遙感衛(wèi)星星上時間管理方法

田賀祥，王同桓，李 璇，徐 浩

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

遙感衛(wèi)星因具備高效和持續(xù)的探測能力等優(yōu)勢，已在資源普查與測繪、環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)水利等領域取得了廣泛的應用。隨著用戶對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)高時間、高空間分辨率需求的不斷提高，光學遙感衛(wèi)星和微波遙感衛(wèi)星均對星上時間精度和同步精度提出了更為苛刻的要求。以合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）遙感衛(wèi)星為例，在高分辨率聚束模式工作期間，為了獲取豐富精細的目標信息，高速運動的衛(wèi)星將始終小范圍地照射衛(wèi)星預置的特定成像區(qū)域，這就要求預先設定的聚束模式工作時間起點與星上時間比對時刻嚴格同步，超出時間誤差范圍即可造成不可忽視的成像性能下降［1］。

本文以遙感衛(wèi)星為對象，將時間管理定義為:為了滿足用戶對時間精度和同步精度的需求，通過特定方法和必要手段對星上時間產(chǎn)生、維護和發(fā)布機制進行相應的約束和規(guī)定［2，3］，并實現(xiàn)用戶對時間要求的完整過程稱為時間管理。

1 星上時間管理模型

依據(jù)時間管理的定義，可建立遙感衛(wèi)星星上時間管理模型，并將其分為4個組成部分，如圖1所示。

圖1 星上時間管理模型組成Fig 1 Constitution of satellite time management model

星上時間管理模型由時間源、時間維護、時間用戶及時間傳輸通道組成。其中，時間源、時間維護和時間用戶為邏輯關系層面，它涵蓋了星上時間同步的基本流程，并直接揭示了衛(wèi)星時間系統(tǒng)的功能實質;時間傳輸通道則承載了邏輯關系的傳遞。

1）時間源用于星上時間的產(chǎn)生并提供時間基準，它的執(zhí)行設備為導航接收機、地面遙控注入及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)工作時鐘等［4］;

2）時間維護提供了時間修正的手段與方法，它的執(zhí)行設備為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、專用控制電路等，并以廣播、點對點傳輸?shù)确绞綄崿F(xiàn)時間發(fā)布;

3）時間用戶則是時間維護和時間發(fā)布的對象，整個系統(tǒng)的最終目標即是為用戶提供能夠滿足任務需求的星上時間，控制分系統(tǒng)、載荷、數(shù)傳分系統(tǒng)及地面測控均可認為是時間用戶，它們是時間管理的受益者;

4）時間傳輸通道提供時間信息流的傳輸路徑，它的執(zhí)行設備為硬件秒脈沖通道和串行1553B總線通道。

2 星上時間管理運行機制

對同步精度要求苛刻的時間用戶，遙感衛(wèi)星可采用高精度同步時間管理方法，它以導航接收機作為星上時間源，接收機鎖定導航信號后的高精度硬件秒脈沖（導航電文與導航時間嚴格對應，輸出的秒脈沖信號形式如圖2所示）。信號和此刻的整秒時間信息為計時標準，其中，硬件的秒脈沖為時間用戶提供了精確的校準時刻，整秒時間信息為時間用戶提供了嚴格的維護信息。

圖2 秒脈沖時序圖Fig 2 Pulses per second（pps）timing sequence diagram

首先需要導航接收機正常鎖定導航信號，在整星指令控制下輸出時間源產(chǎn)生的秒脈沖信號和其對應的絕對時間碼信息。秒脈沖信號經(jīng)過放大和分路處理后作為觸發(fā)信號，通過專用電路發(fā)送給所有需要時間同步處理星上時間用戶。絕對時間信息則通過總線發(fā)送到時間用戶。時間用戶以收到的秒脈沖信號為全系統(tǒng)授時起點，完成高精度同步。具體的時間管理運行機制步驟如下:

1）導航接收機作為時間源開機數(shù)分鐘內，完成衛(wèi)星定位和調整秒功能，此時秒脈沖信號和時間碼數(shù)據(jù)有效可用，導航接收機鎖定信號。

2）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)接收地面系統(tǒng)校時工作指令，并發(fā)送給所有需要時間同步的用戶［5］。

