VGOS超宽带观测的首次UT1测量数据处理及分析 Data Processing and Analysis for the First UT1 Session Using VGOS Broadband System 1 2 first-author 黄逸丹，博士，高级工程师，主要从事VLBI测地数据处理、VLBI深空探测数据处理工作。hyd@shao.ac.cn 黄逸丹，博士，高级工程师，主要从事VLBI测地数据处理、VLBI深空探测数据处理工作。hyd@shao.ac.cn hyd@shao.ac.cn 1 3 4 5 corresp 舒逢春，博士，研究员。sfc@shao.ac.cn 舒逢春，博士，研究员。sfc@shao.ac.cn sfc@shao.ac.cn 1 1 3 4 5 中国科学院上海天文台，上海,200030 中国科学院上海天文台，上海,200030 Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China 中国科学院大学，北京,100049 中国科学院大学，北京,100049 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 国家基础学科公共科学数据中心，北京,100190 国家基础学科公共科学数据中心，北京,100190 National Basic Public Science Data Center, Beijing 100190, China National Basic Public Science Data Center, Beijing 100190, China 中国科学院射电天文重点实验室，江苏 南京,210008 中国科学院射电天文重点实验室，江苏 南京,210008 Key Laboratory of Radio Astronomy, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China Key Laboratory of Radio Astronomy, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China 上海市导航定位重点实验室，上海,200030 上海市导航定位重点实验室，上海,200030 Shanghai Key Laboratory of Space Navigation and Positioning Techniques, Shanghai 200030, China Shanghai Key Laboratory of Space Navigation and Positioning Techniques, Shanghai 200030, China 在国际甚长基线干涉测量（very long baseline interferometry,VLBI）大地测量与天体测量服务组织协调下，首次利用隶属于VLBI全球观测系统（VLBI global observing system,VGOS）的美国Kokee和德国Wettzell观测站及并置的传统VLBI观测站开展了世界时（universal time, UT1）联合测量试验，观测数据在上海VLBI中心进行了干涉处理。结果表明，VGOS超宽带观测系统的UT1测量精度约为7 μs，并置基线的传统S/X双频系统测量精度约为14 μs，VGOS系统的UT1解算结果优于S/X系统。通过试验建立了从相关处理、相关后处理到UT1参数解算的完整数据处理流程，验证了上海VLBI相关处理机的VGOS数据处理能力，为承担国内和国际VGOS观测数据的相关处理任务奠定了基础。 Objectives 2 The very long baseline interferometry（VLBI） global observing system (VGOS) is a new generation of geodetic VLBI system which is equipped with broadband receiver and fast slewing antenna in order to achieve very high accuracy for measuring station coordinates, source positions as well as Earth rotation. Within the framework of the international VLBI service (IVS) for geodesy and astrometry, the first UT1 observing session was conducted using the VGOS stations at Kokee in USA and Wettzell in Germany, with a goal to validate VGOS data processing pipeline and estimate UT1 parameters. Methods 2 The raw data were correlated at Shanghai VLBI correlator, followed by post-correlation processing and data analysis. The UT1 measurement results were derived and compared using VGOS database files produced from Shanghai correlator and the other correlator. Moreover, VGOS results were compared with those from the parallel UT1 