基于GPS校準(zhǔn)的皮衛(wèi)星高精度時(shí)間系統(tǒng)方案*

蘇　星，王慧泉，金仲和

（浙江大學(xué)微小衛(wèi)星研究中心，杭州310027）

基于GPS校準(zhǔn)的皮衛(wèi)星高精度時(shí)間系統(tǒng)方案*

蘇星，王慧泉*，金仲和

（浙江大學(xué)微小衛(wèi)星研究中心，杭州310027）

許多實(shí)際應(yīng)用任務(wù)對皮衛(wèi)星星上時(shí)間系統(tǒng)有較高的精度要求，傳統(tǒng)采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片（RTC）的時(shí)間系統(tǒng)方案難以滿足需求，基于GPS的皮衛(wèi)星星上時(shí)間系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。受能源限制，皮衛(wèi)星攜帶的GPS接收機(jī)一般采用間歇性開機(jī)方式工作。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于GPS校準(zhǔn)的星上時(shí)間系統(tǒng)方案，提出了分級校正算法，并對算法中的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)表明，每天GPS接收機(jī)僅需開機(jī)1 024 s，即可保證優(yōu)于1 ms/d的星上時(shí)間精度。整個(gè)方案實(shí)現(xiàn)簡單，且已應(yīng)用于浙江大學(xué)研制的ZDPS-2皮衛(wèi)星，滿足了任務(wù)載荷5 ms時(shí)間精度的要求。

皮納衛(wèi)星；時(shí)間系統(tǒng)；GPS接收機(jī)；秒脈沖；FPGA；

皮衛(wèi)星是指重量為公斤級微小衛(wèi)星，一般以微電子、MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)等微小型化技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行研制，具有重量輕、研制周期短、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、造價(jià)和發(fā)射成本低等特點(diǎn)［1］，在空間試驗(yàn)［2-4］以及商業(yè)化應(yīng)用等方面有著巨大的應(yīng)用潛力［5］。

連續(xù)及準(zhǔn)確的時(shí)間對皮衛(wèi)星載荷任務(wù)、軌道遞推、姿態(tài)控制等功能而言極其重要。隨著皮衛(wèi)星從試驗(yàn)、教學(xué)走向?qū)嶋H應(yīng)用，對星上時(shí)間精度要求越來越高。浙江大學(xué)研制的第二代皮衛(wèi)星ZDPS-2（浙大皮星二號）為一顆應(yīng)用型皮衛(wèi)星，其載荷任務(wù)對星上時(shí)間系統(tǒng)有±5 ms/d的精度需求，該需求相比第一代皮衛(wèi)星提高了近2個(gè)量級。

目前皮衛(wèi)星上時(shí)間系統(tǒng)大都采用RTC+地面人工校時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)。RTC芯片可提供完整的時(shí)間信息，但受其時(shí)間漂移及分辨率影響，能夠提供的時(shí)間精度通常不高。采用該方案的浙江大學(xué)ZDPS-1A皮衛(wèi)星［6］，其星上時(shí)間日均時(shí)間漂移達(dá)1 s以上；采用該方案的南京航空航天大學(xué)的“天巡一號”衛(wèi)星也僅能維持0.5 s左右星地時(shí)差的水平［7］。

產(chǎn)生高精度時(shí)間的方法有原子鐘、衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞法等。星載原子鐘可以實(shí)現(xiàn)很高的時(shí)間精度［7］，但對皮衛(wèi)星來說，原子鐘體積大、功耗高，且成本高；衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞法（TWSTFT）的精度可以達(dá)到幾百皮秒的時(shí)間同步水平［9-10］，然而這種方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，參加試驗(yàn)的兩個(gè)測控站間需要經(jīng)常協(xié)調(diào)，不適用于皮衛(wèi)星。

GPS接收機(jī)可提供高精度的時(shí)間信息，且長期穩(wěn)定性好［11-12］，在目前的一些地面系統(tǒng)中，使用GPS接收機(jī)進(jìn)行校時(shí)是較為常見的方法［13-15］，文獻(xiàn)［13］設(shè)計(jì)了一種利用GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)校正本地晶振頻率的方法，然而并未研究GPS關(guān)機(jī)情況下如何提高守時(shí)精度；文獻(xiàn)［14］設(shè)計(jì)了基于加法器電路的方法，通過高位寬的計(jì)數(shù)器不斷累加多位的步距值來實(shí)現(xiàn)精細(xì)補(bǔ)償本地時(shí)鐘頻率的漂移，以提高守時(shí)精度，但該方法需要額外用到高精度TDC（Time-To-Digit Converter）芯片且消耗的器件資源較多；文獻(xiàn)［15］的方法利用GPS接收機(jī)的秒脈沖信號測量時(shí)差，通過鎖相環(huán)反饋調(diào)節(jié)壓控振蕩器以獲得一個(gè)穩(wěn)定的高精度頻率信號，然而該方法的具體實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。均不適用于體積小、功耗低皮衛(wèi)星的研制。

