楊文軍，郝龍飛

(1.中國科學(xué)院國家天文臺新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011;2.中國科學(xué)院國家天文臺云南天文臺，云南 昆明 650011)

VLBI是甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry)的英文縮寫，它是當(dāng)前天文觀測使用的一項高分辨率、高測量精度的觀測技術(shù)，在天體物理、大地測量、地球物理、深空探測等方面應(yīng)用極為廣泛。一個完整的VLBI測量系統(tǒng)通常由兩個或兩個以上的VLBI觀測站和一個數(shù)據(jù)處理中心組成。VLBI觀測站的主要設(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間比對系統(tǒng)等，如圖1［1］。VLBI數(shù)據(jù)處理中心相關(guān)器一般是由專用的VLBI相關(guān)處理機(jī)和高速的通用計算機(jī)群組成。

VLBI高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實際上是VLBI終端數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，它在整個VLBI技術(shù)中起著舉足輕重的作用，它將來自接收機(jī)的中頻信號通過基帶轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為基帶信號，然后經(jīng)過削波、采樣、格式化和模擬/數(shù)字變換，把基帶信號記錄到磁帶或硬盤上，觀測結(jié)束后，再把磁帶或硬盤寄到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和相關(guān)處理。

圖1 甚長基線干涉測量示意圖Fig.1 A schematic diagram of VLBI

1 VLBI終端的發(fā)展歷史

1.1 VLBI終端發(fā)展經(jīng)過

最早一次VLBI試驗是由美國佛羅里達(dá)大學(xué)的一個研究小組在1965年進(jìn)行的，目的是研究木星的無線電爆發(fā)。1967年末，研究人員第一次采用氫原子鐘進(jìn)行VLBI觀測。從1968年到1969年底，在美國進(jìn)行了一系列的頻率切換VLBI試驗。通過試驗，證明了對VLBI所進(jìn)行的一系列理論分析是正確的，同時，展示了VLBI技術(shù)的前景［2］。人們把這次試驗所用的儀器稱為Mark 1系統(tǒng)。1971年研制了第2代VLBI系統(tǒng)，稱為Mark2系統(tǒng)，1975年，又在Haystack天文臺研制了第3代系統(tǒng)，稱為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)備見圖2)。

1.2 不同時代記錄系統(tǒng)的特點

(1)Mark 1時代

1967～1979年，采用1/2英寸計算機(jī)磁帶，800BPI(每英寸比特)，記錄速率720 kb/s，大型計算機(jī)(IBM 360-50/-75/-91/-95)作為相關(guān)器，進(jìn)行了米波VLBI觀測，主要測量源的流量和結(jié)構(gòu)。還進(jìn)行了脈沖星VLBI觀測，觀測到了Crab Nebula(蟹狀星云)，而Mark 1在當(dāng)時用去了大量的磁帶。

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:28路磁道;在所有磁道上并行記錄;計算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集。初始測試在1977年，運作在1980年。1980～1981年，NASA與NGS和Haystack一起加入了第1個專注于測地的VLBI臺站聯(lián)盟，這就是“北極星網(wǎng)絡(luò)”的開始，以后VLBI也逐漸被公眾認(rèn)知。

(4)Mark 4時代

1990年開始進(jìn)入Mark 4時代，更大的數(shù)據(jù)帶寬，更高的靈敏度，精確的時間表(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，主要是磁頭昂貴、磁帶的花費多、記錄儀的機(jī)械問題、磁帶的運輸問題以及臺站可靠性等等。

