VHF天線陣列時頻系統(tǒng)構(gòu)建及授時策略研究

劉俊卿　董亮　汪敏　郭少杰

摘 要： 介紹了VHF天線陣的時間頻率系統(tǒng)構(gòu)架，包括標(biāo)準(zhǔn)10 MHz信號和采樣器所需時鐘驅(qū)動的產(chǎn)生，以及基于GPS網(wǎng)絡(luò)授時兩個不同采樣控制計算機中的時間比較方案，以確保接收采樣數(shù)據(jù)的兩臺計算機的系統(tǒng)時間相同，從而保證存儲數(shù)據(jù)的時標(biāo)準(zhǔn)確。授時策略研究基于LabVIEW圖形化編程平臺，編寫時間對比軟件，該軟件獲取需要校時兩臺計算機的系統(tǒng)時間，經(jīng)過分析對比確定兩臺計算機出現(xiàn)時間偏差的時長。最終實驗結(jié)果表明該方法能自動校準(zhǔn)局域網(wǎng)內(nèi)計算機的系統(tǒng)時間，精度能達(dá)到 0.1 s以下。

關(guān)鍵詞： 天線陣列； GPS； 網(wǎng)絡(luò)授時； 時頻系統(tǒng)

中圖分類號： TN820.1+5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）07?0036?04

Construction of time?frequency system for VHF?band antenna array

and its time service strategy research

LIU Junqing1， 4， DONG Liang1， 2， 3， WANG Min1， 2， GUO Shaojie1， 4

（1. Yunnan Astronomical Observatory， Chinese Academy of Sciences， Kunming 650011， China；

2. Information Technology United Laboratory， Yunnan University and Yunnan Astronomical Observatories， Kunming 650001， China；

3. School of Information Science & Engineering， Yunnan University， Kunming 650001， China；

4. University of Chinese Academy Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： A time?frequency system architecture of the VHF?band antenna array， is introduced. The generation of standard 10 MHz signal and clock driving signal needed by the sampler， and a scheme of time comparison between two sampling and control computers based on different GPS network time services， which can ensure that the two computers receiving the sampling data have the same time and guarantee that the time scale of the storage data is accurate， are presented also in this paper. The study on the time service strategy is based on the LabVIEW graphical programming platform. The time comparison software was compiled to obtain system time of the two computers needing timing. The time length of the time deviation existing in the two computers is determined with the analysis and contract. The experimental results show that the scheme can automatically calibrate the system time of the computers in the LAN， and its deviation is less than 0.1 s.

Keywords： antenna array； GPS； network time service； time?frequency system

0 引 言

頻率在80 MHz以下的VHF（Very High Frequency）頻段射電輻射在太陽系內(nèi)提供了大量關(guān)于太陽和行星射電爆發(fā)的信息，有很多天文現(xiàn)象只有在VHF頻段才能探測到。VHF波段具有豐富的天文現(xiàn)象和輻射，由于VHF的觀測較少，在這個波段發(fā)現(xiàn)沒有預(yù)料到的全新現(xiàn)象的可能性不可低估。

天線陣列的靈敏度和分辨率主要取決于陣列的總接收面積和陣列的幾何尺度[1]，作為關(guān)鍵技術(shù)研究，擬在中國科學(xué)院云南天文臺鳳凰山本部和云南大學(xué)呈貢校區(qū)首先建立兩個實驗列陣，兩個列陣相距22 km，每個子站含有16個陣元。每個陣元接收[x，y]兩個方向的極化信號，采樣數(shù)字化后合成波束，來自各個站的數(shù)字信號送到中心處理機進(jìn)行相關(guān)處理，需保證由不同子站接收的兩信號是宇宙中同一時刻傳來的信號，因此每個子站需要將接收的信號打上時標(biāo)。關(guān)于接收信號的時間同步以及對模擬信號的數(shù)字采集都涉及到整個天線陣列的時頻控制系統(tǒng)，通過GPS授時的方法可以將GPS時間授予位于不同位置的天線子站。

1 數(shù)據(jù)接收與采集系統(tǒng)

天線接收到的信號經(jīng)接收機放大、濾波，通過同軸電纜傳輸?shù)胶竺娴臄?shù)據(jù)采集板。采集板的核心是AD6657?200 MPSP，四通道A/D轉(zhuǎn)換器，該采集板與FPGA信號處理板（HSC?ADC?EVALCZ）相連接，HSC?ADC?EVALCZ起到控制采集、預(yù)處理數(shù)據(jù)等作用。