3）導航接收機收到指令后，于下一秒輸出一個與導航接收機整秒嚴格同步的脈沖信號，并鎖定該信號的時間碼信息，作為所有系統(tǒng)工作的起點時刻;秒脈沖信號由RS—422接口等組成的時間傳輸通道發(fā)送給時間用戶［6］。整秒時間碼信息則通過由1553B組成的時間傳輸通道發(fā)送時間用戶，該步驟完成了時間維護和發(fā)布。

4）時間用戶收到秒脈沖信號后，將記錄各自的頻率計數(shù)器清零，用自身時鐘信號作為計數(shù)脈沖，作為系統(tǒng)時間;時間用戶將接收到的時間碼信息與計數(shù)器累積脈沖數(shù)相加，得到當前的時刻，最終完成高精度時間同步。

但當在高精度時間管理系統(tǒng)運行于故障模式，或時間用戶對星上時間同步精度要求不高時，可由一般精度的時間管理運行機制所替代，其時間源也因此可以靈活選擇，數(shù)管工作時鐘和導航接收機自主產(chǎn)生的時間碼等均可作為星上時間源。

遙感衛(wèi)星一般精度時間管理的時間維護常用方式有授時和校時2種方法，具體分類方法如圖3所示。星上時間差可以作為一般精度時間維護的依據(jù)，根據(jù)星上自主生成時間碼與導航時間碼的時標遙測信息，獲取星上時間碼與對應時刻的導航時間碼之間的時間差。

圖3 一般精度時間管理的時間維護Fig 3 Time maintenance of common precision time management

當星地時差差別較大時，一般采用授時方式對星時維護。星上時間授時的目的是調整星上時間計時零時刻的絕對時間。對于地面授時方法，衛(wèi)星接收到地面授時注入數(shù)據(jù)后，將注入數(shù)據(jù)中給定的時間作為基準星上時間。當導航時間準確的情況下，也可以采用導航授時的方式進行時間維護，依據(jù)導航授時指令，數(shù)管計算機一次性將導航時間引入到星上時間系統(tǒng)中。

當存在較小的星地時差時，一般采用校時方式進行星上時間維護。按地面校時指令要求，在衛(wèi)星星上時間的基礎上，將星上時間增減一個要求的值，以校正星地時間的較小絕對誤差，該方法稱為地面集中校時。若地面確認導航數(shù)據(jù)長期穩(wěn)定有效時，并且此時星上時間與導航時間秒值偏差在規(guī)定時間以內時，也可引入導航自主校時。

此外，為了調整由星上基準晶振偏差引起的星上時間積累偏差，可引入均勻校時，周期性地每經(jīng)過相應的時間間隔，對衛(wèi)星的星上時間增加或減少一個最小時間間隔，達到提高星上時間累計準確計時目的。

3 時間系統(tǒng)誤差模型與分析方法

星上時間管理系統(tǒng)的主要誤差源可以分為4類，如圖4所示。

圖4 星上時間系統(tǒng)誤差源組成Fig 4 Constitution of error sources of satellite time system

由圖4可知，星上時間系統(tǒng)誤差源主要有:硬件時延誤差、星時鎖定誤差、時鐘抖動誤差、用戶校時誤差等。其中:

1）硬件時延誤差包括時間源產(chǎn)生誤差、時基傳遞誤差、整星器件延時。整星器件延時可以通過測試方法后進行校準。

2）星時鎖定誤差主要為星上FPGA鎖存器鎖定時間誤差。

3）時鐘抖動誤差是一種隨機誤差，由基準時鐘源所決定，主要取決于鎖相倍頻誤差。鎖相誤差是由鎖相環(huán)進行倍頻時引起的，它是乘性放大誤差，其他幾種誤差均為加性誤差，若倍頻因子為 N，高穩(wěn)時鐘精度為 τ0，則鎖相誤差τ1=Nτ0［7］。

4）用戶校時誤差為秒脈沖接收誤差、用戶計數(shù)器誤差、用戶自身使用軟件算法時產(chǎn)生的不可忽略誤差。圖5舉例給出了用戶秒脈沖接收誤差示意圖。

圖5 用戶秒脈沖接收誤差Fig 5 User pps receiving error

在圖5中，Δ為導航接收機與國際時間標準比對時引起的誤差。δ為用戶本地采樣信號確認低電平接收有效時引起的誤差，該誤差一般不超過秒脈沖下降沿持續(xù)時間。

根據(jù)以上各誤差源在時間信息流的傳遞次序，可以建立星上時間系統(tǒng)的誤差傳遞模型（如圖6），誤差模型建立的目的主要是為了能夠涵蓋誤差傳遞的整過程，可根據(jù)不同型號衛(wèi)星調整模型單元，估計出整星校時綜合誤差。由此可以針對不同的時間用戶獲得各自的整星時間系統(tǒng)同步誤差。

