衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性評估方法研究及應用

陳曦 李文東 姜東升

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性評估方法研究及應用

陳曦 李文東 姜東升

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

針對傳統(tǒng)評價衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性方法，在實際應用中存在占用地面測控資源、自主性較低及評估精確性受限的問題，提出以星載高穩(wěn)鐘源作為參考頻率源，基于遙測數據評價衛(wèi)星時鐘源頻率特性的方法，并詳細介紹了其方案設計、數據處理流程以及在軌實際應用的情況。該方法具有原理簡單、算法簡便、資源占用少、應用性強的優(yōu)勢，可有效解決傳統(tǒng)方法在實際應用中遇到的問題。

衛(wèi)星時間；準確度；穩(wěn)定度

1 引言

衛(wèi)星時間一般指星務管理分系統(tǒng)或數據管理分系統(tǒng)提供的時間，是衛(wèi)星遙測數據采集、下傳以及程控指令執(zhí)行的基準，也是衛(wèi)星確定自身所處空間位置所依據的重要信息。若衛(wèi)星時間出現較大偏差，則會影響衛(wèi)星載荷預期偵測的范圍、姿態(tài)控制的精度以及地面監(jiān)測判讀的準確性。監(jiān)測分析衛(wèi)星在軌時鐘源頻率準確度及穩(wěn)定度，對保障衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行和有效載荷正常應用具有重要意義。

衛(wèi)星時間是由星載晶體振蕩器輸出的高穩(wěn)頻率作為計時基準，以某特定時間作為計時零點累加形成的時間［1］，在地面試驗測試時會對星載晶體振蕩器的頻率特性，包括準確度及穩(wěn)定度進行測量考核，但由于衛(wèi)星在太空環(huán)境中，工作環(huán)境十分惡劣，真空、微重力、溫度變化、電磁場變化、自然輻射影響等諸多因素共同作用，會使星載晶體振蕩器輸出頻率產生漂移，從而導致衛(wèi)星時間出現偏差［2］，因此須要對衛(wèi)星在軌時鐘源的頻率特性進行長期監(jiān)測評估。首先考核衛(wèi)星時鐘源在軌的真實特性，并且當發(fā)現衛(wèi)星時鐘源的頻率準確度或穩(wěn)定度不滿足使用要求時，及時調整時間管理策略，或者啟動備份手段進行應對維護。這對保障衛(wèi)星在軌安全穩(wěn)定運行和有效載荷正常使用具有重要意義。

目前，國內外應用較普遍的在軌衛(wèi)星時鐘源頻率特性評價方法為地面鐘源比時法［3－5］，其在實際應用中存在占用資源多、受限制條件多等問題。針對這些問題，本文提出了一種基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性評估方法，介紹了方法的原理、數據處理流程以及在軌實際應用情況，可為衛(wèi)星運行和使用過程中的時間管理提供參考。

2 在軌衛(wèi)星時鐘源頻率特性評估方法

2.1 傳統(tǒng)方案及存在問題

利用地面鐘源比時法評估在軌衛(wèi)星時鐘源頻率特性，選用地面測控站時間作為參考時間源，具體方案是利用衛(wèi)星測控的上下行信道，在地面測控站定時控制下，衛(wèi)星傳送時間信號至地面測控站，實現星地時間差的比對，然后根據比時法測量頻率特性的原理［6］，獲得在軌衛(wèi)星時鐘源的頻率準確度和穩(wěn)定度。系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 采用傳統(tǒng)方法進行在軌衛(wèi)星時鐘源頻率特性評估的系統(tǒng)框圖Fig.1 System of the traditional evaluation method for frequency stability and accuracy of on－orbit satellite

