基于硬件鎖存技術(shù)的衛(wèi)星控制系統(tǒng)高精度時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 躍，戰(zhàn) 毅，陳 超

(1.中國空間技術(shù)研究院，北京100094;2.北京控制工程研究所，北京100190)

0 引言

衛(wèi)星控制系統(tǒng)主要完成衛(wèi)星姿態(tài)及軌道控制任務(wù)，但對(duì)于測繪衛(wèi)星而言，控制分系統(tǒng)除完成常規(guī)控制任務(wù)外，還需要配合有效載荷提供帶有時(shí)標(biāo)的姿態(tài)測量數(shù)據(jù).隨著測繪任務(wù)對(duì)姿態(tài)測量精度要求的不斷提升，而且有效載荷需要控制分系統(tǒng)提供帶有高精度時(shí)標(biāo)信息的姿態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)控制分系統(tǒng)時(shí)間處理的精度要求也不斷提高［1］.

為確保衛(wèi)星載荷、控制等相關(guān)系統(tǒng)使用統(tǒng)一的時(shí)間基礎(chǔ)，衛(wèi)星必須設(shè)計(jì)高精度且可靠的時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)，同時(shí)，各個(gè)分系統(tǒng)也要配合整星時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)部的時(shí)間系統(tǒng)，以保證時(shí)間系統(tǒng)的精確和可靠［2］.

本文回顧了中國測繪衛(wèi)星發(fā)展過程中控制系統(tǒng)幾種時(shí)統(tǒng)方案，同時(shí)給出了一種基于硬件鎖存GPS秒脈沖的高精度時(shí)統(tǒng)方案，并對(duì)誤差進(jìn)行了分析.

1 遙感衛(wèi)星時(shí)統(tǒng)方案介紹

1.1 自守時(shí)方案

早期遙感衛(wèi)星的時(shí)統(tǒng)主要采用自守時(shí)方案，依靠自身晶振的穩(wěn)定性保證控制分系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)精度，一般晶振的穩(wěn)定度是10-5，長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，隨著時(shí)間的加長，累計(jì)誤差越來越大，必然出現(xiàn)較大時(shí)間偏差，無法滿足控制分系統(tǒng)時(shí)標(biāo)精度要求.通過軟件均勻校時(shí)的方法可在一定程度上進(jìn)行誤差補(bǔ)償，即在軟件計(jì)時(shí)中根據(jù)實(shí)測的時(shí)鐘穩(wěn)定性進(jìn)行偏差補(bǔ)償，一定程度上能夠補(bǔ)償晶振穩(wěn)定度的偏差，但是由于晶振穩(wěn)定度的變化與溫度、器件等級(jí)、運(yùn)行時(shí)間等多種因素有關(guān)，特別是衛(wèi)星在軌長時(shí)間運(yùn)行后，晶振穩(wěn)定度將會(huì)發(fā)生較大變化，影響計(jì)時(shí)精度，因此只能作為粗校時(shí)方案，很難實(shí)現(xiàn)高精度校時(shí)［3］.

1.2 軟件校時(shí)方案

為確保衛(wèi)星幾個(gè)有計(jì)時(shí)精度要求的分系統(tǒng)之間具有統(tǒng)一且精確的時(shí)間系統(tǒng)，某些衛(wèi)星采用頻繁集中校時(shí)的方案，通過總線在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)載荷、控制等重要分系統(tǒng)進(jìn)行一次校時(shí)，由于總線容量有限，不可能頻繁校時(shí)，一般校時(shí)頻率為分鐘級(jí)，這樣在校時(shí)期間就需要分系統(tǒng)進(jìn)行自守時(shí)，由于重量功耗限制，控制分系統(tǒng)一般不采用高精度時(shí)鐘(帶有溫控的時(shí)鐘或原子鐘)，因此守時(shí)相對(duì)精度一般在10 μs/s左右(時(shí)鐘穩(wěn)定度穩(wěn)定度是10-5)，這樣1分鐘內(nèi)累計(jì)時(shí)鐘偏差已經(jīng)接近1 ms.

