研究熱點，尤其是近30年來發(fā)展中國家的加入，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)的空間大地測量技術(shù)，在實現(xiàn)和維持天球參考架(celestial reference frame，CRF)與地球參考框架(terrestrial reference frame，TRF)、測定二者間的聯(lián)系參數(shù)、監(jiān)測地殼形變與海平面上升、深空探測、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測段得到的測站位置精度在5 mm水平，時延測量誤差在10~50 ps，對于研究毫米級的地殼和海平面變化以及地球定向參數(shù)(earth orientation parameter，EOP)的快速精確測定與預(yù)報等十分有限^[2, 3]。于是IVS先后于2005、2009年組建了VLBI2010委員會和VLBI2010執(zhí)行小組，用于定義和指導(dǎo)實現(xiàn)新一代VLBI2010技術(shù)及其站網(wǎng)^[4]，并在2012年馬德里大會上將新網(wǎng)命名為VLBI全球觀測系統(tǒng)(VLBI global observing system，VGOS)，同時進一步明確了VGOS的目標：① 全球范圍測站位置精度在1 mm水平；② 可連續(xù)測量測站位置和EOP的時間序列；③ 大地測量初步產(chǎn)品的生成周期小于24 h^[5]。

本文主要對VGOS建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進行概述，并扼要介紹國內(nèi)相關(guān)研究的進展情況。

1 國外發(fā)展情況

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

1.1 天線

IVS針對天線規(guī)格提出了如下建議，目前各國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：在一級運行條件下，主反射面和副反射面的綜合均方根(RMS)誤差對所有指向 < 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) 參考點穩(wěn)定性：相對于本地局域大地測量網(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) 光路徑長度穩(wěn)定性：光路徑長度差必須穩(wěn)定或者作為高度角和溫度的函數(shù)可精確建模，在一級運行條件下，任意指向的RMS小于0.3 mm。

(10) 維護：底座、轉(zhuǎn)動馬達和天線結(jié)構(gòu)有能力每天24 h連續(xù)高速運轉(zhuǎn)、觀測方向切換2500次以上；天線機械結(jié)構(gòu)除發(fā)動機和變速箱外壽命需超過20年；發(fā)動機和變速箱的平均無故障時間應(yīng)長于2年；發(fā)動機和變速箱的更換和維護應(yīng)當(dāng)方便且經(jīng)濟；天線和馬達的維修和維護的計劃時間每年小于10 d，費用小于天線費用的10%。

1.2 寬帶測量系統(tǒng)

1.2.1 饋源

IVS對饋源的基本建議是：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關(guān)，且極化程度要高。饋源集成在低溫杜瓦內(nèi)，同時簡化饋源-低噪放大器(LNA)接口，以確保對接收機噪聲的影響最小；采用寬張角設(shè)計，與之配套的天線采用雙反射面、環(huán)形軸對稱焦點。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11 dBi、相位中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)和幾何形狀簡單的特點，樣機如圖 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的更大不同點是，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，樣機如圖 2所示。兩者指標對比情況列于表 1。

圖 1 Eleven饋源樣機Fig. 1 Prototype of Eleven feed

圖 2 QRFH饋源Fig. 2 QRFH feed
表 1 Eleven饋源與QRFH饋源指標對比Tab. 1 Specification comparison between Eleven and QRFH feed

總體上，兩種饋源各有優(yōu)缺點：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而定。

1.2.2 極化

VGOS天線饋源大多對線性極敏感。線性極的缺點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型天線上相對射電源的指向會發(fā)生改變。對于兩臺相距甚遠的天線，饋源指向角會相差90°之大，此時相關(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。

迄今還無法制造出效果更好的寬帶圓極化饋源，但可利用兩個數(shù)字化的線極化信號構(gòu)建出圓極化信號：在數(shù)字后端(DBE)中，將其中一個信號的相位旋轉(zhuǎn)90°，疊加至另一個上。如果已處理獲得兩個線極化信號之間的所有4個互相關(guān)產(chǎn)品，也可以在相關(guān)處理后進行以上步驟^[9]。無論是在測站還是在相關(guān)機中構(gòu)建圓極化信號，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，如果一個極的增益遠遠大于另一個，則由相位旋轉(zhuǎn)和疊加產(chǎn)生的信號將完全被高增益通道支配，最終將合成一個線極化信號。所以必須測量兩通道的相對增益和相位，并在構(gòu)建圓極化信號之前對其影響進行改正。具體可通過選取合適的射電源觀測或利用相位/噪聲校準 *** ，也可綜合以上兩種 *** 。

