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構架，包括標準10 MHz信號和采樣器所需時鐘驅動的產生，以及基于GPS網絡授時兩個不同采樣控制計算機中的時間比較方案，以確保接收采樣數據的兩臺計算機的系統時間相同，從而保證存儲數據的時標準確。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時間，經過分析對比確定兩臺計算機出現時間偏差的時長。最終實驗結果表明該方法能自動校準局域網內計算機的系統時間，精度能達到 0.1 s以下。

關鍵詞： 天線陣列； GPS； 網絡授時； 時頻系統

中圖分類號： TN820.1+5?34 文獻標識碼： 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提供了大量關于太陽和行星射電爆發(fā)的信息，有很多天文現象只有在VHF頻段才能探測到。VHF波段具有豐富的天文現象和輻射，由于VHF的觀測較少，在這個波段發(fā)現沒有預料到的全新現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]，作為關鍵技術研究，擬在中國科學院云南天文臺鳳凰山本部和云南大學呈貢校區(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，采樣數字化后合成波束，來自各個站的數字信號送到中心處理機進行相關處理，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。關于接收信號的時間同步以及對模擬信號的數字采集都涉及到整個天線陣列的時頻控制系統，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 數據接收與采集系統

天線接收到的信號經接收機放大、濾波，通過同軸電纜傳輸到后面的數據采集板。采集板的核心是AD6657?200 MPSP，四通道A/D轉換器，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、預處理數據等作用。

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]，采集后的信號傳輸到HSC?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控制數據采集板進行采集，HSC?ADC?EVALCZ板進行FFT變換和積分等運算。

構建的系統框圖

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進行數據的采樣和存儲。兩套AD6657的時鐘信號由GPS馴服鐘（GPSDO）提供。

2 相關處理機的數據處理流程

每個子站經過數據接收與采集后送至相關處理中心進行數據相關處理，在相關處理機上的數據處理主要包括：時延補償、條紋旋轉、相乘和積分、傅里葉變換。

首先對某一路數據進行時延補償，它的目的是將兩路信號對準同一波前。進入相關處理機的第[i]路數據[vi（t）]的時延補償值為[δi]則：

[δi=τg+τ相對論+τ站位移+τ介質時延+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改正、站位移、介質傳播、鐘差等因素產生的時延。

相關處理的第一步是將子站存儲的數據進行時延補償，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，應盡量保證用于搜索的兩路子站信號的時間標記誤差盡量小，因此要求每個子站用于數據存儲的計算機有較小的系統時間誤差。本文介紹的授時策略通過把需要校時的計算機和GPS授時服務器組成局域網，實現所有信號采樣計算機的系統時間一致。因為網絡傳輸、授時軟件需要反應時間，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為限對局域網內的計算機進行時間校準，使采樣計算系統時間盡可能保持一致。

3 天線陣列時頻系統

時間頻率系統是每個子站的重要組成部分，它提供子站基準頻率和時間，其系統架構如圖2所示。

時頻系統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行授時，由NTP Server時間服務器通過網絡接口提供；

（2） 采樣電路需要精準的外部參考信號作為采集驅動，由GPSDO時鐘產生的10 MHz經鎖相環(huán)倍頻至200 MHz時鐘驅動。

在此頻段（55～65 MHz）對ADC驅動的穩(wěn)定性要求如下：時鐘驅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[τ=][100] s時，需要[σy≤2.65×10-11]。經實測GPSDO時鐘阿蘭方差數據如表1所示。

上述GPSDO的測量參數在積分時間小于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

數據采集系統收到天線傳來的信號會對其進行預處理，然后將數據加上時標并打包存儲以便后期實現對不同子站的干涉測量。數據采集系統使用連接PC的系統時間給接收的數據加上時標。為了使后期進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的系統時間保持同步。本系統通過組建局域網對各PC進行GPS授時的方法保證每臺電腦系統時間同步。

4.1 GPS授時網絡

不同計算機經過長時間運行，內部晶振會有一定偏差導致系統時間不一致，通過獲取GPS信號將精確的時鐘信號通過網絡授予給各個計算機，使各臺計算機系統時間始終保持一致。該網絡主要由GPS天線、NTP（Network Time Protocol）服務器、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服務器得到標準時間，NTP服務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服務器設置在同一網段后，就可以在PC上通過NTP服務器客戶端在規(guī)定時間段自動獲取GPS時間，因此可以實現局域網內所有PC都保持和NTP服務器時間相同，保證每臺PC的系統時間一樣。每臺PC配置和使用情況不同，不同PC之間系統時間發(fā)生偏差的時刻也不盡相同，需要確定接收數據的兩臺PC發(fā)生系統偏差的時間，從而確定NTP時間服務器向各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連在同一個局域網內，確保這兩臺電腦能順利地將自己的系統時間信息發(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任務不同，前者執(zhí)行時間數據采集、發(fā)送程序，通過局域網不斷向計算機C發(fā)送自己的系統時間；后者執(zhí)行時間數據接收、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時間數據，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兩臺計算機系統時間采樣的總時長和采樣間隔進行設置，如圖6所示。如每秒捕獲一次兩臺計算機的系統時間，采樣時間間隔設為1 000 ms；對兩臺計算機采集兩小時的系統時間數據，則采樣總時長設為7 200 s。

5 實驗與結論

將計算機A，B，C和NTP服務器組網后，通過計算機A，B將系統時間傳送到計算機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的系統時間與NTP服務器對齊，保證他們開始時間是同步的。采集結束后，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，此時認為兩臺計算機系統時間發(fā)生偏離，需要進行校正。

通過數據發(fā)現，當兩臺計算機時間發(fā)生偏離時經歷了4 292 s時，為了留有冗余，將NTP服務器設置為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，其結果如圖8所示。當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時間一樣，偏差回到了零點，校時成功。

參考文獻

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