Шестистанционный коррелятор АРК

История

Шестистанционный коррелятор АРК разрабатывался и изготавливался в 2007-2009 гг. После завершения тестирования в феврале 2009 г. коррелятор в минимальной комплектации, способной одновременно обрабатывать данные двух станций (одной базы), был введен в эксплуатацию. С этого момента все РСДБ-наблюдения, выполняемые по национальным программам, регистрировались на обсерваториях системами регистрации Mark5B и обрабатывались коррелятором АРК. Более ранний коррелятор МикроПарсек и устаревшая система регистрации S2 были выведены из эксплуатации.

В июле 2009 г. коррелятор АРК был расширен для одновременной обработки данных трех станций (3 баз). В октябре 2009 г. была завершена комплектация коррелятора для одновременной обработки данных шести станций (15 баз).

Коррелятор АРК установлен в Центре корреляционной обработки РАН.

Результаты работы

Основными измеряемыми величинами на выходе коррелятора являются: амплитуда и фаза корреляционного отклика, геометрическая групповая задержка и скорость изменения геометрической задержки. Геометрическая групповая задержка - разность времен прихода одного и того волнового фронта в пункты регистрации, определяемая из положения корреляционного отклика в шкале запаздывания. Скорость изменения геометрической задержки или, так называемая, частота интерференции - произведение скорости геометрической задержки на частоту радиоизлучения наблюдаемого радиоисточника. Она является аналогом разности доплеровских сдвигов частот радиоизлучений наблюдаемого радиоисточника в пунктах регистрации.

Помещение и стойки, где расположен коррелятор АРК-6

Для астрометрических и геодезических исследований по результатам корреляционной обработки формируется отчёт в виде выходного файла NGS формата, который используется в Службе вращения Земли ИПА РАН при вторичной обработке для построения точных земных и небесных систем координат.

Основные характеристики

Тип коррелятора - XF коррелятор.
Количество одновременно обрабатываемых сигналов станций - 6, РСДБ-баз - 15, частотных каналов - 240.
Поток данных от каждой станции - до 1 Гбит/с.
Суммарный входной поток данных 6-станционного коррелятора - до 6 Гбит/с,
Суммарный поток на входах базовых модулей - до 30 Гбит/с.
Структура потока данных от каждой станции - до 16 частотных каналов с однобитовым или двухбитовым квантованием (всего 32 разряда), по отдельному разряду передается признак качества.
Максимальная тактовая частота - 32 МГц.
Формат входного потока данных коррелятора - VSI-H.

Аппаратное обеспечение

Коррелятор является аппаратно-программной системой. Аппаратно реализованы наиболее трудоемкие операции: вычисление кросскорреляционных функций сигналов квазаров и выделение сигналов генераторов пикосекундных импульсов обсерваторий.

Аппаратное обеспечение коррелятора включает в себя 6 устройств воспроизведения РСДБ-сигналов Mark5B, систему распределения сигналов, 15 базовых модулей коррелятора, 5 промышленных компьютеров стандарта Compact PCI 6U (крейтов) и управляющий персональный компьютер. Аппаратура шестистанционного коррелятора, кроме управляющего персонального компьютера, занимает четыре 19-дюймовых стойки.

Структура аппаратного обеспечения коррелятора

Устройство Mark5B

Система распределения сигналов

Система распределения сигналов подает на вход устройств Mark5B сигналы точной синхронизации, а выходящий из Mark5B поток данных распределяет по базовым модулям коррелятора таким образом, что каждый базовый модуль коррелятора получает данные от двух устройств Mark5B. Система включает в себя модули трех типов: генератор синхронизирующих сигналов, модуль распределения сигналов и интерфейсный модуль коррелятора. Конструктивно модули являются платами стандарта CompactPCI 6U.

Структурная схема системы распределения сигналов шестистанционного коррелятора

Генератор синхронизирующих сигналов формирует тактовые сигналы и секундный строб. Сигналы генератора поступают на вход устройств Mark5B, осуществляя их точную синхронизацию.

Модуль распределения сигналов получает входной поток данных устройства Mark5B и копирует его на пять своих выходов. С целью оптимизации интерфейса параллельный 32-разрядный поток данных Mark5B преобразуется в последовательный четырехразрядный поток, что позволяет передавать его по обычным кабелям "витая пара" 6-й категории.

Интерфейсный модуль получает сигналы от двух модулей распределения сигналов, преобразует сигналы обратно к параллельному виду и через расширительную плату крейта передает в базовый модуль.

