基于GPS高精度高可靠衛(wèi)星自主校時系統(tǒng)設(shè)計

陳紅飛 章生平 孫立達(dá) 劉艷陽 魏春

摘 要： 設(shè)計一種基于GPS的衛(wèi)星自主校時系統(tǒng)。采用CPU晶振和高穩(wěn)晶振平滑切換結(jié)構(gòu)，并通過總線校時和秒脈沖校時手段進(jìn)行修正維護(hù)?？偩€校時方式通過時延參數(shù)的測量及修正，校時精度可達(dá)到300 μs，接口簡單，操作方便；秒脈沖校時方式通過硬件實現(xiàn)，校時精度優(yōu)于100 μs，穩(wěn)定可靠，精度較高。兩種校時方法組合使用，具有高精度、高可靠、自主可控，易于實現(xiàn)等特點。地面試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可滿足衛(wèi)星的高要求。

關(guān)鍵詞： 衛(wèi)星； 自主校時； 高精度； GPS秒脈沖； 1553B總線； 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN927?34； V443 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）15?0105?03

Design of high?precision and high?reliability satellite antonymous time

calibration system based on GPS

CHEN Hongfei， ZHANG Shengping， SUN Lida， LIU Yanyang， WEI Chun

（Shanghai Institute of Satellite Engineering， Shanghai 201109， China）

Abstract： A satellite antonymous time calibration system based on GPS is designed， in which the smooth switching structure of CPU crystal oscillator and high?stability crystal oscillator is adopted， and the means of bus time calibration and pulse per second （PPS） time calibration is used for correction and maintenance. The bus time calibration method is used to measure and correct the delay parameters， its time calibration accuracy can reach up to 300 μs， which has simple interface and easy operation. The PPS time calibration method is implemented with hardware， its time calibration accuracy is superior to 100 μs， which has stable operation and high precision. The combination usage of two time calibration methods has the advantages of high accuracy and reliability， antonymous control， and easy realization. The results of the ground test show that the system can meet the high performance of satellite.

Keywords： satellite； autonomous time calibration； high accuracy； GPS pulse per second； 1553B bus； system design

0 引 言

隨著衛(wèi)星載荷功能、性能的不斷提升，系統(tǒng)對時間精度和穩(wěn)定度的要求越來越高，特別是GEO發(fā)射?LEO接收的雙基地合成孔徑雷達(dá)（SAR）[1]，對時間要求更為嚴(yán)格。

衛(wèi)星星務(wù)主機(jī)通常需要產(chǎn)生和維護(hù)平臺統(tǒng)一時鐘，周期性通過總線廣播給各終端使用。由于晶振時鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度有限，長期積累后容易產(chǎn)生時鐘偏差，因而需要時統(tǒng)校正維護(hù)，控制誤差在一定范圍內(nèi)。目前，衛(wèi)星系統(tǒng)常用的校時方法主要有集中校時、均勻校時和總線校時，校時精度較低，可靠性不高，操作不方便[2]。本文結(jié)合GPS和高穩(wěn)晶振的互補(bǔ)特點，提出一種高精度高可靠衛(wèi)星自主校時方法。

1 星上時鐘管理

目前，衛(wèi)星星上時鐘維護(hù)有授時和校時兩種常用方式[3]，分類情況如圖1所示。

授時有遙控授時和導(dǎo)航授時，是讀取外部完整時間格式作為星上系統(tǒng)時鐘的基點，僅在地面測試或者在軌飛行中系統(tǒng)時鐘切換、復(fù)位等非正常時操作。

校時有集中校時、均勻校時、GPS總線校時、GPS秒脈沖校時等方法。集中校時，當(dāng)星地時差超過限定范圍，由地面測控系統(tǒng)對星上注入時差值進(jìn)行校時。均勻校時，地面遙測根據(jù)時鐘漂移規(guī)律，計算星上時鐘變化率，周期性地進(jìn)行一定補(bǔ)償。GPS總線校時，利用總線用戶廣播的時間，對星上時鐘進(jìn)行校時修正。GPS秒脈沖校時，利用GPS秒脈沖信號，對星上時鐘進(jìn)行校時修正。

2 方案設(shè)計

高穩(wěn)晶振的短期穩(wěn)定性非常好，但長期穩(wěn)定性較差，再加上老化的因素，長期使用后頻率輸出會有較大的累計誤差[4]。GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖信號存在較大的隨機(jī)誤差，卻不存在累計誤差。系統(tǒng)采用CPU晶振和高穩(wěn)晶振平滑切換的設(shè)計，并通過GPS總線校時和秒脈沖校時等手段進(jìn)行時統(tǒng)維護(hù)。星上時間維護(hù)總體方案如圖2所示。

