VLBI终端系统的发展历史和未来展望

甚长干涉测量技术(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)起源于20世纪60年代,它的发展已经对大地测量、地球动力学和天体测量产生了深远的影响。同样,VLBI终端系统作为VLBI系统的重要组成部分,在近40年里也在不断地更新和快速发展,从一开始的Mark 1系统发展到现在的Mark 5系统,从一开始的磁带记录到现在的硬盘记录甚至通过因特网就能实现数据的实时传输,可以说发生了翻天覆地的变化。如今Mark 6系统也已经开发出来,相信不久的将来,该系统会广泛应用于天文领域。主要描述了VLBI终端系统的发展历程和未来展望。     

实时VLBI技术

随着通信技术的发展出现了用数据通讯网络代替磁带记录与传输，将数据直接传至数据中心处理的实时VLBI技术，它包括准实时和真实时VLBI两个技术层次，是VLBI技术的一次飞跃。实时VLBI除具备传统VLBI的高精度、高灵敏度和全天候、全天时被动观测能力以外，还具有设备简化、自动化程度高、实时性、易于利用现代通信技术获得宽带能力与高灵敏度等突出特点。它在VLBI台站检测、航天器精密跟踪、UT1加强观测和传统的测地和天文学观测领域的有重要的科学意义和实用价值。     

空间VLBI的研究现状

评述了过去近三十年中空间VLBI的发展．其内容包括空间VLBI的简短发展历史,空间VLBI与地面VLBI的不同、空间VLBI的目前状况和空间VLBI的未来展望。着重介绍了作为首次空间VLBI的VSOP的各个方面情况,并给出了VSOP的连续谱、谱线普查样本,供参考。     

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。     

基于磁盘的新型VLBI终端系统--MK5A终端系统

阐述了国内外VLBI终端系统的发展历史；介绍了MK5A终端系统的概况、工作原理、工作模式和数据模式；展望了下一代VLBI终端系统MK5B和e-VLBI．     

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．     

VLBI监控系统的改进

对Mark5B监控系统软件的设计思想、软件功能、通讯机制等几个方面作了介绍。Mark5B记录系统是当今世界VLBI观测台站中广泛使用的最为先进的记录系统之一,也是VLBI终端系统的重要组成部分。研制Mark5B监控系统软件的主要目的是进一步提高VLBI终端记录系统的可靠性,保障VLBI联测数据有效和高质量。该软件是在Qt开发环境下采用signals/slots的安全类型机制,并在Qt creator IDE上设计图形界面,完成数据采集和网络通信工作。Mark5B监控系统不仅适用于VLBI天体物理测量观测、VLBI测地观测,而且适用于中国VLBI网(The Chinese VLBI Network,CVN)联测。     

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．     

CVN硬盘系统和软件相关处理在e-VLBI试验中的应用

介绍了中国VLBI网（CVN）的e-VLBI技术研究进展．CVN包括上海佘山、乌鲁木齐南山2个固定观测站和云南昆明的流动站，以及上海天文台的2台站硬件相关处理机。2003年上海天文台自行研制了基于PC技术的VLBI数据记录、回放系统，命名为CVN硬盘系统，并成功将其安置于CVN观测站和处理机系统。硬件处理机经过改造后，已能处理来自硬盘和原有磁带系统的数据．从2003年至今，中国VLBI网采用该硬盘系统进行了多次VLBI观测和e-VLBI试验。在CVN硬盘系统基础上，软件相关处理技术的研究也得以开展。软件相关处理原型程序已经被用于台站条纹检测、卫星条纹搜索和数据处理中。该软件获得的计算结果被成功用于国内第一个3台站卫星VLBI的延迟和延迟率闭合试验，以及国内首次利用VLBI数据进行的卫星定轨试验。除此之外，该软件还用作硬件处理机的条纹引导器。为适应未来“嫦娥”月球探测工程，CVN将扩展成含有4个观测站和2个相关处理机（硬件、软件）的实时VLBI网。今后，e-VLBI将被应用于月球卫星导航以及测地和天体物理的VLBI观测。     

上海天文台MK5A终端系统的安装与测试

简要阐述了上海天文台VLBI终端系统的发展历史与性能；介绍了在没有MK4解码器、互联网又不能满足需要的特殊情况下，利用数据质量分析仪(DQA)完成MK5A终端系统安装与测试的过程和方法。目前，MK5A终端系统已经成功地应用于上海天文台所有的VLBI实验。     

1-Gbps VLBI, The First Detection of Fringes

We report on the detection of VLBI fringes from quasars by a new VLBI system operating at 1 Gbps (1024 Mbits-per-second). Newly developed 1024 Msps (mega sample-per-second) AD samplers and 1024 Mbps recorders were used for the observations. A correlator with external buffers was used for the 1024 Mbps correlation processing of the tapes data.Our new VLBI system enabled 1024 Mbps VLBI, and this allowed the sampling of a 512 MHz bandwidth from a radio telescope receiver. This is the highest sampling speed ever used for VLBI, and the widest bandwidth used for VLBI observation. Initial sensitivity as evaluated by SNR comparison with earlier VLBI systems produced results to matched the expanded bandwidth. In our first observations, simultaneous optical fibre linked real-time VLBI observations were made to check the validity of data and precisely detemine the clock offsets among the radio telescopes.     

