楊文軍,郝龍飛
(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)新疆天文臺(tái),新疆 烏魯木齊 830011;2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)云南天文臺(tái),云南 昆明 650011)
VLBI是甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(Very Long Baseline Interferometry)的英文縮寫(xiě),它是當(dāng)前天文觀測(cè)使用的一項(xiàng)高分辨率、高測(cè)量精度的觀測(cè)技術(shù),在天體物理、大地測(cè)量、地球物理、深空探測(cè)等方面應(yīng)用極為廣泛。一個(gè)完整的VLBI測(cè)量系統(tǒng)通常由兩個(gè)或兩個(gè)以上的VLBI觀測(cè)站和一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心組成。VLBI觀測(cè)站的主要設(shè)備包括:高效射電望遠(yuǎn)鏡、低噪聲高靈敏度的接收機(jī)系統(tǒng)、VLBI高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高穩(wěn)定度的氫原子鐘和高精度時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)等,如圖1[1]。VLBI數(shù)據(jù)處理中心相關(guān)器一般是由專(zhuān)用的VLBI相關(guān)處理機(jī)和高速的通用計(jì)算機(jī)群組成。
VLBI高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)際上是VLBI終端數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng),它在整個(gè)VLBI技術(shù)中起著舉足輕重的作用,它將來(lái)自接收機(jī)的中頻信號(hào)通過(guò)基帶轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào),然后經(jīng)過(guò)削波、采樣、格式化和模擬/數(shù)字變換,把基帶信號(hào)記錄到磁帶或硬盤(pán)上,觀測(cè)結(jié)束后,再把磁帶或硬盤(pán)寄到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和相關(guān)處理。
圖1 甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量示意圖Fig.1 A schematic diagram of VLBI
最早一次VLBI試驗(yàn)是由美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的一個(gè)研究小組在1965年進(jìn)行的,目的是研究木星的無(wú)線電爆發(fā)。1967年末,研究人員第一次采用氫原子鐘進(jìn)行VLBI觀測(cè)。從1968年到1969年底,在美國(guó)進(jìn)行了一系列的頻率切換VLBI試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn),證明了對(duì)VLBI所進(jìn)行的一系列理論分析是正確的,同時(shí),展示了VLBI技術(shù)的前景[2]。人們把這次試驗(yàn)所用的儀器稱(chēng)為Mark 1系統(tǒng)。1971年研制了第2代VLBI系統(tǒng),稱(chēng)為Mark2系統(tǒng),1975年,又在Haystack天文臺(tái)研制了第3代系統(tǒng),稱(chēng)為Mark 3系統(tǒng),隨后又有了VLBA系統(tǒng)(屬于第3代系統(tǒng))和Mark 4系統(tǒng),到了21世紀(jì)初,出現(xiàn)了Mark 5系統(tǒng) (VLBI終端設(shè)備見(jiàn)圖2)。
(1)Mark 1時(shí)代
1967~1979年,采用1/2英寸計(jì)算機(jī)磁帶,800BPI(每英寸比特),記錄速率720 kb/s,大型計(jì)算機(jī)(IBM 360-50/-75/-91/-95)作為相關(guān)器,進(jìn)行了米波VLBI觀測(cè),主要測(cè)量源的流量和結(jié)構(gòu)。還進(jìn)行了脈沖星VLBI觀測(cè),觀測(cè)到了Crab Nebula(蟹狀星云),而Mark 1在當(dāng)時(shí)用去了大量的磁帶。
圖2 VLBI終端設(shè)備照片F(xiàn)ig.2 Pictures of VLBI terminals
(2)Mark2時(shí)代
1972~1980年,采用基于商業(yè)的視頻磁帶記錄系統(tǒng),記錄速率4 Mb/s,2 MHz帶寬,廣泛應(yīng)用于天文領(lǐng)域。
