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上海佘山VLBI站的钟差补偿精度分析

冯浩通 舒逢春 何旋

冯浩通, 舒逢春, 何旋. 上海佘山VLBI站的钟差补偿精度分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(8): 1148-1153. doi: 10.13203/j.whugis20190053
引用本文: 冯浩通, 舒逢春, 何旋. 上海佘山VLBI站的钟差补偿精度分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(8): 1148-1153. doi: 10.13203/j.whugis20190053
FENG Haotong, SHU Fengchun, HE Xuan. Accuracy Analysis of Clock Offset Compensation of Shanghai Sheshan VLBI Station[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(8): 1148-1153. doi: 10.13203/j.whugis20190053
Citation: FENG Haotong, SHU Fengchun, HE Xuan. Accuracy Analysis of Clock Offset Compensation of Shanghai Sheshan VLBI Station[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(8): 1148-1153. doi: 10.13203/j.whugis20190053

上海佘山VLBI站的钟差补偿精度分析

doi: 10.13203/j.whugis20190053
基金项目: 

国家自然科学基金 11573056

国家自然科学基金 12073065

详细信息
    作者简介:

    冯浩通,硕士,主要从事射电天体测量数据处理工作。1054708869@qq.com

    通讯作者: 舒逢春,博士,研究员. E-mail: sfc@shao.ac.cn
  • 中图分类号: P228

Accuracy Analysis of Clock Offset Compensation of Shanghai Sheshan VLBI Station

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 11573056

The National Natural Science Foundation of China 12073065

More Information
    Author Bio:

    FENG Haotong, master, specializes in radio astronomy measurement data processing.E-mail: 1054708869@qq.com

    Corresponding author: SHU Fengchun, PhD, professor. E-mail: sfc@shao.ac.cn
  • 摘要: 甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry, VLBI)台站钟差的补偿误差将导致VLBI时延观测量参考历元的偏离,进而对世界时(universal time,UT1)的准确估计产生影响。台站钟差包含格式器钟差和设备时延,设备时延是影响钟差补偿精准度的关键因素。上海佘山VLBI站是全球测地参考框架的基准站,有必要评估该站的钟差补偿精准度。利用该站2002—2017年国际测地观测数据的相关处理结果,分析了相关处理机对佘山站钟差的补偿精度。结果表明,不同VLBI相关处理机对佘山站模拟终端的设备时延补偿具有较好的一致性和长期稳定性,满足UT1测量精度需求,但是上海相关处理机对佘山站数字化终端的设备时延补偿存在大于1 μs的系统差,有必要进一步改进钟差搜索方法和提高钟差补偿精度。
  • 图  1  VLBI测量系统示意图

    Figure  1.  Diagram of VLBI Measurement System

    图  2  R1799格式器钟差随时间的变化

    Figure  2.  Change of Formatter Clock Offset with Time in R1799 Observation

    图  3  2002—2017年IVS相关处理的设备时延补偿值

    Figure  3.  Instrumental Delay Compensation Values Used in IVS Data Correlation from 2002 to 2017

    表  1  CDAS终端和模拟终端的抽取因子和带宽

    Table  1.   Decimation Factor and Bandwidth of CDAS Terminal and Analog Terminal

    抽取因子 CDAS终端带宽/MHz 模拟终端带宽/MHz
    8 4 2
    4 8 4
    2 16 8
    1 32 16
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    表  2  设备时延补偿值大于3$ \mathit{\sigma } $的数据

    Table  2.   Outlier Data Which Instrumental Delay Compensation Values Greater than 3$ \sigma $

    观测年份 观测代码 设备时延补偿值/μs
    2002 T2004 2.23
    2004 T2029 -3.27
    2016 R1740 2.16
    2016 R1746 -2.20
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    表  3  模拟终端的设备时延补偿值统计

    Table  3.   Statistics on the Instrumental Delay Compensation Values Using the Analog Terminal