session, which was conducted in the same time span using co-located legacy S/X-band stations. Results 2 The UT1 estimation results obtained from Shanghai correlator output agree very well with those from the other correlator. The UT1 formal error obtained from VGOS observations is about 7 μs, approximately 2 times lower than the UT1 formal error obtained from the parallel legacy S/X-band observations. Conclusions 2 VGOS system has the capability to obtain better UT1 measurement results than the legacy S/X-band system. The data processing pipeline established at Shanghai VLBI correlator has been validated and laid a foundation for regular VGOS data correlation in the near future. 甚长基线干涉测量（very long baseline interferometry, VLBI） 世界时 VLBI全球观测系统 干涉数据处理 相位校正 群时延 very long baseline interferometry（VLBI） universal time VLBI global observing system data correlation phase calibration group delay 甚长基线干涉测量（very long baseline interferometry， VLBI）技术通过观测遥远的河外致密射电源，能够测量整套的地球定向参数（earth orientation parameters， EOP），建立国际天球参考架和国际地球参考架的直接连接 ［ 1 1 ］ 。EOP序列包括极移、世界时（universal time，UT1）和章动参数，其中UT1的测量目前依赖于VLBI技术 ［ 2 2 ］ 。其他空间测地技术，如卫星激光测距（satellite laser ranging， SLR）和全球导航卫星系统（global navigation satellite system， GNSS），由于卫星轨道升交点和地球自转角之间的相关性，无法直接测量UT1 ［ 3 3 ］ 。高精度的UT1测量和预报对于卫星导航定位、深空探测和地学研究至关重要 ［ 1 1 ， 4 4 - 6 6 4-6 ］ 。 地球自转在不同时间尺度上存在不规则变化，导致UT1的预测精度随着预测时间的增加而加速降低，需要对UT1进行常态化的快速测量。目前，国际测地与天体测量VLBI服务组织（international VLBI service，IVS）每周开展8次UT1加强观测，每次观测1 h，相邻2次观测的时间间隔不超过24 h，通常采用一条在东西方向尽可能长的基线以提高UT1测量精度，主要估计参数为ΔUT1，即UT1和国际原子时之差。目前加强观测的ΔUT1测量精度约为15~20 μs，测量结果通常在8 h内获得 ［ 7 7 ］ 。上海佘山VLBI站是IVS观测网络的重要测站之一，定期参加IVS组织的EOP观测和ΔUT1观测。除了IVS组织的观测，美国海军天文台单独利用甚长基线阵列（very long baseline array，VLBA）测站测量ΔUT1 ［ 8 8 ］ ，俄罗斯应用天文研究所独自利用Quasar VLBI网测量ΔUT1 ［ 9 9 ］ ，虽然测量精度比IVS低，但能满足GPS和GLONASS系统自主可控的导航定位需求。 近年来，新一代VLBI全球观测系统（VLBI global observing system，VGOS）正在建设中，其主要设计目标是实现全球测站位置精度1 mm、EOP连续观测和IVS产品快速生成及发布 ［ 10 10 ］ 。VGOS采用快速旋转天线，每分钟就可获得1~2个时延观测量；基于超宽带信号接收系统，VGOS的时延测量精度设计指标比传统S/X频段VLBI观测提高了1个量级，达到4 ps ［ 11 11 ］ 。美国Haystack天文台利用GGAO12M站和WESTFORD站开展了多次VGOS实验，初步验证了VGOS的1 mm级精度测地能力 ［ 12 12 ］ 。2020年，已有8个站定期参加IVS组织的VGOS观测，分别为美国的GGAO12M站、WESTFORD站和KOKEE12M站，德国的WETTZ13S站，日本的ISHIOKA站，西班牙的RAEGYEB站，瑞典的ONSA13NE站和ONSA13SW站。传统的测地VLBI采用S/X频段和右旋圆极化，共16个通道的数据，而VGOS观测包含4个频段和双线极化 ［ 13 13 ］ ，共64个通道的数据。如何实现超宽带、双线极化数据的相关处理和相关后处理，是VGOS系统面临的主要挑战。 中国正在上海和乌鲁木齐建设VGOS测站，系统建设后将成为国际VGOS观测网络的重要组成部分 ［ 14 14 - 15 15 14-15 ］ 。上海VLBI相关处理机是6个IVS相关处理机之一，每年处理20~30次国际测地VLBI观测数据，处理结果提交IVS数据中心，用于射电源位置、站坐标和EOP的综合解算 ［ 16 16 ］ 。