衛星雙向對時應用系統設計

張滬玲,李群續,趙景磊

(中國衛星海上測控部,江蘇 江陰 214431)

衛星雙向對時應用系統設計

張滬玲,李群續,趙景磊

(中國衛星海上測控部,江蘇 江陰 214431)

設計了一種用于海上活動站通過衛星信道進行時間比對的應用系統。結合目前活動站通信現狀,選擇衛星雙向時間比對作為對時手段,綜合分析了影響對時精度的主要因素,并在系統的設計過程中加以克服,使系統精度達到設計要求。實際衛星信道測試數據表明,衛星雙向對時應用系統對時精度達到微秒級,滿足海上活動站使用要求。

測控通信系統;時間統一系統;雙向時間比對;衛星信道;IRIG-B碼;同步誤差

1 引 言

時間統一分系統是海上活動測控站測控通信系統的重要組成部分,其時間精度將直接影響航天測控精度。目前,活動站采用主要的對時方式為GPS對時,具有使用方便、定時精度高的優點,但該系統的使用受美國全球戰略的影響,使用受制于人,在過去的工作中曾發現GPS對時有慢秒現象。我國“北斗”導航系統計劃2020年實現全球覆蓋,目前依然不能覆蓋海上活動測控站海域,因此研究高精度的對時方法并開發相應產品具有十分重要的現實意義。

目前,遠距離時間比對和校準的方式很多,主要有多臺站衛星雙向時間比對、單通道衛星雙向時間比對、衛星共視法、載波相位法、搬運鐘和廣播電視信號對時等。多臺站衛星雙向時間比對精度最高,但其要求多個臺站共用一顆衛星。在重大試驗任務中,幾個海上活動測控站分布于三大洋,為了保障通信質量,可能租用不同的國際通信衛星,而多臺站衛星雙向時間比對要求多個臺站共用同一顆衛星,因此多臺站衛星雙向時間比對與實際情況不符。單通道衛星雙向時間比對要求兩個站共用一顆衛星,通常海上活動測控站岸船間共用一顆通信衛星,采用衛星雙向時間比對方法可以有效利用現有通信設備,同時它的時間比對精度較高,僅次于多臺站衛星雙向時間比對,設備和方法相對簡單。衛星共視法和載波相位法實際為單收單發系統,該方法無法擺脫國外全球定位系統的限制。搬運鐘和廣播電視信號對時適合陸地和近海情況,對于海上活動站所在海域無法提供技術支持。

對時的基本思想是把岸站的標準時間準確無誤的傳遞到海上活動測控站,即把攜帶岸站標準時間信息的數據準確傳遞到海上活動測控站,同步海上活動測控站本地時統。目前,海上活動站岸船通信方式主要是衛星通信,利用現有衛星通信手段實現時間信息的傳遞和校準具備一定的基礎,因此,選擇衛星雙向時間比對作為對時應用系統的對時方法。

2 衛星雙向對時應用原理及主要誤差源

2.1 衛星雙向時間比對誤差數學模型

雙向時間比對的原理為:A站和B站“同時”發送各自的時間基準信號,經衛星轉發,兩站分別接收對方的時基信號。兩站的同步誤差為

式中,δt為兩站的同步誤差,TA、TB分別為A、B兩站測得的時間間隔,TAB、TBA分別為A站到B站的傳輸時延和B站到A站的傳輸時延,從雙向比對原理可以看出,影響雙向時間比對精度的因素有兩項:一是TA和TB的測量精度,二是雙向比對鏈當中的不一致性。TA和TB的測量精度可以通過提高測量手段加以實現。

而雙向比對鏈中的不一致性涉及因素很多[1]。進一步細化 TAB和TBA,如圖1所示。圖中:A站的發射、接收設備的時延分別用 τTA和τRA表示,上行到達衛星的時延為 τ1、下行從衛星到達B站的時延為τ4;B站的發射、接收設備的時延分別用 τTB和τRB表示,上行到達衛星的時延為 τ3、下行從衛星到達 B站的時延為τ2。A、B站都通過衛星中繼,由衛星上所配置的轉發設備對信號進行轉發,其時延也包括接收和發射兩部分,嚴格來講應有所區別,分別用τs1、τs2表示 。

圖1 雙向法站間信號流程圖Fig.1 Flowchart of two way satellite time transfer method

理想情況下,τ1=τ2,τ3=τ4。但實際上由于衛星收、發頻率不相同,受大氣附加延遲的影響(分別記為 Δτ1、Δτ2、Δτ3、Δτ4)也不同,衛星的上 、下行傳播時延(τ1、τ2)、(τ3、τ4)會有差異。

可以看出:

將式(2)、(3)代入式(1)有

式(6)就是衛星雙向時間比對誤差源數學模型。

DDN端口速率為9.6 kbit/s時,表1列出了上述各誤差源對雙向時間比對的影響[2]。

表1 各誤差源對岸船時間比對的影響Table 1 The effect of errors on ship-shore time synchronization

2.2 誤差修正方法

2.2.1 測量誤差修正

在對時應用系統產品的開發中,為達到技術指標要求,就必須盡量克服系統誤差中較大的誤差環節,從而保證對時應用系統的對時精度。從表1可見,在整個系統誤差中,由時鐘不同源帶來的DDN端口采樣誤差最大,達到104 μ s,必須采取相應的措施加以克服。

通常采用時間間隔計數器精確測量時差。在對時應用系統的設計中,選擇IRIG-B的1 PPS的上升沿作計數器的開門開關,DDN端口采樣時鐘上升沿作關門開關,IRIG-B中的5 MHz高頻信號作為采樣脈沖,實現采樣誤差測量。經過采樣誤差測量,就使DDN端口采樣誤差變為時間間隔計數器測量誤差。當采用5 MHz頻率作為填充脈沖時,在開門和關門處產生的誤差理論上不大于0.1 μ s,即計數器脈沖不對齊引起的誤差理論上不大于0.2 μ s。

2.2.2 異常數據的識別與估計

在衛星雙向對時應用系統的設計中,雙向比對是雙方經過N次雙向測量后,雙方對測量數據進行解算得出雙向測量時延。測量數據往往帶有誤差偏大的異常值,產生異常值(野值)的原因有多種。測量數據含有的異常值,使測量值嚴重失真,降低了測量數據的置信度,嚴重影響數據處理質量。因此,在應用系統的控制處理器對雙向測量數據進行處理時,必須首先對測量數據異常值進行判別和處理,以合理、可信的測量數據替代它,保證測試數據處理結果的質量。實際工程中不可能采用無限次測量,數據量多少將直接影響最后的誤差修正精度。數據量越大,誤差修正越精確,但數據量越大,對時時間越長。在應用系統誤差處理模型設計中,綜合考慮精度和對時時間,取N=100。

在衛星雙向對時應用系統誤差處理模型設計中,應用最小二乘估計和時間多項式外推后一時刻的觀測數據估計值,對雙向測量數據進行野值識別和估計后,對重新排序的測量數據取均值后輸出雙向測量時延。

3 衛星雙向對時應用系統設計

衛星雙向對時應用系統采用衛通信道雙向時間比對的方式,時間基準為岸站,通過測量和修正岸船傳輸時延,使時間同步精度達到設計要求。在系統的設計中,采用DDN采樣誤差測量和非相干誤差數理統計等方法克服各種固定和抖動誤差,從而實現時間信息同步。時間比對應用系統主要完成衛通信道時延雙向測量、DDN設備采樣誤差測量、本地IRIG-B碼時間信息解調、產生攜帶雙向測量時間差、采樣時延誤差、控制信息和本地時間信息的IRIG-B碼等功能。

3.1 硬件設計

3.1.1 硬件組成

從原理和功能方面講,岸船時間比對應用系統設計對于岸站和海上活動測控站稍有不同。岸站和海上活動站都是由數據接口單元、IRIG-B時碼產生單元、IRIG-B時碼解調單元、控制處理器單元、時間間隔計數器單元、DDN采樣誤差測量單元以及數據顯示和功能設置單元組成,但是岸站在解調單元當中不需要重新產生IRIG-B碼,而海上活動站站則必須產生新的與岸站同步的IRIG-B碼來同步船上的時統。在系統的設計上,兩者設計一致,只是岸站部分功能不使用。

海上活動(岸)站系統的具體組成結構如圖2所示。

圖2 系統組成圖Fig.2 Block diagram of time synchronization application system

3.1.2 主要功能

(1)產生與本地時統同步且攜帶信息的IRIG-B碼,并將其通過數據接口設備送到衛通設備向對方發送;

(2)接收對方發來的IRIG-B碼,并解算其攜帶的各種信息;

(3)通過時間間隔計數器獲取本地秒脈沖與對方發送的秒脈沖的時間差;

(4)通過采樣誤差測量獲取DDN設備采樣時延誤差;

(5)根據岸船誤差模型解算岸船時間比對誤差,并進行統計;

(6)將修正過的時間信息以IRIG-B碼的形式送海上活動站時統進行同步;

(7)提供與衛通設備的接口轉換功能;

(8)實時顯示系統工作狀態,提供人機交互功能。

3.2 軟件流程

應用系統軟件主要完成的功能是控制各個硬件單元協調工作,正確接收、發送相關的數據,統計、解算時延誤差等。

在雙向時間比對應用系統中,岸站和海上活動站站分別有一套軟件系統,兩者的基本功能相似,都包含系統初始化功能、收發信息控制、解算與統計岸船時間誤差、進行人機交互等功能。