    相关处理机 处理次数 平均值/μs 标准偏差/μs
    波恩 132 -0.07 0.64
    华盛顿 37 -0.23 0.41
    上海 6 -0.38 0.59
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    表  4  CDAS终端的设备时延补偿值统计

    Table  4.   Statistics on the Instrumental Delay Compensation Values Using the CDAS Terminal

    处理机 带宽/MHz 处理次数 平均值/μs 标准偏差/μs
    波恩 4 3 19.36 1.01
    8 17 9.88 0.25
    16 0
    上海 4 1 17.63
    8 3 7.89 0.11
    16 5 3.04 0.40
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-20
  • 刊出日期:  2021-08-05

上海佘山VLBI站的钟差补偿精度分析

doi: 10.13203/j.whugis20190053
    基金项目:

    国家自然科学基金 11573056

    国家自然科学基金 12073065

    作者简介:

    冯浩通,硕士,主要从事射电天体测量数据处理工作。1054708869@qq.com

    通讯作者: 舒逢春,博士,研究员. E-mail: sfc@shao.ac.cn
  • 中图分类号: P228

摘要: 甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry, VLBI)台站钟差的补偿误差将导致VLBI时延观测量参考历元的偏离,进而对世界时(universal time,UT1)的准确估计产生影响。台站钟差包含格式器钟差和设备时延,设备时延是影响钟差补偿精准度的关键因素。上海佘山VLBI站是全球测地参考框架的基准站,有必要评估该站的钟差补偿精准度。利用该站2002—2017年国际测地观测数据的相关处理结果,分析了相关处理机对佘山站钟差的补偿精度。结果表明,不同VLBI相关处理机对佘山站模拟终端的设备时延补偿具有较好的一致性和长期稳定性,满足UT1测量精度需求,但是上海相关处理机对佘山站数字化终端的设备时延补偿存在大于1 μs的系统差,有必要进一步改进钟差搜索方法和提高钟差补偿精度。

English Abstract

冯浩通, 舒逢春, 何旋. 上海佘山VLBI站的钟差补偿精度分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(8): 1148-1153. doi: 10.13203/j.whugis20190053
引用本文: 冯浩通, 舒逢春, 何旋. 上海佘山VLBI站的钟差补偿精度分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(8): 1148-1153. doi: 10.13203/j.whugis20190053
FENG Haotong, SHU Fengchun, HE Xuan. Accuracy Analysis of Clock Offset Compensation of Shanghai Sheshan VLBI Station[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(8): 1148-1153. doi: 10.13203/j.whugis20190053
Citation: FENG Haotong, SHU Fengchun, HE Xuan. Accuracy Analysis of Clock Offset Compensation of Shanghai Sheshan VLBI Station[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(8): 1148-1153. doi: 10.13203/j.whugis20190053
  • 甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)是20世纪60年代随着原子钟的出现而发展起来的射电天文观测技术[1],在大地测量[2-3]、天体测量[4-5]和深空导航[6-7]等领域具有广泛的应用。随着技术的不断进步,VLBI观测的灵敏度和测量精度越来越高。

    VLBI技术的主要观测量是观测目标发出的同一信号波前到达地面相距遥远的两个射电望远镜之间的时间延迟,即时延。时延观测量的参考历元是信号到达第1个台站,即参考台站的参考点的时间。参考历元的误差将直接导致世界时(universal time,UT1)的估计偏离真值[8]。$ ∆\mathrm{U}\mathrm{T}1 $,即UT1和国际原子时(temps atomique international,TAI)的差值,是VLBI最重要的估计参数之一。对于24 h的全球测地VLBI观测实验,$ ∆\mathrm{U}\mathrm{T}1 $的形式误差约3~5$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $,在部分观测实验中甚至小于1$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $[2, 9-10]。近年来,国际VLBI大地测量与天体测量服务组织(International VLBI Service for Geodesy and Astrometry,IVS)正在推进新一代VLBI全球观测系统(VLBI global observing system,VGOS)的建设,首批实验结果显示时延测量精度比传统VLBI大大提高[11],意味着VLBI将获得更高精度的$ ∆\mathrm{U}\mathrm{T}1 $测量结果,这要求参考历元的误差小于0.1$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $[12]

