雙模授時技術在航天測控設備中的應用

楊安洪，卜鮑強，姜忠武

(63816部隊，貴陽 550025)

雙模授時技術在航天測控設備中的應用

楊安洪，卜鮑強，姜忠武

(63816部隊，貴陽 550025)

針對目前航天測控設備時間同步系統的授時來源單一、可靠性不夠高、安全性差的問題，應用基于北斗衛星導航系統和全球定位系統的雙模授時技術，升級了某型測控設備的時間同步系統，實踐證明新的時間同步系統滿足設備的應用需求，明顯提高了測控設備的可靠性與安全性。

雙模授時；全球定位系統；北斗衛星導航系統

1 引言

在航天發射任務中，全航區的測控設備必須在統一的、高精度的時間基準下運行，時間同步系統扮演著重要的角色[1]。當前測控設備的時間同步系統普遍使用高精度的衛星授時，其中美國的全球定位系統(global positioning system，GPS)因起步較早，覆蓋面廣，技術成熟，價格低廉，占據了衛星授時終端絕大部分市場[2]，也導致目前航天測控設備的時間同步系統大多采用GPS單一授時。美國軍方實際控制GPS，免費提供使用，但不對GPS衛星信號的質量和免費使用期限任何承諾和保證，并且曾經實施過用于降低用戶使用精度的選擇可用性政策，還具有隨時關閉任何地區GPS衛星信號的能力[3]，所以，雖然使用GPS免費，但可靠性不夠高、安全性差。因此，我國在航天發射任務中使用GPS存在巨大的安全風險和隱患。可喜的是，我國北斗衛星導航定位系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)近年來加速衛星組網，實用性不斷增強，于2012-12-27起正式向亞太大部分地區提供區域連續無源定位、授時、導航等服務[4]，為基于BDS授時的時間同步系統的廣泛應用奠定了堅實基礎。據近年來的相關文獻論述和雙模授時產品介紹，推出的國產BDS/GPS雙模授時終端產品可提供高精度的時碼信號、脈沖信號、串行時間信息以及網絡授時等服務，能使時間同步系統的精度和可靠性達到各領域所需的要求，并已經在電力[2，5]、通信[6-7]等行業有了一定應用，但未發現其在航天領域的應用。航天事業關系到國防安危，為了提高航天發射任務的可靠性與安全性，本文提出在航天測控設備中應用基于BDS/GPS雙模授時的國產時間同步系統。

2 BDS/GPS雙模授時

2.1 雙模授時

BDS/GPS雙模授時是指同時具有BDS與GPS兩種衛星導航系統授時的功能。BDS是我國自主研發的，繼美國GPS和俄羅格洛納斯衛星導航系統之后的全球第三個衛星導航系統，能提供定位、測速、單雙向授時、短報文通信服務[8]。如果應用BDS/GPS授雙模授時技術將拓寬授時來源，明顯提高授時設備的可靠性。

2.1.1 衛星授時

衛星授時主要是用來提供精確的時間信息[1]，每個授時接收機均輸出秒脈沖信號(1 pulse per second，1PPS)，接收機計算出對應秒脈沖的準確時間，將兩臺接收機的秒脈沖信號送給計數器，計數器測出兩個接收機秒脈沖之間的時間間隔，再與接收機計算出的兩個秒脈沖間隔比較，便可得到時間同步精度，實現精確的授時。目前，國內各應用領域的衛星授時產品主要有GPS和BDS兩類。GPS授時有單站法和共視法兩種，單站授時精確度約為20～500 ns，共視授時精確度能達到5～20 ns[6]。BDS授時有無線電定位業務(radio determination satellite system，RDSS)單向授時、RDSS雙向授時和無線電導航業務(radio navigation satellite system，RNSS)授時三種方法，RDSS單向授時精度100 ns，RDSS雙向授時精度20 ns[7]，RNSS授時精度為50 ns[9]。從實際應用需求來看，單臺航天測控設備的時間同步要求一般為400 ns以內，所以GPS采用單站法授時，BDS采用RDSS單向法授時即可滿足航天測控設備的使用需求。

2.1.2 BDS/GPS雙模授時[6]

BDS/GPS雙模授時的時間同步系統采用互為備份的BDS和GPS衛星雙系統，可同時接收BDS和GPS衛星兩種信號，能可靠地、持續地提供高精度的時間碼信號、脈沖信號、串行時間信息、網絡授時服務等，能較好地滿足航天測控設備時間同步系統高可靠性、高精度的需求。雙模授時的授時模式優先采用BDS模式，詳見圖1，具體選擇何種模式，取決于以下條件：1)用戶根據實際需求，自行選擇某種模式，如該模式下接收機工作正常，則工作在該模式，否則工作在另一模式；2)若兩種模式均不正常，則工作于守時模式。接收機不正常通常有以下情況：1)衛星信號微弱，無法捕獲；2)衛星信號受到干擾，產生誤碼；3)對于GPS衛星而言，在定位模式下收星數<4，在位置保持模式下，收星數<2；4)對于BDS衛星而言，收星數<1。

