航天器自主高精度時間管理系統(tǒng)設計*

王 瑋， 陳 丹， 徐曉光

(中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094)

?

航天器自主高精度時間管理系統(tǒng)設計*

王 瑋， 陳 丹， 徐曉光

(中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094)

為滿足航天器長期在軌飛行期間高精度的時間同步需求，提出了一種航天器自主高精度時間管理系統(tǒng)，將北斗導航定位授時設備和頻率綜合器兩種時鐘源系統(tǒng)進行融合使用，兩種時鐘源系統(tǒng)可根據(jù)導航定位狀態(tài)自主切換，在消除了頻率源系統(tǒng)誤差累積效應問題的同時，解決了導航非定位情況下時間精度急劇下降的問題。通過建立系統(tǒng)的誤差模型，以航天器應用設計實例進行計算分析，結果表明：系統(tǒng)時間同步精度優(yōu)于37.8 μs。研究結果可以為后續(xù)航天器高精度時間管理系統(tǒng)設計提供參考。

自主時間管理； 北斗導航； 頻率綜合器； 時間同步誤差

0 引 言

航天器時間管理是為了滿足用戶對時間精度和同步精度的需求，通過特定的方法和必要手段對星上時間產生、維護和發(fā)布機制進行相應的約束和規(guī)定，并實現(xiàn)用戶對時間要求的完整過程[1]。通過時間管理使各時間用戶工作在統(tǒng)一的時間基準下，共享綁定統(tǒng)一時間基準的信息量，從而保證航天器內部以及航天器與地面之間時間同步并協(xié)調運作。

為滿足航天器長期在軌飛行期間高精度的時間同步需求，大部分偵察衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星均使用以銣鐘為頻率基準的高精度時間系統(tǒng)實現(xiàn)對目標的精確測量[2,3]，星載銣原子鐘具有體積小、重量輕、功耗低、精度高等優(yōu)點，短期時間穩(wěn)定度可達到10-12量級，但時間精度長期穩(wěn)定度不足，存在誤差累積效應。為了抵消飛行時間帶來的性能損失，星上往往采用銫鐘、氫鐘等更高精度的原子鐘設備，但隨之會造成研制成本的數(shù)倍增加。對于部分配置有全球定位系統(tǒng)(GPS)導航的航天器可通過GPS發(fā)布高精度時間[4～6]，雖不存在誤差累積效應，但由于軌道電磁環(huán)境的復雜性和航天器自身存在的高速度姿態(tài)機動、天線視場遮擋等因素，無法保證GPS定位持續(xù)性，在GPS非定位情況下，航天器自主時間同步精度指標將大幅下降，無法滿足用戶的使用需求。同時，美國已成功掌握了局部屏蔽GPS信號等技術[7]，這就對依賴于GPS的國內航天器帶來了潛在的應用風險。文獻[8]還提出了一種面向時間應用的GPS可馴服銣鐘，可利用銣鐘和GPS接收機時間差的數(shù)據(jù)自主校正銣鐘頻率準確度，但時間用戶以銣鐘輸出信號為唯一的時間源，一旦銣鐘故障，系統(tǒng)將無法正常運行，可靠性不足。

針對上述問題，提出了一種航天器自主高精度時間管理系統(tǒng)，以北斗導航定位接收設備和頻率綜合器為時鐘源進行構建。系統(tǒng)將北斗導航定位授時數(shù)據(jù)引入頻率源授時鏈路，并根據(jù)北斗導航定位狀態(tài)自主進行器上時間授時信息流的切換，可以持續(xù)滿足航天器高精度時間同步需求，具有良好的系統(tǒng)可靠性。

1 自主高精度時間管理系統(tǒng)架構與設計

航天器自主高精度時間管理系統(tǒng)主要由時間源、時間維護設備、時間用戶和時間傳輸通道4部分組成。時鐘源用于產生時間基準，包括北斗導航接收機和頻率綜合器，北斗導航接收機可使用我國完全自主可控的北斗II代導航定位系統(tǒng)[9]，頻率綜合器通過頻率合成的方法可以以較低的研制成本對外提供較高精度的頻率信號；時間維護設備負責維護艙上時間信息，一般為航天器負責平臺系統(tǒng)級信息管理的中心管理單元；時間用戶用于使用時間源輸出時間同步信息；時間傳輸通道用于傳輸航天器器上時間信息的數(shù)據(jù)鏈路，包括RS—422串口通道和1553B總線通道。系統(tǒng)組成架構如圖1所示。

