VLBI终端系统的发展历史和未来展望＊

杨文军，郝龙飞

(1.中国科学院国家天文台新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011;2.中国科学院国家天文台云南天文台，云南 昆明 650011)

VLBI是甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry)的英文缩写，它是当前天文观测使用的一项高分辨率、高测量精度的观测技术，在天体物理、大地测量、地球物理、深空探测等方面应用极为广泛。一个完整的VLBI测量系统通常由两个或两个以上的VLBI观测站和一个数据处理中心组成。VLBI观测站的主要设备包括:高效射电望远镜、低噪声高灵敏度的接收机系统、VLBI高速数据采集系统、高稳定度的氢原子钟和高精度时间比对系统等，如图1［1］。VLBI数据处理中心相关器一般是由专用的VLBI相关处理机和高速的通用计算机群组成。

VLBI高速数据采集系统实际上是VLBI终端数据记录系统，它在整个VLBI技术中起着举足轻重的作用，它将来自接收机的中频信号通过基带转换器转换为基带信号，然后经过削波、采样、格式化和模拟/数字变换，把基带信号记录到磁带或硬盘上，观测结束后，再把磁带或硬盘寄到数据处理中心进行数据回放和相关处理。

图1 甚长基线干涉测量示意图Fig.1 A schematic diagram of VLBI

1 VLBI终端的发展历史

1.1 VLBI终端发展经过

最早一次VLBI试验是由美国佛罗里达大学的一个研究小组在1965年进行的，目的是研究木星的无线电爆发。1967年末，研究人员第一次采用氢原子钟进行VLBI观测。从1968年到1969年底，在美国进行了一系列的频率切换VLBI试验。通过试验，证明了对VLBI所进行的一系列理论分析是正确的，同时，展示了VLBI技术的前景［2］。人们把这次试验所用的仪器称为Mark 1系统。1971年研制了第2代VLBI系统，称为Mark2系统，1975年，又在Haystack天文台研制了第3代系统，称为Mark 3系统，随后又有了VLBA系统(属于第3代系统)和Mark 4系统，到了21世纪初，出现了Mark 5系统 (VLBI终端设备见图2)。

1.2 不同时代记录系统的特点

(1)Mark 1时代

1967～1979年，采用1/2英寸计算机磁带，800BPI(每英寸比特)，记录速率720 kb/s，大型计算机(IBM 360-50/-75/-91/-95)作为相关器，进行了米波VLBI观测，主要测量源的流量和结构。还进行了脉冲星VLBI观测，观测到了Crab Nebula(蟹状星云)，而Mark 1在当时用去了大量的磁带。

图2 VLBI终端设备照片Fig.2 Pictures of VLBI terminals

(2)Mark2时代

1972～1980年，采用基于商业的视频磁带记录系统，记录速率4 Mb/s，2 MHz带宽，广泛应用于天文领域。

(3)Mark 3时代

灵活的数据终端具有支持记录速率带宽到224 Mb/s(112 MHz带宽)，用1inch磁带和28路信道仪器记录仪。主要特点:28路磁道;在所有磁道上并行记录;计算机控制数据采集。初始测试在1977年，运作在1980年。1980～1981年，NASA与NGS和Haystack一起加入了第1个专注于测地的VLBI台站联盟，这就是“北极星网络”的开始，以后VLBI也逐渐被公众认知。

(4)Mark 4时代

1990年开始进入Mark 4时代，更大的数据带宽，更高的灵敏度，精确的时间表(Schedules)，较好的数据准确度，延伸了相关器容量。但磁带和磁带记录仪成为VLBI的主要弱点，主要是磁头昂贵、磁带的花费多、记录仪的机械问题、磁带的运输问题以及台站可靠性等等。