(5)Mark 5時代

到21世紀(jì)初，開始進(jìn)入了Mark 5時代［3］。2個硬盤陣列，每個陣列有8個硬盤(典型的為每個硬盤250 G，共8×250=2 T，目前已到8 T)。因為Mark 5硬件較適合于實現(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。Mark5時代又經(jīng)歷了Mark 5A、Mark 5B、Mark 5B+、Mark 5C等記錄系統(tǒng)(見表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時代的到來，推動了e-VLBI技術(shù)的迅速發(fā)展，通過因特網(wǎng)將觀測數(shù)據(jù)實時傳到數(shù)據(jù)處理中心，通過高速通用計算機(jī)群在很短時間便可以相關(guān)出干涉條紋，再經(jīng)過后處理，得出觀測結(jié)果。在中國嫦娥1號和2號衛(wèi)星的觀測中也使用了e-VLBI技術(shù)。在未來深空探測中，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)計算能力的計算機(jī)處理海量的天文觀測數(shù)據(jù)，所以從某種意義上說，是天文學(xué)的發(fā)展帶動了計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，而計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展反過來又推動了天文技術(shù)不斷的進(jìn)步。伴隨計算機(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，時間與設(shè)備價格的函數(shù)圖。例如，對于Mark 1，其記錄速率在720 Kbps時，價格5萬美元，而要達(dá)到1 Gbps的記錄速率，則Mark 1的價格要7000萬美元左右。

圖3 記錄速率與時間函數(shù)圖Fig.3 Progress in recording rate

圖4 記錄速率在1 Gbps時價格與時間函數(shù)圖Fig.4 Progress in K$/Gbps

圖5是終端帶寬在1 GHz時，時間與設(shè)備價格的函數(shù)圖。例如，Mark 1模擬下變頻器帶寬在360 KHz時，其價格1 800美元，而當(dāng)帶寬達(dá)到1 GHz時，價格則高達(dá)500萬美元;Mark 3 BBC的帶寬在16 MHz(每個BBC有兩個通道各8 MHz)時，其價格25000美元，而帶寬要到達(dá)1 GHz時，其價格高達(dá)150萬美元;Mark 4(每個BBC有兩個通道各16 MHz)的價格也高達(dá)80萬美元。對于現(xiàn)代數(shù)字終端其價格則更便宜。

1.3 中國VLBI終端的發(fā)展歷程

圖5 終端帶寬1 G時價格與時間函數(shù)圖Fig.5 Progress in backend-bandwidth price

20世紀(jì)70年代，中國科學(xué)院上海天文臺葉叔華院士，根據(jù)國際上VLBI發(fā)展的信息認(rèn)為，VLBI技術(shù)將對天文學(xué)研究具有重要作用，提出了建立中國VLBI網(wǎng)(CVN網(wǎng))的建議［4］，得到了中國科學(xué)院和天文界專家的支持，該建議計劃進(jìn)行大地測量學(xué)、地球動力學(xué)、天體測量和天文VLBI等方面的應(yīng)用。1979年上海天文臺實驗VLBI系統(tǒng)研制成功，1981年6 m天線的VLBI實驗系統(tǒng)與前西德100 m天線在21 cm波段進(jìn)行VLBI測量獲得成功。1987和1993年分別在上海佘山和烏魯木齊南山各建造了一臺25 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡。之后兩臺站都相繼成為歐洲EVN網(wǎng)和美國IVS網(wǎng)的重要成員，每年都要進(jìn)行大量的VLBI國際聯(lián)測［5］。在當(dāng)時，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)備升級到了Mark 5A記錄系統(tǒng)，并且很快投入VLBI國際聯(lián)測，取得了較好的觀測結(jié)果。1999年，昆明的3 m流動VLBI站建造在一輛卡車上，主要用來進(jìn)行測地 VLBI觀測［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)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的相關(guān)器和軟件相關(guān)器在上海天文臺研制成功并支持實時相關(guān)。至此，中國CVN網(wǎng)(圖6)進(jìn)入了一個新階段［6］。目前 CVN網(wǎng)由北京、上海、昆明和烏魯木齊的4臺望遠(yuǎn)鏡以及位于上海天文臺的數(shù)據(jù)處理中心組成。這樣一個網(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)首次運用于我國的探月工程，VLBI系統(tǒng)作為探月工程測控系統(tǒng)的子系統(tǒng)，其具體任務(wù)就是獲得衛(wèi)星的VLBI測量數(shù)據(jù)，包括時延、時延率和衛(wèi)星的角位置，并參與軌道的確定和預(yù)報等。通過各方的努力和協(xié)作，最終圓滿完成了嫦娥1號精確定軌和繞月觀測任務(wù)。2010年又順利完成嫦娥2號的繞月觀測任務(wù)。2011年6月9日開始進(jìn)行另一項重要的拓展性試驗，飛往距地球150萬千米以外的深空(L2點)進(jìn)行探測。除此之外，CVN網(wǎng)還承擔(dān)了中國陸態(tài)網(wǎng)的聯(lián)測任務(wù)。