圖1 航天器自主高精度時間管理系統(tǒng)架構

時間管理系統(tǒng)以北斗導航接收機和頻率綜合器為2套時間發(fā)布基準進行構建。在北斗導航定位時間系統(tǒng)下，以北斗導航接收機發(fā)布的世界標準時間(UTC)為基準，各時間用戶同時接收北斗導航接收機通過RS—422串口發(fā)送的秒脈沖信號作為觸發(fā)條件，定期對設備內部自走時進行校時，從而保持各用戶間的時間協(xié)調性。在頻率源時間系統(tǒng)下，由頻率綜合器向時間維護設備中心管理單元輸出高精度穩(wěn)定的方波信號，中心管理單元接收輸入的方波信號作為激勵，一方面通過1553B總線向各時間用戶設備發(fā)布器上飛行時間，另一方面，產生秒脈沖信號通過RS—422串口輸出至各時間用戶設備，各時間用戶設備以器上相對飛行時間碼為統(tǒng)一基準并利用秒脈沖信號同步修正本地維護的時鐘，從而實現(xiàn)用戶間的時間同步。

2套時間系統(tǒng)可配合使用，在北斗定位模式下，由北斗導航定位時間系統(tǒng)負責完成航天器高精度時間自主同步，同時，為了消除頻率綜合器的頻偏累積誤差，中心管理單元除了作為系統(tǒng)的時間維護設備外，還作為北斗導航定位時間系統(tǒng)下的時間用戶，直接通過RS—422串口接收北斗導航接收機發(fā)布的UTC和秒脈沖信號，自主對發(fā)布的飛行時進行校時維護，從而保證器上飛行時的發(fā)布精度。在北斗非定位模式下，則由頻率源時間系統(tǒng)臨時接管完成航天器高精度時間自主同步，由于頻率源時間系統(tǒng)已在北斗定位期間實時修正了發(fā)布時間精度，可以在相當長的時間內維持高精度時間管理水平，直至北斗信號重新定位。北斗定位模式與非定位模式切換，由中心管理單元根據(jù)采集的北斗導航接收機定位狀態(tài)遙測自主進行角色轉換，并發(fā)出控制命令通知各時間用戶同步完成對時鐘源系統(tǒng)的響應切換。

2套時間系統(tǒng)也可以互為備份，獨立工作。當其中一套時間系統(tǒng)故障時，另一套時間系統(tǒng)可以在一定時間范圍內繼續(xù)維持航天器高精度時間同步水平。對于載人航天器可為航天員實施在軌維修爭取更多時間，對于不具備在軌維修條件的航天器也可為地面飛控人員爭取更多故障處置時間，在一定程度上提高了系統(tǒng)可靠性。同時，系統(tǒng)使用我國完全自主可控的北斗II代導航系統(tǒng)，極大地增強了航天器在軌飛行的安全性。

2 時間同步原理及誤差模型

2.1 北斗導航定位模式下的時間同步

北斗定位時，各時間用戶以北斗導航接收機發(fā)布的UTC為基準，同時接收北斗導航接收機通過RS—422串口發(fā)送的秒脈沖信號作為觸發(fā)條件，完成時間同步，時間同步工作時序如圖2所示。具體時間同步過程如下：

1)北斗導航接收機鎖定信號，每秒通過RS—422串口輸出秒脈沖信號和UTC至各時間用戶，發(fā)布的UTC時間t_utc在對應的秒脈沖信號輸出后的1～1.2 s通過串口輸出；

2)各時間用戶及中心管理單元接收到北斗導航接收機輸出的秒脈沖信號后，鎖存秒脈沖時刻設備內部自走時計數(shù)T_dmc；

3)各時間用戶及中心管理單元將本次接收到的秒脈沖后的第一幀UTC時間t_utc加1s，并進行鎖存；

4)各時間用戶及中心管理單元在完成UTC時間鎖存后的下一控制周期內進行內部自走時校時處理，以器箭分離時刻對應的UTC為零點，將鎖存的UTC時間轉換成內部自走時，并對從收到秒脈沖到進行秒內校時的延時量進行補償修正，即得到修正后的各時間用戶內部飛行時間tc=t_utc+1-tf+|T_dmc-T_dc|×T_mdl，其中，T_mdl為每個計數(shù)對應的時間碼當量。