1.3 統(tǒng)一時(shí)鐘方案

采用整星統(tǒng)一晶振時(shí)鐘的方案，整星時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)為幾個(gè)有時(shí)間精度要求的分系統(tǒng)統(tǒng)一提供高精度晶振時(shí)鐘，控制系統(tǒng)接收該時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘，引入AOCC時(shí)鐘系統(tǒng)，作為CPU時(shí)鐘.這種方法從理論上是一種高精度時(shí)統(tǒng)，但存在不同系統(tǒng)分頻誤差，而且整星統(tǒng)一時(shí)鐘如發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致AOCC無法工作，同時(shí)高頻時(shí)鐘信號(hào)的傳輸也會(huì)存在較多EMC問題，這種方案對(duì)于實(shí)現(xiàn)幾個(gè)分系統(tǒng)同步具有一定的作用，但在可靠性、實(shí)用性等方面存在一定缺陷.

1.4 基于GPS秒脈沖的軟件中斷校時(shí)方案

隨著GPS技術(shù)在衛(wèi)星上的應(yīng)用，通過GPS接收機(jī)獲取精確絕對(duì)時(shí)間，并以此為時(shí)鐘源對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行校時(shí)成為可能.目前普遍采用的是GPS秒脈沖+整秒信息的方式進(jìn)行校時(shí)，即整星通過發(fā)送固定間隔的脈沖信號(hào)(一般每秒一次)作為分系統(tǒng)高精度校時(shí)的基準(zhǔn)點(diǎn)，并通過數(shù)字總線等形式發(fā)送秒脈沖所對(duì)應(yīng)時(shí)刻的絕對(duì)星時(shí)，這樣，控制系統(tǒng)可依據(jù)此信息進(jìn)行高精度校時(shí).GPS秒脈沖精度能夠達(dá)到20 ns［4］，考慮線路處理誤差，GPS 秒脈沖到達(dá)接收端時(shí)延誤差優(yōu)于1 μs.對(duì)于控制分系統(tǒng)，此方法能夠?yàn)榉窒到y(tǒng)提供高精度的時(shí)鐘基準(zhǔn)，且由于校時(shí)間隔小，對(duì)控制分系統(tǒng)自守時(shí)精度要求不高.

對(duì)于秒脈沖的使用，可采用軟件中斷的方式進(jìn)行校時(shí)，將秒脈沖作為控制計(jì)算機(jī)的一級(jí)中斷，當(dāng)有秒脈沖時(shí)，產(chǎn)生中斷，軟件讀取當(dāng)前計(jì)時(shí)器星時(shí)(相對(duì)星時(shí))，再根據(jù)總線發(fā)送的秒脈沖所對(duì)應(yīng)的絕對(duì)星時(shí)計(jì)算出當(dāng)前的絕對(duì)星時(shí).采用此方式，優(yōu)點(diǎn)是簡單可靠，缺點(diǎn)是由于軟件中斷存在時(shí)間延遲，導(dǎo)致從秒脈沖上升沿到軟件讀取GPT星時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲，導(dǎo)致時(shí)統(tǒng)計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確.如果中斷種類較多，發(fā)生中斷嵌套，將會(huì)增大計(jì)時(shí)誤差.

對(duì)于測繪衛(wèi)星，要求姿態(tài)時(shí)標(biāo)具有較高的精度，因此需采用更加準(zhǔn)確的控制分系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì).

2 基于硬件的控制分系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)統(tǒng)精度需求

星敏和陀螺作為目前遙感衛(wèi)星主要的高精度敏感器，因此測繪衛(wèi)星控制系統(tǒng)除滿足常規(guī)控制任務(wù)外，還需為有效載荷提供帶有高精度時(shí)標(biāo)的星敏感器和陀螺的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)測繪精度的要求，星敏感器和陀螺測量數(shù)據(jù)相應(yīng)時(shí)標(biāo)精度應(yīng)優(yōu)于70 μs.

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為確保滿足測繪衛(wèi)星控制系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)精度要求，經(jīng)分析，設(shè)計(jì)了一種基于硬件鎖存技術(shù)的時(shí)統(tǒng)方案.

