VHF天线阵列时频系统构建及授时策略研究
刘俊卿 董亮 汪敏 郭少杰
摘 要： 介绍了VHF天线阵的时间频率系统构架，包括标准10 MHz信号和采样器所需时钟驱动的产生，以及基于GPS网络授时两个不同采样控制计算机中的时间比较方案，以确保接收采样数据的两台计算机的系统时间相同，从而保证存储数据的时标准确。授时策略研究基于LabVIEW图形化编程平台，编写时间对比软件，该软件获取需要校时两台计算机的系统时间，经过分析对比确定两台计算机出现时间偏差的时长。最终实验结果表明该方法能自动校准局域网内计算机的系统时间，精度能达到 0.1 s以下。
关键词： 天线阵列； GPS； 网络授时； 时频系统
中图分类号： TN820.1+5?34 文献标识码： A 文章编号： 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
频率在80 MHz以下的VHF（Very High Frequency）频段射电辐射在太阳系内提供了大量关于太阳和行星射电爆发的信息，有很多天文现象只有在VHF频段才能探测到。VHF波段具有丰富的天文现象和辐射，由于VHF的观测较少，在这个波段发现没有预料到的全新现象的可能性不可低估。
天线阵列的灵敏度和分辨率主要取决于阵列的总接收面积和阵列的几何尺度[1]，作为关键技术研究，拟在中国科学院云南天文台凤凰山本部和云南大学呈贡校区首先建立两个实验列阵，两个列阵相距22 km，每个子站含有16个阵元。每个阵元接收[x，y]两个方向的极化信号，采样数字化后合成波束，来自各个站的数字信号送到中心处理机进行相关处理，需保证由不同子站接收的两信号是宇宙中同一时刻传來的信号，因此每个子站需要将接收的信号打上时标。关于接收信号的时间同步以及对模拟信号的数字采集都涉及到整个天线阵列的时频控制系统，通过GPS授时的方法可以将GPS时间授予位于不同位置的天线子站。
1 数据接收与采集系统
天线接收到的信号经接收机放大、滤波，通过同轴电缆传输到后面的数据采集板。采集板的核心是AD6657?200 MPSP，四通道A/D转换器，该采集板与FPGA信号处理板（HSC?ADC?EVALCZ）相连接，HSC?ADC?EVALCZ起到控制采集、预处理数据等作用。
AD6657与HSC?ADC?EVALCZ典型的工作模型如图1所示，需要采集的模拟信号分别接入AD6657四个通道，同时接入200 MHz时钟信号[2]，采集后的信号传输到HSC?ADC?EVALCZ通过USB 2.0端口与PC电脑相连[3]。在PC上可以通过软件VisualAnalog控制数据采集板进行采集，HSC?ADC?EVALCZ板进行FFT变换和积分等运算。
构建的系统框图
初步的实验阵列有4个阵元，每个阵元输出2个方向的极化信号。因此一个子阵有8路模拟信号分别接到两套AD6657进行数据的采样和存储。两套AD6657的时钟信号由GPS驯服钟（GPSDO）提供。
2 相关处理机的数据处理流程
每个子站经过数据接收与采集后送至相关处理中心进行数据相关处理，在相关处理机上的数据处理主要包括：时延补偿、条纹旋转、相乘和积分、傅里叶变换。
首先对某一路数据进行时延补偿，它的目的是将两路信号对准同一波前。进入相关处理机的第[i]路数据[vi（t）]的时延补偿值为[δi]则：
[δi=τg+τ相对论+τ站位移+τ介质时延+τ钟差+…]
式中：[τg]为几何时延，是造成时延的主要因素；其他各项为时延的相对论效应改正、站位移、介质传播、钟差等因素产生的时延。
相关处理的第一步是将子站存储的数据进行时延补偿，通过使用多个时延通道，尝试不同时延值的方法进行条纹搜索，确定最佳的时延值。在这个过程中，为了使条纹搜索更加简洁快速，应尽量保证用于搜索的兩路子站信号的时间标记误差尽量小，因此要求每个子站用于数据存储的计算机有较小的系统时间误差。本文介绍的授时策略通过把需要校时的计算机和GPS授时服务器组成局域网，实现所有信号采样计算机的系统时间一致。因为网络传输、授时软件需要反应时间，授予两台计算机的时间有几十毫秒误差。所以本文后面部分提供的方法以偏差100 ms为限对局域网内的计算机进行时间校准，使采样计算系统时间尽可能保持一致。
3 天线阵列时频系统
时间频率系统是每个子站的重要组成部分，它提供子站基准频率和时间，其系统架构如图2所示。
时频系统的功能主要有以下几个方面：
（1） 采样控制计算机需要外部时钟进行授时，由NTP Server时间服务器通过网络接口提供；
（2） 采样电路需要精准的外部参考信号作为采集驱动，由GPSDO时钟产生的10 MHz经锁相环倍频至200 MHz时钟驱动。