为了满足国际和国内VGOS数据相关处理的需求，笔者及团队开展了VGOS超宽带时延计算方法研究 ［ 17 17 ］ ，初步实现了VGOS数据相关处理软件的集成，但仍然需要大量的实测数据进行测试和验证，为此提出了利用国际已有VGOS站开展UT1观测试验和数据处理的建议，经IVS观测计划委员会协调，已顺利实施观测。 本文介绍了VGOS首次UT1观测试验的概况，分析了VGOS数据干涉处理中区别于传统S/X测地系统的特性，开展了基于超宽带基线数据的相关处理、相关后处理、数据库生成和ΔUT1参数解算，对解算结果进行了分析和讨论。 1　观测试验概况 1 在IVS组织的UT1加强观测实验中，美国Kokee站和德国Wettzell站组成的单条基线参加最频繁，每周观测5次。这2个站都并置有VGOS站，分别为KOKEE12M站和 WETTZ13S站。本文用两字符代码K2、Ws、Kk和Wz分别表示KOKEE12M站、 WETTZ13S站、Kokee站和Wettzell站。2019-10-17T18：30：00—19：30：00，利用VGOS基线K2-Ws开展了代码为V19290的UT1加强观测。当天同一时段，利用并置基线Kk-Wz开展了代码为I19290的常规S/X频段UT1观测。 图1 图1 为参加上述2次UT1观测的基线分布，VGOS基线K2-Ws的长度约10 358 km，常规S/X观测的并置基线Kk-Wz的长度约为10 357 km，两条基线的长度差小于1 km。 表1 表1 给出了上述2次UT1观测实验的基本统计信息，其中VGOS采用双线极化馈源，S/X系统采用右圆极化馈源；本文分别用 A 、 B 、 C 和 D 表示VGOS的4个观测频段，频率分别为3 GHz、5 GHz、6 GHz、10 GHz；H、V、R分别表示水平极化、垂直极化和右圆极化；HH、VV、HV、VH、RR分别表示相关处理后的基线极化分量数据。V19290采用转速非常快的13 m VGOS天线，射电源观测片段的平均时长为30 s，1 h有50个观测时段；I19290采用转速较慢的传统VLBI天线，1 h仅有16个观测时段。 观测代码 基线名称 观测模式 馈源 频段 标识 频段频率/GHz 基线极化分量 通道数 通道带宽/MHz 天线口径/m 观测时段个数 有效带宽 /MHz V19290 K2-Ws VGOS 双线极化 A B C D 3 5 6 10 HH VV HV VH 64 32 13 50 2 612.4 12 I19290 Kk-Wz S/X 右圆极化 S X 2 8 RR 16 4 20 16 252.6 VGOS观测试验V19290采用4个频段，每个频段输出2个极化分量，每条基线相关处理后将输出相应的4组极化分量数据。每个频段每个极化输出8个通道，共输出64个通道，每个通道的带宽为32 MHz，有效带宽为2 612.4 MHz。S/X观测实验I19290采用2个频段，仅用右圆极化馈源，S频段输出10个通道，X频段输出6个通道，共16个通道。通道带宽为16 MHz，有效带宽为252.6 MHz。 2　VGOS数据干涉处理流程 1 VGOS数据干涉处理流程如 图2 图2 所示。数据处理采用上海天文台自主搭建的集群计算平台，含420个中央处理器（central processing unit，CPU）核，800 TB的存储空间，集成了DiFX软件 ［ 18 18 ］ 、HOPS软件 ［ 19 19 ］ 和其他自主研发的功能性程序。主要处理流程包括： 1）相关处理 相关处理机将测站原始数据进行整数时延补偿、条纹旋转、快速傅里叶变换（fast Fourier transform， FFT）和小数时延补偿，再基于基线进行交叉相乘和积分累加，得到每条基线的互相关谱，输出MK4格式的数据用于相关后处理。采样时延校正用于消除不同频段之间的设备时延差，采样时延归并到相关处理过程中的钟差项，与钟差调整迭代进行处理。 2）相关后处理 对每个测站及每个极化的相关处理结果进行第一次条纹拟合，得到通道与通道间的相位改正值，用于消除每个测站不同通道间的相位差； 对相关处理结果进行第二次条纹拟合，得到每个测站垂直与水平（V-H）极化间的相位差和时延差改正值，用于消除测站两个极化之间差异；将校正好的4组极化分量组合成斯托克斯强度（Stokes-I）互相关谱，进行最终条纹拟合，得到最终观测量，包括群时延、时延率以及基线差分电离层总电子含量（differential ionospheric total electron content， dTEC）。 3）电缆时延校正 对没有电缆时延测量系统（cable delay measurement system，CDMS）的测站，利用注入的相位校正信号提取信号链的延迟，用于估计该测站的电缆时延改正量，并将改正结果写入数据库。 4）测地数据库生成 将相关后处理过程中得到的最终观测量数据、电缆时延校正数据以及其他辅助数据（测站日志、时延模型）写入到测地数据库中，用于后续的数据分析。 VGOS观测的四频段、双线极化等特性，使其在数据干涉处理过程中，与常规S/X的不同之处主要体现在采样时延校正、相位/时延校正、极化合成和电离层时延解算等方面。下文重点阐述VGOS观测试验V19290在数据干涉处理过程中的特性及处理方法。 2.1　VGOS数据的基线干涉处理 2 传统VLBI干涉测量首先对两个测站记录的原始数据进行相关处理，得到基线的互相关谱（MK4文件），然后对基线互相关谱进行条纹拟合，获得基线的时延、时延率观测量，从而对测地参数进行估计。在相关处理之后，需对互相关谱数据进行校正，使相位呈现线性特性，才能进行干涉数据的条纹拟合。 在数据干涉处理方面，VGOS由于自身系统的特性，与传统S/X系统的区别主要表现在： 1）S/X一般采用右圆极化，仅有一组极化数据。VGOS采用双线极化馈源，在进行校正时需要考虑V⁃H极化间的相位和时延差异。VGOS经相关处理后，可得到4组极化分量的互相关谱，分别为HH、HV、VH以及VV，在进行最终的条纹拟合之前还需要将4组极化分量组合成Stokes-I互相关谱数据。 