甚长基线干涉测量技术(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)是20世纪60年代兴起的超高分辨率、超高测量精度射电干涉新技术。该技术具有观测不受时间和天气的影响、精度高、抗干扰等优点。目前，甚长基线干涉测量技术已能获得10^-9的甚长基线的相对精度和亚毫角秒级的超高空间分辨率，在天体测量、天体物理、地球动力学和航天器轨道测量等诸多领域有重要科学意义和实用价值^[1]。其基本原理为：VLBI观测站同时跟踪观测同一目标(天然的射电天体或有无线电信标的人造天体)，各观测站将观测数据实时传送或记录在磁盘上运送到VLBI数据处理中心，然后进行数据回放和互相关计算，再利用得到的互相关谱数据，计算得到信号到达各观测站的时间差(时延观测值，约几ps)及其变化率(时延率观测值)，最后利用这些观测值计算目标的角位置(赤经和赤纬)。

甚长基线干涉测量技术的实现，要求有高精度的频率标准。原因有两点，(1)各站需要稳定的频率标准；(2)信号数字化与相关处理同步化。从甚长基线干涉测量技术的基本原理考虑，可以理解精确频率标准的重要性。信号是深空源的噪声射电辐射，两个天线相距遥远，甚至在地球的两端，它们需要记录同一波前到达的时刻，因而两台钟必须严格同步，否则，任何形式的钟差都将影响测量精度。也就是说，VLBI观测要求数个观测站或数十个观测站同时观测，观测相同的目标，观测相同的频段；并且由于各个观测站使用独立本振源，观测信号必须具有相干性，因此，必须由氢原子钟提供高精度的基准频率。例如，观测10 GHz信号，要求1 000 s内的信号的一致性为~10°时，要求2个观测站的2台钟的相对稳定度必须达到2.8×10^-15@1 000 s。

VLBI观测站的主要设备包括：天线、接收机、终端数据采集系统、氢原子钟和时间比对系统(简称时频系统)4部分。其中时频系统为测站提供稳定可靠的时间标准，其信号的好坏直接影响数据处理质量。我国VLBI网在建立之初就是以实时VLBI为目标，数据的实时处理无疑增加了对测站设备稳定性的高要求，同时也增加了对于故障产生后即时处理的要求。

对于时频系统来讲，氢原子钟一旦出现严重故障，对数据的破坏是致命的，因此，鉴于工程的可靠性，各测站都配备了两台氢原子钟互为备份，以保障观测任务的万无一失，只是对于故障出现后的备份切换并没有实现自动化，切换时一方面需人工干预各设备之间的多路接线，另外由于切换时间较长需重新更换数据处理模型，严重的会导致数小时的数据丢失。为了更方便有效地实现切换，减少数据丢失，本文对时频系统的自动切换方法进行了研究并初步实现，建成了VLBI测站的时频自动切换系统，该系统在嫦娥三号任务及任务前演练中对于氢原子钟突发故障引起的时频信号切换起到了关键作用，数据处理基本未受影响。

作为时频系统的关键设备，氢原子钟的标准频率要提供给接收机的本振和记录终端使用，同时还要提供测站的时间系统，通过与全球定位系统(Global Positioning System,GPS)进行时间比对，保持不同台站之间的时间同步。台站需要提供的钟差和钟速(相对于全球定位系统)给数据相关处理中心，以便对VLBI台站的观测数据进行相关处理。

钟差的记录方式是使用计数器，以原子钟的秒信号为开门，全球定位系统的秒信号为关门，获取两个秒信号的时间间隔差值，即钟差。将此钟差通过最小二乘法线性拟合，求其直线斜率，可得出钟速值。数据相关处理中心需要钟差和钟速使来自不同台站的信号进行相关，且希望这两个值保持变化在可控范围内。这便是本系统设计的原理，即尽量保持两钟钟速一致，且钟差值尽量不变。

原有的系统因为设计的原因，在准实时的观测中，如果需要更换氢原子钟，则需要更换若干设备的输入频率源，这些操作需要一定的时间，且由于时间系统更换频率源，将使台站的时间系统发生大的跳变，从而需要调整台站钟的时刻提供与全球定位系统新的比对结果，数据相关处理中心需要修改相关处理模型，在实时任务期间还需要改变数据校正的模型等。所有这些动作需要各部门操作人员通力协作，且花费较长的时间。

以佘山站为例，原有时频系统框图如图 1，如果需要切换，则会引起毫秒量级的钟差，致使相关处理无法用同一钟差模型进行。在探月和深空探测关键段，万一氢钟有问题，将使数小时的观测失败。

图 1 佘山时频系统框图(原) Fig. 1 A block diagram of the old time frequency system at Sheshan

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频标切换的关键是要保持切换前后信号相位的稳定，需要切换器有超低相噪和高隔离度，而若4种共8路信号同时切换，则指标会大大降低，为了解决这个问题，最终决定以每一台氢钟的主输出作为切换标准，整体实现氢钟切换，之后再增加信号产生设备，即如图 2，氢原子钟各输出一路5 MHz信号到切换器，切换器输出多路5 MHz，其中一路输出给倍频器再产生10 MHz和100 MHz信号，另一路输出给分频钟产生1PPS秒脉冲信号。

系统切换的依据是氢原子钟的稳定性，若主用原子钟的钟速超出正常范围，则认为其异常，需要切换。

图 2 佘山站时频切换系统框图 Fig. 2 A block diagram of the time frequency system with auto-switching clocks at Sheshan

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本方案可兼顾台站终端既要使用5 MHz信号，又要使用10 MHz及100 MHz信号的实际需求。根据本方案在两个氢钟间切换，可使输出5 MHz信号相位保持在1 μs以内不变(1 ns~200 ns)，输出秒脉冲信号相位不变。