圖6 中國CVN網(wǎng)Fig.6 Chinese CVN NET

在嫦娥2號任務(wù)中，4個臺站使用的終端系統(tǒng)都是由上海天文臺自行研制開發(fā)的中國數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(Chinese Data Acquirment System，CDAS)和美國的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)信號經(jīng)過射頻接收機(jī)后變?yōu)橹蓄l(IF);中頻信號在經(jīng)抗混疊濾波器后，由高速ADC數(shù)字化;然后通過數(shù)字信號處理(Digital Signal Process)模塊，實現(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，每路帶寬達(dá)512 MHz。模擬和數(shù)字自動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。32路子通道輸出，每個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，上海天文臺已經(jīng)開始建設(shè)65 m大型射電望遠(yuǎn)鏡。新疆天文臺110 m的大型射電望遠(yuǎn)鏡項目正在申報國家立項階段。另外，在我國貴州正在建設(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觀測功能。相信在未來，中國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)展也必將推動中國天文事業(yè)和航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展。

2 未來的VLBI數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)——Mark 6數(shù)據(jù)系統(tǒng)

Mark 6數(shù)據(jù)系統(tǒng)是由Haystack天文臺作為下一代基于硬盤VLBI數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)的一套終端記錄系統(tǒng)。它被設(shè)計用作支持記錄速率16 Gbps并且能持續(xù)記錄數(shù)據(jù)到硬盤陣列中。始于2011年1月在Haystack天文臺和新罕布什爾州Nashua(納舒厄)市的XCube通訊股份有限公司之間作為一個合作計劃而開展的工作，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個硬盤;回放的零基線數(shù)據(jù)已經(jīng)成功在Haystack天文臺的DiFX相關(guān)器上相關(guān)出來。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

2.1 Mark 6系統(tǒng)的一些特性

(1)充分以商業(yè)的成品硬件為基礎(chǔ)，1～4個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個硬盤); ～32Gbps成組模式捕獲(沒有進(jìn)行充分測試)。

(3)支持費用不高的日用SATA硬盤(但必須保證硬盤是合格的)。

(4)從控制器到硬盤陣列的eSATA電纜連接(每個電纜4個硬盤)，對電纜順序沒有特別要求。

(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硬盤以維持目標(biāo)數(shù)據(jù)速率。

(7)可以使用XTube硬盤模式(類似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VLBI規(guī)劃:

VLBI2010——當(dāng)前計劃16 Gbps/臺站，可能擴(kuò)展到32 Gbps/臺站。

mm-VLBI——當(dāng)前計劃16 Gbps/臺站，在未來幾年將擴(kuò)展到64 Gbps/臺站。

圖8［9］是Mark 6系統(tǒng)機(jī)架，主要有5 MHz分配器、4個XCube公司的8磁盤的模塊、Mark 6控制器、2個RDBE系統(tǒng)、4個上/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

2.2 Mark 6 VSI-S的部分性能

(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，每個卷包含一個或多個物理磁盤模塊。

◆多個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?！毙问焦芾恚菰S同時連接多個卷。

◆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，支持自動切換到下一個卷的卷堆棧中;切換在兩個掃描之間進(jìn)行。

