VLBI測站時頻自動切換系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)*

王玲玲

(中國科學(xué)院上海天文臺，上?！?00030)

CN 53-1189/PISSN 1672-7673

VLBI測站時頻自動切換系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)*

王玲玲

(中國科學(xué)院上海天文臺，上海200030)

時頻系統(tǒng)作為VLBI測站的主要設(shè)備之一，為測站提供穩(wěn)定可靠的頻率時間標(biāo)準(zhǔn)，其信號的好壞直接影響數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。時頻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是氫原子鐘，在工程應(yīng)用中測站配備兩臺以上的氫原子鐘以確保任務(wù)完成，但是由于有多路信號需要切換，且長時間切換會造成信號的中斷，需要更換數(shù)據(jù)處理模型，嚴(yán)重的會引起數(shù)小時的數(shù)據(jù)丟失，因此如何做到快速高效地切換是值得研究的課題。提供一種經(jīng)濟有效的自動切換方法的研究和實現(xiàn)方式。

VLBI；時頻系統(tǒng)；自動切換；鐘差；相位

甚長基線干涉測量技術(shù)(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)是20世紀(jì)60年代興起的超高分辨率、超高測量精度射電干涉新技術(shù)。該技術(shù)具有觀測不受時間和天氣的影響、精度高、抗干擾等優(yōu)點。目前，甚長基線干涉測量技術(shù)已能獲得10-9的甚長基線的相對精度和亞毫角秒級的超高空間分辨率，在天體測量、天體物理、地球動力學(xué)和航天器軌道測量等諸多領(lǐng)域有重要科學(xué)意義和實用價值[1]。其基本原理為：VLBI觀測站同時跟蹤觀測同一目標(biāo)(天然的射電天體或有無線電信標(biāo)的人造天體)，各觀測站將觀測數(shù)據(jù)實時傳送或記錄在磁盤上運送到VLBI數(shù)據(jù)處理中心，然后進行數(shù)據(jù)回放和互相關(guān)計算，再利用得到的互相關(guān)譜數(shù)據(jù)，計算得到信號到達各觀測站的時間差(時延觀測值，約幾ps)及其變化率(時延率觀測值)，最后利用這些觀測值計算目標(biāo)的角位置(赤經(jīng)和赤緯)。

甚長基線干涉測量技術(shù)的實現(xiàn)，要求有高精度的頻率標(biāo)準(zhǔn)。原因有兩點，(1)各站需要穩(wěn)定的頻率標(biāo)準(zhǔn)；(2)信號數(shù)字化與相關(guān)處理同步化。從甚長基線干涉測量技術(shù)的基本原理考慮，可以理解精確頻率標(biāo)準(zhǔn)的重要性。信號是深空源的噪聲射電輻射，兩個天線相距遙遠，甚至在地球的兩端，它們需要記錄同一波前到達的時刻，因而兩臺鐘必須嚴(yán)格同步，否則，任何形式的鐘差都將影響測量精度。也就是說，VLBI觀測要求數(shù)個觀測站或數(shù)十個觀測站同時觀測，觀測相同的目標(biāo)，觀測相同的頻段；并且由于各個觀測站使用獨立本振源，觀測信號必須具有相干性，因此，必須由氫原子鐘提供高精度的基準(zhǔn)頻率。例如，觀測10 GHz信號，要求1 000 s內(nèi)的信號的一致性為～10°時，要求2個觀測站的2臺鐘的相對穩(wěn)定度必須達到2.8×10-15@1 000 s。

VLBI觀測站的主要設(shè)備包括：天線、接收機、終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氫原子鐘和時間比對系統(tǒng)(簡稱時頻系統(tǒng))4部分。其中時頻系統(tǒng)為測站提供穩(wěn)定可靠的時間標(biāo)準(zhǔn)，其信號的好壞直接影響數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。我國VLBI網(wǎng)在建立之初就是以實時VLBI為目標(biāo)，數(shù)據(jù)的實時處理無疑增加了對測站設(shè)備穩(wěn)定性的高要求，同時也增加了對于故障產(chǎn)生后即時處理的要求。

