CN108494401A - 射电观测阵列及时钟同步方法 - Google Patents
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Abstract
射电观测阵列系统，包括多个观测站和中心处理站，各个观测站均与中心处理站进行数据通信，中心处理站采用铷钟和/或恒温晶振输出时钟频率信号；观测站包采用恒温晶振输出频率信号；中心处理站时钟频率信号输出单元与各观测站连接；各观测站的时钟频率信号输出单元均与中心处理站连接；所述观测站进一步包括用于计算中心处理站时钟频率信号到观测站并从观测站返回至中心处理站时间的时间延时计算单元，以及用于对时间延时进行补偿的时间补偿单元。根据延时进行时间频率信号的修正。本发明采用铷钟和恒温晶振作为时钟频率源，只需要在中心处理站配置铷钟即可，不用每个观测站都配备一个，较现有技术中采用氢钟的方案相比，成本大幅降低。
Description
技术领域
本发明涉及射电观测技术领域，具体涉及一种射电观测系统阵列及阵列时钟同步方法。
背景技术
为了可以获得多角度、全方位的天体探测信号，天体探测系统同城采用天文射电观测阵列。射电观测阵列包括多个观测站和中心处理站，每个观测站采集的数据都传递至中心处理站，由中心处理站进行统一处理。由于每个观测站是独立工作的，每个观测站采集的数据都带有独立的时钟信号。而每个工作站的时钟配置会存在差异，在数据传输过程中，也会产生时钟差，且系统工作中还会有其他因素影响系统时钟。基于以上原因，由每个观测站传递到中心处理站的数据不能实现时钟同步，影响数据的处理。因而，需要对各观测站的数据进行同步处理。
目前针对射电天文观测的阵列的时钟同步采用的方式有：氢钟授时方法，线缆同步法，光缆传递射电信号同步采集方法等。其中氢钟授时方法，一个氢原子钟售价至少也需要百万，而且阵列中的每个接收装置都需要一个氢钟，方法成本昂贵；线缆同步法要求两个接收机之间的距离不能超过几十厘米，不适用于长距离数据传输，也就不适用于大范围射电观测；光缆传递射电信号同步法，采用光纤传递的射电模拟信号无法保证长距离的传递延时。现有技术中，尚没有一种成本低、同步精度高、使用远距离数据同步处理的射电观测系统和数据同步方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中，射电观测系统阵列时钟同步方法的不足，提供一种新型的具有同步功能的射电观测系统阵列，及成本低、精度高的时钟同步方法。
为了实现以上作用，本发明提供以下技术方案：
射电观测阵列系统，包括多个观测站和中心处理站，各个观测站均与中心处理站进行数据通信；
中心处理站包括用于输出时间基准信号的卫星同步时钟，用于产生时钟频率信号的时钟频率信号输出单元，时钟频率信号输出单元包括铷钟和/或恒温晶振，铷钟和/或恒温晶振与卫星同步时钟连接，以接收的卫星同步时钟输出的时间基准信号并作为驯服信号；
观测站包括用于输出时间基准信号的卫星同步时钟，用于产生时钟频率信号的时钟频率信号输出单元，所述时钟频率信号输出单元包括恒温晶振，所述恒温晶振与卫星同步时钟连接，以接收的卫星同步时钟输出的时间信号并作为驯服信号；
中心处理站时钟频率信号输出单元与各观测站连接；各观测站的时钟频率信号输出单元均与中心处理站连接；所述观测站进一步包括用于计算中心处理站时钟频率信号到观测站并从观测站返回至中心处理站时间的时间延时计算单元，以及用于对时间延时进行补偿的时间补偿单元。
作为优选：所述铷钟和恒温晶振产生的时钟频率信号频率相同。
