GEO衛(wèi)星信號相關(guān)處理關(guān)鍵技術(shù)研究及DiFX自相關(guān)實(shí)現(xiàn)

呂林蔚，楊旭海，楊穎，弓劍軍

（1.中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安710600；2.中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

GEO衛(wèi)星信號相關(guān)處理關(guān)鍵技術(shù)研究及DiFX自相關(guān)實(shí)現(xiàn)

呂林蔚1，2，3，楊旭海1，2，楊穎1，2，3，弓劍軍1，2，3

（1.中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安710600；2.中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

相關(guān)處理是甚長基線干涉測量（very long baseline interferometry，VLBI）技術(shù)中信號處理過程的核心，地球靜止軌道衛(wèi)星與射電源信號的相關(guān)處理有很大不同。介紹了VLBI信號相關(guān)處理的流程、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及衛(wèi)星觀測與射電源觀測在實(shí)施過程中的區(qū)別。搭建了一套由天線系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成的VLBI觀測系統(tǒng)。對中星12號衛(wèi)星進(jìn)行了試觀測，基于DiFX（distributed FX-style software correlator）軟件對采集信號進(jìn)行自相關(guān)處理。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明該VLBI數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)是正確的，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

VLBI；地球靜止軌道衛(wèi)星；軟件相關(guān)處理；DiFX軟件

0　引言

近年來我國VLBI在人造衛(wèi)星軌道觀測方面有了長足的發(fā)展。2003年，上海天文臺進(jìn)行了地球靜止軌道衛(wèi)星的VLBI差分觀測，并應(yīng)用于2007年嫦娥一號測軌任務(wù)。差分VLBI觀測即選取與衛(wèi)星角距較小的射電源為參考射電源，對射電源與衛(wèi)星進(jìn)行交替觀測，可以用位置精確已知的射電源較正觀測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的精密定軌；VLBI還可以用于地球定向參數(shù)（包括世界時(shí)UT1參數(shù)等）的測量，以及天球參考架和地球參考架的連接等工作。由于衛(wèi)星信號與河外射電源信號差別較大，研究衛(wèi)星信號的特征對衛(wèi)星信號的相關(guān)處理具有重要的意義。

基于上述原因，本文研究衛(wèi)星下行信號與射電源信號特征的差異，并搭建VLBI接收系統(tǒng)對地球靜止軌道衛(wèi)星進(jìn)行觀測。實(shí)驗(yàn)搭建的VLBI系統(tǒng)主要由兩部分組成：一部分是天線觀測系統(tǒng)，包括3.7 m C波段射電天線、射頻接收機(jī)、VLBI信號采集系統(tǒng)、時(shí)頻系統(tǒng)；另一部分是信號處理系統(tǒng)，包括VLBI相關(guān)處理和后處理系統(tǒng)。相關(guān)處理軟件DiFX是目前國際上廣泛應(yīng)用的一款C++語言編寫的開源軟件，計(jì)算精度高，并且可以根據(jù)具體的處理需求靈活配置[1]，世界上多個(gè)VLBI數(shù)據(jù)處理中心都在使用。該軟件調(diào)用IPP（inter performance primitive）函數(shù)庫，采用標(biāo)準(zhǔn)消息傳遞接口（MPI），可以實(shí)現(xiàn)高性能并行運(yùn)算[2]。目前軟件運(yùn)行平臺安裝的操作系統(tǒng)為CentOS 6.5，DiFX相關(guān)處理機(jī)版本為DiFX-2.1。

1　相關(guān)處理信號處理流程

地球表面相距數(shù)千千米的兩個(gè)地面站共同接收同一射電源輻射的電磁波，假設(shè)接收信號的中心頻率為ω，地面站A接收到信號的時(shí)刻為t，地面站B接收到同一信號波前的時(shí)刻為t+τg，即在t時(shí)刻，地面站B所接收到信號的相位比地面站A接收到的信號滯后2πωτg。在t時(shí)刻時(shí)，將兩個(gè)地面站接收到的信號簡單表示為

各觀測站的射電望遠(yuǎn)鏡將接收到的無線電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛l信號后，數(shù)字化采樣，記錄在磁盤上。假設(shè)A，B兩站間的本振頻率不存在差異，且信號通過系統(tǒng)后幅度和相位都無偏差。設(shè)兩站的本振頻率都為ωL，則經(jīng)過混頻及濾波之后，所記錄的信號分別為