控制系統(tǒng)AOCC與星敏感器和陀螺之間、AOCC與外部分系統(tǒng)之間涉及時(shí)統(tǒng)的信號(hào)流如圖1所示:對(duì)于星敏感器，AOCC提供每個(gè)星敏一路獨(dú)立的同步信號(hào)(PPS1/PPS2/PPS3)，同時(shí)提供一路通訊通道，用于數(shù)據(jù)及指令傳輸;對(duì)于陀螺，AOCC輸出一路陀螺同步信號(hào)(PPS4)，同時(shí)提供一路通訊通道，用于采集陀螺數(shù)據(jù);AOCC接收外部輸入的GPS秒脈沖信號(hào)，同時(shí)通過OBDH總線接收GPS秒脈沖對(duì)應(yīng)的整秒時(shí)間數(shù)據(jù).

針對(duì)星敏感器和陀螺高精度時(shí)標(biāo)要求，需要在控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)硬件同步信號(hào)(PPS)，通過硬件同步信號(hào)，對(duì)時(shí)間進(jìn)行鎖存.涉及到的硬件同步信號(hào)包括:GPS秒脈沖信號(hào)、星敏感器同步信號(hào)(PPS1/PPS2/PPS3)、陀螺同步信號(hào)(PPS4)、控制周期信號(hào)，其中GPS秒脈沖信號(hào)為外部輸入，其余均由AOCC內(nèi)部的ASIC/FPGA產(chǎn)生，輸出給其他部分，并進(jìn)行時(shí)間鎖存.ASIC/FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)高精度時(shí)鐘鎖存模塊，根據(jù)硬件時(shí)鐘進(jìn)行高精度星時(shí)計(jì)數(shù)，并分別鎖存控制周期上升沿、GPS秒脈沖下降沿、星敏感器同步下降沿、陀螺同步信號(hào)下降沿，分別存入相應(yīng)寄存器，供CPU讀取.

圖1 時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)信號(hào)流圖Fig.1 Diagram of timing system

如圖2所示，根據(jù)AOCC任務(wù)要求，選擇不同長度的控制周期;根據(jù)星敏感器自身時(shí)序特點(diǎn)，選擇星敏感器同步信號(hào)合適的頻率以及相對(duì)于AOCC控制周期的合適相位，以滿足星敏感器同步曝光以及數(shù)據(jù)更新的需求;陀螺信號(hào)處理一般可按照控制周期時(shí)序，因此陀螺PPS信號(hào)可以與控制周期同頻率，相位可根據(jù)系統(tǒng)時(shí)序靈活設(shè)置.以上參數(shù)可通過CPU進(jìn)行設(shè)置，以滿足不同時(shí)序要求.

圖2 同步信號(hào)示意圖Fig.2 Sketch of the Synchronous Pulses

2.3 時(shí)統(tǒng)計(jì)算方法

時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則是AOCC通過ASIC/FPGA星時(shí)鎖存模塊自主進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)滿足GPS秒脈沖校時(shí)條件時(shí)，用GPS秒脈沖信息對(duì)AOCC使用的星時(shí)進(jìn)行校正.

(1)AOCC自主進(jìn)行星時(shí)計(jì)算

在每個(gè)控制周期的上升沿(觸發(fā)控制周期中斷程序)鎖存當(dāng)前的星時(shí)計(jì)數(shù)器數(shù)值，用以計(jì)算對(duì)應(yīng)的絕對(duì)星時(shí).假定AOCC的控制周期為tCON，如圖3所示，第1個(gè)周期的上升沿記錄的星時(shí)為T1CON，對(duì)應(yīng)的絕對(duì)星時(shí)為t1CON，則在第2個(gè)周期的上升沿記錄的星時(shí)為T2CON，對(duì)應(yīng)的絕對(duì)星時(shí)為:

以此類推:

圖3 控制分系統(tǒng)高精度校時(shí)時(shí)序圖Fig.3 Timing diagram of AOCS

星時(shí)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，軟件可判斷并校正.

