吕林蔚，杨旭海，杨颖，弓剑军

（1.中国科学院 国家授时中心，西安710600；2.中国科学院 精密导航定位与定时技术重点实验室，西安710600；3.中国科学院大学，北京100049）

GEO卫星信号相关处理关键技术研究及DiFX自相关实现

吕林蔚1，2，3，杨旭海1，2，杨颖1，2，3，弓剑军1，2，3

（1.中国科学院 国家授时中心，西安710600；2.中国科学院 精密导航定位与定时技术重点实验室，西安710600；3.中国科学院大学，北京100049）

相关处理是甚长基线干涉测量（very long baseline interferometry，VLBI）技术中信号处理过程的核心，地球静止轨道卫星与射电源信号的相关处理有很大不同。介绍了VLBI信号相关处理的流程、实验系统组成及卫星观测与射电源观测在实施过程中的区别。搭建了一套由天线系统和信号处理系统组成的VLBI观测系统。对中星12号卫星进行了试观测，基于DiFX（distributed FX-style software correlator）软件对采集信号进行自相关处理。数据处理结果表明该VLBI数据接收系统和信号采集系统是正确的，具有一定的实用价值。

VLBI；地球静止轨道卫星；软件相关处理；DiFX软件

0　引言

近年来我国VLBI在人造卫星轨道观测方面有了长足的发展。2003年，上海天文台进行了地球静止轨道卫星的VLBI差分观测，并应用于2007年嫦娥一号测轨任务。差分VLBI观测即选取与卫星角距较小的射电源为参考射电源，对射电源与卫星进行交替观测，可以用位置精确已知的射电源较正观测系统，实现卫星的精密定轨；VLBI还可以用于地球定向参数（包括世界时UT1参数等）的测量，以及天球参考架和地球参考架的连接等工作。由于卫星信号与河外射电源信号差别较大，研究卫星信号的特征对卫星信号的相关处理具有重要的意义。

基于上述原因，本文研究卫星下行信号与射电源信号特征的差异，并搭建VLBI接收系统对地球静止轨道卫星进行观测。实验搭建的VLBI系统主要由两部分组成：一部分是天线观测系统，包括3.7 m C波段射电天线、射频接收机、VLBI信号采集系统、时频系统；另一部分是信号处理系统，包括VLBI相关处理和后处理系统。相关处理软件DiFX是目前国际上广泛应用的一款C++语言编写的开源软件，计算精度高，并且可以根据具体的处理需求灵活配置[1]，世界上多个VLBI数据处理中心都在使用。该软件调用IPP（inter performance primitive）函数库，采用标准消息传递接口（MPI），可以实现高性能并行运算[2]。目前软件运行平台安装的操作系统为CentOS 6.5，DiFX相关处理机版本为DiFX-2.1。

1　相关处理信号处理流程

地球表面相距数千千米的两个地面站共同接收同一射电源辐射的电磁波，假设接收信号的中心频率为ω，地面站A接收到信号的时刻为t，地面站B接收到同一信号波前的时刻为t+τg，即在t时刻，地面站B所接收到信号的相位比地面站A接收到的信号滞后2πωτg。在t时刻时，将两个地面站接收到的信号简单表示为

各观测站的射电望远镜将接收到的无线电信号转变为基频信号后，数字化采样，记录在磁盘上。假设A，B两站间的本振频率不存在差异，且信号通过系统后幅度和相位都无偏差。设两站的本振频率都为ωL，则经过混频及滤波之后，所记录的信号分别为

由式（3）和（4）可看出，两台站对应的不是同一波前的信号。若将两信号进行互相关，需要把B站信号按照时间序列滞后τg，即VB（t+τg）。τg是未知数，可根据两测站接收到信号的钟差得到一个τg的概略值τm。将此钟差作为延迟补偿代入B站记录的信号中，再由A站信号与B站信号进行相关。补偿后的表达式为

将两站信号相乘，结果为

设R为信号的互相关输出，则

式（8）对应的是中心频率为ω的信号的互相关输出。由式（8）可见，VLBI互相关输出是一个余弦函数。由于地球自转，两地面站接收信号的时延不断变化，ωLτm+ω （τg-τm）的值也不断变化，这种变化导致干涉仪输出极大、极小值，即为干涉条纹。

