中國天眼FAST反射面控制光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

據(jù)新華社報道，3月31日0時起，500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）正式向全球開放申請。自2020年初通過國家驗收啟動運行以來，中國天眼FAST設(shè)施運行穩(wěn)定可靠，發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量已超過300顆，并在快速射電暴等研究領(lǐng)域取得了重大突破。

這只“觀天巨眼”的成功運行同樣離不開自動化技術(shù)的支持，今天小編將分享其反射面控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線光纖網(wǎng)絡(luò)是怎樣設(shè)計的，敬請閱讀~1

概述

500米口徑射電天文望遠鏡FAST（Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope）是世界最大的單孔徑射電天文望遠鏡。FAST作為一個多學(xué)科基礎(chǔ)研究平臺，有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣，觀測暗物質(zhì)和暗能量，探索宇宙的起源與演化；能用一年時間發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆脈沖星，研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律；有希望發(fā)現(xiàn)奇異星和夸克星物質(zhì)；發(fā)現(xiàn)中子星——黑洞雙星，無需依賴模型精確測定黑洞質(zhì)量；通過精確測定脈沖星到達時間來檢測引力波；作為最大的臺站加入國際甚長基線網(wǎng)，為天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)成像；還可能發(fā)現(xiàn)高紅移的巨脈澤星系，實現(xiàn)銀河系外第一個甲醇超脈澤的觀測突破；用于搜尋識別可能的星際通訊信號，尋找地外文明等。FAST還可以把我國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣，將深空通訊數(shù)據(jù)下行速率提高100倍。脈沖星到達時間測量精度由目前的120納秒提高至30納秒，成為國際上最精確的脈沖星計時陣，為自主導(dǎo)航這一前瞻性研究制作脈沖星鐘。進行高分辨率微波巡視，以1Hz的分辨率診斷識別微弱的空間訊號，作為被動戰(zhàn)略雷達為國家安全服務(wù)。作為“子午工程”的非相干散射雷達接收系統(tǒng)，提供高分辨率和高效率的地面觀測；跟蹤探測日冕物質(zhì)拋射事件，服務(wù)于太空天氣預(yù)報等。其效果如圖1所示。圖1FAST效果圖2

FAST基本結(jié)構(gòu)

FAST的主要基本結(jié)構(gòu)之一是利用天然喀斯特地貌洼地修建一個500米口徑的圈梁，依托圈梁用6725根鋼纜編織出一個球形索網(wǎng)，如圖2所示，在4600個網(wǎng)孔上滿鋪邊長約12米的三角形鋁制面板用于反射電磁波。2225個索網(wǎng)節(jié)點用電液執(zhí)行機構(gòu)“促動器”以一定張力下拉，使索網(wǎng)張成基準(zhǔn)球面。在進行天文觀測時，根據(jù)計算對部分節(jié)點進一步拉緊而另一些則進行放松以便在500米口徑球面上形成一個口徑300米，焦比0.47的拋物面，該拋物面的焦點恰位于用鋼纜懸掛在天空的饋源（接收裝置）處，以對所接收的宇宙射電信號進行聚焦。通過控制系統(tǒng)使反射面焦點和饋源裝置隨時間同步移動以便跟蹤或主動觀測某一天體。從大尺度來看，索網(wǎng)鋼纜就等效于彈簧，在促動器拉力下產(chǎn)生變形，構(gòu)成了焦點指向可控移動的拋物面，從而達到聚焦微弱宇宙電磁信號的作用，F(xiàn)AST的工作頻段在70MHz~3GHz（波長0.1~4.3米）。圖2索網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖3

FAST控制系統(tǒng)

