CVN高速数据记录与回放硬盘系统及其应用

CVN硬盘系统是上海天文台VLBI技术实验室自行研制的VLBI数据高速记录与回放系统。它以通用PC机和Linux操作系统为平台。该系统与原有磁带机系统相比具有数据记录质量高、可靠性好和价格低等特点，已安置在乌鲁木齐南山、上海佘山观测站和昆明流动站，多次成功地进行了卫星和河外射电源的观测。目前中国VLBI网观测的数据记录和回放已全部由CVN硬盘系统承担，完全替代了原有的磁带系统。现有的上海相关处理机通过专用回放接口，能直接处理记录在硬盘上的数据。在此基础上还进行了软件相关处理方法和e—VLBI数据传输实验。通过多次观测，该系统的性能已得到不断改进，将成为我国“嫦娥一号”探月工程中的VLBI数据系统的候选者，也可应用于其它高速数据记录领域。     

利用国内VLBI网跟踪大椭圆轨道卫星

2004年7月,昆明VLBI站经过改造,由上海、乌鲁木齐和昆明站组成的中国VLBI网(CVN)采用统一的MARK4格式编制器和CVN硬盘记录系统,对大椭圆轨道卫星“探测1号”的2圈轨道的共同可视弧段进行了跟踪观测．软件相关处理程序已成功地用于检测卫星遥测信号的干涉条纹和数据相关处理．采用基于条纹幅度的加权最小二乘条纹拟合方法,获得了卫星VLBI观测量及其精度估计,完成了卫星VLBI观测量的3基线闭合误差检验．应用河外射电源校准方法和多频点相位校正信号提取方法,进行了台站钟差和仪器延迟等系统误差改正．经系统差改正后的卫星VLBI观测量序列已用于“探测1号”卫星的轨道确定．     

VLBI软件相关处理机系统中的数据预处理方法

在绕月探测工程VLBI数据处理中心的软件相关处理机系统中，各VLBI观测站采集的原始数据必须经过预处理才能进行相关处理与条纹搜索等运算。处理机预处理模块对来自各个观测站的MARK5观测数据进行模式判别、寻找同步头、计算CRC校验码、时间同步等操作，生成时间长度为1min的标准Linux文件，并存放于硬盘阵列上，供相关处理和条纹搜索使用。预处理模块和软件相关处理模块、条纹搜索模块协调配合，保证了软件相关处理机系统在准实时和事后两种观测模式下的性能指标。     

利用DiFX处理CVN天文观测数据进展

相关处理机是VLBI观测数据处理的核心单元,相关处理机的输出结果可以直接作为天文成图、测地学以及航天器干涉测量等应用的输入。DiFX是运行在分布式计算、共享存储单元的集群环境下最成功的软件相关处理机之一。首先介绍上海天文台DiFX综合平台的现状;然后介绍利用DiFX相关处理机处理中国VLBI网(CVN)天文观测数据的进展:最后简短展望了DiFX平台为CVN及国际VLBI天文观测提供相关处理服务的前景。可为利用该平台的相关处理结果开展科学研究提供参考。     

相关处理机多制式兼容性测试的初步结果

我国VLBI网包括上海佘山、乌鲁木齐和昆明 3个观测站 ,以及上海天文台研制的两台站相关处理机。上海佘山和乌鲁木齐站已升级成MK4制式和只使用薄磁带 ,而昆明站只能使用S2制式。因此 ,实现相关处理机对不同制式数据和薄磁带的兼容 ,是我国VLBI网顺利运行的关键。给出了多制式VLBI观测实验和相关处理的初步结果 ,总结了相关处理机升级后的处理能力 ,并对相关处理机的下一步发展作简单讨论     

脉冲星信号VLBI软件相关处理方法研究

脉冲星自发现以来一直是天文学家们关注的对象,甚长基线干涉测量(very long baseline interferometer,VLBI)更是以极高的角分辨率和灵敏度成为脉冲星研究的重要手段。为了使上海天文台现有的中国VLBI网(Chinese VLBI network,CVN)软件处理机能够处理脉冲星信号,讨论了用频率通道间时延补偿的方法实现非相干消色散,并通过加入矩形脉冲门同步信号,提取有效脉冲,提高了信噪比。然后改进现有CVN处理机结构,实现脉冲星信号的相关处理。最后,对脉冲位置搜索和脉冲星数据分箱(pulsar binning)技术做了初步分析与探索。VLBI数据处理结果表明此方法正确可行,能够消除色散,并获得脉冲星信号的相关处理条纹。     

中国e-VLBI网的建立及应用

基于商用计算机技术和高速网络通信技术发展的e-VLBI技术在数据记录系统、数据格式、传输协议等方面发展迅速,并已得到广泛应用。中国VLBI网所属观测站及数据中心通过通信网络的连接,成为具备实时e-VLBI能力的测量系统,在探月工程历次任务中,实现了对观测数据的快速可靠采集、传输和处理,为月球探测器提供了重要的实时测定轨数据。为适应未来天体物理、天体和大地测量宽带科学观测需求,e-VLBI面临新的机遇及挑战。     