在Delta DOR(Delta-Differential One-Way Ranging)观测中，校正用的射电源与卫星信号交替观测^{[2, 3]}，交替时间约5 min，因此在观测过程中如果更换氢钟，最多仅对5 min的数据有影响，之后由于利用射电源的观测结果对卫星观测数据进行校正，时频系统的更换不再影响数据处理中心的输出结果。

切换器是高性能频率分配放大器，提供超低相噪和极高隔离度，主要技术指标如表 1。切换器内含两个模块，每个模块1路输入5路输出，输入可自动切换，第1路输入信号失效，系统自动切换到第2路，切换时间小于1 μs。若需要，切换也可设置为手动切换而非自动切换，并可设置为远程控制或本地控制。

倍频器采用最先进的晶体频率源而不影响相噪和稳定度，输入5 MHz信号，输出10 MHz和100 MHz信号，低相噪低杂散，主要技术指标如表 2。

分频钟将输入的5 MHz信号分频成1PPS信号，其初始相位可通过全球定位系统的1PPS信号进行同步标定，另外利用移相功能可输出精确的1PPS信号。内部自带晶振，在切换的短暂瞬间也可保持输出1PPS信号相位稳定。主要技术指标如表 3。

为验证系统可行性，进行了多次实验，并在实际联测中进行了一次实战检验。

在2013年8月15日的VLBI 3台站联测f3815a中进行了氢钟切换试验，模式为佘山站切换器切换，其它站不变。不对终端设备等进行重启或重新同步。观测对象为射电源，时间从当天8∶17∶00开始，佘山工作钟为H1，8∶30∶00切换为H2，8∶45∶00切换回H1，两钟钟速分别为0.785E-12和-1.451E-12，如表 4。

数据处理结果如图 3、4。由图 4可知，A部分时延率平均值为0.480 5 ps/s；B部分时延率平均值为2.404 1 ps/s；C部分时延率平均值为0.385 5 ps/s。而钟H1钟速为0.785E-12，钟H2钟速为-1.451E-12。两钟钟速差为2.2 ps/s，与实验结果保持一致。

图 3 f3815a佘山-乌鲁木齐基线数据时延(对应钟差)变化 Fig. 3 The time delays (corresponding to the clock offsets) for the Sheshan-Urmuqi baseline in the f3815a measurement

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图 4 f3815a佘山-乌鲁木齐基线数据时延率(对应钟速)变化 Fig. 4 The time-delay rates (corresponding to the clock rates) for the Sheshan-Urmuqi baseline in the f3815a measurement

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在2013年9月25日进行的VLBI 4台站联合射电源观测t3925a中进行了氢钟切换实验，实验中每隔几分钟进行一次工作钟切换，期间用计数器监视终端系统输出秒信号与氢钟输出秒信号之间的钟差值，切换进行了共计6次，如图 5、6。其中两次发生了显著变化(达200 ns)，4次无显著变化。

图 6中左侧表示各条基线上的时延(对应钟差)，后侧为时延率(对应钟速)，可以明显看出上海有关基线在氢钟切换后的相应时间段，不管是钟差还是钟速都发生了明显的变化。

在2013年11月21日的CE-3实时观测演练t3b21a中，观测对象为射电源和geo-3卫星。密云站主用钟86#故障，紧急切换到备用钟31#，整个切换过程快速且平稳，观测、数据处理顺利。图 7是数据处理情况。

图 5 t3925a中氢钟切换后钟差变化 Fig. 5 The clock offsets before and after the clock switch in the t3925a measurement

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图 6 t3925a中氢钟切换后数据后处理结果 Fig. 6 The processing results from the data after the clock switch in the t3925a measurement

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图 7 (a) t3b21a观测中密云站氢钟切换后数据处理情况(切换前后数据); (b) t3b21a观测中密云站氢钟切换后数据处理情况(所有数据) Fig. 7 (a) The processing results from the data just before and after the clock switch at the Miyun station in the t3b21a measurement. (b) The processing results from all the data after the clock switch at the Miyun station in the t3b21a measurement

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图 7中左边为射电源数据的时延和时延率(对应钟差和钟速)，右边为卫星数据的时延和时延率，上面3行为密云站相关基线(BJ-KM，BJ-UR，BJ-TM)，横坐标为UT时间，由图可知在切换发生的UT 3~3.5时之间，密云站相关基线的数据都有明显的跳变，但通过之后的射电源数据进行修正，卫星数据处理正常，未受影响。

本系统的实现，使得切换动作可以在瞬间完成，之后可利用同一钟差模型连续处理VLBI数据，最差情况时丢失约5 min数据，这对于捕获、交会对接等关键弧段的VLBI测定轨有重要意义。

另外，本方案是使自动切换在最低成本和效果最大化之间所作的平衡，如前所述，切换过程中5 MHz信号相位还有稍微的变化，而数据相关处理中心希望得到完全的无缝切换，如何实现是很值得研究的内容，可以从两方面考虑：

一是以采集数据的分析结果为依据，将控制项施于备用氢原子钟，实现实时控制以使主备钟钟速保持一致；

二是通过相位补偿的方式使主备钟相位输出一致。

致谢：首先感谢同事苟伟在整个系统实现过程中的大力协助，他在其中起了至关重要的作用；感谢刘庆会老师敦促我完成本文；感谢郑鑫对多次试验数据进行处理，为此花了大量的时间，特别感谢；还要感谢马茂莉帮忙进行数据后处理，同时感谢王广利老师提供的数据后处理软件平台。