作为优选：中心处理站的时钟频率信号输出单元包括铷钟和恒温晶振，进一步包括PLL锁相环路，以及用于对铷钟和恒温晶振输出信号进行模式修正的频率信号修正单元；所述铷钟和恒温晶振信号的输出端与频率信号修正单元连接，频率修正单元的输出端与PLL锁相环路的信号输入端连接，PLL锁相环路的信号输出端与观测站连接。
作为优选：观测站的时钟频率信号输出单元进一步包括PLL锁相环路，恒温晶振的输出端与PLL锁相环路的信号输入端连接，PLL锁相环路的信号输出端与中心处理站连接。
作为优选：观测站进一步包括用以对中心处理站输出到观测站的时钟频率信号及观测站输出的时钟频率信号进行频率信号修正信号修正单元，以及对修正后信号进行倍频处理的采样PLL锁相环路。
时间同步方法，采用上述的射电观测阵列，包括以下步骤：
中心处理站，采用卫星同步时钟产生的时间基准信号驯服时钟频率信号输出单元，使时钟频率信号输出单元产生时钟频率信号，并传递至各观测站，各观测站接收到时钟频率信号后同步反馈至中心处理站；
计算中心处理站产生的时钟频率信号从中心处理站到观测站再从观测站反馈至中心处理站的时间延时ΔT，将ΔT在相应的观测站上进行时间补偿，获得补偿时钟频率信号；
各个观测站，采用卫星同步时钟产生的时间基准信号驯服时钟频率信号输出单元，使时钟频率信号输出单元产生时钟频率信号；
将补偿时钟频率信号与观测站恒温晶振产生的时钟频率信号进行比较，得到时间频率相位差ΔP；
采用相位差ΔP修正观测站时钟频率信号输出单元输出的时钟频率信号和中心处理站传递至观测站的时钟频率信号，作为采样时钟信号。
作为优选：中心处理站铷钟和恒温晶振产生频率相同的时钟频率信号，并经频率信号修正单元修正后，进行倍频处理，倍频处理后的时钟频率信号作为时钟频率信号输出单元输出的时钟频率信号；观测站恒温晶振产生的时钟频率信号经倍频处理，倍频处理后的时钟频率信号作为时钟频率信号输出单元输出的时钟频率信号。
作为优选：中心处理站还向观测站发送时间基准信号，作为中心处理站和观测站的时间同步信号，采用ΔT和ΔP对时间同步信号进行修正。
作为优选：时间同步方法进一步包括以下步骤：设定时间同步修正阈值，判断观测站的时间延时ΔT和相位差ΔP的和是否小于时间同步修正阈值，若是，则不进行时间同步信号秀恒，若否，则进行时间同步信号修正。
作为优选：时间同步方法进一步包括以下步骤：进一步设定时钟频率信号修正阈值，判断观测站的时间延时ΔT和相位差ΔP的和是否小于时间频率信号修正阈值，若是，则不进行时钟频率信号修正，若否，则对中心处理站和观测站进行时钟频率信号修正。
本发明的有益效果为：
(1)本发明采用铷钟和恒温晶振作为时钟频率源，主要特点为成本低，一个铷钟成本在10万以内，只需要在中心处理站配置铷钟即可，不用每个观测站都配备一个，较现有技术中采用氢钟的方案相比，成本大幅降低。
(2)通过倍频和修正处理向结合的方式，提高了时间同步的精度。本发明时间同步精度比一般的同步方式精度高，能够满足高频观测需要。
附图说明
图1射电观测系统阵列结构示意图；
图2射电观测系统阵列结构示意图；
图3为时间同步处理流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种射电观测系统阵列，并针对射电观测系统阵列数据同步的问题，提供了一种数据同步方法。
射电观测阵列系统的基础结构如下：参考图1，包括多个观测站和中心处理站，各个观测站均与中心处理站进行数据通信。其中，多个观测站可被配置在不同的观测位置，通过天线接收天体的射电波信号，同时分别对天体进行观测，并将观测的数据实时的传递至中心处理站。中心处理站对接收到的数据进行统一的处理。