相关处理机多制式兼容性测试的初步结果

我国VLI网包括上海佘山，乌鲁木齐和昆明3个观测站，以及上海天台研制的两台站相关处理机，上海佘山和乌鲁木齐站已升级成MK4制式和只使用薄磁带，而昆明站只能使用S2制式，因此，实现相关处理机对不同制式数据和薄磁带的兼容。是我国VLBI网顺利运行的关键，给出了多制式VLBI观测实验和相关处理的初步结果。总结了相关处理机升级后的处理能力。并对相关处理机的下一步发展作简单讨论。     

硬件相关处理机数据回放模块研究

硬件相关处理机系统需从数据记录缓存器读取台站数据,经数据预处理后进行下一步的相关处理。为了满足高速实时数据的传输及预处理要求,设计了VLBI数据回放模块,该模块通过千兆网络传输观测站数据,控制数据收发,并针对VLBI数据特点进行数据解码、数据校验、数据异常处理等。测试结果表明,该模块处理速率可达1 Gbit/s,在硬件相关处理机进行单台站数据速率64 Mbit/s的实时数据处理时能稳定正常工作。该模块己应用于嫦娥3号任务的硬件相关处理系统中。     

中国VLBI网相关处理机研制进展

经过数年的艰苦努力，中国VLBI网相关处理机继2000年元月取得天文观测数据的互相关条纹后，VLBI技术实验室的研究人员又为提高相关处理机工作稳定性和处理结果质量进行了大量的软硬件调试工作，获得了较为稳定的相关处理机工作状态，于2000年8月获得射电源DA193在佘山－南册基线上的清晰互相关条纹，经验证，互相关条纹的相位变化值与台站时延补偿修改值相符，中国VLBI网相关处理机是一架两台相关处理机，它由两台数据注总计达秒648兆位的高速大容量磁带回放系统和接口电路，高速FFT和交叉相乘模块以及长期累加和控制部件组成，每台站最大信号带宽为128MHz，其高速FFT和交叉相乘模块每秒种可同时连续进行138亿次以上的浮点乘法和309亿次以上的浮点加法运算。     

利用VLBI数据确定"探测一号"卫星的轨道

双星计划的“探测一号”是中国首颗真正严格意义上的科学实验卫星,其运行轨道为中国迄今所发射的卫星中距地球最远,远地点地心距达7．8万公里．采用射电天文的VLBI技术可以对“探测一号”以及更远的深空目标,如探月飞行器实现跟踪．为了验证VLBI技术在我国探月计划中的作用,上海天文台组织了国内目前仅有的上海、乌鲁木齐和昆明3个台站对“探测一号”进行试跟踪,利用对“探测一号”约两天的VLBI观测数据,确定“探测一号”卫星的轨道,对VLBI的定轨能力做初步的探讨．按照测控部门提供的初轨 (其精度仅保证跟踪)推算的轨道与VLBI时延的拟合误差平均约2 km,时延率的拟合误差平均约15 cm／s．而利用VLBI数据定轨后的拟合程度相对于初轨有了很大的改善,结果表明,单独利用VLBI时延定轨,时延的拟合精度约5．5 m,作为外部检核的VLBI时延率的拟合精度在2 cm／s左右．单独利用VLBI时延率定轨,时延率的拟合精度约为1．3 cm／s,作为外部检核的VLBI时延的拟合精度约为29 m．而若将时延和时延率数据联合定轨,采用其内符精度加权,VLBI时延和时延率的残差分别为5．5 m和 2 cm／s．为了合理地评估VLBI定轨的真实精度,利用模拟数据进行误差协方差分析,结果表明VLBI定轨精度受动力学模型误差的影响较大,由于"探测一号”卫星的动力学模型难以精确确定,所以利用两天弧段的VLBI数据确定“探测一号”卫星轨道的位置误差为km量级,而速度误差可达cm／s量级．模拟计算还表明, VLBI和USB数据联合定轨可以大大提高定轨精度．     

The Experiment and Analysis on VLBI Observations of Space Passive Hydrogen Maser

China plans to establish a lunar orbital VLBI (Very Long Baseline Interferometer) station around 2025, which will carry a space passive hydrogen maser as the time and frequency reference. Since it is the first time to use a space passive hydrogen maser for VLBI observation, its feasibility needs to be studied and verified. Therefore, we carried out VLBI observations using the space passive hydrogen maser as the frequency reference. In the experiment, the active hydrogen atomic clock and space passive hydrogen maser were used as the frequency standard, and the alternate VLBI observations of China’s Mars probe TW1 (Tianwen 1) were carried out using the 25 m radio telescope at Sheshan, Shanghai, and other VLBI stations. The results of data processing and analysis show that the standard deviation of VLBI residual group delay based on both active hydrogen atomic clock and space passive hydrogen maser are within 0.5 ns, which indicates that the space passive hydrogen maser can meet the accuracy requirements of VLBI measurement for deep space exploration, and verify its feasibility as the frequency standard of lunar orbital VLBI stations.     