(4)磁盤記錄過程中的磁盤信息統(tǒng)計，可以用來方便地通過磁盤序列號找出慢/故障磁盤。

(5)當(dāng)模塊連接至Mark 6時能夠自檢。

2.3 Mark 6 進(jìn)展情況

(1)Mark 6 VSI-S規(guī)格已經(jīng)編寫完成，部分已實施。

(2)較小軟件修訂以支持幾個VLBI細(xì)節(jié)問題:

◆永久的模塊序列號。

◆收集單個的磁盤性能統(tǒng)計信息。

◆在另一個模塊上進(jìn)行操作時(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。

◆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Mark 6 16 Gbps的VLBI試驗在美國Westford和GGAO兩個天線之間進(jìn)行(見圖11)，并成功獲取條紋。

圖11 利用Mark 6進(jìn)行16 Gbps VLBI實驗Fig.11 Demonstration of VLBI observation at 16Gbps

2.4 未來計劃

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)。測試Conduant公司標(biāo)準(zhǔn)硬件，集成完整的硬件系統(tǒng)并對系統(tǒng)進(jìn)行完全和充分的測試。

3 展望

40年來VLBI技術(shù)一直在不斷發(fā)展和成熟，它對天文領(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，成本費用卻在不斷降低，利用超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理和運算能力的計算機(jī)群處理海量的天文數(shù)據(jù)，極大地縮短了處理時間，強(qiáng)大的技術(shù)手段更加有力于人類對天文學(xué)的研究和探索。Mark 6系統(tǒng)的推出無疑會將VLBI終端技術(shù)推上了一個新的高度，它對VLBI2010計劃(實現(xiàn)全球基線測量達(dá)到1 mm的高精度)和mm-VLBI計劃的實施有著非常重要的意義。天文技術(shù)不斷的發(fā)展和創(chuàng)新也必將加快人類探索宇宙的步伐。

致謝:感謝美國Haystack天文臺的Alan Whitney先生對作者提出的技術(shù)問題給予耐心和詳細(xì)的回答。

［1］林克雄.甚長基線干涉測量技術(shù) ［M］.北京:宇航出版社，1985.

［2］Tom Clark.IVS technical operations workshop ［R/OL］.［2011-11-20］.http://ivs.nict.go.jp/mirror/meetings/tow2005.

［3］Alan Whitney.IVS technical operations workshop ［R/OL］.［2011-11-20］.http://ivs.nict.go.jp/mirror/meetings/tow2011.

［4］蔣棟榮，洪曉瑜.甚長基線干涉測量技術(shù)在深空導(dǎo)航中的應(yīng)用 ［J］.科學(xué)，2008，60(1):10－14.

［5］洪曉瑜.VLBI技術(shù)的發(fā)展和“嫦娥工程”中的應(yīng)用［J］.自然雜志，2007，29(5):297－299.Hong Xiaoyu.VLBI techniques and application in the chang’e lunar orbiter［J］.Chinese Journal of Nature，2007，29(5):297－299.

［6］Hao Longfei，Wang Min，Yang Jun.VLBI observations with the Kunming 40-meter radio telescope［J］.Research in Astronomy and Astrophysics，2010，10(8):805 －814.

［7］朱人杰，張秀忠，韋文仁，等.我國新一代VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器研制進(jìn)展 ［J］.天文學(xué)進(jìn)展，2011，29(2):207－217.Zhu Renjie，Zhang Xiuzhong，Wei Wenren，et al.The progress of modern chinese data acquisition system ［J］.Progress in Astronomy，2011，29(2):207－217.

［8］Alan Whitney，David Lapsley.Mark 6 16Gbps VLBI data system ［R］.International e-VLBI workshop，2011.

［9］Alan Whitney，David Lapsley.Mark 6 moeo series［EB/OL］.［2011-11-20］.http://www.haystack.edu/tech/vlbi/mark6/memo.html.