在此频段（55～65 MHz）对ADC驱动的稳定性要求如下：时钟驱动信号的阿兰方差为[σy，]由于频率不稳定性引起的相位误差[4]小于1 rad，即：
[2πfτσy≤1 rad?σy≤12πfτ]
式中：[f]为工作频率；[τ]为积分时间；[σy]为阿兰方差。
取[f=60] MHz，[τ=1] s时，需要[σy≤2.65×10-9；]当[τ=][100] s时，需要[σy≤2.65×10-11]。经实测GPSDO时钟阿兰方差数据如表1所示。
上述GPSDO的测量参数在积分时间小于800 s时满足观测需求。GPSDO提供秒脉冲信号，为ADC芯片提供同步信号。
4 GPS授时策略
数据采集系统收到天线传来的信号会对其进行预处理，然后将数据加上时标并打包存储以便后期实现对不同子站的干涉测量。数据采集系统使用连接PC的系统时间给接收的数据加上时标。为了使后期进行干涉的信号是两站同一时刻接收的信号，需要保证两站PC的系统时间保持同步。本系统通过组建局域网对各PC进行GPS授时的方法保证每台电脑系统时间同步。
4.1 GPS授时网络
不同计算机经过长时间运行，内部晶振会有一定偏差导致系统时间不一致，通过获取GPS信号将精确的时钟信号通过网络授予给各个计算机，使各台计算机系统时间始终保持一致。该网络主要由GPS天线、NTP（Network Time Protocol）服务器、路由器和需要时间同步的计算机组成，如图3所示。
GPS天线将信号传送到NTP服务器得到标准时间，NTP服务通过路由器与需要校时的计算机A和计算机B相连，两台计算机通过NTP服务器客户端即可获得GPS时间。
4.2 GPS授时间隔确定
将PC与相连的NTP服务器设置在同一网段后，就可以在PC上通过NTP服务器客户端在规定时间段自动获取GPS时间，因此可以实现局域网内所有PC都保持和NTP服务器时间相同，保证每台PC的系统时间一样。每台PC配置和使用情况不同，不同PC之间系统时间发生偏差的时刻也不尽相同，需要确定接收数据的两台PC发生系统偏差的时间，从而确定NTP时间服务器向各PC授时的最佳时间间隔。
通过LabVIEW软件编写的时间读取软件可以获取两台PC的系统时间，并将各自的时间发送到第三台PC存储在txt文件里。当程序运行完指定时间，就可以在第三台电脑上对比出两台电脑在这段时间内在某个时刻发生时间偏差。在程序运行前将第三台电脑与需要做时间对比的计算机A和计算机B连在同一个局域网内，确保这两台电脑能顺利地将自己的系统时间信息发送到第三台计算机C上。为了比较出两台电脑何时发生时间偏差，先用NTP服务器客户端给两台电脑授时，确保一开始两台电脑的时间处于同一“起跑线”上。
计算机A，B和计算机C任务不同，前者执行时间数据采集、发送程序，通过局域网不断向计算机C发送自己的系统时间；后者执行时间数据接收、存储、比对程序，不断接收来自A，B计算机发来的系统时间并存储、比对。
两个程序的流程图分别如图4，图5所示。为了能顺利接收到两台计算机的系统时间数据，在运行计算机C的程序时必须先运行计算机A，B的程序，保证A，B两计算机TCP连接已建立。在运行计算机C程序前需要在LabVIEW程序前面板对A，B两台计算机系统时间采样的总时长和采样间隔进行设置，如图6所示。如每秒捕获一次两台计算机的系统时间，采样时间间隔设为1 000 ms；对两台计算机采集两小时的系统时间数据，则采样总时长设为7 200 s。
5 实验与结论
将计算机A，B，C和NTP服务器组网后，通过计算机A，B将系统时间传送到计算机C并保存为txt文件。本次实验每1秒钟采集一次A，B计算机的系统时间，一共采集6 874 s。在运行程序前首先将计算机A，B的系统时间与NTP服务器对齐，保证他们开始时间是同步的。采集结束后，将两台计算机的时间作差，通过曲线拟合得到他们的时间偏差趋势。如图7所示，在采集的6 874 s时间内两台计算机开始的时间偏差几乎为零。随着时间的推移，两台计算机的时间偏差呈线性增大。在4 292 s附近两台计算机偏差近0.1 s，此时认为两台计算机系统时间发生偏离，需要进行校正。
通过数据发现，当两台计算机时间发生偏离时经历了4 292 s时，为了留有冗余，将NTP服务器设置为3 600 s为两台计算机授时一次，并对两台计算机做第二次时间采集，其结果如图8所示。当两台计算机时间偏差在0.1 s附近时，通过校时使两台计算机系统时间一样，偏差回到了零点，校时成功。
参考文献
[1] VAN TREES H L.最优阵列处理技术[M].汤俊，译.北京：清华大学出版社，2008.
