遙感衛(wèi)星星上時(shí)間管理方法

田賀祥，王同桓，李 璇，徐 浩

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

遙感衛(wèi)星因具備高效和持續(xù)的探測(cè)能力等優(yōu)勢(shì)，已在資源普查與測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)水利等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。隨著用戶對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)高時(shí)間、高空間分辨率需求的不斷提高，光學(xué)遙感衛(wèi)星和微波遙感衛(wèi)星均對(duì)星上時(shí)間精度和同步精度提出了更為苛刻的要求。以合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）遙感衛(wèi)星為例，在高分辨率聚束模式工作期間，為了獲取豐富精細(xì)的目標(biāo)信息，高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星將始終小范圍地照射衛(wèi)星預(yù)置的特定成像區(qū)域，這就要求預(yù)先設(shè)定的聚束模式工作時(shí)間起點(diǎn)與星上時(shí)間比對(duì)時(shí)刻嚴(yán)格同步，超出時(shí)間誤差范圍即可造成不可忽視的成像性能下降［1］。

本文以遙感衛(wèi)星為對(duì)象，將時(shí)間管理定義為:為了滿足用戶對(duì)時(shí)間精度和同步精度的需求，通過(guò)特定方法和必要手段對(duì)星上時(shí)間產(chǎn)生、維護(hù)和發(fā)布機(jī)制進(jìn)行相應(yīng)的約束和規(guī)定［2，3］，并實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)時(shí)間要求的完整過(guò)程稱為時(shí)間管理。

1 星上時(shí)間管理模型

依據(jù)時(shí)間管理的定義，可建立遙感衛(wèi)星星上時(shí)間管理模型，并將其分為4個(gè)組成部分，如圖1所示。

圖1 星上時(shí)間管理模型組成Fig 1 Constitution of satellite time management model

星上時(shí)間管理模型由時(shí)間源、時(shí)間維護(hù)、時(shí)間用戶及時(shí)間傳輸通道組成。其中，時(shí)間源、時(shí)間維護(hù)和時(shí)間用戶為邏輯關(guān)系層面，它涵蓋了星上時(shí)間同步的基本流程，并直接揭示了衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)的功能實(shí)質(zhì);時(shí)間傳輸通道則承載了邏輯關(guān)系的傳遞。

1）時(shí)間源用于星上時(shí)間的產(chǎn)生并提供時(shí)間基準(zhǔn)，它的執(zhí)行設(shè)備為導(dǎo)航接收機(jī)、地面遙控注入及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)工作時(shí)鐘等［4］;

2）時(shí)間維護(hù)提供了時(shí)間修正的手段與方法，它的執(zhí)行設(shè)備為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、專用控制電路等，并以廣播、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)确绞綄?shí)現(xiàn)時(shí)間發(fā)布;

3）時(shí)間用戶則是時(shí)間維護(hù)和時(shí)間發(fā)布的對(duì)象，整個(gè)系統(tǒng)的最終目標(biāo)即是為用戶提供能夠滿足任務(wù)需求的星上時(shí)間，控制分系統(tǒng)、載荷、數(shù)傳分系統(tǒng)及地面測(cè)控均可認(rèn)為是時(shí)間用戶，它們是時(shí)間管理的受益者;

4）時(shí)間傳輸通道提供時(shí)間信息流的傳輸路徑，它的執(zhí)行設(shè)備為硬件秒脈沖通道和串行1553B總線通道。

2 星上時(shí)間管理運(yùn)行機(jī)制

對(duì)同步精度要求苛刻的時(shí)間用戶，遙感衛(wèi)星可采用高精度同步時(shí)間管理方法，它以導(dǎo)航接收機(jī)作為星上時(shí)間源，接收機(jī)鎖定導(dǎo)航信號(hào)后的高精度硬件秒脈沖（導(dǎo)航電文與導(dǎo)航時(shí)間嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，輸出的秒脈沖信號(hào)形式如圖2所示）。信號(hào)和此刻的整秒時(shí)間信息為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，其中，硬件的秒脈沖為時(shí)間用戶提供了精確的校準(zhǔn)時(shí)刻，整秒時(shí)間信息為時(shí)間用戶提供了嚴(yán)格的維護(hù)信息。

