Referenssit ja näytteenotto VLBI -interferometriassa Jan Wagner, jwagner@kurp.hut.fi Metsähovin radiotutkimusasema / TKK
Eri taajuuksilla sama kohde nähdään eri tavalla ts. uutta tietoa pinta-ala D tarkkuustyötä θ λ/d Optinen astronomia: 10-1000nm / 400 790 THz Radioastronomia: λ = 0.7mm-90cm / MHz-GHz Suuri ero kulmaerotuskyvyssä θ Radioastronomia (1/2)
Radioastronomia (2/2) Erottelukyky: Radio Erottelukyky: Optinen Linnunrata nähtynä eri taajuuksilla Andromedagalaksi
Interferometria (1/3) Radioteleskoopilla tavallisesti yksi pikseli, kohdetta skannataan Suurimmankin teleskoopin resoluutio huono vs optinen Ultimate resoluutio: maapallosta itse tehdään teleskooppi käytännössä hieman hankalaa! Huijataan: jättimäistä teleskooppia approksimoidaan monella pienellä teleskoopilla apertuurisynteesi, vaiheistettu ryhmä (phased array) kaikki teleskoopit yhdistetään laskentakeskuksessa
Interferometria (2/3) - Samanaikainen näytteenotto kaikissa observatorioissa - Kompensoitava viiveitä: geometria, kaapelit, - Asemaparien välinen kello/taajuusero minimoitava Very Long Baseline Interferometry (VLBI)
Interferometria (3/3) Asema#1 tallennus / siirto Asema#2 Asemien korrelointi ja apertuurisynteesi datan (kohinan) suuruusluokka: 16 teleskooppia * 1 TB/teleskooppi (24h) prosessointi suoraviivaista paitsi: viivemallit, ilmakehä, maapallon pyörimisliike, vastaanottimen ja näytteistyksen taajuusreferenssien drifti haettu viive-eron tarkkuus on ~1ps! (kulmaero asema#1,#2 galaksi) => vaatii erittäin tarkat mallit, hyvin käyttäytyvät taajuusreferenssit
VLBI taajuusreferenssit (1/3) Astronomisen VLBI:n tarkkuus- ja vakausvaatimukset: RF ja IF-taajuudet ja näytteenottokello vaihelukittuja referenssiin, esim. H-maser 5/10 MHz, kerrotaan 1-100 GHz RF-taajuudelle kahden VLBI -aseman kellojen suhteellinen ero: jos 10 GHz RF taajuus ja sallittu virhe 10º @ 1000s => (10 /(360 10 10 Hz 10 3 s)) 2.8 10-15 @1000s Geodeettinen VLBI - geodesiassa aseman kelloja mallinnetaan <30ps tasolla päivän yli: 3.5 10-16 @1d UT1 estimaatti ja maan EOP:t tuotetaan VLBI:llä ero (UT1 USNO -UT1 VLBI ) pidettävä 100ns
VLBI taajuusreferenssit (2/3) Pääasiassa vetymasereita Kvarz, Symmetricon, 200 k 10-13 @1s, 10-15 @1000s Rubidiumkellot (huono STS) 10-12 s @ 1000s, 5 k CSO oskillaattorit 10-16 @1s, 6 10-16 @20s, 5 k? tulevat massatuotantoon, H-masereita parempi STS LTS käyttäytyminen pyritään mallintamaan pois Aseman aika ja LTS: GPS UT1 - VLBI:ssä 0.1s@1d ok, geodesiassa oltava parempi, GPS-disciplined oscillator
VLBI taajuusreferenssit (3/3) Vetymaserit epätarkkoja, kuitenkin korjattavissa korrelointi vaatii tietoja teleskooppien taajuusreferenssien käyttäytymisestä pitkällä aikavälillä eräs mallinnettavista tekijöistä asemien taajuusreferenssejä siksi säännöllisesti verrattava keskenään Jokaisen VLBI -teleskoopin kellojen monitorointi jva asema vs. GPS, lisäksi yhteinen mittaus parin kuukauden välein offset µs, drift ps/s, rate ps/s/s suhteessa pääasemaan Metsähovin H-maserit suhteellisesti parhaimpien joukossa
Tiedonkeruu ja tiedonsiirto (1/3) Teleskooppien havainnoitava kohdetta samanaikaisesti tiedonkeruun aloitus: karkeasti 1PPS sekuntipulssilla, ±50ns viivesovitus korrelaattorissa, teleskooppeja ei edes synkronoitava! vastaanotin ja näytteenotto vaihelukittuja: aseman <10-13 @1s lopuksi/samalla teleskooppien tiedot siirrettävä korrelaattorille Korreloinnissa tunnettava näytteiden aika kovalevytallennus ja postitus: periaatteessa ei erillistä aikaleimaa reaaliaikasiirto verkon yli (UDP/IP): yksinkertaiset aikaleimat Reaaliaikasiirtoa ongelmat siirrossa: verkon siirtoviive >50ms, pakettihäviö, jitter, geometrinen viivesovitus lisäksi joka asemalta eri verkkoviive siirrot puskuroitava laskentakeskuksessa; 4Gbps/8bit = 500MB/s tyypillisesti tietokoneklusteri, tiedot ja puskurointi hajautetaan
Siirrot vaativat 1G/10G kuituyhteyksiä Asemat käyttävät tutkimusverkkoja, Internetiä, jotkut valopolku-palveluja Metsähovissa Tsunami UDP : 1 Gbit/s (2002), nyt 4-8 Gbit/s Verkot toimivat mainiosti ja kapasiteettia riittää jopa gigabitti-siirroille - h-maser -lukittu 4x512MHz ADC - FPGA -pohjainen 10GbE palvelin Eräs kehitetty järjestelmä: Tiedonkeruu ja tiedonsiirto (2/3)
Tiedonkeruu ja tiedonsiirto (3/3) Orionin vetymaserin etähavainnointi: 512 MHz RF kaistan 4 8 Gbit/s reaaliaikasiirto Onsala/Ruotsi Metsähovi. Useita vastaavia siirtodemoja. Suomen Internet-runkoyhteys Funet NORDUnet (10G) demosiirrot radiokohinaa warettajat
Yhteenveto VLBI teleskoopin laitteisto vaihelukittu taajuusreferenssiin havainnoidaan korkeahkoja radiotaajuuksia lyhyen ajan yli referenssin STS tärkeä ( 10-15 @1s), LTS korjataan malleilla CSO -oskillaattorit lupaavia H-maser korvaajia (10-16 @1s, 6 10-16 @20s) Tiedonkeruu teleskooppien kelloja ei synkronoitava, niitä vain verrataan ajoittain tarkka UT1 aloitusaika toissijainen, mutta vastaanotinketjun ja näytteenoton taajuudet lukittava tarkkaan referenssiin Tiedonsiirto yksinkertainen laitteisto ja ohjelmisto, protokollat aikatietoja ei suoranaisesti tarvitse siirtää, helpot aikaleimat ok laskentakeskuksen tehtävä viivesovitukset tietokoneen muistissa verkkoihmisten ansiosta verkossa on enemmän kuin riittävästi kapasiteettia, 4 Gbit/s tiedon etäkeruu ja siirto toimivat mainiosti