利用此方法評價在軌衛(wèi)星時鐘源頻率特性，在實際應用中會遇到以下3個問題：

（1）隨著在軌衛(wèi)星數量快速增長，使得地面測控資源越發(fā)緊張，不可避免地需要較長時間占用有限的地面資源；

（2）衛(wèi)星須要接受地面測控站的干預與操控，一定程度上降低了衛(wèi)星在軌運行的自主性和可靠性；

（3）對于近地軌道衛(wèi)星，同一地面測控站每日對指定衛(wèi)星僅能跟蹤2～4個圈次，每個跟蹤圈次的可測控弧段僅十余分鐘，因此很難保證在任意時段，長時間等間隔取樣測量星地時差，也就很難得到衛(wèi)星在軌任意時間段或任意測量周期的時鐘源頻率特性。較為普遍的做法是，連續(xù)多個圈次分別測算各弧段衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性，然后取均值作為該時段內的衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性，這也就降低了評估結果的精確性。

2.2 基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性評估方法

2.2.1 方案設計

針對傳統(tǒng)方法遇到的問題，依據在軌運行管理經驗，本文總結了基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性評價方法。

目前，我國在軌衛(wèi)星普遍裝配有GPS接收機或銣鐘，能夠提供高精度的計時基準，可以為衛(wèi)星載荷設備及其余分系統(tǒng)設備提供高精度的時間，并且星載GPS接收機及銣鐘的時間精度均要優(yōu)于以星載晶體振蕩器作為鐘源的衛(wèi)星時間至少3個量級［7］，因此，根據頻率特性測量的標準，在星載GPS接收機和銣鐘工作正常的情況下，可以將GPS接收機或銣鐘時間作為參考時間源，利用比時法測量評估衛(wèi)星時鐘源的頻率準確度及穩(wěn)定度。

以GPS接收機時間作為參考時間源為例，現對該方法的系統(tǒng)方案進行說明。星載GPS接收機能夠為衛(wèi)星有效載荷等設備提供高精度的計時基準，累計得到GPS高精度時間TR。衛(wèi)星設置有時間管理單元，在高精度鐘源控制下按照等時間間隔τ同時向GPS高精度時間的計時鐘及衛(wèi)星時間TS的計時鐘發(fā)送取時控制指令，計時鐘收到取時控制指令后讀取該時刻各自鐘面時間碼TRi（i＝1，2，…）及TSi（i＝1，2，…），并回傳至時間管理單元，衛(wèi)星將每組兩個時間碼打入同一遙測幀中下傳，從而可通過遙測數據直接獲得同一時刻相對應的GPS高精度時間數據和衛(wèi)星時間數據。計算兩者差值，然后根據比時法測量頻率特性的原理，可以獲得在軌衛(wèi)星時鐘源的頻率準確度和穩(wěn)定度。系統(tǒng)框圖見圖2。

利用此方法評估時鐘源頻率特性，時間管理單元每個周期通過總線分別采集兩鐘源時間，取時指令發(fā)出與鐘源時間傳輸間隔很小，在測量計算時忽略兩鐘源的差別，近似認為兩者相等，這也是該評估方法的主要誤差來源，而傳統(tǒng)方法的主要誤差來源是在測量計算時認為衛(wèi)星上下行鏈路的總時延近似相等。兩種方法測量誤差是同一個量級，其評估結果精度基本相同。

圖2 星載高穩(wěn)鐘源比時法系統(tǒng)框圖Fig.2 System of the method of comparison time base on spacecraft high stability time resource

2.2.2 數據處理方法及流程

衛(wèi)星實際在軌運行時，星載晶體振蕩器受空間多種因素影響，其頻率會發(fā)生漂移，導致衛(wèi)星時間與標準時間產生偏差，累計一段時間后偏差過大會影響衛(wèi)星在軌正常運行與有效載荷的正常應用［7］，因此，衛(wèi)星在軌運行管理要求衛(wèi)星時間與標準時間偏差不能超過一定閾值（一般為±10ms）。為保證該要求，衛(wèi)星會選用適當的策略進行時間管理，主要有以下2種方式：均勻校時結合集中校時法和引入GPS時間法。針對以上兩種不同時間管理策略，進行衛(wèi)星時鐘源頻率特性評估時，在得到GPS高精度時間數據和衛(wèi)星時間數據后，數據處理方法有所不同。