考慮到皮衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)僅需在規(guī)定時(shí)長之內(nèi)，保持足夠小的時(shí)間漂移即可，而對于絕對穩(wěn)定的頻率并沒有需求，故可以通過合理的周期性時(shí)間補(bǔ)償校正，提高時(shí)間的精度。由于皮衛(wèi)星能源很有限，為了滿足能量平衡星載GPS接收機(jī)一般只能開啟十幾分鐘。基于此約束，本文設(shè)計(jì)了一種利用GPS短時(shí)校準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)方案，并提出分級校正算法提高時(shí)間精度。該方案通過FPGA產(chǎn)生時(shí)間信息，利用GPS短時(shí)開機(jī)估計(jì)FPGA的時(shí)鐘頻率，然后根據(jù)分級校正算法，對FPGA時(shí)間按不同周期進(jìn)行補(bǔ)償校正，實(shí)現(xiàn)時(shí)間漂移的精細(xì)補(bǔ)償、提高時(shí)間精度。

此外，皮衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)還需提供完整的年月日時(shí)分秒以及毫秒等時(shí)間。為避免FPGA斷電、復(fù)位后時(shí)間信息全部丟失，本文利用FPGA產(chǎn)生秒級以下時(shí)間，通過RTC產(chǎn)生秒級以上時(shí)間，并周期性同步RTC與FPGA時(shí)間以保持時(shí)間準(zhǔn)確，得到完整的星上時(shí)間。該時(shí)間系統(tǒng)采用純數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)簡單，適合為皮衛(wèi)星長期提供時(shí)間信息。

1　方案設(shè)計(jì)

本方案利用FPGA時(shí)鐘產(chǎn)生秒級以下時(shí)間，包括毫秒微秒等信息，并通過分級校正算法對其進(jìn)行校準(zhǔn)，以產(chǎn)生高精度時(shí)間。RTC中秒時(shí)間的累加依靠其百分秒計(jì)時(shí)溢出，因此可以通過每秒同步一次RTC的百分秒時(shí)間與FPGA百分秒時(shí)間，維持RTC秒級時(shí)間的準(zhǔn)確。之后就可將兩者拼接出完整的星上時(shí)間。圖1給出了本文設(shè)計(jì)的皮衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)框圖。

圖1　基于GSP校準(zhǔn)的皮衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)由提供秒脈沖信號的GPS接收機(jī)、產(chǎn)生毫秒級時(shí)間的FPGA、產(chǎn)生秒級時(shí)間的RTC、以及計(jì)算校正參數(shù)的DSP組成。確定校正參數(shù)時(shí)，在GPS接收機(jī)開機(jī)的時(shí)間窗口內(nèi)，利用秒脈沖信號估計(jì)FPGA時(shí)鐘頻率，之后通過DSP計(jì)算出校正參數(shù)發(fā)送給FPGA，由FPGA周期性執(zhí)行校正操作。

2　高精度時(shí)間生成

2.1FPGA時(shí)間的生成

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用低功耗恒溫晶振提供FPGA時(shí)鐘，其頻率溫度穩(wěn)定度達(dá)±10-8，具有很高的總頻率穩(wěn)定度。記f為實(shí)際的FPGA時(shí)鐘頻率，對FPGA時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可得到秒級以下時(shí)間tms，當(dāng)脈沖的計(jì)數(shù)值為m時(shí)，秒級以下時(shí)間可表示為：

式中 f′是FPGA內(nèi)用于計(jì)時(shí)的時(shí)鐘頻率，一般是晶振的額定頻率。由于晶振存在老化等原因，f′與實(shí)際頻率f之間實(shí)際存在偏差，該偏差會導(dǎo)致FPGA產(chǎn)生時(shí)間的漂移。經(jīng)過時(shí)間t之后，F(xiàn)PGA內(nèi)累計(jì)的鐘面時(shí)間實(shí)際為，故此時(shí)FPGA時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間存在漂移Δt：