由式（3）和（4）可看出，兩臺站對應(yīng)的不是同一波前的信號。若將兩信號進(jìn)行互相關(guān)，需要把B站信號按照時(shí)間序列滯后τg，即VB（t+τg）。τg是未知數(shù)，可根據(jù)兩測站接收到信號的鐘差得到一個(gè)τg的概略值τm。將此鐘差作為延遲補(bǔ)償代入B站記錄的信號中，再由A站信號與B站信號進(jìn)行相關(guān)。補(bǔ)償后的表達(dá)式為

將兩站信號相乘，結(jié)果為

設(shè)R為信號的互相關(guān)輸出，則

式（8）對應(yīng)的是中心頻率為ω的信號的互相關(guān)輸出。由式（8）可見，VLBI互相關(guān)輸出是一個(gè)余弦函數(shù)。由于地球自轉(zhuǎn)，兩地面站接收信號的時(shí)延不斷變化，ωLτm+ω （τg-τm）的值也不斷變化，這種變化導(dǎo)致干涉儀輸出極大、極小值，即為干涉條紋。

VLBI相關(guān)處理即采用相關(guān)試探的辦法，不斷調(diào)整時(shí)延補(bǔ)償值，進(jìn)行條紋搜索，并檢測出條紋輸出最大時(shí)對應(yīng)的τm，將它確定為延遲觀測值[3]。

2　地球靜止軌道衛(wèi)星觀測與射電源觀測在實(shí)施過程中的區(qū)別

采用VLBI方法觀測射電源和衛(wèi)星時(shí)，由于衛(wèi)星的運(yùn)動特征與射電源有很大區(qū)別，這種運(yùn)動特征導(dǎo)致2者的幾何時(shí)延計(jì)算模型不同，制定觀測綱要時(shí)需要考慮衛(wèi)星的位置隨時(shí)間變化；另外，衛(wèi)星的下行信號體制與射電源不同。下面通過兩個(gè)方面進(jìn)行對比。

在慣性參考系下（屬于協(xié)議天球參考系），射電源的位置固定，且精確已知；而GEO衛(wèi)星在慣性系下是不斷運(yùn)動變化的。在制定觀測綱要時(shí)需要輸入觀測目標(biāo)的坐標(biāo)，河外射電源輸入值為赤經(jīng)、赤緯，地球靜止軌道衛(wèi)星輸入為預(yù)報(bào)軌道。地球靜止軌道衛(wèi)星觀測到的干涉條紋質(zhì)量受預(yù)報(bào)軌道誤差影響較大，若理論時(shí)延計(jì)算不夠準(zhǔn)確，相關(guān)處理時(shí)，干涉條紋不明顯，甚至無法形成干涉條紋。另外，在慣性參考系下，VLBI天線在觀測射電源時(shí)，由于射電源距離地球非常遙遠(yuǎn)，近似看作沒有視差，地面站接收到的射電源信號波前可近似看作平面波[4]；VLBI天線觀測地球靜止軌道衛(wèi)星時(shí)，由于距離相對較近，兩個(gè)參與相關(guān)的地面觀測站間視差較大，不能將來自地球靜止軌道衛(wèi)星的下行信號簡化為平面波處理，通常將其作為球面波處理。2者到達(dá)地面站的信號波前不同導(dǎo)致2者的時(shí)延計(jì)算模型具有一定的差異，時(shí)延模型由觀測目標(biāo)、地面站、地心3者的矢量關(guān)系決定。

信號體制方面，地面天線所接收到的射電源信號為寬帶連續(xù)譜信號，通常為橢圓偏振，且偏振很小，近似于白噪聲信號。地面站接收到的衛(wèi)星信號是以固定頻率為中心頻點(diǎn)，具有一定帶寬的窄帶周期信號或者調(diào)制帶寬有限的偽隨機(jī)碼序列，包括不同頻率寬度的導(dǎo)航信號、媒體信號、廣播信號等，常用線偏振或圓偏振。以北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國際電信聯(lián)盟登記的B1頻段信號為例，此信號是空間在軌衛(wèi)星直發(fā)的調(diào)制有導(dǎo)航電文、測距碼和載波的信號。其中測距碼分為兩類，一類是普通測距碼，另一類是精密測距碼。普通測距碼調(diào)制在I支路上，提供開放服務(wù)；精密測距碼調(diào)制在與它正交的Q支路上，提供授權(quán)服務(wù)。圖1為作者利用位于臨潼的GEO衛(wèi)星地面3.7 m測軌天線觀測到的北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)G1星B1信號的頻譜圖。