[2] Analog Devices， Inc. Evaluating the AD6642/AD6657 analog?to?digital converters [EB/OL]. [2013?07?13]. http：//www.analog.com/media/cn/technical?documentation/user?guides/UG?232.pdf.
[3] Farnell Company. High speed converter evaluation platform HSC?ADC?EVALC [EB/OL]. [2011?11?03]. http：//farnell.com/datasheets/1726346.pdf.
[4] 钱志瀚，李金嶺.甚长基线干涉测量技术在深空探测中的应用[M].北京：中国科学技术出版社，2012.
[5] ROMENEY J D. Cross correlators [R]. Socoro： National Radio Astronomy Observatory， 1999.
[6] OBEROI D， KASPER J C. LOFAR： the potential for solar and space weather studies [J]. Planetary and space science， 2004， 52（15）： 1415?1421.
[7] COHEN A S， LANE W M， KASSIM N E， et al. The VLA low?frequency sky survey [J]. Astronomische nachrichten， 2007， 327（2/3）： 262?265.
[8] BERNARDI G， GREENHILL L J， MITCHELL D A， et al. A 189 MHz， 2400 square degree polarization survey with the Murchison widefield array 32?element prototype [J]. Astrophysical journal， 2013， 771： 332?341.
[9] POBER J C， PARSONS A R， DEBOER D R， et al. The baryon acoustic oscillation broadband and road?beam array： design overview and sensitivity forecasts [J]. Astronomical journal， 2013， 145： 877?882.
[10] LANTOS P. Low frequency observations of the quiet sun： a review [C]// Proceedings of 1998 Nobeyama Symposium on Solar Physics with Radio Observations. Kiyosato： NRO， 1998： 11?24.
摘 要： 介绍了VHF天线阵的时间频率系统构架，包括标准10 MHz信号和采样器所需时钟驱动的产生，以及基于GPS网络授时两个不同采样控制计算机中的时间比较方案，以确保接收采样数据的两台计算机的系统时间相同，从而保证存储数据的时标准确。授时策略研究基于LabVIEW图形化编程平台，编写时间对比软件，该软件获取需要校时两台计算机的系统时间，经过分析对比确定两台计算机出现时间偏差的时长。最终实验结果表明该方法能自动校准局域网内计算机的系统时间，精度能达到 0.1 s以下。
关键词： 天线阵列； GPS； 网络授时； 时频系统
中图分类号： TN820.1+5?34 文献标识码： A 文章编号： 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
频率在80 MHz以下的VHF（Very High Frequency）频段射电辐射在太阳系内提供了大量关于太阳和行星射电爆发的信息，有很多天文现象只有在VHF频段才能探测到。VHF波段具有丰富的天文现象和辐射，由于VHF的观测较少，在这个波段发现没有预料到的全新现象的可能性不可低估。
天线阵列的灵敏度和分辨率主要取决于阵列的总接收面积和阵列的几何尺度[1]，作为关键技术研究，拟在中国科学院云南天文台凤凰山本部和云南大学呈贡校区首先建立两个实验列阵，两个列阵相距22 km，每个子站含有16个阵元。每个阵元接收[x，y]两个方向的极化信号，采样数字化后合成波束，来自各个站的数字信号送到中心处理机进行相关处理，需保证由不同子站接收的两信号是宇宙中同一时刻传來的信号，因此每个子站需要将接收的信号打上时标。关于接收信号的时间同步以及对模拟信号的数字采集都涉及到整个天线阵列的时频控制系统，通过GPS授时的方法可以将GPS时间授予位于不同位置的天线子站。
1 数据接收与采集系统
