通过结合类星体、卫星和空间观测数据的三级集成VLBI技术，改进大地测量参数的估计

《Advances in Space Research》：Enhanced geodetic parameter estimation through three-level integrated VLBI combining quasar, satellite, and space observations

传统VLBI因依赖地面观测射电源而难以全面获取大地测量参数。本研究提出三级整合VLBI观测模式，结合射电星系、卫星和空间VLBI，通过蒙特卡洛模拟验证其可行性。实验使用GALILEO、BDS、GPS和ETALON卫星构建空间观测段，发现空间VLBI可将地站坐标重复性提升10%，地球自转参数ERP精度达23.2μas（xp）、20.4μas（yp）、1.5μs（dUT1）。该模式通过多源观测增强几何配置，有效弥补卫星VLBI观测弧长不足问题，为ITRF框架提供更精确的空间大地测量基准。

　　

韩刘|邹贤才|李建成

中国武汉大学大地测量与地理信息学院

摘要

传统的超长基线干涉测量（VLBI）由于仅依赖于对河外射电源的地面观测，在提供全面的大地测量产品方面存在局限性。本研究探讨了一种新型的三级集成VLBI观测模式的可行性和优势，该模式结合了类星体、卫星和空间VLBI观测，以改进大地测量参数的估计。

我们使用GALILEO、BDS、GPS卫星以及ETALON-1/-2卫星作为中地球轨道空间段平台，进行了蒙特卡洛模拟，将空间和卫星VLBI观测与现有的连续大地测量VLBI观测计划（CONT17）相结合。我们的分析重点评估了空间VLBI观测的质量和数量对推导出的大地测量参数（特别是站点位置和地球自转参数ERPs）的影响。结果表明，由于空间VLBI提供了更优越的几何配置，其在大地测量参考方面的表现可与卫星VLBI相媲美。将空间VLBI整合到类星体-卫星观测计划中，使得站点位置的质量提高了10%。假设空间VLBI观测的精度为300皮秒，并且每四次类星体扫描替换一次GALILEO卫星扫描，所获得的ERP精度分别为23.2微角秒（xp）、20.4微角秒（yp）和1.5微秒（dUT1）。空间VLBI观测可以通过提供额外的时空信息和更广泛的天空覆盖范围，提高卫星轨道平面在天球参考框架中的定位精度。这些观测还有助于弥补卫星VLBI跟踪的有限弧长问题，特别是在卫星轨道可见段较短的情况下，从而有助于更准确地重建轨道几何结构。这种集成方法在提高空间大地测量参考框架精度和建立不同大地测量技术之间更一致的空间联系方面展现出巨大潜力。

引言

大地测量超长基线干涉测量（GVLBI）是构成国际地球参考框架（ITRF）的四种基本空间大地测量技术之一（Hellmers等人，2021年）。VLBI独特地提供了与国际天球参考框架（ICRF）的直接联系（Charlot等人，2020年），同时也是唯一能够确定完整地球定向参数（EOPs）的技术，包括章动和dUT1分量。传统的GVLBI通过测量来自河外源（类星体和射电星系）的无线电信号在地面望远镜对之间的到达时间差来进行观测，利用这些平行无线电波在长基线上的时间差作为基本观测量。然而，传统的GVLBI存在显著局限性。它仅依赖于对天体射电源的地面观测，这限制了其提供全面地球动力学产品（如地球重力场变化和地心运动）的能力。此外，VLBI站点在全球的分布不均，尤其是在南半球，造成了影响参数估计精度的几何约束。

空间VLBI（SVLBI）通过建立由空间和地面射电天线组成的网络，克服了这些局限性，形成了有效直径超过2.5个地球直径的等效望远镜。快速移动的地球轨道卫星的整合延长了基线长度，增加了南半球的观测覆盖范围，并提升了空间大地测量观测能力。在第一代空间VLBI任务（如VSOP和RadioAstron）的基础上，中国的嫦娥七号任务的鹊桥二号中继卫星配备了4.2米X波段抛物面望远镜，为首次近月空间VLBI实验提供了前所未有的40万公里的空间-地面基线（Duan等人，2024年；Hong等人，2020年）。SVLBI技术使得三个关键参考系统能够直接对齐：（1）包含河外射电源的ICRF；（2）由卫星轨道运动方程定义的动态参考系统；以及（3）锚定地面站位置的ITRF。与其他空间大地测量技术（如卫星激光测距（SLR）、多普勒轨道测量和卫星集成无线电定位（DORIS）以及全球导航卫星系统（GNSS）不同，SVLBI能够同时推导出卫星轨道、地面站坐标和EOPs，并实现了超出地面基线限制的角度分辨率。