1.2.3 數(shù)字后端(DBE)

DBE用于將射電模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，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 *** ，一是數(shù)字化完全取代基帶轉(zhuǎn)換器(base band converter，BBC)，即為每個BBC編排數(shù)字化算法；二是利用多相位濾波器加FFT *** ，因其高效性，非常適用于VGOS。RDBE、DBBC和MDBE是國際上性能更佳的幾種DBE。

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

DBBC(digital base band convertor)在21世紀初已可處理8個1 GHz帶寬的輸入信號，輸出速率更高達32 Gbps。隨著VGOS寬帶觀測模式的提出，DBBC也相應(yīng)升級為DBBC2010和DBBC3系統(tǒng)。其中DBBC3系統(tǒng)的主要特點是：4個寬帶中頻(intermediate frequency，IF)輸入信號、每個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)點數(shù))、更大輸出數(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512 MHz或4個1024 MHz帶寬的輸入信號數(shù)字化，并在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)中進行信號處理。該系統(tǒng)有多種操作模式以適應(yīng)各種觀測需求，且可實現(xiàn)多種信號分析功能，如相位校準(PCAL)信號提取、2位數(shù)據(jù)統(tǒng)計、輸入信號捕獲、功率譜密度估計等。MDBE系統(tǒng)小巧而緊湊，可通過遠程監(jiān)控查看整個系統(tǒng)的運行情況，大大簡化了系統(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更高效的 *** 記錄觀測數(shù)據(jù)^[14]，目前使用較多的是美國海斯塔克天文臺研制的Mark系統(tǒng)和日本國家信息與通信技術(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)具有的特點和優(yōu)勢有：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、廉價的商用現(xiàn)貨硬件，升級簡單、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)過渡并更大限度地保護了其磁盤數(shù)據(jù)^[15]。

1.2.5 其他新興寬帶測量系統(tǒng)

VGOS寬帶測量系統(tǒng)可同時觀測4個帶寬1 GHz、2~14 GHz范圍的RF信號，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項目)，避免了采用不同頻段的物理接收機時面臨的許多問題，如接收頻段、焦點機械位置間的切換，需要維護更多冷卻系統(tǒng)和接收機，指向模型存在差異等。同時還可實現(xiàn)多波段VLBI成像、多光譜測量、多波段偏振測量以及多波段、單接收天線大地測量VGOS系統(tǒng)等，其優(yōu)越性甚至超越美國VLBA的頻段快速切換技術(shù)。BRAND的實現(xiàn)，可徹底改變當(dāng)前歐洲VLBI的測量模式，開辟新的科研方向^[16]。與此同時，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

相關(guān)機是VLBI數(shù)據(jù)處理的核心設(shè)備，分為硬件相關(guān)機和軟件相關(guān)機。前者是用硬件實現(xiàn)大部分運算，如互相關(guān)運算、FFT運算、時延補償和條紋旋轉(zhuǎn)等，代表性產(chǎn)品是曾廣泛使用的Mark Ⅳ相關(guān)機；后者用軟件實現(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(distributed FX，DiFX)。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，DiFX相關(guān)機日益普遍，其優(yōu)點是易于開發(fā)研制、升級維護成本低、可靠性高，且可與高速光纖通信 *** 直接相連實時處理VLBI觀測數(shù)據(jù)^[18]。最新的DiFX 2.4相比1.x系列版本作了許多改進：FITS文件由相關(guān)輸出的二進制文件翻譯而得，無需將大型FITS庫與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數(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信號提取功能，可提取任意數(shù)量的信號；增加了譜選擇和譜平均功能，減少了互乘階段的計算量和回傳的數(shù)據(jù)量；同時增加了一些其他數(shù)據(jù)監(jiān)測工具^[19]。

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

1.4 本地連接

本地連接是融合VLBI、SLR、GNSS和DORIS并置觀測結(jié)果的關(guān)鍵，不但與TRF的實現(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%。可見，本地連接誤差是構(gòu)建毫米級精度TRF的重要影響因素^[21]。