圖2 秒脈沖時(shí)序圖Fig 2 Pulses per second（pps）timing sequence diagram

首先需要導(dǎo)航接收機(jī)正常鎖定導(dǎo)航信號(hào)，在整星指令控制下輸出時(shí)間源產(chǎn)生的秒脈沖信號(hào)和其對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)間碼信息。秒脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和分路處理后作為觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)專用電路發(fā)送給所有需要時(shí)間同步處理星上時(shí)間用戶。絕對(duì)時(shí)間信息則通過(guò)總線發(fā)送到時(shí)間用戶。時(shí)間用戶以收到的秒脈沖信號(hào)為全系統(tǒng)授時(shí)起點(diǎn)，完成高精度同步。具體的時(shí)間管理運(yùn)行機(jī)制步驟如下:

1）導(dǎo)航接收機(jī)作為時(shí)間源開(kāi)機(jī)數(shù)分鐘內(nèi)，完成衛(wèi)星定位和調(diào)整秒功能，此時(shí)秒脈沖信號(hào)和時(shí)間碼數(shù)據(jù)有效可用，導(dǎo)航接收機(jī)鎖定信號(hào)。

2）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)接收地面系統(tǒng)校時(shí)工作指令，并發(fā)送給所有需要時(shí)間同步的用戶［5］。

3）導(dǎo)航接收機(jī)收到指令后，于下一秒輸出一個(gè)與導(dǎo)航接收機(jī)整秒嚴(yán)格同步的脈沖信號(hào)，并鎖定該信號(hào)的時(shí)間碼信息，作為所有系統(tǒng)工作的起點(diǎn)時(shí)刻;秒脈沖信號(hào)由RS—422接口等組成的時(shí)間傳輸通道發(fā)送給時(shí)間用戶［6］。整秒時(shí)間碼信息則通過(guò)由1553B組成的時(shí)間傳輸通道發(fā)送時(shí)間用戶，該步驟完成了時(shí)間維護(hù)和發(fā)布。

4）時(shí)間用戶收到秒脈沖信號(hào)后，將記錄各自的頻率計(jì)數(shù)器清零，用自身時(shí)鐘信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，作為系統(tǒng)時(shí)間;時(shí)間用戶將接收到的時(shí)間碼信息與計(jì)數(shù)器累積脈沖數(shù)相加，得到當(dāng)前的時(shí)刻，最終完成高精度時(shí)間同步。

但當(dāng)在高精度時(shí)間管理系統(tǒng)運(yùn)行于故障模式，或時(shí)間用戶對(duì)星上時(shí)間同步精度要求不高時(shí)，可由一般精度的時(shí)間管理運(yùn)行機(jī)制所替代，其時(shí)間源也因此可以靈活選擇，數(shù)管工作時(shí)鐘和導(dǎo)航接收機(jī)自主產(chǎn)生的時(shí)間碼等均可作為星上時(shí)間源。

遙感衛(wèi)星一般精度時(shí)間管理的時(shí)間維護(hù)常用方式有授時(shí)和校時(shí)2種方法，具體分類方法如圖3所示。星上時(shí)間差可以作為一般精度時(shí)間維護(hù)的依據(jù)，根據(jù)星上自主生成時(shí)間碼與導(dǎo)航時(shí)間碼的時(shí)標(biāo)遙測(cè)信息，獲取星上時(shí)間碼與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的導(dǎo)航時(shí)間碼之間的時(shí)間差。

圖3 一般精度時(shí)間管理的時(shí)間維護(hù)Fig 3 Time maintenance of common precision time management