其中，每个观测站的具体配置如下：观测站包括前端信号调理模块、双通道ADC数据采集器、数据预处理器和数据处理器。前端信号调理模块的输入端与天线连接，输出端与双通道ADC数据采集器连接，其对各个观测站传输到中心处理站的数据进行放大、滤波和混频等处理，并将处理后的数据经ADC数据采集器传递至数据预处理器。数据预处理器对数据进行基频信号转换，FFT变换等操作，随后传递至数据处理器。数据处理器对数据进行复杂数据的校正等处理，最终获得数据被传递至中心处理站，存储用于天气观测、天文判定等作用。
对于多个观测站的排列形式，不做限制，可以采用T字形，也可以是Y字形，可以采用等长排列，也可以是距离成倍增加排列。
由于多个观测站的数据都在本地采集，各个观测站之间的时钟会存在差异，而中心处理站获得的数据需要时时钟同步数据，否则，将影响数据的后续使用。因此，需要观测站的数据采集同步。时钟同步的精度等级与观测站的采用频率有关。对于采样率为500MHz以上的时候，则需要的同步时间为纳秒级，目前通用的同步系统无法进行数据的有效采集，因为目前系统的同步精度通常为微秒级，这个级别的同步性能，对于高速信号而言，都是几个周期甚至几十个周期，无法完全同步，则会造成错误的成像数据。
为了可以解决数据同步的问题，射电观测阵列系统进一步包括如下的结构。
参考图2，中心处理站包括用于输出时间基准信号的卫星同步时钟，用于产生时钟频率信号的时钟频率信号输出单元，时钟频率信号输出单元包括铷钟和/或恒温晶振，铷钟和/或恒温晶振与卫星同步时钟连接，以接收的卫星同步时钟输出的时间基准信号并作为驯服信号；本实施例中，卫星同步时钟采用北斗或GPS或二者相结合的方式，采用3颗星以上既可以锁定。卫星同步时钟单元输出的为稳定的时间信号以及PPS信号，稳定的时间信号以及PPS信号将用来驯服时钟频率信号输出单元。本实施例中，时钟频率信号输出单元采用铷钟和恒温晶振，二者产生的时钟频率信号频率相同，本实施了中，二者均产生10MHz的时钟频率信号。
由于铷钟和恒温晶振产生的时钟频率信号可能会存在差异，为了解决这一问题，中心处理站进一步包括PLL锁相环路，以及用于对铷钟和恒温晶振输出信号进行模式修正的频率信号修正单元。其中，铷钟和恒温晶振信号的输出端与频率信号修正单元连接，频率信号修正单元对铷钟和恒温晶振产生的信号进行相关处理，将二者之间进行相位互补的模式修正，并经过分路后，产生稳定的10MHz时钟频率信号。频率修正单元的输出端与PLL锁相环路的信号输入端连接，PLL锁相环路对时钟频率信号进行倍频处理，生成100MHz的时钟频率信号，输出到观测站。
观测站包括用于输出时间基准信号的卫星同步时钟，用于产生时钟频率信号的时钟频率信号输出单元，所述时钟频率信号输出单元包括恒温晶振，所述恒温晶振与卫星同步时钟连接，以接收的卫星同步时钟输出的时间信号并作为驯服信号。本实施例中，卫星同步时钟采用北斗或GPS或二者相结合的方式。恒温晶振用以产生时钟频率信号，本实施例中，其产生的为稳定的10MHz时钟频率信号。观测站的时钟频率信号输出单元进一步包括PLL锁相环路，恒温晶振的输出端与PLL锁相环路的信号输入端连接，PLL锁相环路的信号输出端与中心处理站连接。PLL锁相环路用以对恒温晶振产生的时钟频率信号进行倍频处理，生成生成100MHz的时钟频率信号。
中心处理站时钟频率信号输出单元与各观测站连接；各观测站的时钟频率信号输出单元均与中心处理站连接；中心处理站将其产生的时钟频率信号输出到观测站。本实施例中，中心处理站通过光纤与各个观测站进行数据通信，尽量使中心处理站与各个观测站之间光纤的长度相等，避免由于线路传输长度造成的时间差。