對于時頻系統(tǒng)來講，氫原子鐘一旦出現(xiàn)嚴(yán)重故障，對數(shù)據(jù)的破壞是致命的，因此，鑒于工程的可靠性，各測站都配備了兩臺氫原子鐘互為備份，以保障觀測任務(wù)的萬無一失，只是對于故障出現(xiàn)后的備份切換并沒有實現(xiàn)自動化，切換時一方面需人工干預(yù)各設(shè)備之間的多路接線，另外由于切換時間較長需重新更換數(shù)據(jù)處理模型，嚴(yán)重的會導(dǎo)致數(shù)小時的數(shù)據(jù)丟失。為了更方便有效地實現(xiàn)切換，減少數(shù)據(jù)丟失，本文對時頻系統(tǒng)的自動切換方法進行了研究并初步實現(xiàn)，建成了VLBI測站的時頻自動切換系統(tǒng)，該系統(tǒng)在嫦娥三號任務(wù)及任務(wù)前演練中對于氫原子鐘突發(fā)故障引起的時頻信號切換起到了關(guān)鍵作用，數(shù)據(jù)處理基本未受影響。

1　系統(tǒng)設(shè)計

作為時頻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，氫原子鐘的標(biāo)準(zhǔn)頻率要提供給接收機的本振和記錄終端使用，同時還要提供測站的時間系統(tǒng)，通過與全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)進行時間比對，保持不同臺站之間的時間同步。臺站需要提供的鐘差和鐘速(相對于全球定位系統(tǒng))給數(shù)據(jù)相關(guān)處理中心，以便對VLBI臺站的觀測數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理。

鐘差的記錄方式是使用計數(shù)器，以原子鐘的秒信號為開門，全球定位系統(tǒng)的秒信號為關(guān)門，獲取兩個秒信號的時間間隔差值，即鐘差。將此鐘差通過最小二乘法線性擬合，求其直線斜率，可得出鐘速值。數(shù)據(jù)相關(guān)處理中心需要鐘差和鐘速使來自不同臺站的信號進行相關(guān)，且希望這兩個值保持變化在可控范圍內(nèi)。這便是本系統(tǒng)設(shè)計的原理，即盡量保持兩鐘鐘速一致，且鐘差值盡量不變。

原有的系統(tǒng)因為設(shè)計的原因，在準(zhǔn)實時的觀測中，如果需要更換氫原子鐘，則需要更換若干設(shè)備的輸入頻率源，這些操作需要一定的時間，且由于時間系統(tǒng)更換頻率源，將使臺站的時間系統(tǒng)發(fā)生大的跳變，從而需要調(diào)整臺站鐘的時刻提供與全球定位系統(tǒng)新的比對結(jié)果，數(shù)據(jù)相關(guān)處理中心需要修改相關(guān)處理模型，在實時任務(wù)期間還需要改變數(shù)據(jù)校正的模型等。所有這些動作需要各部門操作人員通力協(xié)作，且花費較長的時間。

以佘山站為例，原有時頻系統(tǒng)框圖如圖1，如果需要切換，則會引起毫秒量級的鐘差，致使相關(guān)處理無法用同一鐘差模型進行。在探月和深空探測關(guān)鍵段，萬一氫鐘有問題，將使數(shù)小時的觀測失敗。

圖1佘山時頻系統(tǒng)框圖(原)

Fig.1A block diagram of the old time frequency system at Sheshan

頻標(biāo)切換的關(guān)鍵是要保持切換前后信號相位的穩(wěn)定，需要切換器有超低相噪和高隔離度，而若4種共8路信號同時切換，則指標(biāo)會大大降低，為了解決這個問題，最終決定以每一臺氫鐘的主輸出作為切換標(biāo)準(zhǔn)，整體實現(xiàn)氫鐘切換，之后再增加信號產(chǎn)生設(shè)備，即如圖2，氫原子鐘各輸出一路5 MHz信號到切換器，切換器輸出多路5 MHz，其中一路輸出給倍頻器再產(chǎn)生10 MHz和100 MHz信號，另一路輸出給分頻鐘產(chǎn)生1PPS秒脈沖信號。

系統(tǒng)切換的依據(jù)是氫原子鐘的穩(wěn)定性，若主用原子鐘的鐘速超出正常范圍，則認(rèn)為其異常，需要切換。

圖2佘山站時頻切換系統(tǒng)框圖

Fig.2A block diagram of the time frequency system with auto-switching clocks at Sheshan

本方案可兼顧臺站終端既要使用5 MHz信號，又要使用10 MHz及100 MHz信號的實際需求。根據(jù)本方案在兩個氫鐘間切換，可使輸出5 MHz信號相位保持在1 μs以內(nèi)不變(1 ns～200 ns)，輸出秒脈沖信號相位不變。

在Delta DOR(Delta-Differential One-Way Ranging)觀測中，校正用的射電源與衛(wèi)星信號交替觀測[2-3]，交替時間約5 min，因此在觀測過程中如果更換氫鐘，最多僅對5 min的數(shù)據(jù)有影響，之后由于利用射電源的觀測結(jié)果對衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行校正，時頻系統(tǒng)的更換不再影響數(shù)據(jù)處理中心的輸出結(jié)果。