圖2 北斗定位模式下時間同步時序

2.2 北斗導航非定位模式下的時間同步

北斗非定位時，由頻率源時間系統(tǒng)接管北斗導航定位時間系統(tǒng)完成航天器高精度時間自主同步，各時間用戶設備以中心管理單元發(fā)布的器上相對飛行時間碼為統(tǒng)一基準，并利用中心管理單元輸出秒脈沖信號同步修正本地維護的時鐘，完成時間同步，時間同步工作時序如圖3所示。

具體過程如下：

1)中心管理單元利用頻率綜合器輸出的方波信號計數(shù)，一方面產生秒脈沖信號并通過RS—422串口輸出，另一方面產生飛行時間碼t_fly并通過1553B總線廣播，t_fly在對應秒脈沖信號輸出后0～0.5 s輸出。同時，t_fly在北斗定位期間，每秒內通過北斗導航定位時間系統(tǒng)完成校時修正。

2)各時間用戶接收到中心管理單元輸出的秒脈沖信號后，鎖存秒脈沖時刻設備內部自走時計數(shù)T_pmc。

3)各時間用戶將本次接收到的秒脈沖后的第一幀廣播飛行時t_fly進行鎖存。

4)各時間用戶在完成廣播飛行時間鎖存后的下一控制周期內進行內部自走時校時處理，在鎖存的廣播飛行時基礎上，對從收到秒脈沖到進行秒內校時的延時量進行補償修正，即得到修正后的各時間用戶內部飛行時tc=t_fly+|T_pmc-T_pc|×T_mdl，其中，T_mdl為每個計數(shù)對應的時間碼當量。

圖3 北斗非定位模式下時間同步時序

2.3 誤差模型

本文提出的時間管理系統(tǒng)主要誤差源包括時鐘源發(fā)布誤差、時基傳輸延時誤差、信號鎖存誤差、用戶校時誤差4部分。其中，時鐘源發(fā)布誤差為時鐘源產生并輸出的時間信息和秒脈沖信號誤差；時基傳輸延時誤差為從時鐘源輸出信號到時間用戶接收信息鏈路傳輸延時誤差；信號鎖存誤差為用戶鎖存秒脈沖和時間信息的時間計數(shù)偏差；用戶校時誤差為用戶接收到外部校時激勵使用自身軟硬件實施校時過程產生的誤差。根據(jù)以上誤差源在時間管理系統(tǒng)中的信息流傳遞時序，建立時間管理系統(tǒng)的校時誤差模型如圖4所示。

圖4 時間管理系統(tǒng)校時誤差模型

通過建立涵蓋誤差傳遞全過程的時間管理系統(tǒng)校時誤差模型，可根據(jù)不同型號航天器設備實測或經驗數(shù)據(jù)調整誤差模型單元參數(shù)值，評估出航天器的校時誤差。

3 設計實例及計算分析

根據(jù)某航天器時間同步精度優(yōu)于50 μs的設計要求，給出了應用本文提出的時間管理系統(tǒng)下的時間同步誤差計算結果。

根據(jù)時間管理系統(tǒng)誤差模型，北斗非定位模式下，各模型單元誤差如下：

1)時間源產生誤差τ1：包括北斗導航接收機的UTC時發(fā)布誤差和秒脈沖產生誤差，實測UTC時授時精度優(yōu)于1 μs，秒脈沖產生誤差優(yōu)于2 μs，即τ1=3 μs。

2)時基傳輸延時誤差τ2：時鐘信號以電磁波形式在介質中傳輸，以傳播速度3×108m/s，線纜長度30 m計算，傳播引入的誤差不大于100 ns。

3)信號鎖存誤差τ3：與用戶設備內部晶振有關，鎖存時間誤差為1個時鐘脈沖，根據(jù)設備芯片手冊數(shù)據(jù)，一般不大于0.1 μs。

4)用戶校時誤差τ4：包括用戶設備硬件電路響應串口秒脈沖信號中斷延時誤差、每秒內利用自身晶振維護內部飛行時產生的累積誤差以及軟件處理延時誤差。根據(jù)航天器實際經驗數(shù)據(jù)和芯片手冊數(shù)據(jù)，通常用戶硬件接收延時不大于1 μs，每秒內走時累積誤差不大于10 μs，軟件算法處理延時誤差不大于1 μs，即τ4=12 μs。

