Vienna Goes VLBI Global Observing System (VGOS Squared)

Die geodätische Very Long Baseline Interferometry (VLBI) verwendet global verteilte Radioteleskope für die Beobachtung von Quasaren in Entfernungen von Milliarden von Lichtjahren. Die primäre Beobachtungsgröße in der Geodäsie ist der Unterschied in den Ankunftszeiten der Signale an den Stationen, welche die Bestimmung der Vektoren zwischen den Teleskopen, der Positionen der Quasare sowie der Erdorientierungsparameter ermöglicht. Man bestimmt diese Größen, indem man die ankommende Strahlung aufzeichnet, mit Zeitmarken von Atomuhren versieht, und über Internetverbindungen an spezielle Hochleistungsrechner (Korrelatoren) sendet, wo die Daten korreliert werden. Mit diesen Möglichkeiten spielt die VLBI eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung des terrestrischen und himmelsfesten Referenzrahmens sowie der Erdorientierungsparameter. So ist die VLBI das einzige Verfahren zur Bestimmung der Universal Time (UT1), welche von fundamentaler Bedeutung für die Positionierung und Navigation mit Globalen Satellitennavigationsverfahren (GNSS) ist. Die VLBI spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Maßstabs des terrestrischen Referenzrahmens, welcher durch Positionen und Geschwindigkeiten von global verteilten Stationen realisiert ist. Die Stabilität des Maßstabs mit einer Genauigkeit von 0.1 mm/Jahr ist Voraussetzung für die Beobachtung von kleinen geodynamischen Phänomenen wie des Meeresspiegelanstiegs mit 3 mm/Jahr. In der geodätischen VLBI arbeitet man derzeit an einer Weiterentwicklung des Verfahrens, genannt VLBI Global Observing System (VGOS), das auf neuen schnelleren Radioteleskopen und einer größeren aufgezeichneten Bandbreite basiert und damit die Bestimmung von geodätischen und astrometrischen Parametern mit noch nie dagewesener Genauigkeit ermöglicht. Für uns an der TU Wien gibt es folgende Aufgaben, wo wir nicht nur beitragen, sondern die VLBI und im Speziellen VGOS entscheidend voranbringen können. Es gibt großes Potential bei der Verbesserung der Schedules. Diese Beobachtungspläne legen fest, wann welche Radioteleskope welche Quasare beobachten sollen. Im Speziellen wollen wir vorausschauende "tree-based" Schedules mit der Graphentheorie untersuchen, sowie innovative Funktionen zur Beschreibung der Himmelsabdeckung an den Stationen anwenden. Außerdem stellt die Korrelation einen Engpass dar, im Besonderen mit den dramatisch gestiegenen Anforderungen im Bereich der Bandbreite, der Prozessorkerne sowie des Speicherplatzes bei VGOS. Wir werden für die Weiterentwicklung der Korrelation spezielle Speicher und Kerne am Vienna Scientific Cluster (VSC) verwenden, einem Zusammenschluss von österreichischen Universitäten zur Bereitstellung von Supercomputer Ressourcen. Ziel dabei ist die weitgehende Automatisierung von der Korrelation bis zur Bestimmung der geodätischen Parameter. Außerdem sollenunsere Aktivitäten als Vorbildfür andereUniversitätenund Forschungseinrichtungen dienen.

Project VGOS Squared dealt with the improvement of geodetic measurements of the Earth with quasars. Emissions from quasars, which are extragalactic radio sources billions of light years away, are observed with radio telescopes on the Earth surface to precisely determine the orientation of the Earth in space as well as the positions of the telescopes on Earth and the directions to the quasars on the sky. These results are indispensable for any kind of positioning and navigation on Earth and in space and for studies of the Earth system, for example, the observation of sea level rise. The technique is called Very Long Baseline Interferometry (VLBI) and it has been used for more than forty years in geodesy. In the last decade, the transition has been made from the legacy system to the so-called VLBI Global Observing System (VGOS) with smaller and thus faster radio telescopes observing more sources in shorter time intervals necessitating broader observation bandwidths between 2 and 14 GHz. In order to exploit the full potential of VGOS for improved accuracy in the geodetic measurements, research is necessary in various aspects. In project VGOS Squared, we focused on improved scheduling as well as on the derivation of the new VLBI observables, which are determined by cross-correlating the received signals at two or more radio telescopes. VLBI scheduling refers to the generation of observation plans, specifying which radio telescopes observe which quasars at which time in order to derive the best possible geodetic parameters. We developed new scheduling strategies and optimization criteria and implemented all these ideas in a new scheduling software package, which is now widely used for the scheduling of VGOS and legacy VLBI sessions as well as research and development sessions. Another complication with VGOS is the different coverage of frequencies and linear polarizations received at the antennas, having an impact on the determination of the VLBI observables in the so-called correlation process. We set up the correlation routines on the Vienna Scientific Cluster 4 and successfully processed a series of VGOS sessions. We used this implementation to advance the algorithms and strategies, which are still under development. Moreover, a VLBI raw data simulator was developed playing an important role in the development of new concepts and realizations of VLBI applications. With this unique tool, new setups can be tested in simulation without actually carrying out the expensive observations. In summary, project VGOS Squared, in international cooperation, has contributed significantly to the further development of the VLBI Global Observing System.