1.1主要設(shè)備基本原理及主要指標(biāo)

1.1.1切換器

切換器是高性能頻率分配放大器，提供超低相噪和極高隔離度，主要技術(shù)指標(biāo)如表1。切換器內(nèi)含兩個模塊，每個模塊1路輸入5路輸出，輸入可自動切換，第1路輸入信號失效，系統(tǒng)自動切換到第2路，切換時間小于1 μs。若需要，切換也可設(shè)置為手動切換而非自動切換，并可設(shè)置為遠程控制或本地控制。

1.1.2倍頻器

倍頻器采用最先進的晶體頻率源而不影響相噪和穩(wěn)定度，輸入5 MHz信號，輸出10 MHz和100 MHz信號，低相噪低雜散，主要技術(shù)指標(biāo)如表2。

1.1.3分頻鐘

分頻鐘將輸入的5 MHz信號分頻成1PPS信號，其初始相位可通過全球定位系統(tǒng)的1PPS信號進行同步標(biāo)定，另外利用移相功能可輸出精確的1PPS信號。內(nèi)部自帶晶振，在切換的短暫瞬間也可保持輸出1PPS信號相位穩(wěn)定。主要技術(shù)指標(biāo)如表3。

表1　切換器主要技術(shù)指標(biāo)

表2　倍頻器主要技術(shù)指標(biāo)

表3　分頻鐘主要技術(shù)指標(biāo)

2　實　驗

為驗證系統(tǒng)可行性，進行了多次實驗，并在實際聯(lián)測中進行了一次實戰(zhàn)檢驗。

2.1三臺站聯(lián)測

在2013年8月15日的VLBI 3臺站聯(lián)測f3815a中進行了氫鐘切換試驗，模式為佘山站切換器切換，其它站不變。不對終端設(shè)備等進行重啟或重新同步。觀測對象為射電源，時間從當(dāng)天8∶17∶00開始，佘山工作鐘為H1，8∶30∶00切換為H2，8∶45∶00切換回H1，>兩鐘鐘速分別為0.785E-12和-1.451E-12，如表4。

表4　主備氫鐘鐘差及鐘速情況

數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3、4。由圖4可知，A部分時延率平均值為0.480 5 ps/s；B部分時延率平均值為2.404 1 ps/s；C部分時延率平均值為0.385 5 ps/s。而鐘H1鐘速為0.785E-12，鐘H2鐘速為-1.451E-12。兩鐘鐘速差為2.2 ps/s，與實驗結(jié)果保持一致。

圖3f3815a佘山-烏魯木齊基線數(shù)據(jù)時延 (對應(yīng)鐘差)變化

Fig.3The time delays (corresponding to the clock offsets) for the Sheshan-Urmuqi baseline in the f3815a measurement 圖4f3815a佘山-烏魯木齊基線數(shù)據(jù)時延率 (對應(yīng)鐘速)變化

Fig.4The time-delay rates (corresponding to the clock rates) for the Sheshan-Urmuqi baseline in the f3815a measurement

2.2四臺站聯(lián)測

在2013年9月25日進行的VLBI 4臺站聯(lián)合射電源觀測t3925a中進行了氫鐘切換實驗，實驗中每隔幾分鐘進行一次工作鐘切換，期間用計數(shù)器監(jiān)視終端系統(tǒng)輸出秒信號與氫鐘輸出秒信號之間的鐘差值，切換進行了共計6次，如圖5、6。其中兩次發(fā)生了顯著變化(達200 ns)，4次無顯著變化。

圖6中左側(cè)表示各條基線上的時延(對應(yīng)鐘差)，后側(cè)為時延率(對應(yīng)鐘速)，可以明顯看出上海有關(guān)基線在氫鐘切換后的相應(yīng)時間段，不管是鐘差還是鐘速都發(fā)生了明顯的變化。

2.3實時觀測演練

在2013年11月21日的CE-3實時觀測演練t3b21a中，觀測對象為射電源和geo-3衛(wèi)星。密云站主用鐘86#故障，緊急切換到備用鐘31#，整個切換過程快速且平穩(wěn)，觀測、數(shù)據(jù)處理順利。圖7是數(shù)據(jù)處理情況。

圖5t3925a中氫鐘切換后鐘差變化

Fig.5The clock offsets before and after the clock switch in the t3925a measurement