所述观测站进一步包括用于计算中心处理站时钟频率信号到观测站并从观测站返回至中心处理站时间的时间延时计算单元，以及用于对时间延时进行补偿的时间补偿单元。还包括用以对中心处理站输出到观测站的时钟频率信号及观测站输出的时钟频率信号进行频率信号修正信号修正单元，以及对修正后信号进行倍频处理的采样PLL锁相环路。观测站PLL锁相环路输出的时钟频率信号将于中心处理站传输到观测站的时钟频率信号进行比较和修正，最终经采样PLL锁相环路处理后，输出采样时钟频率信号。
采用本发明所述的射电观测阵列系统可以对天文射电波信号进行同步采样观测，该系统成本低，同步精度高，采用其采集的数据进行天文研究，可以提高研究的可靠性。
针对上述的谁单观测阵列系统，本发明进一步提供一种时间同步方法。
时间同步方法，采用上述的射电观测阵列，包括以下步骤：
S1：中心处理站，采用卫星同步时钟产生的时间基准信号驯服时钟频率信号输出单元，使时钟频率信号输出单元产生时钟频率信号，并传递至各观测站，各观测站接收到时钟频率信号后同步反馈至中心处理站；具体到本实施例，中心处理站采用光纤将PLL锁相环路输出的100MHz的时钟频率信号分发至各个观测站，各个观测站都能接受到同一个100MHz的时钟频率信号。中心处理站铷钟和恒温晶振产生频率相同的时钟频率信号，并经频率信号修正单元修正后，进行倍频处理，倍频处理后的时钟频率信号作为时钟频率信号输出单元输出的时钟频率信号；观测站恒温晶振产生的时钟频率信号经倍频处理，倍频处理后的时钟频率信号作为时钟频率信号输出单元输出的时钟频率信号。
各观测站将收到的信号采用统一光纤同步发射回中心处理站。
在发送时钟频率信号的同时，中心处理站还向观测站发送时间基准信号，即卫星同步时钟产生的稳定时间信号或PPS信号。
S2：计算中心处理站产生的时钟频率信号从中心处理站到观测站再从观测站反馈至中心处理站的时间延时ΔT，将ΔT在相应的观测站上进行时间补偿，获得补偿时钟频率信号；对于每个观测站，需要分别计算时间延时。
S3：各个观测站，采用卫星同步时钟产生的时间基准信号驯服时钟频率信号输出单元，使时钟频率信号输出单元产生时钟频率信号；将补偿时钟频率信号与观测站恒温晶振产生的时钟频率信号进行相关处理，得到时间频率相位差ΔP。
S4：采用相位差ΔP修正观测站时钟频率信号输出单元输出的时钟频率信号和中心处理站传递至观测站的时钟频率信号，作为采样时钟信号。
更进一步的，在上述时间同步过程中，对于中心处理站向观测站发送的时间基准信号，被作为中心处理站和观测站的时间同步信号，该信号可能也需要修正，具体采用如下算法来判断其是否需要修正。设定时间同步修正阈值，例如，本实施了中，时间同步修正阈值被设定为1ms，判断观测站的时间延时ΔT和相位差ΔP的和是否小于时间同步修正阈值，若是，则不进行时间同步信号修正，若否，则进行时间同步信号修正。具体采用ΔT和ΔP对时间同步信号进行修正。如果观测站中有五分之一以上时间延时△T以及不同的相位差△p之和大于1ms甚至出现更坏的情况，则需要对光缆线路进行人工检查，再进行第S1。
更进一步的，在上述时间同步过程中，进一步设定时钟频率信号修正阈值，本实施例中，设定时钟频率信号修正阈值为10ms，判断观测站的时间延时ΔT和相位差ΔP的和是否小于时间频率，若是，则不进行时钟频率信号修正，若否，则对中心处理站和观测站进行时钟频率信号修正。
本发明提供的时间同步方法成本低，精度高，适用于天文射电观测系统。
Claims (10)
1.射电观测阵列系统，包括多个观测站和中心处理站，各个观测站均与中心处理站进行数据通信，其特征在于：
中心处理站包括用于输出时间基准信号的卫星同步时钟，用于产生时钟频率信号的时钟频率信号输出单元，时钟频率信号输出单元包括铷钟和/或恒温晶振，铷钟和/或恒温晶振与卫星同步时钟连接，以接收的卫星同步时钟输出的时间基准信号并作为驯服信号；