1）均勻校時結合集中校時法數據處理方法［8－9］

均勻校時結合集中校時法進行時間管理的具體策略為：衛(wèi)星根據設置的均勻校時周期H，以此為周期，將衛(wèi)星時間調整一個固定時間量X（一般為±1ms）；當衛(wèi)星時間與標準時間之差累計達到閾值時，衛(wèi)星接收到地面發(fā)送的集中校時指令，將衛(wèi)星時間直接加上集中校時量Y。

在此種情況進行衛(wèi)星時鐘源頻率特性評估時，首先計算衛(wèi)星時間與GPS高精度時間的時差ΔTi，具體公式如下。

式中：TJZk（k＝1，2，…）為每一個取樣周期τ內的集中校時量；TJYk（k＝1，2，…）為每一個取樣周期τ內的均勻校時量，其可由均勻校時周期推算得到，TJYk＝X·τ／H，其中H為均勻校時周期；GPS高精度時間TRi、衛(wèi)星時間TSi可以通過遙測數據直接獲得。

然后可計算出衛(wèi)星時間與GPS高精度時間之間相鄰兩次時差的變化量Δi，Δi＝ΔTi＋1－ΔTi；最后依據比時法測量頻率特性的原理，按照式（2）計算得到衛(wèi)星在軌時鐘源頻率準確度A，按照式（3）計算得到頻率穩(wěn)定度σ，其中采樣漢數m＞100。

2）引入GPS時間法數據處理方法［10］

引入GPS時間法進行時間管理的具體策略為：衛(wèi)星每隔一個固定周期（一般為8s），將衛(wèi)星時間與GPS高精度時間進行一次比對，兩者之差的絕對值在限制范圍內（一般為±3s），若衛(wèi)星時間比GPS高精度時間快，則衛(wèi)星時間直接減少一個固定值Z（一般為1ms）；若衛(wèi)星時間比GPS高精度時間慢，則衛(wèi)星時間直接增加一個固定值。

在此種情況進行衛(wèi)星時鐘源頻率特性評估時，首先計算衛(wèi)星時間與GPS高精度時間的時差

式中：TGPSk（k＝1，2，…）為每一個取樣周期τ內衛(wèi)星時間與GPS高精度時間比較后調整的時間量，可由調整次數M推算得到，TGPSk＝M·Z。

之后的計算流程與均勻校時結合集中校時法數據處理方案相同，按照式（2）計算得到衛(wèi)星在軌時間準確度A，按照式（3）計算得到衛(wèi)星在軌時間穩(wěn)定度σ。

2.2.3 新方法的優(yōu)勢

基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性評估方法，以星載高穩(wěn)鐘源作為參考時間源，解決了利用傳統(tǒng)方法進行衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性評估時遇到的問題，具有以下3個優(yōu)勢：

（1）基于衛(wèi)星遙測參數進行評估，不須額外占用地面測控資源及星上測控信道資源；

1.1 實驗主要試劑 Ficoll淋巴細胞分離液購自上海試劑二廠；CD1a-PE、CD80-PE、CD83-APC、CD86-PECY5、HLA-DR-APC單克隆抗體購自美國BD公司；RPMI1640培養(yǎng)基、胎牛血清購自美國Gibco公司；GM-CSF購自美國Peprototech公司；IL-4購自德國Meltenyi公司；二乙基亞硝胺水溶液購自美國Sigma公司；抗大鼠PE-CD4、PE-CD25、抗大鼠Foxp3單克隆抗體購自美國Ebioscinence公司。

（2）減少了地面測控站操控帶來的風險性，提高了衛(wèi)星在軌運行的自主性和可靠性；

（3）可以在不降低評估精度的前提下，實現任意時段或較長時段衛(wèi)星時鐘源頻率特性的評估。

3 實際應用及驗證

目前，已將基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性評估方法應用在小衛(wèi)星在軌運行管理工作之中，并取得了良好的效果?，F以某小衛(wèi)星在軌應用情況為例進行說明。