VLBI相关处理即采用相关试探的办法，不断调整时延补偿值，进行条纹搜索，并检测出条纹输出最大时对应的τm，将它确定为延迟观测值[3]。

2　地球静止轨道卫星观测与射电源观测在实施过程中的区别

采用VLBI方法观测射电源和卫星时，由于卫星的运动特征与射电源有很大区别，这种运动特征导致2者的几何时延计算模型不同，制定观测纲要时需要考虑卫星的位置随时间变化；另外，卫星的下行信号体制与射电源不同。下面通过两个方面进行对比。

在惯性参考系下（属于协议天球参考系），射电源的位置固定，且精确已知；而GEO卫星在惯性系下是不断运动变化的。在制定观测纲要时需要输入观测目标的坐标，河外射电源输入值为赤经、赤纬，地球静止轨道卫星输入为预报轨道。地球静止轨道卫星观测到的干涉条纹质量受预报轨道误差影响较大，若理论时延计算不够准确，相关处理时，干涉条纹不明显，甚至无法形成干涉条纹。另外，在惯性参考系下，VLBI天线在观测射电源时，由于射电源距离地球非常遥远，近似看作没有视差，地面站接收到的射电源信号波前可近似看作平面波[4]；VLBI天线观测地球静止轨道卫星时，由于距离相对较近，两个参与相关的地面观测站间视差较大，不能将来自地球静止轨道卫星的下行信号简化为平面波处理，通常将其作为球面波处理。2者到达地面站的信号波前不同导致2者的时延计算模型具有一定的差异，时延模型由观测目标、地面站、地心3者的矢量关系决定。

信号体制方面，地面天线所接收到的射电源信号为宽带连续谱信号，通常为椭圆偏振，且偏振很小，近似于白噪声信号。地面站接收到的卫星信号是以固定频率为中心频点，具有一定带宽的窄带周期信号或者调制带宽有限的伪随机码序列，包括不同频率宽度的导航信号、媒体信号、广播信号等，常用线偏振或圆偏振。以北斗区域卫星导航系统在国际电信联盟登记的B1频段信号为例，此信号是空间在轨卫星直发的调制有导航电文、测距码和载波的信号。其中测距码分为两类，一类是普通测距码，另一类是精密测距码。普通测距码调制在I支路上，提供开放服务；精密测距码调制在与它正交的Q支路上，提供授权服务。图1为作者利用位于临潼的GEO卫星地面3.7 m测轨天线观测到的北斗区域卫星导航系统G1星B1信号的频谱图。

图1　G1星B1信号频谱图

B1信号的调制方式为QPSK，由频谱特征可以看到，相对于河外射电源的宽带连续谱白噪声信号，卫星信号为单频段的窄带信号。

3　试验平台

实验系统由GEO卫星地面3.7 m测轨天线、下变频器、数据采集设备、数据记录设备、网络交换机、数据采集监控计算机和时频系统构成，其框图如图2所示。

图2　试验平台组成框图

GEO卫星地面3.7 m测轨天线提供C频段接收通道，接收频带为3 625~4 200 MHz。本次实验观测中星12号卫星，地面站将接收到的中心频率为3 826 MHz、码速率为10.23 Mcps的下行信号接入下变频，变换为中心频率为768 MHz的中频信号。1 024 MHz采样时钟由下变频输出，进入数据采集设备。

时频系统的1 PPS秒脉冲信号和10 MHz信号来自中国科学院国家授时中心主钟，为数据流标记整数秒时间。

数据采集监控计算机是此单元的控制核心，通过网络交换机，对数据采集、记录设备下发指令，并收集状态。数据采集设备与数据记录设备之间由光纤连接，以便传输数据。

数据记录设备记录数据时采用MARK5B数据帧格式，在记录时，数据输入模块将数据编制成磁盘帧，通过总线传送，由磁盘队列记录下来，总线由32条数据线和1条时钟线组成。每次记录时，磁盘上的数据被分为等长的磁盘帧，每个磁盘帧以4个32 bit字的帧头开始，接着是2 500个32 bit字的数据序列。数据封装采用宽带模式，频率设定为528~1 024 MHz，每32 MHz一个通道，共16个通道，所有通道数据均参与相关[5]。