2）S/X仅包含S、X频段的观测，分别对其进行通道间的相位校正，将单频段内的各个通道间的相位对齐，进行单频段的条纹拟合。VGOS一般采用3 GHz、5 GHz、6 GHz、10 GHz 4个频段进行观测，在数据处理时需要将所有4个频段组合成超宽带频段进行条纹拟合，在频段组合过程中，需要考虑由于低频、高频电缆类型引起的采样时延校正。此外，S/X采取单频段条纹拟合，分别估计S、X频段的群时延，在数据分析过程中采用双频改正的方式解算电离层延迟，从而消除电离层影响。而VGOS在全频段条纹拟合的过程中同时搜索群时延、延迟率和dTEC参数，可以更好地消除电离层时延的非线性效应。 2.2　VGOS数据干涉处理的校正 2 VGOS需要将4个频段组合成超宽带频段，即将4组极化分量组合成Stokes-I互相关谱后进行条纹拟合，在此之前需要做以下校正以消除各种残余相位结构：（1）由于高、低频信号传输链路不同引起的采样时延校正，用来消除频段间的时延差；（2）单测站通道间相位校正；（3）单测站V-H极化间的相位差/时延差校正。 图3 图3 分别显示了采样时延校正、通道间相位微调以及极化间相位/时延校正的效果。横轴的32个通道分别用a~z和A~F表示，All表示所有通道组合，每个长方格显示了对应通道的条纹幅 度（蓝色）和相位（红色）随时间的变化，其中时间为1 s，即1个积分周期；相位变化范围为［-180°，180°］；幅度为信号的相对强度，没有量纲。由此可见，只有完成以上所有校正之后，才能将VGOS所有通道的相位进行对齐，进一步通过条纹拟合得到宽带群时延、时延率等观测量。 1）采样时延校正及钟差 V19290观测中的KOKEE12M站，从天线到控制室，低频段 A 采用同轴电缆，高频段 B、C、D 采用光纤进行信号传输。不同的信号传输链路和单独的数字采样导致频段之间存在较大的设备时延差，称之为采样时延。在做钟差/条纹搜索时，需先做采样时延校正，消除因各频段电缆类型不同以及传播路径不同引起的频段间时延差异。实验中KOKEE12M的 A 频段的单带宽延迟（single bandwidth delay，SBD）值与 B、C、D 频段的SBD值相差约400 ns，如 图3 图3 （a）所示，不校正采样时延的 A 频段没有条纹。利用 A 频段8个通道的相位校正（phase calibration， PCAL）信号时延的平均值作为初值，加上频段之间400 ns的时延差，作为 A 频段的采样时延校正值。完成采样时延校正后的干涉条纹如 图3 图3 （b）所示，4个频段都有明显的干涉条纹。对钟差进行调整后，重新进行相关处理，直到基线4个频段组合后搜索的残余SBD值调整到小于10 ns。 2）通道间相位校正 在V19290的数据处理中，首先分别利用K2站和Ws站的PCAL信号对每个通道进行相位和时延校正；然后以K2站的X极化为参考，对K2站的V极化、Ws站的H/V极化进行相位微调。选出K2-Ws基线4个极化分量信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）都高于30、质量因子大于6的10个观测时段（290-1858、290-1857、290-1842、290-1852、290-1925、290-1902、290-1834a、290-1832、290-1915、290-1846）用于相位微调值的计算，分别统计10个观测时段中K2站V极化和Ws站H/V极化的相位改正平均值作为最终的相位微调校正值。 以V19290观测时段290-1857为例， 图3 图3 （b）为VV极化分量进行通道间相位微调的相位效果，显示某些通道间还存在较大的相位差； 图3 图3 （c）显示各通道相位差在进行相位微调之后减小，对齐效果更明显。其他观测时段的校正效果类似。 3）极化间相位/时延校正 完成单测站单极化通道间的相位校正之后，需要对每个测站V-H极化间的相位和时延进行校正。对做完单测站单极化通道间的相位校正后的每个观测时段互相关谱数据进行条纹拟合，计算每个观测时段的V-H极化间时延差和相位差，分别取平均值作为校正值，用于消除测站极化之间的差异。 V19290观测中K2和Ws站的V-H极化间时延差和相位差的统计信息见 表2 表2 。 <math id="M1"><msub><mrow><mi mathvariant="normal">N</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115613&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115624&type= 6.60400009 3.80999994 、 <math id="M2"><msub><mrow><mi mathvariant="normal">N</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115629&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115628&type= 5.67266655 3.80999994 分别为参与观测的观测时段总数和用于计算V-H相位间时延差的观测量； <math id="M3"><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>¯</mo></mover></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115640&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115632&type= 1.69333339 2.79399991 、 <math