由以上分析可以得出北斗定位期間，各時間用戶綜合校時誤差τ=τ1+τ2+τ3+τ4=15.2 μs，滿足不大于50 μs的設計指標要求。

北斗非定位模式與定位模式相比，只是時間源產生的誤差τ1存在區(qū)別，其余模型單元誤差計算結果完全一致。非定位模式下，時間管理系統(tǒng)時間源產生誤差包括中心管理單元航天器器上飛行時發(fā)布誤差和秒脈沖產生誤差。飛行時發(fā)布誤差實際取決于頻率綜合器頻率穩(wěn)定度指標，實測優(yōu)于1×10-9，按最長非定位持續(xù)1圈時間計算，飛行時發(fā)布誤差應不大于5.4 μs。同時，中心管理單元在北斗定位時，作為時間用戶對飛行時進行校時產生的綜合誤差為15.2 μs，因此飛行時發(fā)布誤差為20.6 μs。秒脈沖產生誤差受頻率綜合器準確度指標影響，實測優(yōu)于5 μs。最終，時間源產生誤差τ1=25.6 μs。

因此，可以得出，在北斗非定位期間，各時間用戶綜合校時誤差τ=τ1+τ2+τ3+τ4=37.8 μs，同樣滿足不大于50 μs的設計指標要求。

4 結束語

系統(tǒng)以北斗導航定位授時設備和頻率綜合器兩種時鐘源系統(tǒng)進行構建。航天器可根據(jù)導航數(shù)據(jù)定位狀態(tài)自主進行時鐘系統(tǒng)切換，在消除了頻率源系統(tǒng)誤差累積效應問題的同時，可避免導航非定位情況下時間精度急劇下降的問題。最后，以航天器應用實例進行計算分析，結果表明：本文給出的時間管理系統(tǒng)滿足指標要求，可持續(xù)保證各用戶高精度時間同步。后續(xù)航天器可參考本文系統(tǒng)設計，對誤差模型單元參數(shù)進行修正，評估系統(tǒng)的時間綜合誤差，并通過對單機設備技術指標要求、芯片選型要求進行誤差環(huán)節(jié)指標控制，以滿足系統(tǒng)指標要求。

[1] 田賀祥,王同桓,李 璇,等.遙感衛(wèi)星星上時間管理方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(4):80-82.

[2] 劉 強,王 旭,侯文才,等. 時差定位型衛(wèi)星銣鐘的雙鐘熱備份設計[J].航天器工程,2014,23(2):31-36.

[3] 柯小靜.一種基于銣鐘的雙星系統(tǒng)用戶終端機[J].電訊技術,2007,47(2):109-111.

[4] 張九賓,張丕狀,杜坤坤.基于GPS的無線傳感器網絡時間同步技術[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(6):31-33.

[5] 王向軍,張亞元,張龍祥.基于GPS和高精度實時時鐘的時間同步方法[J].納米技術與精密工程,2016,14(1):66-70.

[6] Cui Baojian.An improved time synchronous system based on GPS disciplined rubidium[C]∥2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation(ICICTA),2010.

[7] 童 偉.基于北斗II代/GPS的電力系統(tǒng)雙模時間同步時鐘的研制[J].電力建設,2014,35(4):81-85.

[8] 陳智勇,韓 蒂,慶 毅,等.面向時間應用的可馴服銣鐘[J].宇航計測技術,2013,33(1):31-34.

[9] 黨超群,張鎖平,齊占輝,等.基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的深遠海GPS波浪浮標數(shù)據(jù)傳輸研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(1):46-48.

Design of spacecraft autonomous high precision time management system*

WANG Wei, CHEN Dan, XU Xiao-guang

(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

For high precision time synchronization demands of long term on orbit spacecraft,an autonomous high precision time management system is proposed,which combines Beidou navigation equipment clock generator and frequency synthesizer clock generator.Two clock generators can autonomously switch by states of navigation and localization,it eliminates error accumulation effect of frequency clock generator system and solves the problem for time precision falling dramatically when Beidou navigation equipment is unable to be located.By building error model for system taking an real application in spacecraft for example,to compute and analyze, which indicates that precision of the system time synchronization is prior to 37.8 μs.The result can be a reference for subsequent design of high precision time management system spacecraft.

autonomous time management; Beidou navigation; frequency synthesizer; time synchronization error

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0127—03

2017—01—10

國家重大科技專項工程項目

V 474.2

A

1000—9787(2017)07—0127—03

王 瑋(1986-)，男，碩士，工程師，從事航天器信息系統(tǒng)設計工作，E—mail：majestywangwei@163.com。