4　DiFX软件相关处理

DiFX软件相关模块，如图3所示。

图3　DiFX软件相关模块

利用DiFX对数据进行相关处理之前，需要编写两个必要的输入文件：观测纲要vex和配置文件v2d。vex文件是VLBI系统的总输入文件，生成各种不同的接口文件，供后续各相关环节运行。配置文件v2d规定积分起止时间、参与相关的测站观测数据文件路径等信息。

两输入文件首先经过接口文件生成模块。此模块主要功能即生成计算时延模型时所需要的几何模型文件和输入文件。输入文件描述驱动相关时输入参数的格式，几何模型文件用于驱动几何模型计算。

下一步接口文件进入时延模型计算模块，将输出基线投影信息文件、几何延迟信息文件、延迟率信息文件、干涉仪模型信息文件[6]。

计算时延模型之后，进入相关阶段。相关处理模块是DiFX相关处理的核心，使用信息传递接口（MPI）并行计算。输入对应命令即开始相关，输出结果为SWIN格式，是标准二进制文件，包含一个74 bit的二进制表头。

最后将相关输出的文件转换为MARK4格式，以便于利用后处理软件HOPS进行后续数据处理。

5　处理结果

本次试验数据来源于GEO卫星地面3.7 m测轨天线接收到的中星12号卫星2015年第9天UTC 08:08:36~UTC 08:08:49的数据，格式为2 bit采样。实验通过同一台站同一时刻的信号数据自相关，来模拟实际观测中两台站信号互相关的情况。按照相关处理机工作流程，两路信号经时延补偿后分别进行傅里叶变换，再将两路频谱信号做互相关，最终输出数据为互相关功率谱的复数数据，其实部与虚部分别为eR和mI。利用式（9）和（10）可以计算在观测带通内的相位值φ和幅度值A，即为干涉条纹的互功率谱[7]。

本次试验采用宽频带相关，但卫星信号为窄带信号，中心频率落在752～784M H z通道内。为了更清晰地看出卫星信号的自相关功率谱，特别将这个通道内的信号单独取出，简化成一个32M H z的通道，呈现在图4中。由图4可以大略看出卫星信号的自相关包络。图4左边纵坐标与横坐标构成幅度谱，幅度为量化相对值；右边纵坐标与横坐标构成相位谱，幅度谱与相位谱均为相关时间内所有的通道累加的结果。单台站自相关时，信号本身已经具有良好的相关性，即频域信号复数与自身共轭复数相乘积分，虚部抵消为0，即图4中相位曲线始终为0。

图4　单通道自相关功率谱

6　结语

本文简略介绍了VLBI信号相关处理的信号处理流程以及地球静止轨道卫星观测与射电源观测在实施过程中的区别，搭建了一套由GEO卫星地面3.7m测轨天线系统、数据采集设备、记录设备组成的VLBI观测系统，利用接收和采集的中星12号卫星信号，在单站单机环境下利用D iFX相关处理机进行自相关处理，得到卫星信号的自相关频谱输出结果，验证了搭建的VLBI接收和数据采集系统的正确性，可以为以后的观测和数据处理积累一定的经验。

［1］江悟，沈志强，舒逢春，等.利用D iFX处理C VN天文观测数据进展［J］.天文学进展，2014，32（4）：516-574.

［2］闰振，沈志强，袁建平.脉冲星VLBI观测软件相关处理进展［J］.天文学进展，2011，29（3）：309-322.

［3］郑勇.VLBI大地测重［M］.北京：解放军出版社，1999.

［4］舒逢春.人造卫星实时射电干涉测量方法研究［D］.上海：中国科学院上海天文台，2008.

［5］杨艳.应用于卫星跟踪的VLBI软件相关处理关键技术的研究［D］.上海：中国科学院上海天文台，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，李金岭.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.

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

国家自然科学基金资助项目（11173026）

吕林蔚，女，硕士，主要从事VLBI信号相关处理方面研究。