(3)Mark 3時(shí)代
靈活的數(shù)據(jù)終端具有支持記錄速率帶寬到224 Mb/s(112 MHz帶寬),用1inch磁帶和28路信道儀器記錄儀。主要特點(diǎn):28路磁道;在所有磁道上并行記錄;計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集。初始測(cè)試在1977年,運(yùn)作在1980年。1980~1981年,NASA與NGS和Haystack一起加入了第1個(gè)專(zhuān)注于測(cè)地的VLBI臺(tái)站聯(lián)盟,這就是“北極星網(wǎng)絡(luò)”的開(kāi)始,以后VLBI也逐漸被公眾認(rèn)知。
(4)Mark 4時(shí)代
1990年開(kāi)始進(jìn)入Mark 4時(shí)代,更大的數(shù)據(jù)帶寬,更高的靈敏度,精確的時(shí)間表(Schedules),較好的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度,延伸了相關(guān)器容量。但磁帶和磁帶記錄儀成為VLBI的主要弱點(diǎn),主要是磁頭昂貴、磁帶的花費(fèi)多、記錄儀的機(jī)械問(wèn)題、磁帶的運(yùn)輸問(wèn)題以及臺(tái)站可靠性等等。
(5)Mark 5時(shí)代
到21世紀(jì)初,開(kāi)始進(jìn)入了Mark 5時(shí)代[3]。2個(gè)硬盤(pán)陣列,每個(gè)陣列有8個(gè)硬盤(pán)(典型的為每個(gè)硬盤(pán)250 G,共8×250=2 T,目前已到8 T)。因?yàn)镸ark 5硬件較適合于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在因特網(wǎng)上傳輸,所以,e-VLBI技術(shù)也隨之到來(lái)。Mark5時(shí)代又經(jīng)歷了Mark 5A、Mark 5B、Mark 5B+、Mark 5C等記錄系統(tǒng)(見(jiàn)表1)。
表1 Mark 5A/B/B+/C系統(tǒng)比較Table 1 Comparisons between Mark 5A/B/B+/C systems
Mark 5時(shí)代的到來(lái),推動(dòng)了e-VLBI技術(shù)的迅速發(fā)展,通過(guò)因特網(wǎng)將觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到數(shù)據(jù)處理中心,通過(guò)高速通用計(jì)算機(jī)群在很短時(shí)間便可以相關(guān)出干涉條紋,再經(jīng)過(guò)后處理,得出觀測(cè)結(jié)果。在中國(guó)嫦娥1號(hào)和2號(hào)衛(wèi)星的觀測(cè)中也使用了e-VLBI技術(shù)。在未來(lái)深空探測(cè)中,e-VLBI技術(shù)必將發(fā)揮更大的作用。
在天文領(lǐng)域,由于需要有高速處理數(shù)據(jù)能力和超強(qiáng)計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)處理海量的天文觀測(cè)數(shù)據(jù),所以從某種意義上說(shuō),是天文學(xué)的發(fā)展帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展反過(guò)來(lái)又推動(dòng)了天文技術(shù)不斷的進(jìn)步。伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的高速發(fā)展,數(shù)據(jù)記錄速率也越來(lái)越快,記錄帶寬不斷增加,而產(chǎn)品成本卻在不斷降低。從圖3可以看出,記錄速率隨年代的變化不斷提高。
圖4是記錄速率在1 Gbps時(shí),時(shí)間與設(shè)備價(jià)格的函數(shù)圖。例如,對(duì)于Mark 1,其記錄速率在720 Kbps時(shí),價(jià)格5萬(wàn)美元,而要達(dá)到1 Gbps的記錄速率,則Mark 1的價(jià)格要7000萬(wàn)美元左右。
圖3 記錄速率與時(shí)間函數(shù)圖Fig.3 Progress in recording rate
圖4 記錄速率在1 Gbps時(shí)價(jià)格與時(shí)間函數(shù)圖Fig.4 Progress in K$/Gbps
圖5是終端帶寬在1 GHz時(shí),時(shí)間與設(shè)備價(jià)格的函數(shù)圖。例如,Mark 1模擬下變頻器帶寬在360 KHz時(shí),其價(jià)格1 800美元,而當(dāng)帶寬達(dá)到1 GHz時(shí),價(jià)格則高達(dá)500萬(wàn)美元;Mark 3 BBC的帶寬在16 MHz(每個(gè)BBC有兩個(gè)通道各8 MHz)時(shí),其價(jià)格25000美元,而帶寬要到達(dá)1 GHz時(shí),其價(jià)格高達(dá)150萬(wàn)美元;Mark 4(每個(gè)BBC有兩個(gè)通道各16 MHz)的價(jià)格也高達(dá)80萬(wàn)美元。對(duì)于現(xiàn)代數(shù)字終端其價(jià)格則更便宜。