因而需要經(jīng)常對 f'進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)以減小時(shí)間漂移Δt。本文通過GPS秒脈沖信號對FPGA時(shí)鐘頻率進(jìn)行測量估計(jì)。

2.2通過GPS秒脈沖估計(jì)FPGA時(shí)鐘頻率

在GPS接收機(jī)正常工作的情況下，利用其輸出秒脈沖信號測得FPGA時(shí)鐘頻率f。

GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖信號雖然具有很高的長期穩(wěn)定性，但其瞬時(shí)時(shí)間信號存在一定的隨機(jī)誤差δ，且δ服從正態(tài)分布［16，17］。假設(shè)GPS第i個(gè)秒脈沖的時(shí)長ti=1+δi，則δi～N（0，σ2），所以ti～N（0，σ2），當(dāng)樣本容量n足夠大時(shí)，秒脈沖樣本均值可被認(rèn)為是1。

FPGA連續(xù)采樣GPS秒脈沖信號的上升沿，對第i個(gè)上升沿和第i+n個(gè)上升沿之間的時(shí)鐘數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)得到計(jì)數(shù)值M，對應(yīng)秒脈沖總時(shí)長為。假設(shè)實(shí)際時(shí)鐘頻率為 f，則有

對上式兩邊分別取平均，得到

由ti～N（0，σ2）可知

因此實(shí)際的時(shí)鐘頻率估計(jì)值為

由于GPS秒脈沖間隔服從正態(tài)分布ti～N（0，σ2），因此，從而得到 FPGA時(shí)鐘頻率估計(jì)值也是服從正態(tài)分布的變量：。估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差。 n取值越大，F(xiàn)PGA時(shí)鐘頻率估計(jì)精度越高。此外，按正態(tài)分布規(guī)律，落在 f±3δf的概率為99%，故可認(rèn)為。

2.3分級校正算法

該截?cái)嗾`差最大值接近1，且會隨時(shí)間累積。對此本文提出了分級校正算法，目標(biāo)為減小截?cái)嗾`差造成的時(shí)間漂移累積。

由于Δne是小數(shù)，不能直接補(bǔ)償，分級校正算法將Δne的每一位小數(shù)進(jìn)行分離提取，然后對分離出的量按不同的頻度級別進(jìn)行校正。通過這種途徑實(shí)現(xiàn)長期平均意義上的精細(xì)的補(bǔ)償校正，從而減小截?cái)嗾`差造成的時(shí)間累積漂移。

Δne可表示為：式中：b1、b2···bk都為0到9整數(shù)，b1表示十分位數(shù)字，b2表示百分位數(shù)字，以此類推。E表示剩余的小數(shù)部分。分級校正的具體含義為：①對于十分位的數(shù)字b1，每過個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次補(bǔ)償校正，校正量為b1個(gè)時(shí)鐘周期；②對于百分位的數(shù)字b2，每過個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次補(bǔ)償校正，校正量為b2個(gè)時(shí)鐘周期；③其余小數(shù)位以此類推。④不同級別的補(bǔ)償校正是并行進(jìn)行的。

如果最多補(bǔ)償校正到第k位小數(shù)，在系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行之后，平均每秒未補(bǔ)償?shù)臅r(shí)鐘周期個(gè)數(shù)為e，其最大值接近1/10k，即：

該截?cái)嗾`差引起的平均每秒漂移時(shí)間可估計(jì)為：

可見，通過該算法，長期來看將截?cái)嗾`差最大值由1降低到了1/10k，降低了k個(gè)數(shù)量級。此方法可使系統(tǒng)平均意義上的時(shí)鐘頻率更加逼近f。

然而這樣的周期性校正在短期內(nèi)會產(chǎn)生以下問題：由于每過10k·floor（f）個(gè)時(shí)鐘周期才會對bk進(jìn)行補(bǔ)償校正，故在被校正前最多會累積bk個(gè)時(shí)鐘周期的漂移量，但校正后即消除，不會持續(xù)累積。極端情況為，所有級別的漂移量同時(shí)累積到最大。該因素造成的時(shí)間漂移t2為：

此外由于分級校正過程使用估計(jì)值f代替真實(shí)值f，其補(bǔ)償校正逼近的是f而非真實(shí)的f，故f估計(jì)誤差帶來的平均每秒漂移時(shí)間為：