id="M4"><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>τ</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115655&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115644&type= 2.70933342 3.72533321 分别为时延平均值和时延误差； <math id="M5"><mover accent="true"><mi>φ</mi><mo>¯</mo></mover></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115660&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115663&type= 2.37066650 3.72533321 、 <math id="M6"><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>φ</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115680&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115678&type= 3.13266683 3.72533321 分别为相位平均值和相位误差。K2站和Ws站分别采用了17和18个观测时段用于计算V-H极化间时延差和相位差，两站的平均时延差分别为0.139 ns和-0.059 ns，平均相位差分别为-45.7°和-134.6°。 测站 <math id="M7"><msub><mrow><mi>N</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115686&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115684&type= 5.58799982 2.87866688 <math id="M8"><msub><mrow><mi>N</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115693&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115688&type= 4.74133301 2.87866688 <math id="M9"><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo>¯</mo></mover></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115712&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115695&type= 1.26999998 2.11666679 /ns <math id="M10"><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>τ</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115717&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115714&type= 2.20133328 2.87866688 /ns <math id="M11"><mover accent="true"><mi>φ</mi><mo>¯</mo></mover></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115720&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115703&type= 1.77800000 2.79399991 /(゜) <math id="M12"><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>φ</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115727&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115724&type= 2.53999996 2.87866688 /(゜) K2 18 17 0.139 0.002 -45.7 3.2 Ws 18 18 -0.059 0.002 -134.6 3.5 图3 图3 （d）和 图3 图3 （e）分别为观测时段290-1857对互相关谱进行V-H极化间相位差和时延差校正前后的Stokes-I互相关谱拟合对比结果，结果显示，若不校正测站V-H极化间的差异，组合成Stokes-I互相关谱后的拟合相位仍然不能对齐；校正测站V-H极化间时延及相位差之后，组合成Stokes-I互相关谱的拟合相位对齐效果明显。 