圖6t3925a中氫鐘切換后數(shù)據(jù)后處理結(jié)果

Fig.6The processing results from the data after the clock switch in the t3925a measurement

圖7(a) t3b21a觀測中密云站氫鐘切換后數(shù)據(jù)處理情況(切換前后數(shù)據(jù)); (b) t3b21a觀測中密云站氫鐘切換后數(shù)據(jù)處理情況(所有數(shù)據(jù))

Fig.7(a) The processing results from the data just before and after the clock switch at the Miyun station in the t3b21a measurement. (b) The processing results from all the data after the clock switch at the Miyun station in the t3b21a measurement

圖7中左邊為射電源數(shù)據(jù)的時延和時延率(對應(yīng)鐘差和鐘速)，右邊為衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時延和時延率，上面3行為密云站相關(guān)基線(BJ-KM， BJ-UR， BJ-TM)，橫坐標(biāo)為UT時間，由圖可知在切換發(fā)生的UT 3～3.5時之間，密云站相關(guān)基線的數(shù)據(jù)都有明顯的跳變，但通過之后的射電源數(shù)據(jù)進行修正，衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理正常，未受影響。

3　結(jié)論與展望

本系統(tǒng)的實現(xiàn)，使得切換動作可以在瞬間完成，之后可利用同一鐘差模型連續(xù)處理VLBI數(shù)據(jù)，最差情況時丟失約5 min數(shù)據(jù)，這對于捕獲、交會對接等關(guān)鍵弧段的VLBI測定軌有重要意義。

另外，本方案是使自動切換在最低成本和效果最大化之間所作的平衡，如前所述，切換過程中5 MHz信號相位還有稍微的變化，而數(shù)據(jù)相關(guān)處理中心希望得到完全的無縫切換，如何實現(xiàn)是很值得研究的內(nèi)容，可以從兩方面考慮：

一是以采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果為依據(jù)，將控制項施于備用氫原子鐘，實現(xiàn)實時控制以使主備鐘鐘速保持一致；

二是通過相位補償?shù)姆绞绞怪鱾溏娤辔惠敵鲆恢隆?/p>

致謝：首先感謝同事茍偉在整個系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的大力協(xié)助，他在其中起了至關(guān)重要的作用；感謝劉慶會老師敦促我完成本文；感謝鄭鑫對多次試驗數(shù)據(jù)進行處理，為此花了大量的時間，特別感謝；還要感謝馬茂莉幫忙進行數(shù)據(jù)后處理，同時感謝王廣利老師提供的數(shù)據(jù)后處理軟件平臺。

[1]葉叔華, 黃誠. 天文地球動力學(xué)[M]. 濟南: 山東科學(xué)技術(shù)出版社, 2000: 62-73.

[2]周小坤, 陳竹. ΔDOR深空導(dǎo)航定位技術(shù)進展[J]. 全球定位系統(tǒng), 2010(3): 52-57. Zhou Xiaokun, Chen Zhu. Recent progress of ΔDOR technique for deep space navigation and positioning[J]. GNSS World of China, 2010(3): 52-57.

[3]韓松濤, 唐歌實, 陳略, 等. 深空探測器DOR信號本地相關(guān)模型算法分析[C]// 北京: 中國宇航學(xué)會深空探測專業(yè)技術(shù)委員會第九屆學(xué)術(shù)年會論文集, 2012.

Design and Implementation of a Time Frequency Systemwith Auto-Switching Clocks at a VLBI Station

Wang Lingling

(Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China, Email: llwang@shao.ac.cn)

As a major equipment of a VLBI station, an effective time frequency system supplies stable and reliable time/frequency data for the station. The signals from such a system will directly affect the quality of data processing. The key device in a time frequency system is its hydrogen clock. In order to ensure accomplishing observational tasks, a VLBI station is engineered to be equipped with at least two hydrogen clocks. Using multiple hydrogen clocks requires switching between different routes of signals. A long duration conventionally needed for switching will cause interruption of signals, and make it necessary to replace the data-processing model after a switch. In the worst cases signal interruption can result in loss of data in several hours. It is rather worth to study fast and efficient approaches to switch hydrogen clocks. In this paper we present a design of a cost-effective time frequency system with auto-switching hydrogen clocks. We also describe our implementation of the system and its practical effectiveness.

VLBI; Time frequency system; Auto-switching clocks; Clock offset; Phase

2014-05-05；修定日期：2014-05-23 作者簡介：王玲玲，女，高級工程師. 研究方向：天文技術(shù)與方法. Email: llwang@shao.ac.cn

TP21

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1672-7673(2015)02-0166-08