圖1 授時模式選擇

2.2 雙模授時的優勢

我國航天測控設備采用GPS單授時的時間同步系統存在如下問題[10]：(1)GPS受控于美國國防部，具有很深的軍方背景，它國使用不具有自主性，存在一些不穩定因素，比如增加隨機擾碼，故意降低GPS精度，甚至在某時間段停止GPS在某個地區的發送信號；(2)由于戰爭或其它不可知因素，導致GPS在中國或其它一些國家不可用；(3)GPS在某些特殊情況下信號暫時消失，或者GPS接收機工作不正常。航天發射任務是高風險的事業，一旦在航天發射任務中發生以上的突發情況，眾多測控設備將不能實現精準的時間同步，會給航天發射任務帶來不可估量的損失。BDS由我國獨立自主建設，若采用BDS/GPS雙模授時，即能實現測控設備時間同步系統授時的自主性，又能在某種授時源不可授時的情況提供應急與備份，會明顯提高時間同步系統的可靠性。

3 雙模授時的時間同步系統應用

時間同步系統采用我國自主研發的BDS/GPS雙模式授時設備，能同時接收BDS與GPS衛星發送的信號來獲得外部時間基準，其中BDS采用RDSS單向授時。

3.1 系統組成[11]

雙模時間同步系統可分為人機交互單元、授時單元、數據處理單元、輸出單元等四單元，主要由衛星接收天線、BDS高精度授時接收板、GPS接收模塊、時頻標數據處理單元、各應用處理單元和接口模塊、系統應用軟件等組成，工作原理見圖2所示。

3.1.1 人機交互單元

人機交互單元觀測設備工作狀態，設置設備工作方式、外部時間基準信號、輸出接口類型等。

圖2 基于BDS/GPS雙模授時的時間同步系統工作原理示意圖

3.1.2 授時單元

授時單元主要由雙模衛星信號接收天線、高中頻信號處理、多普勒信息校正與秒脈沖信號合成等模塊組成，主要實現衛星信號的接收、放大、濾波、下變頻、解擴解調、時間信息合成等功能。雙模衛星天線采用一體化設計，應用高精度時頻時間合成與衛星軌道預測技術，能同時接收頻率為1 575.42 MHz的L1波段GPS衛星信號和頻率為1 561.098 MHz的B1[12]波段的BDS衛星信號，通過饋線送至接收模塊，經接收機下變頻得到中頻信號，經模數(A/D)轉換后得到數字信號，經數字下變頻得到基帶信號，經解擴、幀同步和譯碼得到時間信息，對產生的1PPS進行時延補償后，將時間信息和1PPS 送數據處理單元。

3.1.3 處理單元

時間處理單元是設備的重要組成部分。衛星信號正常時，BDS/GPS雙模時間同步系統依據衛星接收模塊提供的授時信息，維持高精度的時間信息，輸出到應用接口單元產生時間同步信號。衛星信號異常時，時間處理單元采用高穩恒溫晶體振蕩器或銣鐘作為本地高穩定時鐘，并利用時間頻率測控技術與智能馴服算法，在一定時間段內維持一個高精度的時間信號輸出。

3.1.4 輸出單元

為滿足不同行業與領域設備對不同時間同步信號的需求，串行時間碼(IRIG-B碼)生成單元輸出交流(alternating current，AC)碼和直流(direct current，DC)碼時間同步信號；脈沖生成單元輸出不同接口類型的1PPS、分脈沖(1pulse per minute，1PPM)、時脈沖(1pulse per hour，1PPH)時間同步信號；網絡授時單元采用網絡時間控制協議(network time protocol，NTP)通過網口對外授時。

3.2 技術指標

BDS/GPS雙模授時時間同步系統指標性能優良，具有高精度、高可靠的特性，可完全替代GPS單授時時間同步系統，其主要技術指標為

(1)NTP網口輸出端口特性

授時精度：局域網<10 ms；廣域網為10～100 ms。

(2)脈沖輸出端口特性

脈沖端口：1PPS/1PPM/lPPH各2路。

(3)IRIG-B碼輸出端口特性

AC碼、DC碼各12路，DC碼精度優于200 ns。

(4)串行報文輸出端口特性

4路RS232/RS485，波特率1200、2400、4800、9600可選擇。

(5)DCF77信號

12路DCF77信號，準確度：≤1 μs。

3.3 系統應用

新系統采用上海某公司生產的BDS/GPS雙模授時時間同步系統，在某型號航天測控設備上進行了試驗與應用。原時間同步系統由GPS授時儀和時碼器兩個單獨硬件設備組成。其中GPS授時儀為時碼器提供外部時間標準，時碼器輸出的IRIG-B(DC)碼為測控設備各計算機實時接收、處理、傳輸數據的同步提供支持。根據使用說明書，其內部晶振穩定度為1×10-7，GPS授時儀精度指標約為100 ns，時碼器解碼同步誤差約為250 ns(DC碼)，由此原系統的理論同步精度優于400 ns。