Orbit determination of satellite “Tance 1” with VLBI data

The satellite “Tance 1” of the “Double-Star Program” is the first truly scientific experimentation satellite of China. Its orbit is the farthest so far launched in China, with a geocentric apogee reaching 78 thousand kilometers. The tracking of “Tance 1” and of more distant space targets, such as the lunar exploration craft, can be realized with the VLBI technique of radio astronomy. In order to test and verify the role which the VLBI technique plays in the lunar exploration program of China, Shanghai Astronomical Observatory organized the only 3 tracking stations in China (located at Shanghai, Urumqi and Kunming), to carry out test tracking of “Tance 1,” and used the time delay data obtained to determine the orbit of “Tance 1” over a two-day period, so providing a preliminary assessment of the possibility of VLBI orbit determination. The fitting error of the orbit so obtained is about 5.5 m in the time delay and about 2 cm/s in the delay rate (this for checking only), much better than is provided by the preliminary orbit (used merely for ensuring tracking) in which the corresponding figures are around 2 km and 15 cm/s. Further, if the orbit is determined by using both the time delay and time delay rate data (with weights according to their internal accuracies), then the residuals are 5.5 m in the time delay and 2 cm/s in the delay rate. For an appreciation of the true accuracy of the VLBI orbit determination, we used simulation data (of the observed two-day VLBI data) and found the results depended greatly on the error in the dynamic model of the satellite which, however, is difficult to assess, while the formal residuals are of the order of 1 kin in the delay and of cm/s in the delay rate. The simulation computation also indicates that a joint determination using both VLBI and USB data will have an improved accuracy.     

VLBI标准接口的发展

VLBI标准接口是近年来在VLBI技术中诞生的一个新概念,它旨在解决多年来各VLBI数据传输系统不兼容的问题．该文阐述了VLBI数据传输系统的发展历史,包括传统的记录／回放系统和新兴的网络数据传输两方面的内容;说明了VLBI标准接口的作用和意义;并分别介绍了VLBI标准接口规范3方面的内容:VLBI标准接口件规范(VSI-H)、VLBI标准接口软件规范(VSI-S)和VLBI标准接口网络规范(VSI-E)．     

星载氢钟VLBI观测实验及分析

中国计划于2025年左右建立月球轨道VLBI (Very Long Baseline Interferometer)测站,将会搭载被动型星载氢钟作为时间频率标准.由于是首次在VLBI观测中使用星载氢钟,需要研究和验证其可行性.因此,利用星载氢钟作为频率基准开展了VLBI观测.实验时,分别使用主动型地面氢钟和被动型星载氢钟作为频率基准,利用上海天文台佘山25 m射电望远镜和其他测站对我国火星探测器天问一号进行了交替VLBI观测.数据处理分析结果表明,基于地面氢钟与星载氢钟的VLBI残余群时延标准差均在0.5 ns以内,表明星载氢钟可满足深空探测VLBI测定轨的精度要求,验证了其作为月球VLBI测站频率基准的可行性.     

VLBI相位校正信号提取的软件实现方法

从VLBI相关处理结果中提取的延迟值包括了天线、终端等设备的时延,必须对其加以修正,最终结果才能达到精度要求。提取相位校正信号,可以消除这些设备引入的时延,从而校正同一波前信号到达基线两端的几何时延。该文介绍了提取相位校正信号的原理、算法及软件实现方法。软件采用多线程和SSE技术,具备4台站多通道全部相位校正信号提取能力。     

Electron content near the lunar surface using dual-frequency VLBI tracking data in a single lunar orbiter mission

In VLBI observations of Vstar, a subsatellite of the Japanese lunar mission SELENE, there were opportunities for lunar grazing occultation when Vstar was very close to the limb of the Moon. This kind of chance made it possible to probe the thin plasma layer above the Moon's surface as a meaningful by-product of VLBI,by using the radio occultation method with coherent radio waves from the S/X bands.The dual-frequency measurements were carried out at Earth-based VLBI stations. In the line-of-sight direction between the satellite and the ground-based tracking station where VLBI measurements were made, the effects of the terrestrial ionosphere, interplanetary plasma and the thin lunar ionosphere mixed together in the combined observables of dual-frequency Doppler shift and phase shift. To separate the variation of the ionospheric total electron content(TEC) near the surface of the Moon from the mixed signal, the influences of the terrestrial ionosphere and interplanetary plasma have been removed by using an extrapolation method based on a short-term trend. The lunar TEC is estimated from the dual-frequency observation for Vstar from UT 22:18to UT 22:20 on 2008 June 28 at several tracking stations. The TEC results obtained from VLBI sites are identical, however, they are not as remarkable as the result obtained at the Usuda deep space tracking station.