Базовый модуль коррелятора

Базовый модуль коррелятора является ядром коррелятора, выполняя всю аппаратно реализуемую обработку данных. Базовый модуль коррелятора содержит 16 корреляционных модулей, реализующих алгоритм XF (в аббревиатуре X означает корреляцию или перемножение, F - преобразование Фурье) обработки РСДБ сигналов. Модуль включает в себя распределитель сигналов, 16 вычислительных устройств, устройство управления и контроллер PCI шины.

Конструктивно каждый модуль представляет собой плату стандарта CompactPCI 6U, устанавливаемую в промышленный компьютер (крейт). Модуль спроектированы на основе технологии ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы), использованы 100-киловентильные микросхемы фирмы Альтера. На каждой 16-слойной плате установлены 34 микросхемы ПЛИС, 32 микросхемы оперативной памяти, контроллер PCI шины, буферные и другие вспомогательные микросхемы.

Программное обеспечение

Программное обеспечение коррелятора АРК установлено на управляющем компьютере и крейтах, обмениваясь информацией по локальной сети коррелятора.

Программное обеспечение включает в себя систему формирования задания на обработку, эфемеридное обеспечение, систему управления аппаратурой коррелятора и систему постпроцессорной обработки. Система управления аппаратурой коррелятора установлена на крейтах, система формирования задания, эфемеридное обеспечение, и система постпроцессорной обработки установлены на управляющем компьютере коррелятора.

Программное обеспечение, кроме эфемеридного, выполнено на языке объектно-ориентированного программирования C++ с использованием библиотеки Qt3 и работает под управлением операционной системы Linux. Эфемеридное программное обеспечение выполнено на языке программирования FORTRAN и реализовано на основе пакета вторичной обработки РСДБ-наблюдений Quasar.

Обработка многобазовых серий с большим количеством наблюдений ведется в автоматизированном пакетном режиме. Процесс корреляционной обработки РСДБ-наблюдений проходит в три этапа.

На первом этапе обработки серии РСДБ-наблюдений формируется задание на обработку, содержащее перечень обрабатываемых сканов, несущие частоты частотных каналов, режимы работы и другие сведения. Исходными данными для системы формирования задания на корреляционную обработку являются skd-файл планирования РСДБ-наблюдений и log-файлы управляющих компьютеров станций с программным обеспечением MarkIV Field System. Эфемеридное программное обеспечение вычисляет предварительные значения геометрических задержек. Для каждого скана и каждой базы вычисляются значения задержек для каждой секунды времени, что позволяет с высокой точностью выполнять интерполяцию сигналов и их производных на внутрисекундных интервалах времени. Сформированные на управляющем компьютере коррелятора файлы задания, эфемерид и файл списка сканов передаются на крейты.

На втором этапе обработки производится аппаратное вычисление кросскорреляционных функций сигналов и выделение сигналов генератора пикосекундных импульсов станций. Установленное на крейтах программное обеспечение осуществляет управление базовыми модулями коррелятора и устройствами Mark5B. Устройствам посылаются команды настройки режима работы, стартовые и стоповые команды, считываются состояния устройств. Базовые модули коррелятора периодически получают данные для сопровождения сигналов по задержке и доплеровской фазе - значения задержки и доплеровской фазы и их первые и вторые производные. Периодически с базовых модулей коррелятора снимаются результаты вычислений. Связь с базовыми модулями коррелятора осуществляется через PCI шину крейта. Связь с устройствами Mark5B, синхронизация работы крейтов и связь крейтов с управляющим компьютером производится через локальную сеть коррелятора. Результаты аппаратной обработки в виде файлов специального формата сохраняются на жестких дисках крейтов, после чего передаются на управляющий компьютер коррелятора.

На третьем этапе обработки производится программное вычисление точных значений групповых задержек и частот интерференции. Исходными данными для постпроцессорного программного обеспечения являются вычисленные аппаратурой коррелятора кросскорреляционные функции РСДБ-сигналов и выделенные сигналы генераторов пикосекундных импульсов станций. Постпроцессорная обработка наблюдений начинается с анализа фаз сигналов генераторов пикосекундных импульсов станций и корреляционных откликов в одиночных частотных каналах по всем РСДБ-базам. На основе полученных результатов делается предварительный вывод о качестве проведения и процессорной обработки наблюдений. Далее производится синтез частотных каналов с вычислением точных значений групповых задержек радиосигналов для X и S диапазонов, выполняется проверка качества синтеза частотных каналов и разрешение возможной неопределенности, полученные значения используются для вычисления ионосферных задержек.

Для вторичной обработки астрометрических наблюдений в Службе вращения Земли ИПА РАН результаты работы коррелятора АРК записываются в файлы NGS формата.