本地連接通常利用GNSS接收機或與全站儀等設(shè)備聯(lián)合測得。芬蘭Mets?hovi射電天文臺在天線反射面的外圈直徑上架設(shè)兩臺GNSS接收機，利用其連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，以后處理方式擬合得到射電望遠鏡的參考點位置和軸向偏差等參數(shù)^[22]。該 *** 可連續(xù)測量參考點位置，且可在天線運轉(zhuǎn)時實時測量，但是測量精度受多路徑效應(yīng)、天線遮蔽GNSS信號等因素的影響。

德國Wettzell三天線陣列的本地連接通過3個觀測網(wǎng)得到^[23]。由13個大地測量型GNSS基準站構(gòu)成的局域網(wǎng)(站間距4~90 km)，用于監(jiān)測整個測區(qū)的地面形變；由7個GNSS站組成的本地GNSS網(wǎng)(站間距不超過250 m)，用于監(jiān)測VLBI天線附近區(qū)域的地面形變；本地測量網(wǎng)，用于參考點監(jiān)測和本地連接測量，其中全站儀以0.2~0.4 mm的精度測定點位，數(shù)字水準儀測量點位高程，用多個并置的GNSS控制點將本地坐標系轉(zhuǎn)換為地心地固坐標系。扣除因溫度、重力引起的天線系統(tǒng)性誤差后的連接精度優(yōu)于0.7 mm，基本滿足VGOS網(wǎng)亞毫米級精度的連接測量要求。

1.5 已建成VGOS站

IVS模擬研究表明，全球16站網(wǎng)同時觀測即可達到VGOS的性能目標，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間，IVS建議的最小VGOS測網(wǎng)如下^[6]：每個主要地質(zhì)板塊至少有3個常態(tài)觀測站，經(jīng)濟允許地區(qū)鼓勵多建；在南半球至少有8個常態(tài)觀測站；至少有6個全球分布的常態(tài)觀測站以高數(shù)據(jù)速率與一個或多個相關(guān)器相連，以近實時地獲得EOP；至少有8個較大(20 m)天線(每半球4個)用于CRF增強；若有可能，VGOS新站點與現(xiàn)有或計劃的空間大地測量觀測站尤其是SLR站并置；有能力處理至少24個站的連續(xù)觀測，長期目標是至少32個站。

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

表 2 國外VGOS站簡況Tab. 2 Summary of VGOS stations at abroad

2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國相關(guān)單位一直參與VGOS的設(shè)計與建設(shè)工作。參照VGOS建設(shè)標準，設(shè)計了國內(nèi)局域網(wǎng)，其中首個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)計有2~14 GHz寬頻和X/Ka雙頻兩種工作模式，采用自動換饋方式。寬頻饋源為自行研制的四脊喇叭，口徑效率大于55%。致冷寬頻接收機采用兩路線極化方式，出所測試的噪聲溫度≤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)的輸出平坦度對于全頻段可達3 dBp-p、噪聲系數(shù)小于5 dB。DBE采用中國第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2×512 MHz，可以10 Gbps連接以太網(wǎng)，可將中頻信號分成多個帶寬相等的基帶，更大數(shù)據(jù)速率達4096 Mbps。數(shù)據(jù)記錄采用Mark 6系統(tǒng)。時頻系統(tǒng)采用一主一備兩臺氫原子鐘，氫原子鐘的頻率準確度為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)展趨勢是，VGOS觀測網(wǎng)注重于自動和遠程控制并在相當(dāng)長時間內(nèi)與已有觀測網(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)云計算技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸實時性更高，采用動態(tài)觀測計劃編排，產(chǎn)品發(fā)布速度進一步提高。

3.1 觀測網(wǎng)

VGOS將統(tǒng)一使用高轉(zhuǎn)速、寬帶測量天線，觀測頻率為3~14 GHz，具體上下限各天線會略有不同。盡管Ka波段(32 GHz)觀測具有多種優(yōu)勢^[32-34]，但大氣中水汽含量過高等不利條件會嚴重影響觀測，降低觀測系統(tǒng)靈敏性^[35-36]，故IVS并不建議將Ka波段作為常規(guī)觀測頻段。相比傳統(tǒng)VLBI(S/X)站網(wǎng)，VGOS將加強自動化運行、遠程控制等功能，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、縮減系統(tǒng)響應(yīng)時間、降低系統(tǒng)運行成本。此外，VGOS將極大地豐富VLBI觀測數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)量提高1~2個數(shù)量級)，EOP產(chǎn)品尤其是UT1-UTC的發(fā)布周期也將大大縮短，有望達每天每3 h一次^[37]，但與S/X天線混合觀測依舊是不可避免的階段，一方面，VGOS的測量結(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

