VHF天線陣列時(shí)頻系統(tǒng)構(gòu)建及授時(shí)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(shí)間頻率系統(tǒng)構(gòu)架，包括標(biāo)準(zhǔn)10 MHz信號(hào)和采樣器所需時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)生，以及基于GPS網(wǎng)絡(luò)授時(shí)兩個(gè)不同采樣控制計(jì)算機(jī)中的時(shí)間比較方案，以確保接收采樣數(shù)據(jù)的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間相同，從而保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確。授時(shí)策略研究基于LabVIEW圖形化編程平臺(tái)，編寫時(shí)間對(duì)比軟件，該軟件獲取需要校時(shí)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間，經(jīng)過(guò)分析對(duì)比確定兩臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)時(shí)間偏差的時(shí)長(zhǎng)。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能自動(dòng)校準(zhǔn)局域網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)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(shí)； 時(shí)頻系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN820.1+5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yáng)系內(nèi)提供了大量關(guān)于太陽(yáng)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(cè)到。VHF波段具有豐富的天文現(xiàn)象和輻射，由于VHF的觀測(cè)較少，在這個(gè)波段發(fā)現(xiàn)沒(méi)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(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)鳳凰山本部和云南大學(xué)呈貢校區(qū)首先建立兩個(gè)實(shí)驗(yàn)列陣，兩個(gè)列陣相距22 km，每個(gè)子站含有16個(gè)陣元。每個(gè)陣元接收[x，y]兩個(gè)方向的極化信號(hào)，采樣數(shù)字化后合成波束，來(lái)自各個(gè)站的數(shù)字信號(hào)送到中心處理機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理，需保證由不同子站接收的兩信號(hào)是宇宙中同一時(shí)刻傳來(lái)的信號(hào)，因此每個(gè)子站需要將接收的信號(hào)打上時(shí)標(biāo)。關(guān)于接收信號(hào)的時(shí)間同步以及對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字采集都涉及到整個(gè)天線陣列的時(shí)頻控制系統(tǒng)，通過(guò)GPS授時(shí)的方法可以將GPS時(shí)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(hào)經(jīng)接收機(jī)放大、濾波，通過(guò)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(hào)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(hào)分別接入AD6657四個(gè)通道，同時(shí)接入200 MHz時(shí)鐘信號(hào)[2]，采集后的信號(hào)傳輸?shù)紿SC?ADC?EVALCZ通過(guò)USB 2.0端口與PC電腦相連[3]。在PC上可以通過(guò)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(yùn)算。

構(gòu)建的系統(tǒng)框圖

初步的實(shí)驗(yàn)陣列有4個(gè)陣元，每個(gè)陣元輸出2個(gè)方向的極化信號(hào)。因此一個(gè)子陣有8路模擬信號(hào)分別接到兩套AD6657進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣和存儲(chǔ)。兩套AD6657的時(shí)鐘信號(hào)由GPS馴服鐘（GPSDO）提供。

2 相關(guān)處理機(jī)的數(shù)據(jù)處理流程

每個(gè)子站經(jīng)過(guò)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(jī)上的數(shù)據(jù)處理主要包括：時(shí)延補(bǔ)償、條紋旋轉(zhuǎn)、相乘和積分、傅里葉變換。

首先對(duì)某一路數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，它的目的是將兩路信號(hào)對(duì)準(zhǔn)同一波前。進(jìn)入相關(guān)處理機(jī)的第[i]路數(shù)據(jù)[vi（t）]的時(shí)延補(bǔ)償值為[δi]則：

[δi=τg+τ相對(duì)論+τ站位移+τ介質(zhì)時(shí)延+τ鐘差+…]

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

相關(guān)處理的第一步是將子站存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，通過(guò)使用多個(gè)時(shí)延通道，嘗試不同時(shí)延值的方法進(jìn)行條紋搜索，確定最佳的時(shí)延值。在這個(gè)過(guò)程中，為了使條紋搜索更加簡(jiǎn)潔快速，應(yīng)盡量保證用于搜索的兩路子站信號(hào)的時(shí)間標(biāo)記誤差盡量小，因此要求每個(gè)子站用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)有較小的系統(tǒng)時(shí)間誤差。本文介紹的授時(shí)策略通過(guò)把需要校時(shí)的計(jì)算機(jī)和GPS授時(shí)服務(wù)器組成局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)所有信號(hào)采樣計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間一致。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸、授時(shí)軟件需要反應(yīng)時(shí)間，授予兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的時(shí)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(duì)局域網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，使采樣計(jì)算系統(tǒng)時(shí)間盡可能保持一致。