圖5 終端帶寬1 G時(shí)價(jià)格與時(shí)間函數(shù)圖Fig.5 Progress in backend-bandwidth price
20世紀(jì)70年代,中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)葉叔華院士,根據(jù)國(guó)際上VLBI發(fā)展的信息認(rèn)為,VLBI技術(shù)將對(duì)天文學(xué)研究具有重要作用,提出了建立中國(guó)VLBI網(wǎng)(CVN網(wǎng))的建議[4],得到了中國(guó)科學(xué)院和天文界專(zhuān)家的支持,該建議計(jì)劃進(jìn)行大地測(cè)量學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、天體測(cè)量和天文VLBI等方面的應(yīng)用。1979年上海天文臺(tái)實(shí)驗(yàn)VLBI系統(tǒng)研制成功,1981年6 m天線的VLBI實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與前西德100 m天線在21 cm波段進(jìn)行VLBI測(cè)量獲得成功。1987和1993年分別在上海佘山和烏魯木齊南山各建造了一臺(tái)25 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡。之后兩臺(tái)站都相繼成為歐洲EVN網(wǎng)和美國(guó)IVS網(wǎng)的重要成員,每年都要進(jìn)行大量的VLBI國(guó)際聯(lián)測(cè)[5]。在當(dāng)時(shí),南山和佘山主要使用的終端系統(tǒng)有Mark2、Mark 3A、VLBA以及K4(日本研制)等。
2003年~2004年,南山和佘山都將原有終端設(shè)備升級(jí)到了Mark 5A記錄系統(tǒng),并且很快投入VLBI國(guó)際聯(lián)測(cè),取得了較好的觀測(cè)結(jié)果。1999年,昆明的3 m流動(dòng)VLBI站建造在一輛卡車(chē)上,主要用來(lái)進(jìn)行測(cè)地 VLBI觀測(cè)[6]。2006年,分別在北京密云和云南昆明建造了50 m和40 m口徑的射電望遠(yuǎn)鏡。另外,基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field-Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA)的相關(guān)器和軟件相關(guān)器在上海天文臺(tái)研制成功并支持實(shí)時(shí)相關(guān)。至此,中國(guó)CVN網(wǎng)(圖6)進(jìn)入了一個(gè)新階段[6]。目前 CVN網(wǎng)由北京、上海、昆明和烏魯木齊的4臺(tái)望遠(yuǎn)鏡以及位于上海天文臺(tái)的數(shù)據(jù)處理中心組成。這樣一個(gè)網(wǎng)所構(gòu)成的望遠(yuǎn)鏡分辨率相當(dāng)于口徑為3000多千米的巨大的綜合望遠(yuǎn)鏡,測(cè)角精度可以達(dá)到百分之幾角秒,甚至更高。2007年,VLBI技術(shù)首次運(yùn)用于我國(guó)的探月工程,VLBI系統(tǒng)作為探月工程測(cè)控系統(tǒng)的子系統(tǒng),其具體任務(wù)就是獲得衛(wèi)星的VLBI測(cè)量數(shù)據(jù),包括時(shí)延、時(shí)延率和衛(wèi)星的角位置,并參與軌道的確定和預(yù)報(bào)等。通過(guò)各方的努力和協(xié)作,最終圓滿完成了嫦娥1號(hào)精確定軌和繞月觀測(cè)任務(wù)。2010年又順利完成嫦娥2號(hào)的繞月觀測(cè)任務(wù)。2011年6月9日開(kāi)始進(jìn)行另一項(xiàng)重要的拓展性試驗(yàn),飛往距地球150萬(wàn)千米以外的深空(L2點(diǎn))進(jìn)行探測(cè)。除此之外,CVN網(wǎng)還承擔(dān)了中國(guó)陸態(tài)網(wǎng)的聯(lián)測(cè)任務(wù)。
圖6 中國(guó)CVN網(wǎng)Fig.6 Chinese CVN NET