AD6657與HSC?ADC?EVALCZ典型的工作模型如圖1所示，需要采集的模擬信號分別接入AD6657四個通道，同時接入200 MHz時鐘信號[2]，采集后的信號傳輸?shù)紿SC?ADC?EVALCZ通過USB 2.0端口與PC電腦相連[3]。在PC上可以通過軟件VisualAnalog控制數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行采集，HSC?ADC?EVALCZ板進(jìn)行FFT變換和積分等運算。

構(gòu)建的系統(tǒng)框圖

初步的實驗陣列有4個陣元，每個陣元輸出2個方向的極化信號。因此一個子陣有8路模擬信號分別接到兩套AD6657進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣和存儲。兩套AD6657的時鐘信號由GPS馴服鐘（GPSDO）提供。

2 相關(guān)處理機的數(shù)據(jù)處理流程

每個子站經(jīng)過數(shù)據(jù)接收與采集后送至相關(guān)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)處理，在相關(guān)處理機上的數(shù)據(jù)處理主要包括：時延補償、條紋旋轉(zhuǎn)、相乘和積分、傅里葉變換。

首先對某一路數(shù)據(jù)進(jìn)行時延補償，它的目的是將兩路信號對準(zhǔn)同一波前。進(jìn)入相關(guān)處理機的第[i]路數(shù)據(jù)[vi（t）]的時延補償值為[δi]則：

[δi=τg+τ相對論+τ站位移+τ介質(zhì)時延+τ鐘差+…]

式中：[τg]為幾何時延，是造成時延的主要因素；其他各項為時延的相對論效應(yīng)改正、站位移、介質(zhì)傳播、鐘差等因素產(chǎn)生的時延。

相關(guān)處理的第一步是將子站存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行時延補償，通過使用多個時延通道，嘗試不同時延值的方法進(jìn)行條紋搜索，確定最佳的時延值。在這個過程中，為了使條紋搜索更加簡潔快速，應(yīng)盡量保證用于搜索的兩路子站信號的時間標(biāo)記誤差盡量小，因此要求每個子站用于數(shù)據(jù)存儲的計算機有較小的系統(tǒng)時間誤差。本文介紹的授時策略通過把需要校時的計算機和GPS授時服務(wù)器組成局域網(wǎng)，實現(xiàn)所有信號采樣計算機的系統(tǒng)時間一致。因為網(wǎng)絡(luò)傳輸、授時軟件需要反應(yīng)時間，授予兩臺計算機的時間有幾十毫秒誤差。所以本文后面部分提供的方法以偏差100 ms為限對局域網(wǎng)內(nèi)的計算機進(jìn)行時間校準(zhǔn)，使采樣計算系統(tǒng)時間盡可能保持一致。

3 天線陣列時頻系統(tǒng)

時間頻率系統(tǒng)是每個子站的重要組成部分，它提供子站基準(zhǔn)頻率和時間，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

時頻系統(tǒng)的功能主要有以下幾個方面：

（1） 采樣控制計算機需要外部時鐘進(jìn)行授時，由NTP Server時間服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)接口提供；

（2） 采樣電路需要精準(zhǔn)的外部參考信號作為采集驅(qū)動，由GPSDO時鐘產(chǎn)生的10 MHz經(jīng)鎖相環(huán)倍頻至200 MHz時鐘驅(qū)動。

在此頻段（55～65 MHz）對ADC驅(qū)動的穩(wěn)定性要求如下：時鐘驅(qū)動信號的阿蘭方差為[σy，]由于頻率不穩(wěn)定性引起的相位誤差[4]小于1 rad，即：

[2πfτσy≤1 rad?σy≤12πfτ]

式中：[f]為工作頻率；[τ]為積分時間；[σy]為阿蘭方差。

取[f=60] MHz，[τ=1] s時，需要[σy≤2.65×10-9；]當(dāng)[τ=][100] s時，需要[σy≤2.65×10-11]。經(jīng)實測GPSDO時鐘阿蘭方差數(shù)據(jù)如表1所示。

上述GPSDO的測量參數(shù)在積分時間小于800 s時滿足觀測需求。GPSDO提供秒脈沖信號，為ADC芯片提供同步信號。

4 GPS授時策略

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收到天線傳來的信號會對其進(jìn)行預(yù)處理，然后將數(shù)據(jù)加上時標(biāo)并打包存儲以便后期實現(xiàn)對不同子站的干涉測量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用連接PC的系統(tǒng)時間給接收的數(shù)據(jù)加上時標(biāo)。為了使后期進(jìn)行干涉的信號是兩站同一時刻接收的信號，需要保證兩站PC的系統(tǒng)時間保持同步。本系統(tǒng)通過組建局域網(wǎng)對各PC進(jìn)行GPS授時的方法保證每臺電腦系統(tǒng)時間同步。