兩者的差別在于:由于岸站作為基準站,不需要在比對結束后對本地的時統進行修正,而船站必須要有這項功能。

岸站、海上活動站對時應用系統軟件基本流程圖如圖3所示。

圖3 應用軟件流程圖Fig.4Software flowchart of time synchronization application system

4 系統測試

衛星雙向對時應用系統設計生產完成后,為了驗證該系統的對時精度是否滿足設計要求,需要通過實際衛通信信道進行實驗測試。測試圖如圖4所示。

圖4 對時精度測試框圖Fig.4 Architecture of the time synchronization application system

對測試數據進行誤差分析表明,在衛星中繼速率為64 kbit/s、DDN 端口速率為9.6 kbit/s時,時間同步精度優于15 μ s,高于航天測量任務對海上活動站的時間比對要求。

5 結束語

本文選擇衛星雙向時間比對作為海上活動測控站對時新方法,對衛星雙向時間比對誤差來源進行了分析,提出了消除主要誤差的方法,設計了基于海上活動測控站衛星雙向對時應用系統,并通過實際衛星信道進行測試。分析測試數據表明,衛星雙向對時應用系統對時精度滿足當前及后續試驗任務對時需求。在后期的研究中,應進一步考慮海上活動站運動對對時精度的影響,對設備誤差進行精細測量,進一步提高對時精度。

[1]Liu Li,Han Chun-Hao.Two Way Satellite Time Transfer and its error analysis[J].Progress in Astronomy,2004,22(3):219-226.

[2]張滬玲,簡仕龍,雷菁.岸船衛星雙向時間比對及其誤差分析[J].無線電工程,2008,38(9):39-42.

ZHANG Hu-ling,JIAN Shi-long,LEI Jing.Ship-shore Time Synchronization and Its Error Analysis[J].Radio Engineering,2008,38(9):39-42.(in Chinese)

[3]童寶潤.時間統一系統[M].北京:國防工業出版社,2004.TONG Bao-run.Timing System[M].Beijing:National Defense Industry Press,2004.(in Chinese)

[4]胡永輝,漆貫榮.時間測量原理[M].香港:香港亞太科學出版社,2000.

HU Yong-hui,QI Guan-rong,The Priniciple of Time Measure[M].Hongkong:Hongkong′s Asia-Pacific Science Press,2000.(in Chinese)

[5]左振平.通信設備接口協議手冊[M].北京:人民郵電大學出版社,2005.

ZUO Zhen-ping.Interface and Protocol Manual of CommunicationEquipment[M].Beijing:People′s Post and Telecommunications Press,2005(in Chinese)

[6]曹志剛,錢亞生.現代通信原理[M].北京:清華大學出版社,1992.

CAO Zhi-gang,QIAN Ya-sheng.Modern communication theory[M].Beijing:Tsinghua University Press,1992.(in Chinese)

ZHANG Hu-ling was born in Huaxian,Shaanxi Province,in 1971.She is now a senior engineer with the M.S.degree.Her research concerns ship-shore communication.

李群續(1972—),男,山東煙臺人,碩士,高級工程師,主要研究方向為航天海上測控通信;

LI Qun-xu was born in Yantai,Shandong Province,in 1972.He is now a senior engineer with the M.S degree.Hisresearch concerns spaceflight maritime tracking and controlling system and communication system.

Email:lqx100@163.com

趙景磊(1976—),男,江蘇蘇州人,2001年獲碩士學位,主要從事通信系統軟件方面的研究。

ZHAO Jing-lei was born in Suzhou,Jiangsu Province,in 1976.He received the M.S degree in 2001.His research concerns communication system software design.

Design of a Ship-shore Time Synchronization Application System

ZHANG Hu-ling,LI Qun-xu,ZHAO Jing-lei
(China Satellite Marine Tracking and Controlling Department,Jiangyin 214431,China)

A ship-shore time synchronization application system through satellite channel is designed for TT&C ship.According to actual TT&C ship ship-shore communication status,the Two Way Satellite Time Synchronization(TWSTS)method is chosen to minimize the time synchronization error.After analysis of major error affects in time synchronization,a ship-shore time synchronization application system is designed to minimize the time synchronization error.The test result through the actual satellite channel shows that the system′s accuracy is up to microseconds and the demand of the ship-shore communication in TT&C ship is satisfied.

TT&C and communication system;timing system;two way satellite time synchronization;satellite channel;IRIG-B code;synchronization error

TN96

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.10.026

1001-893X(2012)10-1691-05

2012-03-31;

2012-08-01

張滬玲(1971—),女,陜西華縣人,碩士,高級工程師,主要從事岸船通信方面的研究;