3 天線陣列時(shí)頻系統(tǒng)

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

時(shí)頻系統(tǒng)的功能主要有以下幾個(gè)方面：

（1） 采樣控制計(jì)算機(jī)需要外部時(shí)鐘進(jìn)行授時(shí)，由NTP Server時(shí)間服務(wù)器通過(guò)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(hào)作為采集驅(qū)動(dòng)，由GPSDO時(shí)鐘產(chǎn)生的10 MHz經(jīng)鎖相環(huán)倍頻至200 MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。

在此頻段（55～65 MHz）對(duì)ADC驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性要求如下：時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)間；[σy]為阿蘭方差。

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

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

4 GPS授時(shí)策略

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收到天線傳來(lái)的信號(hào)會(huì)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，然后將數(shù)據(jù)加上時(shí)標(biāo)并打包存儲(chǔ)以便后期實(shí)現(xiàn)對(duì)不同子站的干涉測(cè)量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用連接PC的系統(tǒng)時(shí)間給接收的數(shù)據(jù)加上時(shí)標(biāo)。為了使后期進(jìn)行干涉的信號(hào)是兩站同一時(shí)刻接收的信號(hào)，需要保證兩站PC的系統(tǒng)時(shí)間保持同步。本系統(tǒng)通過(guò)組建局域網(wǎng)對(duì)各PC進(jìn)行GPS授時(shí)的方法保證每臺(tái)電腦系統(tǒng)時(shí)間同步。

4.1 GPS授時(shí)網(wǎng)絡(luò)

不同計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，內(nèi)部晶振會(huì)有一定偏差導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)間不一致，通過(guò)獲取GPS信號(hào)將精確的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)授予給各個(gè)計(jì)算機(jī)，使各臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)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(shí)間同步的計(jì)算機(jī)組成，如圖3所示。

GPS天線將信號(hào)傳送到NTP服務(wù)器得到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，NTP服務(wù)通過(guò)路由器與需要校時(shí)的計(jì)算機(jī)A和計(jì)算機(jī)B相連，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)NTP服務(wù)器客戶端即可獲得GPS時(shí)間。

4.2 GPS授時(shí)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(guò)NTP服務(wù)器客戶端在規(guī)定時(shí)間段自動(dòng)獲取GPS時(shí)間，因此可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)所有PC都保持和NTP服務(wù)器時(shí)間相同，保證每臺(tái)PC的系統(tǒng)時(shí)間一樣。每臺(tái)PC配置和使用情況不同，不同PC之間系統(tǒng)時(shí)間發(fā)生偏差的時(shí)刻也不盡相同，需要確定接收數(shù)據(jù)的兩臺(tái)PC發(fā)生系統(tǒng)偏差的時(shí)間，從而確定NTP時(shí)間服務(wù)器向各PC授時(shí)的最佳時(shí)間間隔。

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

計(jì)算機(jī)A，B和計(jì)算機(jī)C任務(wù)不同，前者執(zhí)行時(shí)間數(shù)據(jù)采集、發(fā)送程序，通過(guò)局域網(wǎng)不斷向計(jì)算機(jī)C發(fā)送自己的系統(tǒng)時(shí)間；后者執(zhí)行時(shí)間數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、比對(duì)程序，不斷接收來(lái)自A，B計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的系統(tǒng)時(shí)間并存儲(chǔ)、比對(duì)。

兩個(gè)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(tái)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間數(shù)據(jù)，在運(yùn)行計(jì)算機(jī)C的程序時(shí)必須先運(yùn)行計(jì)算機(jī)A，B的程序，保證A，B兩計(jì)算機(jī)TCP連接已建立。在運(yùn)行計(jì)算機(jī)C程序前需要在LabVIEW程序前面板對(duì)A，B兩臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間采樣的總時(shí)長(zhǎng)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(tái)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間，采樣時(shí)間間隔設(shè)為1 000 ms；對(duì)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)采集兩小時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間數(shù)據(jù)，則采樣總時(shí)長(zhǎng)設(shè)為7 200 s。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

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

通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)間發(fā)生偏離時(shí)經(jīng)歷了4 292 s時(shí)，為了留有冗余，將NTP服務(wù)器設(shè)置為3 600 s為兩臺(tái)計(jì)算機(jī)授時(shí)一次，并對(duì)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)做第二次時(shí)間采集，其結(jié)果如圖8所示。當(dāng)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)間偏差在0.1 s附近時(shí)，通過(guò)校時(shí)使兩臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間一樣，偏差回到了零點(diǎn)，校時(shí)成功。

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