2.3　超宽带条纹拟合及电离层搜索 2 VGOS干涉测量的校正完成后，需要将4个单极化频段组合成超宽带频段，将基线的4组极化分量互相关谱通过基线的差分星位角（differential parallactic angle， DPA）组合成Stokes-I互相关谱数据 ［ 14 14 ］ ，计算式为： <math display="block" id="M13"><mi>I</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">H</mi><mi mathvariant="normal">H</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">V</mi><mi mathvariant="normal">V</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>p</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">H</mi><mi mathvariant="normal">V</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">V</mi><mi mathvariant="normal">H</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>p</mi><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115748&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115745&type= 71.12000275 4.82600021 式中， <math id="M14"><mi>I</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115758&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115754&type= 1.60866666 2.79399991 表示Stokes-I互相关谱； <math id="M15"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>p</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115774&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115771&type= 4.31799984 3.64066648 表示两个台站之间的差分星位角； <math id="M16"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">H</mi><mi mathvariant="normal">H</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115765&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115776&type= 4.57200003 3.72533321 、 <math id="M17"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">V</mi><mi mathvariant="normal">V</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115785&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115779&type= 4.48733330 3.72533321 、 <math id="M18"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">H</mi><mi mathvariant="normal">V</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115791&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115789&type= 4.57200003 3.72533321 、 <math id="M19"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">V</mi><mi mathvariant="normal">H</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115796&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115793&type= 4.57200003 3.72533321 分别表示4组单极化分量互相关谱。 图4 图4 是V19290所有观测时段单极化分量及Stokes-I互相关谱的条纹拟合信噪比。由 图4 图4 可见，与单极化的条纹拟合结果进行比较，组合极化模式下的条纹拟合方法获得的结果具有更高信噪比，从而可获得更高精度的时延观测量。 信号从射电源穿过电离层到测站会产生与频率有关的色散效应，引起信号传播延迟。V19290观测需在3~10 GHz频率范围上进行相位连接和宽带群时延搜索，若忽略电离层改正参数的影响，会引起群时延观测量的误差，其形式精度也会降低。本文在VGOS连接4个频段相位后的宽频段条纹拟合中，针对色散效应直接引入 电离层估计参数dTEC。 图5 图5 为V19290所有观测时段拟合的dTEC及误差。本次观测中dTEC的变化范围为-4~10 TECU，dTEC的误差均值为0.12 TECU，误差中位数为0.1 TECU。 2.4　电缆时延校正与测地数据库生成 2 在生成测地数据库之前，对于没有专用CDMS的测站，VGOS系统发展了一种根据注入的相位校正信号估计信号链电缆延迟校正的方法，称为拟电缆校正方法。 图6 图6 显示了V19290观测 中K2和Ws站的电缆时延校正值随时间的变化。