КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 3, с. 195-198
УДК 52-58
ФОРМАТ ДАННЫХ И МОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРА "РАДИОАСТРОН"
© 2015 г. В. В. Андреянов
Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва
andre@asc.rssi.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.
Для передачи радиоастрономических и вспомогательных данных от космического радиотелескопа к наземной станции слежения (и затем — к коррелятору) через радиолинию необходимо применить специальный формат данных, процедуры кодирования и декодирования. Здесь детально рассматривается такой формат, разработанный и успешно реализованный в наземно-космическом радиоинтерферометре "РадиоАстрон". Цель работы — представить характеристики, необходимые для астрономов-наблюдателей, для проектировщиков станций слежения и для рабочей группы управления и планирования, а также для проведения тестов на совместимость космического радиотелескопа и станций слежения.
Б01: 10.7868/80023420615030012
ВВЕДЕНИЕ
НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ МОДЫ
Выходные данные космического радиотелескопа (КРТ) передаются на станцию слежения двумя потоками одновременно по радиолинии в Q-диапазоне (15 ГГц), используя специальный формат данных и QPSK (двойную относительную фазовую манипуляцию — ДОФМ) модуляцию передатчика. Перед модуляцией оба отформатированных и "упакованных" потока данных дополнительно дифференциально кодируются с целью разделения потоков по фазе. Каждый поток разбит на кадры и содержит радиоастрономические данные, полученные после клиппирования и 1-битного квантования (по знаку сигнала). В начале каждого кадра вводится заголовок, содержащий синхрокод и технические параметры КРТ и служебного модуля. Скорость передаваемых потоков равна 2 х 72 или 2 х 18 Мбит/с в зависимости от ширины видео полосы и числа полос, используемых одновременно, т.е. от выбранной моды наблюдений. Указанные операции в КРТ выполняет прибор Форматор. Летные модели Форматора изготовлены в НИИЯФ МГУ и СКБ ИРЭ (Фрязино). Станция слежения (СС) принимает, демодулирует и удаляет дифференциальное кодирование в сигналах от КРТ. Затем потоки на СС "распаковываются", т.е. выделяются заголовки кадров, а астрономические данные преобразуются в несколько параллельных потоков, совместимых с данными наземных радиотелескопов (ЗРТ.) Рис. 1 иллюстрирует эти процедуры. Во время летных испытаний работала лишь СС в Пущино, позже была введена в строй СС в США (Green Bank).
"РадиоАстрон" может выделить для наблюдений 2 или 4 видеосигнала с шириной полосы 4 или 16 МГц и 1-битным квантованием (по знаку сигнала). Два входных сигнала поступают или от двух разных приемников КРТ, но с единственной поляризацией, или от одного приемника, но с обеими круговыми поляризациями. Рис. 2 показывает взаимное положение рабочих частот КРТ и спектров, которые могут обрабатываться для каждой поляризации. Тут же отмечены звездочкой линии дейтерия D, гидроксила OH, формальдегида H2CO и воды H2O для выбора узкополосных наблюдений.
Мода обозначается четырьмя знаками: используемые частоты 2-го гетеродина для видео конверторов (FI...F4 для двух сигналов ПЧ); ширина одной (боковой) видео полосы, МГц; полная используемая полоса, МГц; скорость передачи бинарных данных на Землю, Мбит/с. Например, мода F2F2 — 16—32—72 означает: F2 = 508 МГц для обоих каналов, видео полоса — 16 МГц, полная полоса — 16 х 2 = 32 МГц, скорость передачи — (32 х х 2) х (9/8) = 72 Мбит/с для обоих каналов одновременно.
Предусмотрен выбор из 9 комбинаций 2-х гетеродинов: F2 F2, F3 F3 для видео полос 16 МГц (см. табл. 1), а также F1F2, F2F3, F3F4и любая пара одинаковых гетеродинов для полос 4 МГц (см. табл. 2). В период летных испытаний КРСДБ "РадиоАстрон" использовалась для простоты лишь часть режимов, в основном с видео полосой 16 МГц. В дальнейших наблюдениях также успеш-
Операции в КРТ
Операции на СС
— Преобразование в видео спектр
— Квантование
— Генерирование синхрокода
— Введение ТМ данных от КРТ и ИСЗ
— Форматирование данных (образование последовательного потока данных)
— Дифференциальное кодирование
Входные ТМ сигналы
Радиоканал Ь
с ДОФМ и
— Радиоприем
— Демодуляция ДОФМ
— Дифф. декодирование
— Детектирование синхрокода, выделение и декодирование всего заголовка
— Разделение принятого потока на исходные субпотоки
— Измерение текущих доплера и фазы доплера
с учетом сделанного прогноза
Тактовые Выходные ТМ Данные для
частоты данных определения
регистратора остаточных т
и AF и местное время
Рис. 1. Основные операции для формирования, передачи и выделения данных от КРТ.
но реализовывались режимы с видеополосой 16МГц.
ФОРМАТ ДАННЫХ КРТ
Благодаря применению QPSK модуляции передатчика на 15 ГГц поток данных 1 и поток данных 2 могут передаваться одновременно. При этом порядок соединений приборов в КРТ (начиная от антенных поляризаторов L и R) следующий:
L—1-ый канал приемника-1-ый канал форматора—вход I модулятора QPSK;
R-2-ой канал приемника-2-ой канал форматора—вход Q модулятора QPSK.
На рис. 3 показана структура кадров и их заголовков для обоих уплотненных потоков.