    参考历元的精度是由VLBI相关处理过程中的钟差补偿精度决定的,这里所指的钟差包含了格式器钟差和设备时延。在IVS观测计划中,地球定向参数(earth orientation parameter,EOP)监测计划包括:每天开展1~2次的UT1加强观测(代码为INT),每次观测1 h;每周开展2次的EOP观测(代码为R1和R4),每次观测24 h;每3年开展1次的EOP连续观测(代码为CONT),每次持续观测15 d。这些观测数据主要由位于美国华盛顿的海军天文台相关处理机(华盛顿处理机WACO)和位于德国波恩的马普射电天文研究所相关处理机(波恩处理机Bonn)完成台站原始数据的相关处理。为了维持$ ∆\mathrm{U}\mathrm{T}1 $的长期一致性,华盛顿处理机通常采用美国夏威夷的Kokee站作为时间参考基准,定义1990年代采用VLBA格式器的Kokee站的设备时延补偿值为0。Himwich利用Kokee站的历史数据分析了设备时延补偿值的稳定性,发现在2004年采用新的Mark4格式器和2010年采用Mark5格式器时存在跳变[13],表明不同格式器的设备时延是不同的。

    上海佘山VLBI站(8字符代码Seshan25,2字符代码Sh)是全球测地参考框架的核心站[13],2011年开始,佘山站还参加了IVS组织的部分INT观测,用于准实时$ ∆\mathrm{U}\mathrm{T}1 $测量。2015年开始,中国科学院上海天文台VLBI相关处理机(上海处理机SHAO)开始承担IVS相关处理任务,每年处理20~30次测地VLBI观测数据,佘山站也参与了部分观测实验。本文将系统性地分析不同相关处理机对佘山站的钟差补偿精度,为进一步提高VLBI测量精度提供参考依据。

    • 测地VLBI的基本原理是通过高精度的时延测量,反演台站坐标、射电源位置和地球定向参数等重要的天体测量与测地参数。VLBI测量系统示意图如图 1所示。

      图  1  VLBI测量系统示意图

      Figure 1.  Diagram of VLBI Measurement System

      VLBI时延观测量$ {\tau }_{21} $的定义如下:

      $$ {\tau }_{21}={t}_{2}-{t}_{1} $$ (1)

      式中,$ {t}_{1} $为信号到达参考台站A的时间;$ {t}_{2} $为信号到达台站B的时间;以$ {t}_{1} $作为参考历元,观测量$ {\tau }_{21} $为信号到达台站B相对于台站A的时延。

      VLBI台站原始观测数据的时间标签是由格式器钟标注的,但在VLBI时延模型中,是以信号达到天线参考点的时间为参考基准,需要将VLBI数据的时间标签从信号到达格式器的时间修正为信号达到天线参考点的时间。相关处理机通过钟差补偿方法来获得精确的参考历元,钟差包括了格式器相对于全球定位系统(global positioning system,GPS)时间的钟差(以下称格式器钟差)和设备时延。

    • 图 1中可以看出,格式器钟是由氢原子钟产生的秒脉冲(脉冲数/秒)信号维持的,虽然氢原子钟本身具有非常高的稳定性,但格式器钟差仍然可能达到100$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $,甚至更大。格式器钟差可以由计数器通过比较格式器和GPS接收机输出的秒脉冲信号进行测量而获得。

      格式器钟差主要由以下原因造成:台站氢原子钟时间相对于UTC的钟差、从氢原子钟到格式器的电缆时延和格式器的内部时延等[12]。格式器钟差是可测量的,因而,可以在相关处理过程中进行补偿,补偿精度由GPS授时精度决定,通常小于50 ns。