天线接收到的信号经接收机放大、滤波，通过同轴电缆传输到后面的数据采集板。采集板的核心是AD6657?200 MPSP，四通道A/D转换器，该采集板与FPGA信号处理板（HSC?ADC?EVALCZ）相连接，HSC?ADC?EVALCZ起到控制采集、预处理数据等作用。
AD6657与HSC?ADC?EVALCZ典型的工作模型如图1所示，需要采集的模拟信号分别接入AD6657四个通道，同时接入200 MHz时钟信号[2]，采集后的信号传输到HSC?ADC?EVALCZ通过USB 2.0端口与PC电脑相连[3]。在PC上可以通过软件VisualAnalog控制数据采集板进行采集，HSC?ADC?EVALCZ板进行FFT变换和积分等运算。
构建的系统框图
初步的实验阵列有4个阵元，每个阵元输出2个方向的极化信号。因此一个子阵有8路模拟信号分别接到两套AD6657进行数据的采样和存储。两套AD6657的时钟信号由GPS驯服钟（GPSDO）提供。
2 相关处理机的数据处理流程
每个子站经过数据接收与采集后送至相关处理中心进行数据相关处理，在相关处理机上的数据处理主要包括：时延补偿、条纹旋转、相乘和积分、傅里叶变换。
首先对某一路数据进行时延补偿，它的目的是将两路信号对准同一波前。进入相关处理机的第[i]路数据[vi（t）]的时延补偿值为[δi]则：
[δi=τg+τ相对论+τ站位移+τ介质时延+τ钟差+…]
式中：[τg]为几何时延，是造成时延的主要因素；其他各项为时延的相对论效应改正、站位移、介质传播、钟差等因素产生的时延。
相关处理的第一步是将子站存储的数据进行时延补偿，通过使用多个时延通道，尝试不同时延值的方法进行条纹搜索，确定最佳的时延值。在这个过程中，为了使条纹搜索更加简洁快速，应尽量保证用于搜索的兩路子站信号的时间标记误差尽量小，因此要求每个子站用于数据存储的计算机有较小的系统时间误差。本文介绍的授时策略通过把需要校时的计算机和GPS授时服务器组成局域网，实现所有信号采样计算机的系统时间一致。因为网络传输、授时软件需要反应时间，授予两台计算机的时间有几十毫秒误差。所以本文后面部分提供的方法以偏差100 ms为限对局域网内的计算机进行时间校准，使采样计算系统时间尽可能保持一致。
3 天线阵列时频系统
时间频率系统是每个子站的重要组成部分，它提供子站基准频率和时间，其系统架构如图2所示。
时频系统的功能主要有以下几个方面：
（1） 采样控制计算机需要外部时钟进行授时，由NTP Server时间服务器通过网络接口提供；
（2） 采样电路需要精准的外部参考信号作为采集驱动，由GPSDO时钟产生的10 MHz经锁相环倍频至200 MHz时钟驱动。
在此频段（55～65 MHz）对ADC驱动的稳定性要求如下：时钟驱动信号的阿兰方差为[σy，]由于频率不稳定性引起的相位误差[4]小于1 rad，即：
[2πfτσy≤1 rad?σy≤12πfτ]
式中：[f]为工作频率；[τ]为积分时间；[σy]为阿兰方差。
取[f=60] MHz，[τ=1] s时，需要[σy≤2.65×10-9；]当[τ=][100] s时，需要[σy≤2.65×10-11]。经实测GPSDO时钟阿兰方差数据如表1所示。
上述GPSDO的测量参数在积分时间小于800 s时满足观测需求。GPSDO提供秒脉冲信号，为ADC芯片提供同步信号。
4 GPS授时策略
数据采集系统收到天线传来的信号会对其进行预处理，然后将数据加上时标并打包存储以便后期实现对不同子站的干涉测量。数据采集系统使用连接PC的系统时间给接收的数据加上时标。为了使后期进行干涉的信号是两站同一时刻接收的信号，需要保证两站PC的系统时间保持同步。本系统通过组建局域网对各PC进行GPS授时的方法保证每台电脑系统时间同步。
4.1 GPS授时网络
不同计算机经过长时间运行，内部晶振会有一定偏差导致系统时间不一致，通过获取GPS信号将精确的时钟信号通过网络授予给各个计算机，使各台计算机系统时间始终保持一致。该网络主要由GPS天线、NTP（Network Time Protocol）服务器、路由器和需要时间同步的计算机组成，如图3所示。
GPS天线将信号传送到NTP服务器得到标准时间，NTP服务通过路由器与需要校时的计算机A和计算机B相连，两台计算机通过NTP服务器客户端即可获得GPS时间。
4.2 GPS授时间隔确定
将PC与相连的NTP服务器设置在同一网段后，就可以在PC上通过NTP服务器客户端在规定时间段自动获取GPS时间，因此可以实现局域网内所有PC都保持和NTP服务器时间相同，保证每台PC的系统时间一样。每台PC配置和使用情况不同，不同PC之间系统时间发生偏差的时刻也不尽相同，需要确定接收数据的两台PC发生系统偏差的时间，从而确定NTP时间服务器向各PC授时的最佳时间间隔。
通过LabVIEW软件编写的时间读取软件可以获取两台PC的系统时间，并将各自的时间发送到第三台PC存储在txt文件里。当程序运行完指定时间，就可以在第三台电脑上对比出两台电脑在这段时间内在某个时刻发生时间偏差。在程序运行前将第三台电脑与需要做时间对比的计算机A和计算机B连在同一个局域网内，确保这两台电脑能顺利地将自己的系统时间信息发送到第三台计算机C上。为了比较出两台电脑何时发生时间偏差，先用NTP服务器客户端给两台电脑授时，确保一开始两台电脑的时间处于同一“起跑线”上。