由 图6 图6 可以看出，Ws站的电缆时延改正值随时间变化的幅度较小且变化平稳，K2站电缆时延改正值相对较大且随时间变化的幅度也较大。 V19290最终条纹拟合完成后，将条纹拟合结果生成vgosDb数据库，随后在数据库中插入时延模型信息、测站日志信息、电缆时延改正值，以便进行后续的数据分析。 3　ΔUT1参数解算与结果分析 1 生成vgosDb测地数据库以后，利用nuSolve软件 ［ 20 20 ］ 解算ΔUT1参数。参数解算采用的观测量为基于VGOS超宽带观测获得的群时延，已消除电离层时延的影响，并进行了电缆时延改正。时延理论值的计算采用IERS2010规范推荐的相对论时延公式和地球物理模型。先验测站坐标和速度采用GSFC发布的2020b版本的VLBI全球解算结果，其中包含K2参加的测地观测30次，Ws参加的测地观测32次，因此这2个VGOS站的站坐标和速度误差对ΔUT1参数的解算影响甚微。根据测站观测过程中记录的气象参数，包括温度、气压和湿度，计算大气时延初值。本文选择K2作为参考站，共解算了5个参数，包括K2站的天顶大气时延改正量、Ws站的钟差、钟速和天顶大气时延改正量以及ΔUT1。 解算过程中，首先基于时延观测量的形式误差加权进行最小二乘估计，然后基于时延拟合后残差重新加权后进行迭代解算。 图7 图7 为V19290数据的时延拟合后残差分布，其波动水平（WRMS时延拟后残差）约为53.0 ps。与传统的S/X观测相比，虽然VGOS时延观测量的形式误差较小，但时延拟合后残差并未显著改善，仍在数十ps水平，说明VGOS观测时延中尚有未改正的系统差。基于测地VLBI数据的相关研究显示，这些系统差主要来源于湿大气 ［ 7 7 ］ 和射电源结构效应 ［ 21 21 ］ 。 表3 表3 给出了ΔUT1的解算结果，其中相关处理机表示生成测地数据库所用的相关处理机所在机构，包括上海天文台（SHAO）、维也纳技术大学（VIEN）和美国海军天文台（USNO），观测量对应干涉数据处理的观测时段个数，参考历元表示ΔUT1解算值的参考历元，与IERS之差表示ΔUT1解算值与IERS 14 C04序列之差，IERS值采用观测历元前后5 d的ΔUT1序列通过拉格朗日插值获得， <math id="M20"><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>a</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115857&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115863&type= 2.87866688 3.72533321 表示基于时延形式误差加权得到的ΔUT1形式误差， <math id="M21"><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>m</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115876&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115875&type= 3.38666677 3.72533321 表示基于时延拟合后残差重新加权后估计的ΔUT1形式误差。为了验证数据处理的正确性，本文利用VIEN生成的V19290测地数据库，按照相同方法解算ΔUT1； 观测代码 相关处理机 参考历元 ΔUT1解算值/s 与IERS之差/μs <math id="M22"><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>a</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115881&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115878&type= 2.37066650 2.87866688 /μs <math id="M23"><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>m</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115886&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45115883&type= 2.79399991 2.87866688 /μs 时延拟合残差/ps 观测量 V19290 SHAO 18 h 55 min -0.153 087 1 -0.9 0.8 6.9 53.0 44 V19290 VIEN 18 h 58 min -0.153 086 4 0.2 1.1 6.8 51.2 42 I19290 USNO 18 h 58 min -0.153 085 2 1.4 8.6 13.5 33.9 14 还利用USNO的I19290实验结果进行ΔUT1参数解算，比较VGOS与传统S/X观测的差异。 针对V19290观测数据的相关处理，VIEN和SHAO相关处理机采用的输入参数并不完全相同，因而相关处理模型存在微小的差异，进而造成在相关后处理过程中使用的相位及时延校正参数有所不同，但这对于ΔUT1测量结果的影响甚微。从 表3 表3 可以看出，ΔUT1的解算值与IERS 之差小于1 μs，该差值远小于ΔUT1的形式误差；SHAO和VIEN的ΔUT1解算值在测量误差范围内一致，验证了本文数据处理结果的正确性。此外，本文解算结果用到44个时延观测量，比VIEN多2个，一方面导致观测历元稍有不同，另一方面，增加的2个观测量误差较大，使得时延拟合后残差和ΔUT1的解算精度略差。 