    • VLBI测站的主要设备包括天线、接收机、数据采集终端和格式器等,信号从天线到达格式器的传输过程中,经过这些设备会产生设备时延。本文关注的设备时延主要指信号到达格式器的时间相对于信号到达天线参考点的时间延迟,主要包括无线电信号在天线系统传播产生的时延、接收机内产生的时延、信号在中频电缆传输产生的时延和数据采集终端产生的时延等。这些设备的任何变动都可能引起台站设备时延的改变,特别是数字化终端会存在较大的设备时延,设备时延在一次24 h测地观测中通常是稳定的。

      设备时延通常无法直接测量,需要通过VLBI观测数据的相关处理来获得台站之间的相对设备时延。如前所述,美国海军天文台作为实现国际原子时的主要单位之一,将其下属的夏威夷Kokee站作为时间参考基准[14],定义1990年代采用VLBA格式器的Kokee站的设备时延补偿值为0,从而推算出国际上其他VLBI台站的设备时延。

    • 考虑到台站的设备时延因为设备的变动会发生改变,IVS相关处理机,包括华盛顿相关处理机和波恩相关处理机,需要不断监测台站因为设备改变而引起的设备时延跳动,从而维持VLBI时延观测量参考历元的长期一致性。

      IVS相关处理报告中的钟差补偿信息包含格式器钟差和相关处理机使用的钟差补偿值。对于某个指定的台站,假如相关处理机采用的钟差补偿值为$ {\tau }_{\mathrm{处}\mathrm{理}\mathrm{机}} $,格式器钟差为$ {\tau }_{\mathrm{格}\mathrm{式}\mathrm{器}} $,则设备时延补偿值可表示为:

      $$ ∆\tau ={\tau }_{\mathrm{处}\mathrm{理}\mathrm{机}}-{\tau }_{\mathrm{格}\mathrm{式}\mathrm{器}} $$ (2)

      为了获得准确的钟差补偿值,在相关处理前,先需要利用观测期间起始时间段、中间时间段和结束时间段的几个强射电源观测片段(scan)的数据进行钟差搜索,目的是通过人为调整钟差补偿值$ {\tau }_{\mathrm{处}\mathrm{理}\mathrm{机}} $,使得残余时延尽可能小;然后进行产品级相关处理,生成符合要求的VLBI时延观测量产品。

    • 用来进行钟差分析的数据文件有台站观测日志和相关处理报告2种文件。VLBI台站在进行观测时,会产生台站观测日志文件,文件中记录了每个scan的格式器钟差。每次IVS观测数据相关处理完成后,操作员会编写相关处理报告文件,里面含有各台站的格式器钟差、相关处理采用的钟差和钟速。这2种文件可在IVS数据中心下载[15]

      本文使用Python语言,从IVS数据中心爬取了从2002—2017年的所有相关处理报告文件和台站观测日志文件,选取了上海佘山站参加的观测,共252次。从这些文件中提取出观测时间、观测代码、格式器钟差、相关处理机名称、相关处理实际使用的钟差补偿值和终端类型等数据。

      上海佘山站自2002年开始的观测实验使用了传统的模拟终端,2015年开始的大部分观测实验使用了上海天文台研制的数字化数据采集系统(Chinese data acquisition system,CDAS)[16-17]。考虑到CDAS在不同宽带下存在大小不等的设备时延,本文从台站观测日志文件中提取台站使用的数据采集终端类型为CDAS终端或者模拟终端。台站的抽取因子和带宽作为区分终端类型的依据,抽取因子是采样时钟频率与采样率的比值,采样时钟频率固定为64 MHz,采样率是带宽的2倍。CDAS终端的抽取因子与带宽的乘积结果为32,其他的则为模拟终端。2002—2017年,佘山站总共参与观测252次,其中,本文使用的观测数据中,使用CDAS终端参与观测38次,模拟终端190次。CDAS终端和模拟终端使用的抽取因子(无量纲的参数)和带宽如表 1所示。