4.1 GPS授時網(wǎng)絡(luò)

不同計算機經(jīng)過長時間運行，內(nèi)部晶振會有一定偏差導(dǎo)致系統(tǒng)時間不一致，通過獲取GPS信號將精確的時鐘信號通過網(wǎng)絡(luò)授予給各個計算機，使各臺計算機系統(tǒng)時間始終保持一致。該網(wǎng)絡(luò)主要由GPS天線、NTP（Network Time Protocol）服務(wù)器、路由器和需要時間同步的計算機組成，如圖3所示。

GPS天線將信號傳送到NTP服務(wù)器得到標(biāo)準(zhǔn)時間，NTP服務(wù)通過路由器與需要校時的計算機A和計算機B相連，兩臺計算機通過NTP服務(wù)器客戶端即可獲得GPS時間。

4.2 GPS授時間隔確定

將PC與相連的NTP服務(wù)器設(shè)置在同一網(wǎng)段后，就可以在PC上通過NTP服務(wù)器客戶端在規(guī)定時間段自動獲取GPS時間，因此可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)所有PC都保持和NTP服務(wù)器時間相同，保證每臺PC的系統(tǒng)時間一樣。每臺PC配置和使用情況不同，不同PC之間系統(tǒng)時間發(fā)生偏差的時刻也不盡相同，需要確定接收數(shù)據(jù)的兩臺PC發(fā)生系統(tǒng)偏差的時間，從而確定NTP時間服務(wù)器向各PC授時的最佳時間間隔。

通過LabVIEW軟件編寫的時間讀取軟件可以獲取兩臺PC的系統(tǒng)時間，并將各自的時間發(fā)送到第三臺PC存儲在txt文件里。當(dāng)程序運行完指定時間，就可以在第三臺電腦上對比出兩臺電腦在這段時間內(nèi)在某個時刻發(fā)生時間偏差。在程序運行前將第三臺電腦與需要做時間對比的計算機A和計算機B連在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，確保這兩臺電腦能順利地將自己的系統(tǒng)時間信息發(fā)送到第三臺計算機C上。為了比較出兩臺電腦何時發(fā)生時間偏差，先用NTP服務(wù)器客戶端給兩臺電腦授時，確保一開始兩臺電腦的時間處于同一“起跑線”上。

計算機A，B和計算機C任務(wù)不同，前者執(zhí)行時間數(shù)據(jù)采集、發(fā)送程序，通過局域網(wǎng)不斷向計算機C發(fā)送自己的系統(tǒng)時間；后者執(zhí)行時間數(shù)據(jù)接收、存儲、比對程序，不斷接收來自A，B計算機發(fā)來的系統(tǒng)時間并存儲、比對。

兩個程序的流程圖分別如圖4，圖5所示。為了能順利接收到兩臺計算機的系統(tǒng)時間數(shù)據(jù)，在運行計算機C的程序時必須先運行計算機A，B的程序，保證A，B兩計算機TCP連接已建立。在運行計算機C程序前需要在LabVIEW程序前面板對A，B兩臺計算機系統(tǒng)時間采樣的總時長和采樣間隔進(jìn)行設(shè)置，如圖6所示。如每秒捕獲一次兩臺計算機的系統(tǒng)時間，采樣時間間隔設(shè)為1 000 ms；對兩臺計算機采集兩小時的系統(tǒng)時間數(shù)據(jù)，則采樣總時長設(shè)為7 200 s。

5 實驗與結(jié)論

將計算機A，B，C和NTP服務(wù)器組網(wǎng)后，通過計算機A，B將系統(tǒng)時間傳送到計算機C并保存為txt文件。本次實驗每1秒鐘采集一次A，B計算機的系統(tǒng)時間，一共采集6 874 s。在運行程序前首先將計算機A，B的系統(tǒng)時間與NTP服務(wù)器對齊，保證他們開始時間是同步的。采集結(jié)束后，將兩臺計算機的時間作差，通過曲線擬合得到他們的時間偏差趨勢。如圖7所示，在采集的6 874 s時間內(nèi)兩臺計算機開始的時間偏差幾乎為零。隨著時間的推移，兩臺計算機的時間偏差呈線性增大。在4 292 s附近兩臺計算機偏差近0.1 s，此時認(rèn)為兩臺計算機系統(tǒng)時間發(fā)生偏離，需要進(jìn)行校正。

通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩臺計算機時間發(fā)生偏離時經(jīng)歷了4 292 s時，為了留有冗余，將NTP服務(wù)器設(shè)置為3 600 s為兩臺計算機授時一次，并對兩臺計算機做第二次時間采集，其結(jié)果如圖8所示。當(dāng)兩臺計算機時間偏差在0.1 s附近時，通過校時使兩臺計算機系統(tǒng)時間一樣，偏差回到了零點，校時成功。

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