观测站包括用于输出时间基准信号的卫星同步时钟，用于产生时钟频率信号的时钟频率信号输出单元，所述时钟频率信号输出单元包括恒温晶振，所述恒温晶振与卫星同步时钟连接，以接收的卫星同步时钟输出的时间信号并作为驯服信号；
中心处理站时钟频率信号输出单元与各观测站连接；各观测站的时钟频率信号输出单元均与中心处理站连接；所述观测站进一步包括用于计算中心处理站时钟频率信号到观测站并从观测站返回至中心处理站时间的时间延时计算单元，以及用于对时间延时进行补偿的时间补偿单元。
2.如权利要求1所述的射电观测阵列，其特征在于：所述铷钟和恒温晶振产生的时钟频率信号频率相同。
3.如权利要求1所述的射电观测阵列，其特征在于：中心处理站的时钟频率信号输出单元包括铷钟和恒温晶振，进一步包括PLL锁相环路，以及用于对铷钟和恒温晶振输出信号进行模式修正的频率信号修正单元；所述铷钟和恒温晶振信号的输出端与频率信号修正单元连接，频率修正单元的输出端与PLL锁相环路的信号输入端连接，PLL锁相环路的信号输出端与观测站连接。
4.如权利要求1或3所述的射电观测阵列，其特征在于：观测站的时钟频率信号输出单元进一步包括PLL锁相环路，恒温晶振的输出端与PLL锁相环路的信号输入端连接，PLL锁相环路的信号输出端与中心处理站连接。
5.如权利要求4所述的射电观测阵列，其特征在于：观测站进一步包括用以对中心处理站输出到观测站的时钟频率信号及观测站输出的时钟频率信号进行频率信号修正信号修正单元，以及对修正后信号进行倍频处理的采样PLL锁相环路。
6.时间同步方法，采用权利要求1至权利要求5中任意一项所述的射电观测阵列，其特征在于，包括以下步骤：
中心处理站，采用卫星同步时钟产生的时间基准信号驯服时钟频率信号输出单元，使时钟频率信号输出单元产生时钟频率信号，并传递至各观测站，各观测站接收到时钟频率信号后同步反馈至中心处理站；
计算中心处理站产生的时钟频率信号从中心处理站到观测站再从观测站反馈至中心处理站的时间延时ΔT，将ΔT在相应的观测站上进行时间补偿，获得补偿时间频率信号；
各个观测站，采用卫星同步时钟产生的时间基准信号驯服时钟频率信号输出单元，使时钟频率信号输出单元产生时钟频率信号；
将补偿时间频率信号与观测站恒温晶振产生的时钟频率信号进行比较，得到时间频率相位差ΔP；
采用相位差ΔP修正观测站时钟频率信号输出单元输出的时钟频率信号和中心处理站传递至观测站的时钟频率信号，作为采样时钟信号。
7.如权利要求6所述的时间同步方法，其特征在于，中心处理站铷钟和恒温晶振产生频率相同的时钟频率信号，并经频率信号修正单元修正后，进行倍频处理，倍频处理后的时钟频率信号作为时钟频率信号输出单元输出的时钟频率信号；观测站恒温晶振产生的时钟频率信号经倍频处理，倍频处理后的时钟频率信号作为时钟频率信号输出单元输出的时钟频率信号。
8.如权利要求6所述的时间同步方法，其特征在于，所述时间同步方法进一步包括以下步骤：中心处理站还向观测站发送时间基准信号，作为中心处理站和观测站的时间同步信号，采用ΔT和ΔP对时间同步信号进行修正。
9.如权利要求7所述的时间同步方法，其特征在于：所述时间同步方法进一步包括以下步骤：设定时间同步修正阈值，判断观测站的时间延时ΔT和相位差ΔP的和是否小于时间同步修正阈值，若是，则不进行时间同步信号秀恒，若否，则进行时间同步信号修正。
10.如权利要求9所述的时间同步方法，其特征在于：所述时间同步方法进一步包括以下步骤：进一步设定时间频率信号修正阈值，判断观测站的时间延时ΔT和相位差ΔP的和是否小于时间频率信号修正阈值，若是，则不进行时间频率信号修正，若否，则对中心处理站和观测站进行时间频率信号修正。
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