      表 1  CDAS终端和模拟终端的抽取因子和带宽

      Table 1.  Decimation Factor and Bandwidth of CDAS Terminal and Analog Terminal

      抽取因子 CDAS终端带宽/MHz 模拟终端带宽/MHz
      8 4 2
      4 8 4
      2 16 8
      1 32 16
    • 长期以来,相关处理机生成的报告文件格式并不完全统一,甚至缺少部分关键钟差信息,本文需要剔除4种含有异常数据的观测:(1)含有钟跳的数据,钟跳太大会影响分析结果的正确性;(2)虽然列入了年度观测计划,但佘山站没有实际参与观测;(3)相关处理报告中,没有列出相关处理机使用的钟差补偿值的观测,因为无法计算其相应的设备时延;(4)相关处理报告中没有佘山站的格式器钟差,也找不到相应的台站观测日志文件。从252次观测中共剔除24次观测:类型1的观测1次;类型2的观测7次;类型3的观测5次;类型4的观测11次。

    • 相关处理报告中给出了钟差补偿值,但格式器钟差没有提供或者为0,本文将此类型的值作为缺失值处理。处理方法是:获取IVS网站上本次台站观测日志文件,采用线性拟合方法从文件中提取格式器钟差,经与IVS相关处理机采用的钟差提取程序比较,计算结果一致。

      R1799是2017年7月11日UT 16时开始的24 h观测,以此实验中的佘山站为例,相关处理报告中的佘山站格式器钟差为0$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $,而钟差补偿值为99.17$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $,说明佘山站的格式器钟差需要重新提取。利用此次观测实验中佘山站的台站观测日志文件,对格式器钟差进行了线性拟合,佘山站格式器钟差的实测数据和拟合直线如图 2所示。

      图  2  R1799格式器钟差随时间的变化

      Figure 2.  Change of Formatter Clock Offset with Time in R1799 Observation

      图 2中,参考历元2017年7月11日UT 16时的格式器钟差估计值为89.58$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $,拟合残差为12 ns,小于本文讨论的设备时延误差,可忽略不计。

      经过异常值和缺失值处理,本文得到228条可使用数据,包括观测时间、观测代码、台站名称、处理机名称、格式器钟差、相关处理机钟差补偿值、设备时延和终端类型。从中选取华盛顿处理机、波恩处理机和上海相关处理机处理的208次观测进行钟差补偿精度分析。

    • 基于上海佘山站2002—2017年共208次观测实验的钟差信息,波恩、华盛顿和上海处理机采用的设备时延补偿值如图 3所示。

      图  3  2002—2017年IVS相关处理的设备时延补偿值

      Figure 3.  Instrumental Delay Compensation Values Used in IVS Data Correlation from 2002 to 2017

      图 3中,黄色表示观测采用的模拟终端,蓝色表示观测采用的CDAS终端。可以看出,图 3(a)波恩处理机的处理次数最多,因为佘山站参加的IVS-R1实验和INT观测实验较多,均由波恩处理机处理。佘山站参加的其他IVS观测主要由华盛顿处理机进行相关处理,相对次数较少,如图 3(b)所示。2015年开始,原由华盛顿处理机处理的数据改由上海相关处理机处理,如图 3(c)所示。

      图 3中还可以看出,佘山站使用模拟终端时设备时延较小,数据分布比较均匀,绝大多数数据点分布在±1$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $以内,但也有一些较大的值,拟合后大于3$ \sigma $的数据点如表 2所示。

      表 2  设备时延补偿值大于3$ \mathit{\sigma } $的数据

      Table 2.  Outlier Data Which Instrumental Delay Compensation Values Greater than 3$ \sigma $