根據(jù)FAST對反射面控制的需求，采用工業(yè)成熟的PLC控制器搭建控制系統(tǒng)如圖3所示。FAST總控系統(tǒng)根據(jù)天文學(xué)家觀測的要求向各子系統(tǒng)編制并下發(fā)觀測命令，反射面控制系統(tǒng)解析這個觀測命令并轉(zhuǎn)化為2225個節(jié)點促動器的位置控制指令。圖3FAST反射面控制系統(tǒng)框圖從控制內(nèi)容看，反射面控制不是一個高速控制系統(tǒng)（節(jié)點掃描周期0.5秒，節(jié)點位置精度RMS20mm）。但有兩個特點是通常工業(yè)控制系統(tǒng)所沒有的。一是節(jié)點數(shù)量大對可靠性要求很高，而且促動器節(jié)點分布在地形不十分規(guī)則的洼地上（沒有以工業(yè)裝置為依托的規(guī)則布線橋架通道），更嚴(yán)峻的是極苛刻的電磁兼容要求。因為FAST用于接收極微弱的宇宙射電信號，因此國際電信聯(lián)盟ITU對射電天文背景的電磁輻射要求比國軍標(biāo)限制還要嚴(yán)苛10000倍（80dB）以上。圖4上面蘭線是GJB151A對軍用設(shè)備電磁敏感度要求，下面紅實線為減去80dB，紅虛線為減去94dB后限制，下面藍線則為ITU推薦的連續(xù)和譜線觀測限制值RA769。在常規(guī)工業(yè)控制系統(tǒng)里基本沒有這樣嚴(yán)苛的要求。同時貴州是多雷害地區(qū)，野外大面積防雷是必須重點考慮的問題。防浪涌器SPD可以將感應(yīng)雷電壓限制在1.5kV以下，如果配合EMI濾波器，對于瞬間過電壓將有更好的抑制作用，通?？梢韵拗圃趲装俜韵隆D4GJB151A標(biāo)準(zhǔn)與ITU-RRA769限值要求對比為滿足電磁屏蔽的要求，所有進入屏蔽空間的電源都必須通過“過壁”式電源濾波器，它的進出線是互不可見的，以防電磁干擾通過線間感應(yīng)耦合。而信號光纖則通過波導(dǎo)管進出屏蔽空間。電磁密封和水、氣介質(zhì)密封不同，電磁波理論上厚度約為0，屏蔽導(dǎo)體連接處如果存在不導(dǎo)電的連續(xù)長窄縫，雖然縫窄到甚至可以不漏水、氣，但電磁波仍可以順暢通過，而且通過的波長和縫隙的最長連續(xù)長度成比例。對于有深度的孔，低于截止頻率的電磁波通過時卻將產(chǎn)生極大的衰減。所以水、氣介質(zhì)容易通過的深孔電磁波卻難于通過。注意光纜通過波導(dǎo)管時必須將其中可能的金屬加強線去掉，因為金屬線可能有天線作用將屏蔽室內(nèi)電磁信號發(fā)射到外面從而破壞了屏蔽功能，如圖5所示。圖5光纖和電源通過屏蔽空間界面過壁示意圖園波導(dǎo)管簡易設(shè)計方法如下：截止頻率：fc=17.6/D（GHz）式中D為波導(dǎo)管內(nèi)徑，單位：cm。FAST使用頻段70MHz~3GHz，應(yīng)選fc﹥3GHz，例如fc=15GHz則近似有：插入損耗：A=32L/D（dB）式中L為波導(dǎo)管長度，單位：cm。基于這些特點，反射面控制系統(tǒng)采取下列措施：（1）分散PLC控制器風(fēng)險，在洼地分布建設(shè)12個120db屏蔽效能的中繼室，每中繼室內(nèi)安裝一臺西門子PCS7-300控制器和4塊Profibus-DP現(xiàn)場總線接口卡，每條DP總線邏輯上掛50臺左右節(jié)點促動器，共負(fù)責(zé)控制附近約200臺促動器。共12×4=48條DP總線連接全部2225臺促動器。為解決信號濾波和線纜屏蔽的困難及避免雷擊的風(fēng)險，Profibus-DP現(xiàn)場總線采用光纖傳輸。