衛(wèi)星發(fā)射入軌后，根據入軌初期的遙測數據，以星載GPS接收機提供的高精度時間作為參考時間源，對衛(wèi)星時鐘源在軌頻率準確度及穩(wěn)定度進行評估。根據2.2.2節(jié)提供的數據處理方法，得到衛(wèi)星時間與GPS高精度時間之間的差值，即ΔTi，如圖3所示。再按照式（2）和式（3）計算可得到，時鐘源在軌的頻率準確度為1.442×10－4，頻率穩(wěn)定度為2.12×10－5。

根據相同時段內連續(xù)多個弧段星地時差的測量值，分別進行各弧段衛(wèi)星時鐘源頻率特性評估，再取平均值得到衛(wèi)星時鐘源的頻率準確度為1.442× 10－4，頻率穩(wěn)定度為2.12×10－5，證明基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時鐘源頻率特性評估方法得到的數據真實可信。

圖3 某衛(wèi)星GPS時間與衛(wèi)星時間之間的差值Fig.3 D－value between satellite time and GPS time of a satellite

該衛(wèi)星在軌的時鐘源頻率準確度為1.442× 10－4，即每秒鐘時間誤差約為0.144ms，雖然滿足每秒鐘時間誤差不超過5ms的技術要求，但是衛(wèi)星設計的時間管理策略中作為首選方案的“引入GPS時間”，其最小的引用周期為8s，每個引用周期的校時量為1ms，即最大的校時量為每秒糾正0.125ms的時間誤差，這就表示單獨利用該管理策略不能滿足衛(wèi)星在軌管理的要求。同時衛(wèi)星時間在軌的穩(wěn)定度為2.12×10－5，也不滿足時間穩(wěn)定度優(yōu)于1× 10－9的指標要求。

根據事后分析及地面測試驗證確認：作為衛(wèi)星時間鐘源的晶體振蕩器，其所選用的電容器件，在研制工程中未嚴格篩選，與標稱值誤差較大，最終導致衛(wèi)星在軌時鐘源頻率準確度偏差較大，穩(wěn)定度不滿足技術要求。在后續(xù)衛(wèi)星研制中，對選用的電容器件加嚴指標要求，加強質量把控，得到后續(xù)衛(wèi)星在軌時鐘源頻率準確度均優(yōu)于1×10－7，穩(wěn)定度均優(yōu)于1×10－9，滿足技術指標及實際使用要求。

4 結束語

隨著我國科學技術的發(fā)展，近年衛(wèi)星在軌實際壽命不斷增長，尤其是近地軌道衛(wèi)星，目前已有近六成的衛(wèi)星超過設計壽命，對于這些超壽命運行衛(wèi)星更加須要嚴密監(jiān)測分析其時鐘源頻率特性，當不滿足工作要求時，應盡早調整維護措施或啟用備份手段，以保障衛(wèi)星穩(wěn)定運行和有效載荷正常應用。除此之外，收集整理測量數據及評價結果，對未來航天器產品可靠性研究及長壽命衛(wèi)星研制都具有重要的意義。

（References）

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（編輯：李多）

Research and Application on Evaluation Method for Time Stability of On－orbit Satellite

CHEN Xi LI Wendong JIANG Dongsheng
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The traditional evaluation method for frequency stability and accuracy of on－orbit satellite has some problems in the application，such as consume of TT＆C resources，poor autonomy，and low accuracy of assessment.The paper presents an evaluation method of satellite time stability based on satellite remote sensing data，which makes use of the high stability clock in the satellite as a reference frequency source.The new evaluation method solves the problems in the application of the traditional method and has many advantages，including conciseness，convenience，being economical and promising.

satellite time；accuracy；stability

V423.41

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.014

2015－08－13；

：2015－11－05

陳曦，男，工程師，研究方向為航天器在軌運行管理。Email：285973147＠qq.com。