新系統采用大規模集成電路技術，將除天線外的授時單元、處理單元、輸出單元等全部集成到一個機箱內，在尺寸上比原設備小一倍。由于應用了先進的時間頻率測控技術來馴服晶振，即使在外部時間基準失效的情況下，也能使輸出的時間同步信號精密同步在BDS/GPS時間基準上。根據使用說明資料，其內部晶振穩定度為7×10-9，BDS(單向授時)或GPS授時精度指標優于80 ns，時碼器解碼同步誤差小于100 ns(DC碼)，所以其理論同步精度優于200 ns。廠家采用精度為70 ps的多通道時間間隔計數器對系統進行了測試，測試結果表明新系統的實際精度約為190 ns。從某型號航天測控設備實際應用效果來，新設備輸出的DC碼滿足測控設備實時接收、處理、傳輸數據的要求。

表1 設備性能比較

4 結束語

本文分析了目前基于衛星授時的時間同步系統的使用現狀及存在的問題，介紹了雙模授時和時間同步系統的基本原理，提出在航天測控設備上應用基于BDS/GPS雙模授時的時間同步系統，并在某型測控設備上進行了試驗。試驗結果表明，新的時間同步系統完全滿足測控設備的需求，消除了GPS單授時時間同步系統存在的安全隱患，明顯提升了設備的自主性與可靠性。隨著BDS的加速組網和授時產品的日益成熟，為了提高航天發射任務的可靠性與安全性，建議在航天領域推廣基于BDS/GPS雙模授時的時間同步系統。

[1] 童寶潤.時間統一技術[M].北京：國防工業出版社，2004.

[2] 楊京渝.智能電網時間同步方案[J].華電技術，2011，33(12)：36-39.

[3] 鞏銳，李明，趙波.北斗授時系統在新疆電網的應用探討[J].中國新通信，2013，15(23)：66-67.

[4] 唐金元.北斗衛星導航區域系統發展應用綜述[J].全球定位系統，2013，38(5)：47-52.

[5] 廣嘉電子.北斗一號授時技術及在電力系統中的應用[J].中國電子商情：基礎電子，2008(5)：70-73.

[6] 單慶曉，楊俊.北斗/GPS雙模授時及其在CDMA系統的應用[J].測試技術學報，2011，25(3)：223-228.

[7] 杜雪濤，李楠，劉杰.北斗與GPS雙授時在TD-SCDMA中的應用[J].電信工程技術與標準化，2007，20(7)：5-7.

[8] 譚述森，李琳.北斗系統導航定位報告體制與工程技術[J].導航定位學報，2013，1(3)：1-9.

[9] 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統發展報告(2.2版)[R/OL].[2014-05-22].http：//www.beidou.gov.cn/attach/2013/12/26/2013122686d73a5a34044f35b5cec516417df1df.pdf.

[10]翁煒霖，吳小妹，肖華.淺談雙模授時的優點以及在地面站的應用[J].科技視界，2013(10)：208-209.

[11]邢振鵬.北斗/GPS衛星同步授時系統在焦作電廠的應用[J].電力信息化，2009(7)：103-105.

[12]中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統公開服務性能規范(1.0版)[R/OL].[2014-05-22].http：//www.beidou.gov.cn/attach/2013/12/26/20131226fe8b20aad5f34091a6f8a84b08b1c4b1.pdf.

Application of Dual-mode Timing Technology in Aerospace TT&C Equipment

YANG An-hong，BU Bao-qiang，JIANG Zhong-wu

(Troops 63816，Guiyang 550025，China)

Considering the situation that time synchronization system of the aerospace tracking，telemetry and command(TT&C) equipment timed by only one source would reduce its reliability and safety，a newly technology called dual-mode timing based on both beidou navigation satellite system(BDS) and global positioning system(GPS) is applied to an old aerospace TT&C equipment’s time synchronization system.It’s proved that the new time synchronization system meets its requirements fully in practice，and improves its reliability and safety obviously.

dual-mode timing；GPS；BDS

P127.1

A

2095-4999(2015)-01-0088-04