VLBI跟踪的整合（McCallum等人，2016年；Sun等人，2018年）与全球大地测量观测系统（GGOS）的目标一致，旨在实现TRF、CRF和EOP确定的统一解决方案（Plag等人，2009年）。这种方法旨在缓解目前限制ITRF精度在毫米级别的局部联系差异问题（Altamimi等人，2023年）。通过卫星共位实现的空间联系，可以建立由河外射电源定义的参考框架与通过互补空间大地测量技术确定的位置之间的直接连接。三级集成VLBI观测模式代表了一个创新概念，未来的卫星任务将VLBI发射器（VT）和接收器（VR）放置在一起。这种配置通过提供与其他空间大地测量仪器的额外VLBI基础空间联系，增强了VLBI的观测能力，同时提高了角度和时空分辨率。作为卫星VLBI跟踪的补充，空间VLBI有望克服现有局限性并增强空间联系（图1）。

先前的研究已经证明了使用地面VLBI跟踪地球轨道卫星的可行性（Haas等人，2014年；Wettzell-Onsala G130128实验；国际VLBI服务用于大地测量和天体测量等，2014年；Hellerschmied等人，2018年；Kodet等人，2014年；Tang等人，2020年），而模拟研究也探讨了卫星跟踪在大地测量VLBI模式中的潜在优势（Anderson等人，2018年；Klopotek等人，2020年；Liu等人，2019年；M?nnel等人，2016年；Plank等人，2017年）。最近的GENESIS卫星任务准备工作推进了空间段的优化和精确轨道确定（Delva等人，2023年）。尽管取得了进展，但结合类星体、卫星和空间VLBI观测的三级集成VLBI观测模式的全部潜力尚未得到充分探索。本研究旨在通过探讨这种集成方法的可行性和大地测量优势，为此领域做出贡献。

在本研究中，我们利用广泛的蒙特卡洛模拟，研究了三种集成VLBI观测的数量和质量对推导出的站点坐标、ERP和轨道元素的影响。以下部分解释了三级集成VLBI观测的概念，描述了模拟设计，并讨论了获得的结果。这些观测包括类星体以及ETALON卫星（ETALON-1和ETALON-2）和一组BDS、GPS和GALILEO卫星在连续24小时大地测量VLBI会话中的观测，用于推导出1天的解决方案。

部分摘录

三级VLBI观测模拟

为了估计从三种类型的集成VLBI观测中得到的大地测量参数的不确定性和系统偏差，我们进行了假设的VLBI实验的蒙特卡洛模拟，包括对卫星和空间VLBI天线的观测。我们的主要目的是评估空间VLBI作为卫星VLBI跟踪的补充技术在提高空间大地测量参考框架确定的空间时间特性方面的潜力。

三级集成VLBI观测统计

为所研究的VLBI网络设计了总共二十四个观测计划，涵盖了不同的集成策略（QS、QE和完整的QSE配置），各种卫星组（G、E、C和L），以及两种替换方案（R4和R8）。QS和QE策略是完整QSE集成方案的子集。

表4总结了使用不同卫星组合和替换策略设计的八个QSE观测计划。观测总数各不相同

总结与结论

通过全面的蒙特卡洛模拟，本研究成功证明了三级集成VLBI观测模式的可行性和优势。与传统方法相比，结合类星体、卫星和空间VLBI观测在观测层面显著提高了大地测量参数估计的质量。

主要发现包括：

1)

站点位置改进：空间VLBI观测的整合提高了站点坐标的重复性

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持[项目编号U23A2028、42192532、42388102、42192533]。作者衷心感谢这些公开可用的数据集对本研究的帮助。特别感谢编辑和三位匿名审稿人对手稿改进提供的宝贵意见。