(2)采用GPS秒脈沖進(jìn)行高精度校時(shí)

當(dāng)采用GPS秒脈沖校時(shí)時(shí)，AOCC對(duì)GPS秒脈沖下降沿進(jìn)行鎖存，并記錄對(duì)應(yīng)的當(dāng)前星時(shí)計(jì)數(shù)器數(shù)值，OBDH總線向AOCC發(fā)送GPS秒脈沖對(duì)應(yīng)的整秒數(shù)據(jù)，通過軟件對(duì)秒脈沖以及整秒數(shù)據(jù)進(jìn)行正確性判別，確認(rèn)正確后建立GPS秒脈沖校時(shí)標(biāo)志有效;應(yīng)用軟件在每個(gè)控制周期開始時(shí)，對(duì)GPS秒脈沖校時(shí)標(biāo)志有效性進(jìn)行判斷，如果滿足條件，即可在本周期進(jìn)行GPS秒脈沖校時(shí)，具體算法如下:

如圖3所示，在第1個(gè)控制周期(例如250 ms)中，收到GPS秒脈沖，通過下降沿鎖存對(duì)應(yīng)的星時(shí)計(jì)數(shù)器數(shù)值T1mmc.在第2個(gè)和第3個(gè)控制周期之間通過OBDH總線接收到對(duì)應(yīng)的整秒數(shù)據(jù)tmmc，此時(shí)第3個(gè)控制周期已完成絕對(duì)星時(shí)計(jì)算.在最近的第4個(gè)控制周期中采用GPS秒脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對(duì)星時(shí)計(jì)算.

相比于t4CON=t3CON+|T4CON-T3CON|，以上絕對(duì)星時(shí)的計(jì)算具有更高的精度，通過以上方式，實(shí)現(xiàn)整星對(duì)控制分系統(tǒng)的高精度校時(shí).

(3)星敏感器及陀螺時(shí)標(biāo)推導(dǎo)算法

星敏感器曝光與控制周期時(shí)序圖見圖4所示，其中dt為星敏感器輸出的曝光周期相對(duì)時(shí)標(biāo)，即曝光周期中心點(diǎn)距離星敏同步信號(hào)的相對(duì)時(shí)間差.根據(jù)該時(shí)序關(guān)系可知，其星敏感器數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)的星時(shí)計(jì)算方法為:

圖4 星敏感器及陀螺時(shí)序圖Fig.4 Timing diagram of star sensors and gyros

陀螺線路根據(jù)陀螺同步信號(hào)，對(duì)陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行積分處理，給出處理數(shù)據(jù)，因此，AOCC軟件能夠根據(jù)硬件鎖存的陀螺同步信號(hào)時(shí)標(biāo)推算出陀螺數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的高精度時(shí)標(biāo)，具體算法如下:

3 時(shí)統(tǒng)誤差分析

采用基于硬件鎖存的秒脈沖校時(shí)方法，校時(shí)流程中可能造成時(shí)間延誤的環(huán)節(jié)及延遲量如下:

(1)GPS秒脈沖自身時(shí)延誤差:Tpd1＜1 μs;

(2)接口電路時(shí)延誤差:Tpd2＜22 ns;

(3)ASIC/FPGA星時(shí)計(jì)數(shù)器鎖存時(shí)延:Tpd3＜900 ns;

(4)ASIC/FPGA星時(shí)計(jì)數(shù)器自守時(shí)誤差:晶振穩(wěn)定度4.0×10-5(考慮初始精度誤差及壽命末期老化誤差)，校時(shí)周期不超過1 s，則自守時(shí)誤差Tpd＜40 μs.

從上可以分析得出AOCC采用GPS秒脈沖進(jìn)行高精度校時(shí)的在軌實(shí)時(shí)誤差

4 試驗(yàn)結(jié)果

該時(shí)統(tǒng)方案應(yīng)用于某測繪衛(wèi)星控制分系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)中，在地面試驗(yàn)系統(tǒng)中對(duì)AOCC時(shí)統(tǒng)精度進(jìn)行了測試，通過測試，該控制系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)精度35 μs，滿足測繪衛(wèi)星對(duì)控制系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)精度的要求.

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于硬件鎖存的衛(wèi)星控制系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠有效提高控制系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)精度，從而提高姿態(tài)測量數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)的精度，對(duì)于提高衛(wèi)星定姿精度以及衛(wèi)星對(duì)地測繪精度具有明顯的作用.該方案具有較好的實(shí)用性和可靠性，并取得了較好的使用效果.

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