在嫦娥2號(hào)任務(wù)中,4個(gè)臺(tái)站使用的終端系統(tǒng)都是由上海天文臺(tái)自行研制開(kāi)發(fā)的中國(guó)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(Chinese Data Acquirment System,CDAS)和美國(guó)的Mark 5B記錄系統(tǒng)組成的VLBI終端系統(tǒng)。其中,CDAS采用了“ADC+可編程器件”的結(jié)構(gòu),天線接收到的射頻(RF)信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻接收機(jī)后變?yōu)橹蓄l(IF);中頻信號(hào)在經(jīng)抗混疊濾波器后,由高速ADC數(shù)字化;然后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Process)模塊,實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字濾波(Digtal Filter)、直接數(shù)字頻率合成(Direcet Digital Synthesizer)、數(shù)字下變頻等算法處理,并將處理后的數(shù)據(jù)送至用戶終端[7]。該系統(tǒng)可接收4路中頻信號(hào),每路帶寬達(dá)512 MHz。模擬和數(shù)字自動(dòng)增益控制都用于獲得穩(wěn)定的功率電平和最佳的采樣器統(tǒng)計(jì)。32路子通道輸出,每個(gè)子通道有效帶寬范圍是0.5~32 MHz。Mark 5B的2 Gbps記錄速率可以和CDAS系統(tǒng)相兼容[6]。
目前,上海天文臺(tái)已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)65 m大型射電望遠(yuǎn)鏡。新疆天文臺(tái)110 m的大型射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目正在申報(bào)國(guó)家立項(xiàng)階段。另外,在我國(guó)貴州正在建設(shè)的500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope,F(xiàn)AST)也具有VLBI觀測(cè)功能。相信在未來(lái),中國(guó)CVN網(wǎng)將在射電天文領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用,而VLBI終端技術(shù)的高速發(fā)展也必將推動(dòng)中國(guó)天文事業(yè)和航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展。
Mark 6數(shù)據(jù)系統(tǒng)是由Haystack天文臺(tái)作為下一代基于硬盤(pán)VLBI數(shù)據(jù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一套終端記錄系統(tǒng)。它被設(shè)計(jì)用作支持記錄速率16 Gbps并且能持續(xù)記錄數(shù)據(jù)到硬盤(pán)陣列中。始于2011年1月在Haystack天文臺(tái)和新罕布什爾州Nashua(納舒厄)市的XCube通訊股份有限公司之間作為一個(gè)合作計(jì)劃而開(kāi)展的工作,該系統(tǒng)在基于Casper ROACH板的數(shù)字終端上,已經(jīng)證明能以16 Gbps的速率持續(xù)記錄數(shù)據(jù)到32個(gè)硬盤(pán);回放的零基線數(shù)據(jù)已經(jīng)成功在Haystack天文臺(tái)的DiFX相關(guān)器上相關(guān)出來(lái)。圖 7a 和 7b[8]是 Mark 6 設(shè)備圖。
圖7 (a)Mark 6前向圖;(b)Mark 6后向圖Fig.7 (a)Front view of Mark 6;(b)Rear view of Mark 6
(1)充分以商業(yè)的成品硬件為基礎(chǔ),1~4個(gè)10GigE數(shù)據(jù)接口。
(2)達(dá)到16Gbps的持續(xù)記錄速率(記錄到24~36個(gè)硬盤(pán)); ~32Gbps成組模式捕獲(沒(méi)有進(jìn)行充分測(cè)試)。
(3)支持費(fèi)用不高的日用SATA硬盤(pán)(但必須保證硬盤(pán)是合格的)。
(4)從控制器到硬盤(pán)陣列的eSATA電纜連接(每個(gè)電纜4個(gè)硬盤(pán)),對(duì)電纜順序沒(méi)有特別要求。
(5)記錄數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)的Linux文件。
(6)適當(dāng)?shù)乜刂苨low/failed硬盤(pán)以維持目標(biāo)數(shù)據(jù)速率。
(7)可以使用XTube硬盤(pán)模式(類(lèi)似Mark5模式);可以轉(zhuǎn)換現(xiàn)有Mark 5模塊到Mark 6并和新模塊的背板和前面板相兼容。
(8)作為標(biāo)準(zhǔn)Linux文件回放。
(9)較好地適用于當(dāng)前兩個(gè)VLBI規(guī)劃:
VLBI2010——當(dāng)前計(jì)劃16 Gbps/臺(tái)站,可能擴(kuò)展到32 Gbps/臺(tái)站。
mm-VLBI——當(dāng)前計(jì)劃16 Gbps/臺(tái)站,在未來(lái)幾年將擴(kuò)展到64 Gbps/臺(tái)站。