這12套PCS7-300控制器通過單模光纖雙環(huán)網(wǎng)Profinet和觀測樓通信服務(wù)器連接。主環(huán)網(wǎng)任何單點故障，環(huán)網(wǎng)自愈功能立即改變信息流向保證通信正常。但如果兩點同時發(fā)生故障或某交換機發(fā)生故障，則系統(tǒng)自動將通信從主環(huán)切換到后備環(huán)，可以同樣保證通信正常。從反射面現(xiàn)場到主觀測樓的距離有1000米，而中繼室之間的距離約幾百米，中繼室到就近的促動器距離在50~300米范圍。這對單模光纖而言都不是遠的距離。（2）促動器采用光接口的智能電液執(zhí)行器，除執(zhí)行功能外具有本地閉環(huán)、診斷、保護和健康管理功能，因此只能通過Profibus-DP現(xiàn)場總線數(shù)字通信和系統(tǒng)實現(xiàn)多信息雙向傳輸。系統(tǒng)和2225臺促動器連接需要2225個總線光接口，如果采用常規(guī)的光電轉(zhuǎn)換模式將使設(shè)備數(shù)量龐大，占用機柜體積大、發(fā)熱量大，復(fù)雜程度升高將導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。Profibus-DP通信協(xié)議是單主從協(xié)議，系統(tǒng)對促動器是廣播式通信，任何時刻最多只可能有一臺促動器在回答主系統(tǒng)，同時作為從站的促動器之間并沒有通信要求。根據(jù)這些技術(shù)特點我們采用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)里已經(jīng)成熟使用的無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)PON（PassiveOpticalNetwork）以大大簡化光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少設(shè)備數(shù)量及相應(yīng)的設(shè)備占用空間和功耗發(fā)熱。由于以太網(wǎng)和光纖技術(shù)的發(fā)展及對互聯(lián)網(wǎng)傳輸距離、速度和帶寬的追求，光纖入戶勢必涉及光網(wǎng)絡(luò)接入的性能和成本問題。以太網(wǎng)交換機光纖接口的價格對千家萬戶網(wǎng)絡(luò)接入是難于承受的，因此導(dǎo)致以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)EPON技術(shù)在上世紀(jì)90年代提出經(jīng)20年發(fā)展現(xiàn)已臻成熟并得到廣泛應(yīng)用。典型PON系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。圖6無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）系統(tǒng)圖PON系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一是分光器（Opticalsplitter）。它是一個無源純光學(xué)元件，有熔融拉錐和平面波導(dǎo)兩種制造工藝方法。它不需要電源，不產(chǎn)生熱量且價格低廉。主路光被分配到各分支光路，反之各分支回光在主光路中有光波“矢量和”的運算功能。PON的數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)特點基本符合Profibus-DP通信協(xié)議要求，但也有下列兩個特點：·