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.     

脉冲星VLBI观测软件相关处理进展

VLBI是进行高分辨率脉冲星观测研究的重要手段.脉冲星信号是非常微弱的脉冲序列,其VLBI观测面临多种挑战.在数据相关过程中采用有效技术提取脉冲星信号可提高观测成功率和精度.DiFX(Distributed FX-style Software Correlator)是目前国际上流行的开源软件相关处理机,它采用非相干消色散技术和“脉冲星数据分箱技术”(Pulsar Binning),在脉冲星VLBI观测数据的相关处理方面具有优异的性能.介绍了DiFX的构架,安装、调试方法,并对利用DiFX处理脉冲星VLBI观测数据的进展情况进行论述.利用单机环境下的DiFX,在普通模式和Pulsar Binning模式下对中国VLBI网(CVN)第一次脉冲星观测数据进行相关处理;利用德国马普射电天文研究所集群计算环境下的Bonn-DiFX,在Pulsar Binning模式下对流量仅有2.6 mJy的毫秒脉冲星PSRJ1022+1001的欧洲VLBI网(EVN)观测数据成功进行相关处理.最后,对使用DiFX处理脉冲星观测数据情况进行总结,并展望了今后CVN开展脉冲星观测研究的前景.     

实时VLBI技术

随着通信技术的发展出现了用数据通讯网络代替磁带记录与传输 ,将数据直接传至数据中心处理的实时VLBI技术 ,它包括准实时和真实时VLBI两个技术层次 ,是VLBI技术的一次飞跃。实时VLBI除具备传统VLBI的高精度、高灵敏度和全天候、全天时被动观测能力以外 ,还具有设备简化、自动化程度高、实时性、易于利用现代通信技术获得宽带能力与高灵敏度等突出特点。它在VLBI台站检测、航天器精密跟踪、UT1加强观测和传统的测地和天文学观测领域均有重要的科学意义和实用价值。     

Space VLBI Geodesy: background of an experiment proposal

Space VLBI is a new observing technique which will be available in the second half of this decade by radio telescopes as interferometer elements in orbit. Besides the main astronomical interests, this new development has some very interesting potential applications in satellite dynamics, geodesy and geodynamical research which qualify space VLBI a potential new technique in space geodesy. A geodesy demostration experiment (GEDEX) is being proposed for the Japanese space VLBI satellite-VSOP, with the main objectives of reference frame interconnections and orbit accuracy improvement of the space radio telescope. The paper gives a review of the special characteristics of space VLBI and a general background of the GEDEX proposal.     

基于VLBI资料的ERP高频变化求解方法的研究

在天测与测地VLBI资料分析软件CALC／SOLVE中，对地球自转参数(ERP)高频变化的解算采用了附加约束的连续分段线性拟合方法，即要求在两个历元节点之间ERP变化率小于某事先约定值，并要求ERP在历元节点上连续．实测资料分析表明，当资料点密度较低时，引入约束条件和要求连续均有助于提高解的稳定性，但也人为降低了解的客观性，使各历元节点ERP解算结果之间相关．为此，基于CALC／SOLVE的用户偏导功能，实现了ERP高频变化的直接求解模块，不附加约束，也不要求连续．实测资料分析表明对ERP高频变化的直接求解模式更为可取．对于长时段VLBI资料的ERP高频变化求解，需要考虑岁差和章动模型偏差(天极偏移)的影响，编写相应的求解模块，并成功实现了1979至2003年长时段ERP高频变化求解．比较表明，在考虑了岁差章动模型偏差的影响时能够显著提高解的精度．为此，在基于VLBI资料解算ERP高频变化时，建议采用直接求解模式，并考虑岁差章动模型偏差的影响．     

类星体3C 286的一个早期VLBI观测结果

利用基于自校正和ＣＬＥＡＮ算法的现代ＶＬＢＩ混合成图技术,对Ｐｅａｒｓｏｎ等人于１９７６年观测得到的类星体 ３Ｃ ２８６在 １８ ｃｍ波段上的 ＶＬＢＩ数据重新作了处理．由此得到的图像要大大好于最初的处理结果,也获得了更多的有用信息．用几个Ｇａｕｓｓ模型去拟合校正后的ＵＶ数据,发现中央亮区可以被分解为两个致密结构,这与后来的高分辨率观测相一致．与不同历元的ＶＬＢＩ观测结果相比较,发现这两个致密结构间的距离不但在同一时间随观测频率变化,而且很有可能在同一观测频率上随时间变化．