圖1　G1星B1信號頻譜圖

B1信號的調(diào)制方式為QPSK，由頻譜特征可以看到，相對于河外射電源的寬帶連續(xù)譜白噪聲信號，衛(wèi)星信號為單頻段的窄帶信號。

3　試驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由GEO衛(wèi)星地面3.7 m測軌天線、下變頻器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)記錄設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控計(jì)算機(jī)和時(shí)頻系統(tǒng)構(gòu)成，其框圖如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)平臺組成框圖

GEO衛(wèi)星地面3.7 m測軌天線提供C頻段接收通道，接收頻帶為3 625~4 200 MHz。本次實(shí)驗(yàn)觀測中星12號衛(wèi)星，地面站將接收到的中心頻率為3 826 MHz、碼速率為10.23 Mcps的下行信號接入下變頻，變換為中心頻率為768 MHz的中頻信號。1 024 MHz采樣時(shí)鐘由下變頻輸出，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

時(shí)頻系統(tǒng)的1 PPS秒脈沖信號和10 MHz信號來自中國科學(xué)院國家授時(shí)中心主鐘，為數(shù)據(jù)流標(biāo)記整數(shù)秒時(shí)間。

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控計(jì)算機(jī)是此單元的控制核心，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，對數(shù)據(jù)采集、記錄設(shè)備下發(fā)指令，并收集狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備之間由光纖連接，以便傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)記錄設(shè)備記錄數(shù)據(jù)時(shí)采用MARK5B數(shù)據(jù)幀格式，在記錄時(shí)，數(shù)據(jù)輸入模塊將數(shù)據(jù)編制成磁盤幀，通過總線傳送，由磁盤隊(duì)列記錄下來，總線由32條數(shù)據(jù)線和1條時(shí)鐘線組成。每次記錄時(shí)，磁盤上的數(shù)據(jù)被分為等長的磁盤幀，每個(gè)磁盤幀以4個(gè)32 bit字的幀頭開始，接著是2 500個(gè)32 bit字的數(shù)據(jù)序列。數(shù)據(jù)封裝采用寬帶模式，頻率設(shè)定為528~1 024 MHz，每32 MHz一個(gè)通道，共16個(gè)通道，所有通道數(shù)據(jù)均參與相關(guān)[5]。

4　DiFX軟件相關(guān)處理

DiFX軟件相關(guān)模塊，如圖3所示。

圖3　DiFX軟件相關(guān)模塊

利用DiFX對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理之前，需要編寫兩個(gè)必要的輸入文件：觀測綱要vex和配置文件v2d。vex文件是VLBI系統(tǒng)的總輸入文件，生成各種不同的接口文件，供后續(xù)各相關(guān)環(huán)節(jié)運(yùn)行。配置文件v2d規(guī)定積分起止時(shí)間、參與相關(guān)的測站觀測數(shù)據(jù)文件路徑等信息。

兩輸入文件首先經(jīng)過接口文件生成模塊。此模塊主要功能即生成計(jì)算時(shí)延模型時(shí)所需要的幾何模型文件和輸入文件。輸入文件描述驅(qū)動相關(guān)時(shí)輸入?yún)?shù)的格式，幾何模型文件用于驅(qū)動幾何模型計(jì)算。

下一步接口文件進(jìn)入時(shí)延模型計(jì)算模塊，將輸出基線投影信息文件、幾何延遲信息文件、延遲率信息文件、干涉儀模型信息文件[6]。

計(jì)算時(shí)延模型之后，進(jìn)入相關(guān)階段。相關(guān)處理模塊是DiFX相關(guān)處理的核心，使用信息傳遞接口（MPI）并行計(jì)算。輸入對應(yīng)命令即開始相關(guān)，輸出結(jié)果為SWIN格式，是標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制文件，包含一個(gè)74 bit的二進(jìn)制表頭。

最后將相關(guān)輸出的文件轉(zhuǎn)換為MARK4格式，以便于利用后處理軟件HOPS進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

5　處理結(jié)果

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于GEO衛(wèi)星地面3.7 m測軌天線接收到的中星12號衛(wèi)星2015年第9天UTC 08:08:36~UTC 08:08:49的數(shù)據(jù)，格式為2 bit采樣。實(shí)驗(yàn)通過同一臺站同一時(shí)刻的信號數(shù)據(jù)自相關(guān)，來模擬實(shí)際觀測中兩臺站信號互相關(guān)的情況。按照相關(guān)處理機(jī)工作流程，兩路信號經(jīng)時(shí)延補(bǔ)償后分別進(jìn)行傅里葉變換，再將兩路頻譜信號做互相關(guān)，最終輸出數(shù)據(jù)為互相關(guān)功率譜的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，其實(shí)部與虛部分別為eR和mI。利用式（9）和（10）可以計(jì)算在觀測帶通內(nèi)的相位值φ和幅度值A(chǔ)，即為干涉條紋的互功率譜[7]。