表3 表3 中同时给出了当天同一历元传统S/X频段观测实验I19290的ΔUT1解算结果，该观测数据由USNO完成相关处理。本文利用其生成的测地数据库进行参数解算，ΔUT1解算值与IERS之差为1.4 μs，比VGOS的测量结果略大，但仍然远小于ΔUT1的形式误差。对比VGOS和S/X观测结果，由于VGOS观测时延中尚有未改正的系统差，VGOS时延的拟后残差仍然较大。这在ΔUT1解算值的形式误差上也有所反映，即基于时延形式误差加权得到的ΔUT1形式误差仅1 μs左右，但基于时延拟合后残差重新加权后估计的ΔUT1形式误差达到7 μs左右。即便如此，由于VGOS的观测量是S/X频段观测的3倍，这使得VGOS观测获得的ΔUT1仍然优于S/X频段测量结果。如果能改进数据处理方法，消除系统差的影响，ΔUT1测量精度有望达到1 μs左右。 中国上海的天马和佘山VGOS天线已落成，处于系统测试阶段，乌鲁木齐VGOS站正在建设中，建成后计划参加国际联合和国内独立自主的ΔUT1观测。如果利用上海VGOS站和欧洲的VGOS站开展类似V19290的ΔUT1加强观测，基线长度与K2-Ws基线相当，则ΔUT1测量精度与之相当。如果利用上海和乌鲁木齐VGOS站开展国内独立自主的ΔUT1观测，由于基线较短，ΔUT1测量精度估计在20 μs左右。通过增加观测时长和改进数据处理方法，ΔUT1测量精度还能进一步提高。此外，为了减小站坐标误差对ΔUT1测量的影响，中国VGOS站需要定期参加国际联合测地观测，获得新建站在全球测地参考框架中的精确坐标和运动速度。 4　结　语 1 本文开展了面向国际首次ΔUT1测量的VGOS观测干涉数据处理实验，建立了从相关处理、相关后处理、测地数据库生成到ΔUT1参数解算的完整数据处理流程，克服了采样时延及钟差设置、通道间相位校正、基于测站的极化间相位/时延校正、基于基线差分星位角的极化分量组合、超宽带条纹拟合及dTEC搜索、电缆时延校正等由VGOS系统特性带来的技术难点，验证了上海VLBI相关处理机的VGOS数据处理能力，为承担国内和国际VGOS观测数据的相关处理任务奠定了基础。 对K2-Ws基线1 h的VGOS观测数据处理结果表明，ΔUT1测量精度可达到7 μs；传统S/X观测数据处理的ΔUT1测量精度约14 μs。就本次观测结果而言，VGOS系统的ΔUT1解算结果优于传统的S/X系统解算结果。虽然如此，有必要利用VGOS站开展更多的ΔUT1加强观测，并通过改进数据处理方法降低湿大气和射电源结构效应等系统差的影响，进一步评估VGOS系统的ΔUT1测量能力。 本文利用国外VGOS数据开展了相关处理能力验证，此项工作也将在未来用于上海和乌鲁木齐VGOS站的观测和数据处理测试，包括UT1观测测试，使得中国VGOS站早日具备参加国际和国内VGOS常规观测的能力。 参 考 文 献 Schuh H ， Behrend D . 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Source Structure and Measurement Noise are as Important as all Other Residual Sources in Geodetic VLBI Combined 感谢IVS观测计划委员会协调组织本次VGOS观测和数据处理实验，感谢美国Kokee和德国Wettzell站提供原始观测数据，维也纳技术大学处理机提供本次观测实验的相关处理结果，以及美国海军天文台提交I19290相关处理结果。 10.13203/j.whugis20210084 P228 A 1671-8860（2023）01-0075-09 黄逸丹,舒逢春,何旋，等.VGOS超宽带观测的首次UT1测量数据处理及分析[J].武汉大学学报（信息科学版）,2023,48(1):75-83.DOI: 10.13203/j.whugis20210084 http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20210084 黄逸丹,舒逢春,何旋，等.VGOS超宽带观测的首次UT1测量数据处理及分析[J].武汉大学学报（信息科学版）,2023,48(1):75-83.DOI:10.13203/j.whugis20210084 HUANG Yidan,SHU Fengchun,HE Xuan,et al.Data Processing and Analysis for the First UT1 Session Using VGOS Broadband System[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2023,48(1):75-83.DOI: 10.13203/j.whugis20210084 http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20210084 HUANG Yidan,SHU Fengchun,HE Xuan,et al.Data Processing and Analysis for the First UT1 Session Using VGOS Broadband System[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2023,48(1):75-83.DOI:10.13203/j.whugis20210084 国家自然科学基金（11573056， 12073065， 11973011）；国家基础科学公共科学数据中心“射电天文与深空探测数据库”项目（NBSDC-DB-11）；中科院关键技术人才项目（Y787091009）；上海市领军人才项目（Y557301001）。 2022-09-08 2023-01-05 2023-06-29 33226002 武汉大学学报（信息科学版） 1 48