當(dāng)星地時(shí)差差別較大時(shí)，一般采用授時(shí)方式對(duì)星時(shí)維護(hù)。星上時(shí)間授時(shí)的目的是調(diào)整星上時(shí)間計(jì)時(shí)零時(shí)刻的絕對(duì)時(shí)間。對(duì)于地面授時(shí)方法，衛(wèi)星接收到地面授時(shí)注入數(shù)據(jù)后，將注入數(shù)據(jù)中給定的時(shí)間作為基準(zhǔn)星上時(shí)間。當(dāng)導(dǎo)航時(shí)間準(zhǔn)確的情況下，也可以采用導(dǎo)航授時(shí)的方式進(jìn)行時(shí)間維護(hù)，依據(jù)導(dǎo)航授時(shí)指令，數(shù)管計(jì)算機(jī)一次性將導(dǎo)航時(shí)間引入到星上時(shí)間系統(tǒng)中。

當(dāng)存在較小的星地時(shí)差時(shí)，一般采用校時(shí)方式進(jìn)行星上時(shí)間維護(hù)。按地面校時(shí)指令要求，在衛(wèi)星星上時(shí)間的基礎(chǔ)上，將星上時(shí)間增減一個(gè)要求的值，以校正星地時(shí)間的較小絕對(duì)誤差，該方法稱為地面集中校時(shí)。若地面確認(rèn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)長(zhǎng)期穩(wěn)定有效時(shí)，并且此時(shí)星上時(shí)間與導(dǎo)航時(shí)間秒值偏差在規(guī)定時(shí)間以內(nèi)時(shí)，也可引入導(dǎo)航自主校時(shí)。

此外，為了調(diào)整由星上基準(zhǔn)晶振偏差引起的星上時(shí)間積累偏差，可引入均勻校時(shí)，周期性地每經(jīng)過(guò)相應(yīng)的時(shí)間間隔，對(duì)衛(wèi)星的星上時(shí)間增加或減少一個(gè)最小時(shí)間間隔，達(dá)到提高星上時(shí)間累計(jì)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)目的。

3 時(shí)間系統(tǒng)誤差模型與分析方法

星上時(shí)間管理系統(tǒng)的主要誤差源可以分為4類，如圖4所示。

圖4 星上時(shí)間系統(tǒng)誤差源組成Fig 4 Constitution of error sources of satellite time system

由圖4可知，星上時(shí)間系統(tǒng)誤差源主要有:硬件時(shí)延誤差、星時(shí)鎖定誤差、時(shí)鐘抖動(dòng)誤差、用戶校時(shí)誤差等。其中:

1）硬件時(shí)延誤差包括時(shí)間源產(chǎn)生誤差、時(shí)基傳遞誤差、整星器件延時(shí)。整星器件延時(shí)可以通過(guò)測(cè)試方法后進(jìn)行校準(zhǔn)。

2）星時(shí)鎖定誤差主要為星上FPGA鎖存器鎖定時(shí)間誤差。

3）時(shí)鐘抖動(dòng)誤差是一種隨機(jī)誤差，由基準(zhǔn)時(shí)鐘源所決定，主要取決于鎖相倍頻誤差。鎖相誤差是由鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻時(shí)引起的，它是乘性放大誤差，其他幾種誤差均為加性誤差，若倍頻因子為 N，高穩(wěn)時(shí)鐘精度為 τ0，則鎖相誤差τ1=Nτ0［7］。

4）用戶校時(shí)誤差為秒脈沖接收誤差、用戶計(jì)數(shù)器誤差、用戶自身使用軟件算法時(shí)產(chǎn)生的不可忽略誤差。圖5舉例給出了用戶秒脈沖接收誤差示意圖。

圖5 用戶秒脈沖接收誤差Fig 5 User pps receiving error

在圖5中，Δ為導(dǎo)航接收機(jī)與國(guó)際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)時(shí)引起的誤差。δ為用戶本地采樣信號(hào)確認(rèn)低電平接收有效時(shí)引起的誤差，該誤差一般不超過(guò)秒脈沖下降沿持續(xù)時(shí)間。

根據(jù)以上各誤差源在時(shí)間信息流的傳遞次序，可以建立星上時(shí)間系統(tǒng)的誤差傳遞模型（如圖6），誤差模型建立的目的主要是為了能夠涵蓋誤差傳遞的整過(guò)程，可根據(jù)不同型號(hào)衛(wèi)星調(diào)整模型單元，估計(jì)出整星校時(shí)綜合誤差。由此可以針對(duì)不同的時(shí)間用戶獲得各自的整星時(shí)間系統(tǒng)同步誤差。