隨著國內(nèi)外深空探測項目的增多，e-VLBI軟件處理機的要求也越來越高，在VGOS和EVN2015計劃中，均提出e-VLBI相關(guān)處理的需求。未來相當(dāng)一段時間內(nèi)e-VLBI、e-Transfer以及硬盤記錄模式將會并存，因此軟件相關(guān)處理機需同時具備實時處理、磁盤緩存的準實時處理和事后處理3種模式。實時相關(guān)對軟件處理不僅提出功能和性能的要求，更重要的是對大規(guī)模集群計算提出可靠性要求：在功能上具備實時 *** 通信接口和應(yīng)對 *** 傳輸波動冗余能力；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)生計算節(jié)點故障時自動轉(zhuǎn)移與恢復(fù)計算能力^[38]。

根據(jù)IVS VGOS觀測計劃^[39]，2020年將有24個測站進行常規(guī)觀測和相關(guān)處理，觀測的爆發(fā)數(shù)據(jù)率為32 Gbps，每天聯(lián)合觀測相關(guān)處理的總數(shù)據(jù)量將達到1 PB以上，所需計算機CPU核數(shù)將達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^[40]。為此，研究高性能眾核處理器，如GPU或者MIC(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并行計算編程方式，還可借鑒目前流行的大數(shù)據(jù)云計算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1~10 Gbps^[41]，所以當(dāng)2020年VGOS網(wǎng)完全建成時，即使全天時觀測，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)量會劇增。例如對于由20個VGOS站組成的觀測網(wǎng)，該段線纜需具備100 Gbps傳輸速率的能力^[42]。關(guān)于這點，有以下 *** 可以緩解：一是相關(guān)處理中心的操作員可以對來自臺站的數(shù)據(jù)初步檢測，平衡數(shù)據(jù)給各個相關(guān)處理中心帶來的任務(wù)負荷；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 觀測計劃

未來VGOS產(chǎn)品應(yīng)具有相當(dāng)高的一致性，一種 *** 是增加每個測段的測站數(shù)，并使用動態(tài)觀測計劃編排，以此來保證任何突 *** 況(如測站損壞、失控、精度降低等)發(fā)生時可以迅速生成并實施新的計劃。第2種是同時多個測網(wǎng)并行觀測，結(jié)果相互比對，但是這種情況需要全球布設(shè)大量的VGOS測站，短時間內(nèi)尚無法實現(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，同時精度及可靠性會顯著提高。表 3列出了IVS幾種產(chǎn)品的預(yù)測時間分辨率、更新速率、滯后時間及精度等信息。

表 3 IVS產(chǎn)品預(yù)測Tab. 3 Predicted situation of IVS products

4 結(jié)束語

隨著世界各地VGOS項目如火如荼地開展，大地測量VLBI將迎來嶄新紀元。從編排觀測計劃、相關(guān)處理、觀測策略到數(shù)據(jù)處理分析，幾乎每個環(huán)節(jié)都會得到革新。這項前無古人的事業(yè)，將成倍提高大地測量參數(shù)的解算精度，為全球大地測量領(lǐng)域的發(fā)展提供其獨有的貢獻。然而當(dāng)前VGOS系統(tǒng)在建設(shè)和運行方面依舊面臨許多問題和挑戰(zhàn)^[43]：設(shè)備指標與IVS推薦方案吻合程度不同，包括觀測頻段差異、RF通道劃分數(shù)不同以及相位、電纜和幅度校準能力參差不齊等；VGOS測站與傳統(tǒng)站的連接問題，即新網(wǎng)與舊網(wǎng)觀測結(jié)果一致性保障問題；新網(wǎng)與舊網(wǎng)觀測頻帶結(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之間存在的本機振蕩器參數(shù)不兼容現(xiàn)象，旁帶、格式和位編碼定義識別錯誤以及其他無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；以及自動化與遠程控制不夠成熟等；越來越嚴重的射頻干擾也特別值得關(guān)注。
 

【引文格式】孫中苗，范昊鵬。VLBI全球觀測系統(tǒng)(VGOS)研究進展[J]. 測繪學(xué)報，2017，46(10)：1346-1353. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170326