圖8[9]是Mark 6系統(tǒng)機(jī)架,主要有5 MHz分配器、4個(gè)XCube公司的8磁盤(pán)的模塊、Mark 6控制器、2個(gè)RDBE系統(tǒng)、4個(gè)上/下變頻器、寬帶相關(guān)噪聲源、5 MHz/1 pps發(fā)生器。圖9[3]是Mark 6系統(tǒng)演示框圖。圖10[3]是相關(guān)處理演示框圖。
圖8 Mark 6系統(tǒng)機(jī)架Fig.8 System rack of Mark 6
圖9 Mark 6系統(tǒng)演示圖 (記錄速率16 Gbps)Fig.9 System demo of Mark 6(recording at 16Gbps)
圖10 Mark 6相關(guān)處理演示圖Fig.10 Demo of correlation processing with Mark 6
(1)VSI-S置于XCube XML原生軟件界面的頂層。
(2)記錄單位被定義為卷,每個(gè)卷包含一個(gè)或多個(gè)物理磁盤(pán)模塊。
◆多個(gè)模塊卷所需記錄速率大于等于4 Gbps。
◆多模塊卷保留身份經(jīng)過(guò)相關(guān)處理,然后返回到單模塊卷。
(3)卷是以一種有序的“卷堆?!毙问焦芾?,容許同時(shí)連接多個(gè)卷。
◆允許根據(jù)用途按照特定的順序排列卷。
◆在當(dāng)前的模塊數(shù)據(jù)記錄滿時(shí),支持自動(dòng)切換到下一個(gè)卷的卷堆棧中;切換在兩個(gè)掃描之間進(jìn)行。
(4)磁盤(pán)記錄過(guò)程中的磁盤(pán)信息統(tǒng)計(jì),可以用來(lái)方便地通過(guò)磁盤(pán)序列號(hào)找出慢/故障磁盤(pán)。
(5)當(dāng)模塊連接至Mark 6時(shí)能夠自檢。
(1)Mark 6 VSI-S規(guī)格已經(jīng)編寫(xiě)完成,部分已實(shí)施。
(2)較小軟件修訂以支持幾個(gè)VLBI細(xì)節(jié)問(wèn)題:
◆永久的模塊序列號(hào)。
◆收集單個(gè)的磁盤(pán)性能統(tǒng)計(jì)信息。
◆在另一個(gè)模塊上進(jìn)行操作時(shí)(例如安裝/卸載模塊,或讀取MSN(Model Serial Number)等)不影響正在工作的模塊平穩(wěn)記錄/回放。
(3)考慮與XCube產(chǎn)品的兼容性,正在設(shè)計(jì)新模塊背板和前面板改進(jìn)現(xiàn)有的Mark 5模塊。
◆必須使用SATA磁盤(pán)。
◆提供系統(tǒng)外部冷卻。
(4)使Mark 6與DiFX相關(guān)器結(jié)合。
2011年10月24日第1個(gè)Mark 6 16 Gbps的VLBI試驗(yàn)在美國(guó)Westford和GGAO兩個(gè)天線之間進(jìn)行(見(jiàn)圖11),并成功獲取條紋。
圖11 利用Mark 6進(jìn)行16 Gbps VLBI實(shí)驗(yàn)Fig.11 Demonstration of VLBI observation at 16Gbps
完成Mark 6 VSI-S安裝啟用,使Mark 6與Field System系統(tǒng)相結(jié)合。設(shè)計(jì)新的背板/前面板轉(zhuǎn)換當(dāng)前的Mark 5系統(tǒng)以兼容Mark 6系統(tǒng)。測(cè)試Conduant公司標(biāo)準(zhǔn)硬件,集成完整的硬件系統(tǒng)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完全和充分的測(cè)試。
40年來(lái)VLBI技術(shù)一直在不斷發(fā)展和成熟,它對(duì)天文領(lǐng)域的貢獻(xiàn)是巨大的。VLBI終端技術(shù)也今非昔比,特別是到了21世紀(jì),發(fā)展非常迅速,記錄速率不斷提高,記錄帶寬也不斷增加,成本費(fèi)用卻在不斷降低,利用超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)群處理海量的天文數(shù)據(jù),極大地縮短了處理時(shí)間,強(qiáng)大的技術(shù)手段更加有力于人類(lèi)對(duì)天文學(xué)的研究和探索。Mark 6系統(tǒng)的推出無(wú)疑會(huì)將VLBI終端技術(shù)推上了一個(gè)新的高度,它對(duì)VLBI2010計(jì)劃(實(shí)現(xiàn)全球基線測(cè)量達(dá)到1 mm的高精度)和mm-VLBI計(jì)劃的實(shí)施有著非常重要的意義。天文技術(shù)不斷的發(fā)展和創(chuàng)新也必將加快人類(lèi)探索宇宙的步伐。
致謝:感謝美國(guó)Haystack天文臺(tái)的Alan Whitney先生對(duì)作者提出的技術(shù)問(wèn)題給予耐心和詳細(xì)的回答。
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