      观测年份 观测代码 设备时延补偿值/μs
      2002 T2004 2.23
      2004 T2029 -3.27
      2016 R1740 2.16
      2016 R1746 -2.20

      表 2中的4次观测数据由波恩处理机进行相关处理,可能是操作时选择的参考站数据质量较差,从而导致佘山站出现了较大的设备时延偏差。在使用CDAS终端时,设备时延明显增大,且不同的观测带宽设备时延不同。针对佘山站采用模拟终端参与的观测,表 3给出了设备时延补偿值的平均值和标准偏差,计算时已剔除了表 2中数据。

      表 3  模拟终端的设备时延补偿值统计

      Table 3.  Statistics on the Instrumental Delay Compensation Values Using the Analog Terminal

      相关处理机 处理次数 平均值/μs 标准偏差/μs
      波恩 132 -0.07 0.64
      华盛顿 37 -0.23 0.41
      上海 6 -0.38 0.59

      表 3可以看出,3个处理机采用的佘山站设备时延补偿值存在微小的系统性偏离:上海处理机与波恩处理机相差0.31$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $;上海处理机与华盛顿处理机相差0.15$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $;华盛顿处理机和波恩处理机相差0.16$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $。总体上,华盛顿处理机采用的时延补偿值的标准偏差最小,有更高的长期稳定性。针对佘山站采用CDAS终端参与的观测,表 4给出了设备时延补偿值的平均值和标准偏差。

      表 4  CDAS终端的设备时延补偿值统计

      Table 4.  Statistics on the Instrumental Delay Compensation Values Using the CDAS Terminal

      处理机 带宽/MHz 处理次数 平均值/μs 标准偏差/μs
      波恩 4 3 19.36 1.01
      8 17 9.88 0.25
      16 0
      上海 4 1 17.63
      8 3 7.89 0.11
      16 5 3.04 0.40

      表 4中,波恩处理机处理的次数最多,华盛顿处理机没有处理佘山站CDAS数据。在佘山站使用CDAS终端4 MHz和8 MHz带宽情况下,波恩处理机和上海处理机设置的设备时延补偿值分别相差1.7$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $和2.0$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $。基于上述结果,有必要改进钟差搜索方法,提高钟差补偿精度,特别是CDAS终端的设备时延补偿精度。

    • VLBI时延观测量的参考历元精度取决于参考站的钟差补偿精度。钟差包括格式器钟差和设备时延,格式器钟差可由GPS接收机精确测量,而设备时延的直接测量非常困难,仅由VLBI相关处理机通过钟差搜索进行时延补偿。为了维持∆UT1的长期一致性,在VLBI相关处理过程中,需要保证VLBI台站钟差补偿值的准确性。

      对于佘山站模拟终端,华盛顿处理机、波恩处理机和上海处理机采用的设备时延补偿值符合较好,设备时延补偿值的最大系统性偏离约0.3$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $,并保持了长期的稳定性。对于佘山站CDAS终端,上海处理机和波恩处理机采用的设备时延补偿值存在较大的系统性偏离,特别是在8 MHz带宽观测实验中达到了2.0$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $。上述结果为上海相关处理机进一步改进钟差搜索方法,提高钟差补偿精度,特别是CDAS终端的设备时延补偿精度提供了及时而有益的参考依据。

      本文仅对佘山站的钟差补偿精度进行了分析,后续将用同样的方法对更多的IVS台站的钟差补偿精度进行分析,筛选出设备时延具有长期稳定性的台站,并以具有长期稳定性的多个台站为参考基准进行钟差补偿,从而提高钟差补偿的准确性。新一代测地VLBI系统VGOS的时延测量精度比现有系统提高1个量级左右,要求时延观测量的参考历元误差小于0.1$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $,这对相关处理机的钟差搜索和钟差补偿方法提出了新的挑战。

参考文献 (17)

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