(5)Mark 5时代

到21世纪初，开始进入了Mark 5时代［3］。2个硬盘阵列，每个阵列有8个硬盘(典型的为每个硬盘250 G，共8×250=2 T，目前已到8 T)。因为Mark 5硬件较适合于实现数据在因特网上传输，所以，e-VLBI技术也随之到来。Mark5时代又经历了Mark 5A、Mark 5B、Mark 5B+、Mark 5C等记录系统(见表1)。

表1 Mark 5A/B/B+/C系统比较Table 1 Comparisons between Mark 5A/B/B+/C systems

Mark 5时代的到来，推动了e-VLBI技术的迅速发展，通过因特网将观测数据实时传到数据处理中心，通过高速通用计算机群在很短时间便可以相关出干涉条纹，再经过后处理，得出观测结果。在中国嫦娥1号和2号卫星的观测中也使用了e-VLBI技术。在未来深空探测中，e-VLBI技术必将发挥更大的作用。

在天文领域，由于需要有高速处理数据能力和超强计算能力的计算机处理海量的天文观测数据，所以从某种意义上说，是天文学的发展带动了计算机技术的高速发展，而计算机技术的发展反过来又推动了天文技术不断的进步。伴随计算机技术和电子技术的高速发展，数据记录速率也越来越快，记录带宽不断增加，而产品成本却在不断降低。从图3可以看出，记录速率随年代的变化不断提高。

图4是记录速率在1 Gbps时，时间与设备价格的函数图。例如，对于Mark 1，其记录速率在720 Kbps时，价格5万美元，而要达到1 Gbps的记录速率，则Mark 1的价格要7000万美元左右。

图3 记录速率与时间函数图Fig.3 Progress in recording rate

图4 记录速率在1 Gbps时价格与时间函数图Fig.4 Progress in K$/Gbps

图5是终端带宽在1 GHz时，时间与设备价格的函数图。例如，Mark 1模拟下变频器带宽在360 KHz时，其价格1 800美元，而当带宽达到1 GHz时，价格则高达500万美元;Mark 3 BBC的带宽在16 MHz(每个BBC有两个通道各8 MHz)时，其价格25000美元，而带宽要到达1 GHz时，其价格高达150万美元;Mark 4(每个BBC有两个通道各16 MHz)的价格也高达80万美元。对于现代数字终端其价格则更便宜。

1.3 中国VLBI终端的发展历程

图5 终端带宽1 G时价格与时间函数图Fig.5 Progress in backend-bandwidth price

20世纪70年代，中国科学院上海天文台叶叔华院士，根据国际上VLBI发展的信息认为，VLBI技术将对天文学研究具有重要作用，提出了建立中国VLBI网(CVN网)的建议［4］，得到了中国科学院和天文界专家的支持，该建议计划进行大地测量学、地球动力学、天体测量和天文VLBI等方面的应用。1979年上海天文台实验VLBI系统研制成功，1981年6 m天线的VLBI实验系统与前西德100 m天线在21 cm波段进行VLBI测量获得成功。1987和1993年分别在上海佘山和乌鲁木齐南山各建造了一台25 m口径射电望远镜。之后两台站都相继成为欧洲EVN网和美国IVS网的重要成员，每年都要进行大量的VLBI国际联测［5］。在当时，南山和佘山主要使用的终端系统有Mark2、Mark 3A、VLBA以及K4(日本研制)等。

2003年～2004年，南山和佘山都将原有终端设备升级到了Mark 5A记录系统，并且很快投入VLBI国际联测，取得了较好的观测结果。1999年，昆明的3 m流动VLBI站建造在一辆卡车上，主要用来进行测地 VLBI观测［6］。2006年，分别在北京密云和云南昆明建造了50 m和40 m口径的射电望远镜。另外，基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)的相关器和软件相关器在上海天文台研制成功并支持实时相关。至此，中国CVN网(图6)进入了一个新阶段［6］。目前 CVN网由北京、上海、昆明和乌鲁木齐的4台望远镜以及位于上海天文台的数据处理中心组成。这样一个网所构成的望远镜分辨率相当于口径为3000多千米的巨大的综合望远镜，测角精度可以达到百分之几角秒，甚至更高。2007年，VLBI技术首次运用于我国的探月工程，VLBI系统作为探月工程测控系统的子系统，其具体任务就是获得卫星的VLBI测量数据，包括时延、时延率和卫星的角位置，并参与轨道的确定和预报等。通过各方的努力和协作，最终圆满完成了嫦娥1号精确定轨和绕月观测任务。2010年又顺利完成嫦娥2号的绕月观测任务。2011年6月9日开始进行另一项重要的拓展性试验，飞往距地球150万千米以外的深空(L2点)进行探测。除此之外，CVN网还承担了中国陆态网的联测任务。