Таблица 1
ДИАПАЗОН
327 МГц
1665 МГц Для обеих
4830 МГц поляризаций
22235 МГц одновременно
ВОЗМОЖНАЯ МОДА
F4 - 4 F3F3 - -816 -18, -32-72
F2F2 - 16 -32-72
F3F3 - 16 -32-72
F1F2 - 4- 16—18
F2F3 - 4- 16—18
F3F4 - 4- 16—18
FF — 4— 16—18
Каждый кадр в потоках содержит 20000 Байтов: 30 Байт — заголовок и 19970 Байт — радиоастрономические данные. Каждый кадр пронумерован от 1 до 400 (номер размещается в заголовке); 400 кадров занимают по времени 1 или 4 с в зависимости от выбранной моды наблюдений (от скорости передачи данных). Для отличия потоков 1 и 2 положение синхрокодов в заголовках сдвинуто на 8 бит. Каждый Байт в кадрах содержит 9 бит; 9-ый — паритетный бит (лишь в синхро-коде Байт всегда содержит четное число бит "1"). Эта мера уменьшает число ошибочных Байт (за счет шумов радиоканала) и позволяет избежать сбоев или, что наиболее опасно, образования ложных синхрокодов.
Структура астрономических данных. Расположение бит в Байтах зависит от упаковки Байтов. При наблюдении источников с широким спектром могут быть использованы обе боковые видео полосы — нижняя (НБП) и верхняя (ВБП) в каждом канале. При этом упаковка Байтов имеет вид:
"Астрономический" Байт Бит 1 Бит 2 Бит 3 Бит 4 Бит 5 Бит 6 Бит 7 Бит 8 Бит 9 ВБП НБП ВБП НБП ВБП НБП ВБП НБП Паритет
Эта особенность должна приниматься во внимание перед корреляцией с данными ЗРТ, чтобы использовать идентичные видео полосы. Когда наблюдается источник с узким спектром (например, 4МГц в ВБП), другой выход конвертера
ФОРМАТ ДАННЫХ И МОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРА "РАДИОАСТРОН"
197
Средняя частота приемников КРТ
Частоты линий (*)
324
_I_
*
1664
4832
327.4 1665.4; 1667.3 D OH
*
4829.6 H2CO
22232
МГц
22235 H2O
200
Частоты
1-х гетеродинов
1152
4320
21720
МГц
Условная
середина Только для 327 МГц
гетеродинов (для F1 = 500 F2 = 508 F3 = 516 F4 = 524
видео конвертеров)
Рис. 2. Относительное положение рабочих диапазонов и полос КРТ.
(НБП) будет заполнен бесполезными данными (шумом приемника). Для проверки КРТ и СС без наблюдений источника существует 2 тестовых режима: Тест-1, когда Форматор непрерывно повторяет синхрокод без заголовка, и Тест-2, когда генерируется бинарная последовательность 0101010101... вместо астрономических данных. Правило дифференциального кодирования потоков перед модуляцией передатчика показано в табл. 3.
Детальный состав заголовка.
Байты 1—10 содержат техническую телеметрию от ТМ системы ИСЗ.
Байты 11—12 содержат данные об уровне выходной мощности (8-бит АЦП) видеоканалов 1 и 2, включая шумовую калибровку с периодом 2 кадра (четный—нечетный).
Байт 13 - резервный (000000001).
Байт 14 — показывает режим приемника.
Байт 15 — показывает режим Форматора.
Байты 16—22 для потока 1 и 17—23 для потока 2 — помехоустойчивый синхрокод, представляющий псевдошумовую 63-битную последовательность с четным числом единиц в Байтах:
111011001 111000001 000011000 101001111 010001110 010010110.
Таблица 2
ДИАПАЗОН ВОЗМОЖНАЯ МОДА
327 МГц F4 — 4— 8—18, F3 —16—32—72
1665 МГц F3 — 4— 8—18
4830 МГц F2 — 4— 8—18
22235 МГц F1 — 16 —32—72 Выбираются
F2 — 16 —32—72 в зависимости от
F3 — 16 —32—72 предсказанной скорости
F4 — 16 —32—72 источника (до 1500 км/c)
Таблица 3
Предыдущие биты потоков 1 и 2 Текущие биты потоков 1 и 2 00 01 10 11
00 00 01 10 11
01 01 11 00 10
10 10 00 11 01
11 11 10 01 00
Байт 23 в потоке 1 и Байт 16 в потоке 2 — резервные.
Байт 24 — как Байт 14.
Байт 25 — режимы приемника и Форматора.
Байты 26—27 — номер кадра (1—400) в 9-битном бинарном коде.
Байты 28—30 — резервные в обоих потоках.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для наблюдений небесных источников с разной шириной спектров и в разных диапазонах составлены рекомендуемые моды наблюдений. Необходимость передачи данных от КРТ на Землю заставляет преобразовывать принятые КРТ дан-
Заголовок Данные
Заголовок для потока 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
7
Служебная Синхрокод
ТМ
Рис. 3. Структура кадра и его заголовка.
ные в форму, совместимую с возможностями радиолинии связи КРТ-СС. В "РадиоАстроне" для этого выбран специальный формат. Все это требует восстановить на СС вид данных от КРТ и обеспечить их совместимость при корреляции с данными от ЗРТ. Передача в научном потоке данных части технической информации исключает потерю наиболее важной служебной телеметрии во время научных сеансов. Знание мод наблюдений и формата данных КРТ после декодирования на СС позволяют "пользователям" этого радиоинтерферометра обеспечить идентичность с форматом данных от ЗРТ.
Проект "РадиоАстрон" осуществляется Астро-космическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и НПО им. С.А. Лавочкина по контракту с Российским космическим агентством совместно со многими научно-техническими организациями в России и других странах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Andreyanov V.V. Compatibility problems of Radioastron, VSOP, VLBI and VLBA// Frontiers of VLBI. Tokyo: Universal Academy Press, Inc.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.