本次試驗(yàn)采用寬頻帶相關(guān)，但衛(wèi)星信號為窄帶信號，中心頻率落在752～784M H z通道內(nèi)。為了更清晰地看出衛(wèi)星信號的自相關(guān)功率譜，特別將這個(gè)通道內(nèi)的信號單獨(dú)取出，簡化成一個(gè)32M H z的通道，呈現(xiàn)在圖4中。由圖4可以大略看出衛(wèi)星信號的自相關(guān)包絡(luò)。圖4左邊縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)構(gòu)成幅度譜，幅度為量化相對值；右邊縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)構(gòu)成相位譜，幅度譜與相位譜均為相關(guān)時(shí)間內(nèi)所有的通道累加的結(jié)果。單臺站自相關(guān)時(shí)，信號本身已經(jīng)具有良好的相關(guān)性，即頻域信號復(fù)數(shù)與自身共軛復(fù)數(shù)相乘積分，虛部抵消為0，即圖4中相位曲線始終為0。

圖4　單通道自相關(guān)功率譜

6　結(jié)語

本文簡略介紹了VLBI信號相關(guān)處理的信號處理流程以及地球靜止軌道衛(wèi)星觀測與射電源觀測在實(shí)施過程中的區(qū)別，搭建了一套由GEO衛(wèi)星地面3.7m測軌天線系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、記錄設(shè)備組成的VLBI觀測系統(tǒng)，利用接收和采集的中星12號衛(wèi)星信號，在單站單機(jī)環(huán)境下利用D iFX相關(guān)處理機(jī)進(jìn)行自相關(guān)處理，得到衛(wèi)星信號的自相關(guān)頻譜輸出結(jié)果，驗(yàn)證了搭建的VLBI接收和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正確性，可以為以后的觀測和數(shù)據(jù)處理積累一定的經(jīng)驗(yàn)。

［1］江悟，沈志強(qiáng)，舒逢春，等.利用D iFX處理C VN天文觀測數(shù)據(jù)進(jìn)展［J］.天文學(xué)進(jìn)展，2014，32（4）：516-574.

［2］閏振，沈志強(qiáng)，袁建平.脈沖星VLBI觀測軟件相關(guān)處理進(jìn)展［J］.天文學(xué)進(jìn)展，2011，29（3）：309-322.

［3］鄭勇.VLBI大地測重［M］.北京：解放軍出版社，1999.

［4］舒逢春.人造衛(wèi)星實(shí)時(shí)射電干涉測量方法研究［D］.上海：中國科學(xué)院上海天文臺，2008.

［5］楊艷.應(yīng)用于衛(wèi)星跟蹤的VLBI軟件相關(guān)處理關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.上海：中國科學(xué)院上海天文臺，2006.

［6］BR ISKEN W.A G uide to the VLBA D iFX correlator version 2.3［K］.N ational R adio A stronom y O bservatory，2014.

［7］錢志瀚，李金嶺.甚長基線干涉測量技術(shù)在深空探測中的應(yīng)用［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

Study of key technique in correlation processing of GEO satellite signal and realization of auto-correlation with DiFX

Lü Lin-wei1，2，3， YANG Xu-hai1，2， YANG Ying1，2，3， GONG Jian-jun1，2，3
（1.National Time Service Center， Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；2.Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology， National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

The correlation processing is the core technique in the VLBI（very-long-baseline interferometry）signal processing， and the correlation processing for geostationary orbit satellite signal is greatly different from that for radio sources.The correlation processing of VLBI signal， the experimental system composition， and the differences between geostationary orbit satellites and radio sources in observation and processing were introduced.A VLBI observation system， which consists of an antenna system and a signal processing system，were composed.The satellite of China-sat-12 was observed experimentally and the auto-correlation processingfor the collected data of the satellite signal was conducted with DiFX software.The signal processing results show that the data receiving system and signal collecting system in the VLBI observation system are right and are of value to some practical works.

VLBI； geostationary orbit satellite； software correlation processing； DiFX software

TN965

A

1674-0637（2015）03-0171-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-03-0171-06

2015-01-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11173026）

呂林蔚，女，碩士，主要從事VLBI信號相關(guān)處理方面研究。