圖6 時(shí)間系統(tǒng)誤差傳遞模型Fig 6 Error transfer model of time system

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

某遙感衛(wèi)星分系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步精度的需求為優(yōu)于50 μs。

4．1 理論分析

根據(jù)設(shè)備工作參數(shù)與芯片手冊(cè)可獲取如下數(shù)據(jù):1）秒脈沖由導(dǎo)航接收機(jī)產(chǎn)生，輸出誤差為1 μs;

2）控制分系統(tǒng)秒脈沖接收芯片固有傳遞延時(shí)最大為22 ns;

3）控制分系統(tǒng)星時(shí)鎖存采用FPGA，最大延時(shí)為1 μs;

4）控制分系統(tǒng)晶振穩(wěn)定度40×10－6（考慮初始精度誤差和5a老化誤差）。

根據(jù)時(shí)間系統(tǒng)誤差模型，可得到各時(shí)間傳遞過(guò)程中各環(huán)節(jié)的誤差為:

1）秒脈沖誤差時(shí)間為τ2=1 μs;

2）時(shí)基傳遞誤差主要由于星上芯片所引起，即τ3=22 ns;

3）星時(shí)鎖存延時(shí) τ4=1 μs;

4）控制分系統(tǒng)高精度校時(shí)時(shí)要加上下位機(jī)記錄的相對(duì)時(shí)間，相對(duì)時(shí)間最大不超過(guò)1 s，則校時(shí)時(shí)的最大誤差時(shí)間 τ5=40 μs。

以上可以分析得出下位機(jī)采用秒脈沖進(jìn)行高精度校時(shí)的誤差 τ=τ2+τ3+τ4+ τ5＜43 μs，表明該方案符合時(shí)間同步精度優(yōu)于50 μs的設(shè)計(jì)要求。

4．2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)試方對(duì)衛(wèi)星某分系統(tǒng)設(shè)備高精度時(shí)間同步性能開(kāi)展測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為秒脈沖校時(shí)時(shí)間同步精度測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

測(cè)試結(jié)果表明:在相鄰2個(gè)秒脈沖間，測(cè)量誤差能夠控制在30 μs以內(nèi)（表 1），器件鎖存時(shí)延范圍為 25～45 μs（表2），由誤差模型圖6可知，器件時(shí)延屬于可補(bǔ)償誤差，通過(guò)對(duì)該時(shí)延的補(bǔ)償，可保證由此引起的時(shí)延小于10 μs，在此基礎(chǔ)上，與控制周期的測(cè)量誤差疊加，滿足高精度同步精度為50 μs的設(shè)計(jì)要求。

表1 設(shè)備高精度校時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab 1 Test data of high precision time correction of device

表2 器件鎖存信號(hào)時(shí)延測(cè)量Tab 2 Time delay measurement of device latch signal

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)構(gòu)建遙感衛(wèi)星時(shí)間管理模型，實(shí)現(xiàn)了不同時(shí)間管理運(yùn)行機(jī)制的統(tǒng)一，并在此框架下詳細(xì)分析了經(jīng)過(guò)在軌飛行驗(yàn)證的高精度同步時(shí)間管理和一般精度時(shí)間管理運(yùn)行機(jī)制，用戶可以根據(jù)需求選取合適的時(shí)間管理方法。同時(shí)，綜合考慮影響時(shí)間同步精度的星上誤差源，給出了星上時(shí)間誤差傳遞模型。本文以50 μs的同步精度需求設(shè)計(jì)為例，采用理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式對(duì)時(shí)間管理模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明:本文采用的時(shí)間管理方法和誤差模型能夠滿足遙感衛(wèi)星高精度時(shí)間同步的設(shè)計(jì)和分析需求，為遙感衛(wèi)星星上時(shí)間管理的方法選取和方案設(shè)計(jì)提供了便利的條件。

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［3］ GJB 289A—1997數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線［S］．

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［5］ 譚維熾，顧瑩琦．空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)［M］．北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2004．

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