OLT發(fā)出的一束光被分成多份，每束光的能量將被按比例衰減。每分一倍，光衰減約-3dB（即10log0.5）。這種損耗需要由發(fā)光功率或接收靈敏度補償?！?/p>

所有沒有在通信狀態(tài)的ONU不能是光邏輯1狀態(tài)（即有光）。我們選擇國內(nèi)生產(chǎn)的光電收發(fā)模塊的技術(shù)指標(biāo)是：速率0~2Mbps；發(fā)光強度≥-5dBm；靈敏度優(yōu)于-25dBm；發(fā)射波長1550nm；接收波長1310nm。光路能量平衡計算公式如下：發(fā)光功率-所有損耗-備用余量≥接收靈敏度通常考慮光纖接頭損耗0.15~0.2dB；光纖熔接損耗0.1dB；光纖距離損耗和波長有關(guān)，粗略可選0.25~0.4dB/km；備損能量余量通常按5~8dB考慮。有計算示例如下：-5dBm（發(fā)光功率）=-25dBm（接收靈敏度）+2dB（各處接頭損耗和）+11dB（1:8分光器損耗）+5dB（備用余量）+L×0.4dB/km（光纖距離損耗）可以計算出能可靠傳輸?shù)木嚯xL=（25-5-2-11-5）/0.4=2/0.4=5km＞0.3km有趣的是不要簡單認(rèn)為將分光器輸入輸出反過來使用就成為所謂“光合成器”。即使來自同一光源的兩個支路的光再通過一個分光器合成后也得不到一個穩(wěn)定的強度加倍的合成光。因為單色激光有頻率相位矢量和的因素，得到的將是峰值，雖然加倍但卻存在無規(guī)則的全幅度的跳動的不穩(wěn)定光信號。無源光網(wǎng)絡(luò)只能使用在沒有網(wǎng)絡(luò)沖突的串口通信類型，例如Modbus和Profibus-DP等主流通信網(wǎng)絡(luò)都符合這個規(guī)定。但存住網(wǎng)絡(luò)沖突的通信協(xié)議，例如CAN就無法使用。由于采用了1分8路分光器，系統(tǒng)節(jié)省了7/8=87.5%的傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換器，使功耗發(fā)熱、占用空間和成本大幅度減少，同時Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的電節(jié)點數(shù)量也同比例減少，可以少用或不用重復(fù)器，因此本方案有明顯的優(yōu)越性。問題是使用1分16路分光器豈不是效果更好嗎？的確是，但限制的因素是目前低頻光電收發(fā)模塊產(chǎn)品的接收靈敏度尚不足以補償更高的分光損耗。傳輸沒有直流分量的以太網(wǎng)信號的光電收發(fā)模塊的接收靈敏度就可達-35dB，因此甚至可以使用1分64路分光器。圖7是從中繼室PLC柜到促動器內(nèi)電子板的光路連接示例。圖71/4條DP總線到促動器的16路光路連接圖RS485收發(fā)器有兩種用法，一是在CPU控制下使用，作為“智能”設(shè)備的通信端口，它的收發(fā)狀態(tài)全部在CPU有計劃的控制之中。二是作中繼器使用，這時它完全不知道信號的來向和波特率。有兩類方法來解決方向和波特率識別控制。一類是使用CPU或FPGA類芯片，通常認(rèn)為這種方法比較復(fù)雜且難于適應(yīng)高速通信。第二是基于硬件的方法，這種方法比較簡單但需要通信協(xié)議的鏈路層遵守一定的規(guī)則，即構(gòu)成信息幀的每個“字節(jié)”的第一位一定是1到0的負(fù)跳變開始，所有節(jié)點空閑狀態(tài)是監(jiān)聽，總線停留在邏輯“1”。例如Modbus和Profibus-DP等主流通信協(xié)議都符合這一規(guī)定。這就可以這樣設(shè)計RS485收發(fā)器：空閑態(tài)：監(jiān)聽狀態(tài)/RE=DE=0，總線狀態(tài)為1，RO輸出為1；接收態(tài)：監(jiān)聽狀態(tài)/RE=DE=0，總線接收信息，RO按接收信息輸出；發(fā)送態(tài)：當(dāng)DI=0時/RE=DE=1即發(fā)送態(tài)，總線狀態(tài)為0，RO為高阻，由外加電阻上拉為邏輯1和空閑態(tài)一致。這是一次名副其實的真正發(fā)送。當(dāng)DI=1時/RE=DE=0，這時芯片名義是發(fā)送態(tài)，實為接收?？偩€是高阻，和空閑態(tài)一樣，也由外加電阻上拉為邏輯1，僅恰恰“像”發(fā)送了1。因此我們可以認(rèn)為所謂發(fā)送過程實際上只發(fā)送了邏輯0，而邏輯1是靠總線偏置自然形成的結(jié)果。中繼器對數(shù)據(jù)沒有做任何額外的工作，從而實現(xiàn)了協(xié)議無關(guān)，波特率自適應(yīng)，數(shù)據(jù)透明傳輸。RO上拉電阻是為保證在這樣的“發(fā)送”過程中RO保持邏輯1不變化。而接收態(tài)/RE=DE=0是常規(guī)使用，沒有什么特殊之處。Profibus-DP通信物理層采用RS485規(guī)范，主站空閑時間停留在邏輯“1”狀態(tài)，這對從站接收并沒有什么