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.

Das Projekt VGOS Squared hat in mehreren Aspekten zur Verbesserung der geodätischen Vermessung der Erde mit Quasaren beigetragen. Signale von Quasaren, das sind extragalaktische Radioquellen Milliarden von Lichtjahre entfernt, werden mit Radioteleskopen an der Erdoberfläche beobachtet, um die Orientierung der Erde im Weltraum sowie die Positionen der Teleskope auf der Erde und die Richtungen zu den Quasaren am Himmel extrem präzise zu bestimmen. Diese Resultate sind unerlässlich für jede Art von Positionierung auf der Erde und im Weltraum sowie für Studien zum System Erde, wie etwa die Beobachtung des Meeresspiegelanstiegs. Das Verfahren heißt Very Long Baseline Interferometry (VLBI) und wird seit mehr als 40 Jahren in der Geodäsie angewendet. Im letzten Jahrzehnt wurde der Übergang vom bisherigen Legacy-System zum sogenannten VLBI Global Observing System (VGOS) mit kleineren und daher schnelleren Radioteleskopen in Angriff genommen. Damit können in kürzerer Zeit mehr Quellen beobachtet werden, allerdings muss eine größere Bandbreite zwischen 2 und 14 GHz betrachtet und aufgezeichnet werden. Um das volle Potential von VGOS für verbesserte Genauigkeiten auszuschöpfen, ist noch eine Reihe von Forschungsarbeiten in verschiedenen Bereichen notwendig. Im Projekt VGOS Squared beschäftigten wir uns mit dem verbesserten Scheduling und mit der Ableitung der neuen VGOS Observablen, welche über Kreuzkorrelation der empfangenen Signale an zwei oder mehreren Radioteleskopen bestimmt werden. VLBI Scheduling bezeichnet das Erstellen der Beobachtungspläne, also von Tabellen, wann welche Radioteleskope welche Quellen beobachten sollen, damit die geodätischen Parameter bestmöglich bestimmt werden. Wir entwickelten neue Strategien und Optimierungskriterien und haben all diese Ideen in ein neues Softwarepaket für das Erstellen von Beobachtungsplänen implementiert. Die Verwendung dieses Pakets ist heute international weit verbreitet für Legacy und VGOS Sessions sowie für spezielle Sessions, welche gezielt Forschungsfragen adressieren. Eine andere Herausforderung bei VGOS ist die unterschiedliche Verteilung der Frequenzbänder und die lineare Polarisierung, welche an den Antennen aufgezeichnet wird. Diese Änderungen wirken sich auch auf die Bestimmung der VLBI Observablen im sogenannten Korrelationsprozess aus. Wir haben die notwendigen Routinen für VGOS auf dem Vienna Scientific Cluster 4 aufgesetzt und damit erfolgreich eine lange Zeitreihe an VGOS Sessions korreliert. Außerdem haben wir die Installation genutzt, um Algorithmen und Strategien in aktuellen Forschungsarbeiten weiterzuentwickeln. Des Weiteren wurde im Projekt VGOS Squared ein VLBI Rohdatensimulator entwickelt, der eine sehr wichtige Rolle beim Testen neuer Konzepte und Realisierungen spielt. Mit diesem einzigartigen Werkzeug können neuartige Ansätze geprüft werden, ohne aufwendige Messungen mit den Radioteleskopen durchzuführen. Zusammenfassend kann man feststellen, dass das Projekt VGOS Squared, eingebettet in internationale Zusammenarbeit, signifikant zur Weiterentwicklung des VLBI Global Observing System beigetragen hat.