星務(wù)主機(jī)采取軟件時鐘方式，硬件提供循環(huán)計時器，軟件周期性讀取計算節(jié)拍間隔時間后累加到軟件時鐘參數(shù)上。系統(tǒng)時鐘基準(zhǔn)源優(yōu)先選用5 MHz高穩(wěn)恒溫晶振，F(xiàn)PGA產(chǎn)生100 μs分辨率的16位時鐘計數(shù)源供軟件讀取。當(dāng)軟件讀取的高穩(wěn)晶振計時值故障時，可以自主平滑過渡或遙控注數(shù)切換到由CPU內(nèi)部晶振產(chǎn)生的低穩(wěn)定度時鐘計數(shù)源。CPU內(nèi)部的GT時鐘計數(shù)口可根據(jù)需要設(shè)置成1 μs分辨率，32位循環(huán)計數(shù)器。

軟件周期性讀取高穩(wěn)定的計數(shù)器或低穩(wěn)定度計時器，與各自上次讀數(shù)相減，獲取本次計時的間隔量[Th]，[Tl]，比對[Th]和[Tl]，若[Th]數(shù)據(jù)可信則累加到系統(tǒng)軟件時鐘上，否則采用內(nèi)部時鐘[Tl]數(shù)據(jù)累加到系統(tǒng)軟件時鐘上。

由于晶振的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度指標(biāo)始終有限，長期積累后會產(chǎn)生偏差，系統(tǒng)通過GPS總線和GPS秒脈沖進(jìn)行校時修正。兩種方式根據(jù)星務(wù)主機(jī)高穩(wěn)計時源使用情況來選擇，且只能使用一種方式。當(dāng)星務(wù)主機(jī)硬件高穩(wěn)計時源可用時，通過GPS秒脈沖校時，反之則使用GPS總線校時。

GPS總線校時和秒脈沖校時可由地面注數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)禁控制，對校時的范圍進(jìn)行限幅，確保GPS偶爾異常跳變時不會導(dǎo)致系統(tǒng)時鐘的跳變。

2.1 GPS總線校時

總線采用1553B標(biāo)準(zhǔn)的接口總線，由1553B總線控制器和隔離變壓器組成，構(gòu)成一個雙通道冗余的1553B總線收發(fā)與協(xié)議控制電路。通信方式為時分多路，指令響應(yīng)式半雙工通信，傳輸介質(zhì)為雙絞屏蔽線，特性阻抗為70～85 Ω，接口原理如圖3所示[5]。

GPS接收機(jī)定位后，按協(xié)議要求生成衛(wèi)星定位，定軌數(shù)據(jù)通過1553B總線發(fā)送至星務(wù)主機(jī)，周期為1 s。星務(wù)軟件訪問硬件計時器和軟件系統(tǒng)鐘，實時計時，向1553B用戶廣播，廣播周期為1 s。GNSS接收機(jī)總線廣播時間后，進(jìn)行相減計算時間差值。差值需扣除RT端產(chǎn)生的時延，BC端產(chǎn)生的時延和總線傳輸時延則由星務(wù)軟件處理。若最終GPS與星上系統(tǒng)鐘時差較?。ā? ms），則星務(wù)主機(jī)認(rèn)為GPS數(shù)據(jù)可信，同時在地面授權(quán)的情況下，GPS可以自主對星上時鐘進(jìn)行校時修正[6]。

GPS總線校時流程如圖4所示。

2.2 GPS秒脈沖校時

GPS接收機(jī)定位后，在每個整秒時刻，發(fā)出一個同步精度小于1 ms的高精度負(fù)脈沖。秒脈沖信號波形如圖5所示。秒脈沖下降沿有效，下降沿精度小于50 ns，寬度為1.0 ms±0.1 ms，發(fā)送周期為1 s±1 ms。與每個秒脈沖對應(yīng)的整秒時間數(shù)據(jù)通過1553B總線發(fā)送至星務(wù)主機(jī)。

秒脈沖接口電路為同步RS 422，采用二對二形式。輸出端有51 Ω電阻保護(hù)，輸入端上拉和下拉電阻為750 Ω，隔離電阻為260 Ω，線上特性阻抗為120 Ω。輸入方對信號采取濾波等可靠性措施，防止干擾信號影響。GPS秒脈沖接口電路如圖6所示。

星務(wù)主機(jī)接收GPS接收機(jī)的秒脈沖信號，系統(tǒng)硬件接收到后，自動鎖定硬件計時器的參數(shù)。當(dāng)軟件訪問后，計算對應(yīng)鎖定時刻的系統(tǒng)時間，模整秒后的時間余數(shù)，判斷與整秒的偏差值，設(shè)定偏差不超過設(shè)定門限（±10 ms），若數(shù)據(jù)可信，則用偏差值修正本地時鐘。GPS秒脈沖校時流程如圖7所示。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合GPS和高穩(wěn)晶振的互補(bǔ)特點，提出一種高精度高可靠衛(wèi)星自主校時方法，系統(tǒng)通過GPS總線和GPS秒脈沖進(jìn)行校時修正。地面試驗結(jié)果表明，GPS總線校時方式通過時延參數(shù)的測量及修正，校時精度可達(dá)到300 μs，GPS秒脈沖校時方式不涉及軟件因素，校時精度較高，優(yōu)于100 μs。兩種校時方法組合使用，具有精度高，穩(wěn)定性好，可靠性高，易于實現(xiàn)等特點。

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