圖6 時間系統(tǒng)誤差傳遞模型Fig 6 Error transfer model of time system

4 設計實例

某遙感衛(wèi)星分系統(tǒng)對時間同步精度的需求為優(yōu)于50 μs。

4．1 理論分析

根據(jù)設備工作參數(shù)與芯片手冊可獲取如下數(shù)據(jù):1）秒脈沖由導航接收機產(chǎn)生，輸出誤差為1 μs;

2）控制分系統(tǒng)秒脈沖接收芯片固有傳遞延時最大為22 ns;

3）控制分系統(tǒng)星時鎖存采用FPGA，最大延時為1 μs;

4）控制分系統(tǒng)晶振穩(wěn)定度40×10－6（考慮初始精度誤差和5a老化誤差）。

根據(jù)時間系統(tǒng)誤差模型，可得到各時間傳遞過程中各環(huán)節(jié)的誤差為:

1）秒脈沖誤差時間為τ2=1 μs;

2）時基傳遞誤差主要由于星上芯片所引起，即τ3=22 ns;

3）星時鎖存延時 τ4=1 μs;

4）控制分系統(tǒng)高精度校時時要加上下位機記錄的相對時間，相對時間最大不超過1 s，則校時時的最大誤差時間 τ5=40 μs。

以上可以分析得出下位機采用秒脈沖進行高精度校時的誤差 τ=τ2+τ3+τ4+ τ5＜43 μs，表明該方案符合時間同步精度優(yōu)于50 μs的設計要求。

4．2 實驗驗證

測試方對衛(wèi)星某分系統(tǒng)設備高精度時間同步性能開展測試實驗，實驗內容為秒脈沖校時時間同步精度測試。

實驗結果如表1和表2所示。

測試結果表明:在相鄰2個秒脈沖間，測量誤差能夠控制在30 μs以內（表 1），器件鎖存時延范圍為 25～45 μs（表2），由誤差模型圖6可知，器件時延屬于可補償誤差，通過對該時延的補償，可保證由此引起的時延小于10 μs，在此基礎上，與控制周期的測量誤差疊加，滿足高精度同步精度為50 μs的設計要求。

表1 設備高精度校時測試數(shù)據(jù)Tab 1 Test data of high precision time correction of device

表2 器件鎖存信號時延測量Tab 2 Time delay measurement of device latch signal

5 結束語

本文通過構建遙感衛(wèi)星時間管理模型，實現(xiàn)了不同時間管理運行機制的統(tǒng)一，并在此框架下詳細分析了經(jīng)過在軌飛行驗證的高精度同步時間管理和一般精度時間管理運行機制，用戶可以根據(jù)需求選取合適的時間管理方法。同時，綜合考慮影響時間同步精度的星上誤差源，給出了星上時間誤差傳遞模型。本文以50 μs的同步精度需求設計為例，采用理論分析和實驗驗證相結合的方式對時間管理模型進行了驗證，結果表明:本文采用的時間管理方法和誤差模型能夠滿足遙感衛(wèi)星高精度時間同步的設計和分析需求，為遙感衛(wèi)星星上時間管理的方法選取和方案設計提供了便利的條件。

［1］ Carrara W G，Goodman R S，Majewski R M．Spotlight synthetic aperture radar signal processing algorithms［M］．Boston，London:Artech House，1995:357 －496．

［2］ 譚維熾，胡金剛．航天器系統(tǒng)工程［M］．北京:中國科學技術出版社，2009．

［3］ GJB 289A—1997數(shù)字式時分制指令/響應型多路傳輸數(shù)據(jù)總線［S］．

［4］ GJB 2994—1997航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)時間碼格式［S］．

［5］ 譚維熾，顧瑩琦．空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)［M］．北京:中國科學技術出版社，2004．

［6］ 李新貝，譚 超，高 山，等．星上RS422接口電路的建模與仿真［J］．航天器工程，2011，20（1）:109 －113．

［7］ Gardner F M．Phaselock techniques［M］，New York:Wiley ＆Sons，2005．