计算机A，B和计算机C任务不同，前者执行时间数据采集、发送程序，通过局域网不断向计算机C发送自己的系统时间；后者执行时间数据接收、存储、比对程序，不断接收来自A，B计算机发来的系统时间并存储、比对。
两个程序的流程图分别如图4，图5所示。为了能顺利接收到两台计算机的系统时间数据，在运行计算机C的程序时必须先运行计算机A，B的程序，保证A，B两计算机TCP连接已建立。在运行计算机C程序前需要在LabVIEW程序前面板对A，B两台计算机系统时间采样的总时长和采样间隔进行设置，如图6所示。如每秒捕获一次两台计算机的系统时间，采样时间间隔设为1 000 ms；对两台计算机采集两小时的系统时间数据，则采样总时长设为7 200 s。
5 实验与结论
将计算机A，B，C和NTP服务器组网后，通过计算机A，B将系统时间传送到计算机C并保存为txt文件。本次实验每1秒钟采集一次A，B计算机的系统时间，一共采集6 874 s。在运行程序前首先将计算机A，B的系统时间与NTP服务器对齐，保证他们开始时间是同步的。采集结束后，将两台计算机的时间作差，通过曲线拟合得到他们的时间偏差趋势。如图7所示，在采集的6 874 s时间内两台计算机开始的时间偏差几乎为零。随着时间的推移，两台计算机的时间偏差呈线性增大。在4 292 s附近两台计算机偏差近0.1 s，此时认为两台计算机系统时间发生偏离，需要进行校正。
通过数据发现，当两台计算机时间发生偏离时经历了4 292 s时，为了留有冗余，将NTP服务器设置为3 600 s为两台计算机授时一次，并对两台计算机做第二次时间采集，其结果如图8所示。当两台计算机时间偏差在0.1 s附近时，通过校时使两台计算机系统时间一样，偏差回到了零点，校时成功。
参考文献
[1] VAN TREES H L.最优阵列处理技术[M].汤俊，译.北京：清华大学出版社，2008.
[2] Analog Devices， Inc. Evaluating the AD6642/AD6657 analog?to?digital converters [EB/OL]. [2013?07?13]. http：//www.analog.com/media/cn/technical?documentation/user?guides/UG?232.pdf.
[3] Farnell Company. High speed converter evaluation platform HSC?ADC?EVALC [EB/OL]. [2011?11?03]. http：//farnell.com/datasheets/1726346.pdf.
[4] 钱志瀚，李金嶺.甚长基线干涉测量技术在深空探测中的应用[M].北京：中国科学技术出版社，2012.
[5] ROMENEY J D. Cross correlators [R]. Socoro： National Radio Astronomy Observatory， 1999.
[6] OBEROI D， KASPER J C. LOFAR： the potential for solar and space weather studies [J]. Planetary and space science， 2004， 52（15）： 1415?1421.
[7] COHEN A S， LANE W M， KASSIM N E， et al. The VLA low?frequency sky survey [J]. Astronomische nachrichten， 2007， 327（2/3）： 262?265.
[8] BERNARDI G， GREENHILL L J， MITCHELL D A， et al. A 189 MHz， 2400 square degree polarization survey with the Murchison widefield array 32?element prototype [J]. Astrophysical journal， 2013， 771： 332?341.
[9] POBER J C， PARSONS A R， DEBOER D R， et al. The baryon acoustic oscillation broadband and road?beam array： design overview and sensitivity forecasts [J]. Astronomical journal， 2013， 145： 877?882.
[10] LANTOS P. Low frequency observations of the quiet sun： a review [C]// Proceedings of 1998 Nobeyama Symposium on Solar Physics with Radio Observations. Kiyosato： NRO， 1998： 11?24.