图6 中国CVN网Fig.6 Chinese CVN NET

在嫦娥2号任务中，4个台站使用的终端系统都是由上海天文台自行研制开发的中国数据获取系统(Chinese Data Acquirment System，CDAS)和美国的Mark 5B记录系统组成的VLBI终端系统。其中，CDAS采用了“ADC+可编程器件”的结构，天线接收到的射频(RF)信号经过射频接收机后变为中频(IF);中频信号在经抗混叠滤波器后，由高速ADC数字化;然后通过数字信号处理(Digital Signal Process)模块，实现各种数字滤波(Digtal Filter)、直接数字频率合成(Direcet Digital Synthesizer)、数字下变频等算法处理，并将处理后的数据送至用户终端［7］。该系统可接收4路中频信号，每路带宽达512 MHz。模拟和数字自动增益控制都用于获得稳定的功率电平和最佳的采样器统计。32路子通道输出，每个子通道有效带宽范围是0.5～32 MHz。Mark 5B的2 Gbps记录速率可以和CDAS系统相兼容［6］。

目前，上海天文台已经开始建设65 m大型射电望远镜。新疆天文台110 m的大型射电望远镜项目正在申报国家立项阶段。另外，在我国贵州正在建设的500 m口径球面射电望远镜(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope，FAST)也具有VLBI观测功能。相信在未来，中国CVN网将在射电天文领域发挥更大的作用，而VLBI终端技术的高速发展也必将推动中国天文事业和航天事业的蓬勃发展。

2 未来的VLBI数据记录系统——Mark 6数据系统

Mark 6数据系统是由Haystack天文台作为下一代基于硬盘VLBI数据系统开发的一套终端记录系统。它被设计用作支持记录速率16 Gbps并且能持续记录数据到硬盘阵列中。始于2011年1月在Haystack天文台和新罕布什尔州Nashua(纳舒厄)市的XCube通讯股份有限公司之间作为一个合作计划而开展的工作，该系统在基于Casper ROACH板的数字终端上，已经证明能以16 Gbps的速率持续记录数据到32个硬盘;回放的零基线数据已经成功在Haystack天文台的DiFX相关器上相关出来。图 7a 和 7b［8］是 Mark 6 设备图。

图7 (a)Mark 6前向图;(b)Mark 6后向图Fig.7 (a)Front view of Mark 6;(b)Rear view of Mark 6

2.1 Mark 6系统的一些特性

(1)充分以商业的成品硬件为基础，1～4个10GigE数据接口。

(2)达到16Gbps的持续记录速率(记录到24～36个硬盘); ～32Gbps成组模式捕获(没有进行充分测试)。

(3)支持费用不高的日用SATA硬盘(但必须保证硬盘是合格的)。

(4)从控制器到硬盘阵列的eSATA电缆连接(每个电缆4个硬盘)，对电缆顺序没有特别要求。

(5)记录数据是标准的Linux文件。

(6)适当地控制slow/failed硬盘以维持目标数据速率。

(7)可以使用XTube硬盘模式(类似Mark5模式);可以转换现有Mark 5模块到Mark 6并和新模块的背板和前面板相兼容。

(8)作为标准Linux文件回放。

(9)较好地适用于当前两个VLBI规划:

VLBI2010——当前计划16 Gbps/台站，可能扩展到32 Gbps/台站。

mm-VLBI——当前计划16 Gbps/台站，在未来几年将扩展到64 Gbps/台站。

图8［9］是Mark 6系统机架，主要有5 MHz分配器、4个XCube公司的8磁盘的模块、Mark 6控制器、2个RDBE系统、4个上/下变频器、宽带相关噪声源、5 MHz/1 pps发生器。图9［3］是Mark 6系统演示框图。图10［3］是相关处理演示框图。

图8 Mark 6系统机架Fig.8 System rack of Mark 6

图9 Mark 6系统演示图 (记录速率16 Gbps)Fig.9 System demo of Mark 6(recording at 16Gbps)

图10 Mark 6相关处理演示图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原生软件界面的顶层。

(2)记录单位被定义为卷，每个卷包含一个或多个物理磁盘模块。

◆多个模块卷所需记录速率大于等于4 Gbps。

◆多模块卷保留身份经过相关处理，然后返回到单模块卷。

(3)卷是以一种有序的“卷堆栈”形式管理，容许同时连接多个卷。

◆允许根据用途按照特定的顺序排列卷。

◆在当前的模块数据记录满时，支持自动切换到下一个卷的卷堆栈中;切换在两个扫描之间进行。

(4)磁盘记录过程中的磁盘信息统计，可以用来方便地通过磁盘序列号找出慢/故障磁盘。

(5)当模块连接至Mark 6时能够自检。

2.3 Mark 6 进展情况

(1)Mark 6 VSI-S规格已经编写完成，部分已实施。

(2)较小软件修订以支持几个VLBI细节问题:

◆永久的模块序列号。

◆收集单个的磁盘性能统计信息。

◆在另一个模块上进行操作时(例如安装/卸载模块，或读取MSN(Model Serial Number)等)不影响正在工作的模块平稳记录/回放。

(3)考虑与XCube产品的兼容性，正在设计新模块背板和前面板改进现有的Mark 5模块。

◆必须使用SATA磁盘。

◆提供系统外部冷却。

(4)使Mark 6与DiFX相关器结合。

2011年10月24日第1个Mark 6 16 Gbps的VLBI试验在美国Westford和GGAO两个天线之间进行(见图11)，并成功获取条纹。

图11 利用Mark 6进行16 Gbps VLBI实验Fig.11 Demonstration of VLBI observation at 16Gbps

2.4 未来计划

完成Mark 6 VSI-S安装启用，使Mark 6与Field System系统相结合。设计新的背板/前面板转换当前的Mark 5系统以兼容Mark 6系统。测试Conduant公司标准硬件，集成完整的硬件系统并对系统进行完全和充分的测试。

3 展望

40年来VLBI技术一直在不断发展和成熟，它对天文领域的贡献是巨大的。VLBI终端技术也今非昔比，特别是到了21世纪，发展非常迅速，记录速率不断提高，记录带宽也不断增加，成本费用却在不断降低，利用超强数据处理和运算能力的计算机群处理海量的天文数据，极大地缩短了处理时间，强大的技术手段更加有力于人类对天文学的研究和探索。Mark 6系统的推出无疑会将VLBI终端技术推上了一个新的高度，它对VLBI2010计划(实现全球基线测量达到1 mm的高精度)和mm-VLBI计划的实施有着非常重要的意义。天文技术不断的发展和创新也必将加快人类探索宇宙的步伐。

致谢:感谢美国Haystack天文台的Alan Whitney先生对作者提出的技术问题给予耐心和详细的回答。

［1］林克雄.甚长基线干涉测量技术 ［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］蒋栋荣，洪晓瑜.甚长基线干涉测量技术在深空导航中的应用 ［J］.科学，2008，60(1):10－14.

［5］洪晓瑜.VLBI技术的发展和“嫦娥工程”中的应用［J］.自然杂志，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，张秀忠，韦文仁，等.我国新一代VLBI数字基带转换器研制进展 ［J］.天文学进展，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.