綜上，當(dāng)系統(tǒng)采用該校正算法，運(yùn)行了Td時(shí)長后，上述三項(xiàng)總時(shí)間漂移可估計(jì)為：

FPGA工作的最大時(shí)鐘頻率受器件性能、功耗以及FPGA代碼設(shè)計(jì)限制，一般支持的最高頻率有限；而σ是GPS接收機(jī)的固有指標(biāo)。因此，可通過選擇合理的k值與n值，來提高秒級以下時(shí)間的精度。

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1參數(shù)選擇

本系統(tǒng)方案所采用了實(shí)驗(yàn)室自研GPS接收機(jī)，其指標(biāo)σ=100 ns，本地時(shí)鐘源為20 MHz的高穩(wěn)恒溫晶振，n值代表GPS開機(jī)工作時(shí)長，受能源限制，設(shè)為1 024（即GPS接收機(jī)需連續(xù)開機(jī)工作1 024 s）。那么一天后（Td=24 h），GPS測量誤差t3累積的漂移量為：

另外校正周期內(nèi)的累計(jì)漂移量t2：

截?cái)嗾`差t1累積的漂移量為：

在此對t1、t2的大小進(jìn)行大致的評估，用 f′代替f進(jìn)行計(jì)算以選擇k值。估計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1　k取不同數(shù)值時(shí)系統(tǒng)24 h后最大時(shí)間漂移估計(jì)

由于GPS測量誤差的影響，k值取過大并無實(shí)際意義，而且會增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。參照GPS測量誤差t3產(chǎn)生的漂移大小，這里k取2是比較合理的，即需要補(bǔ)償校正十分位與百分位2個(gè)等級。

3.2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文中提出的皮衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)方案的硬件原理圖如圖2所示。系統(tǒng)以FPGA為核心器件，連接了所有外圍設(shè)備，包括RTC芯片與GPS接收機(jī)以及DSP。

圖2　時(shí)間系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖

圖2所示原理圖中，F(xiàn)PGA主要功能為利用GPS輸出的秒脈沖信號測量本地時(shí)鐘頻率，產(chǎn)生秒級以下時(shí)間并對其進(jìn)行分級校正，此外FPGA還提供了與RTC芯片之間的通信模塊。

其中“分級校正”模塊支持2個(gè)不同等級的校正：十分位補(bǔ)償、百分位補(bǔ)償，按對應(yīng)的周期自動(dòng)調(diào)整m計(jì)數(shù)器的值，以達(dá)到分級補(bǔ)償校正的目的；“時(shí)鐘頻率測量”模塊測量n個(gè)秒脈沖上升沿之間的間隔，將測得的時(shí)鐘周期數(shù)保存起來，提供給DSP計(jì)算處理；“1PPS生成”模塊按系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖對m寄存器進(jìn)行累加，累加至floor后清零，累加過程中接受輸入的分級校正參數(shù)并執(zhí)行；而DSP模塊主要實(shí)現(xiàn)校正參數(shù)計(jì)算、同步RTC時(shí)間的功能，此外還負(fù)責(zé)授時(shí)功能以及集中校時(shí)等功能。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先測試不進(jìn)行校時(shí)的狀態(tài)下，由系統(tǒng)產(chǎn)生的秒脈沖F_PPS與GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖信號G_PPS之間的時(shí)間漂移。晶振預(yù)熱充分，GPS信號鎖定的情況下，將F_PPS與G_PPS的上升沿同步之后，通過示波器觀察二者之間的時(shí)間偏移（對比上升沿之間的時(shí)間差，F(xiàn)_PPS超出G_PPS的量）。結(jié)果如表2所示。從中可以看出，在不進(jìn)行校時(shí)的情況下，3個(gè)多小時(shí)之后時(shí)間漂移已超過5 ms。

表2　不校正情況下系統(tǒng)時(shí)間的漂移

為減小系統(tǒng)時(shí)間漂移，對FPGA時(shí)間進(jìn)行分級校正。在晶振預(yù)熱充分，GPS信號鎖定的情況下，將F_PPS與G_PPS的上升沿同步之后，先經(jīng)過1 024 s使得系統(tǒng)測出時(shí)鐘頻率，隨后啟用分級校時(shí)功能，將F_PPS與G_PPS的上升沿同步之后，通過示波器觀察不同時(shí)長的情況下，G_PPS與F_PPS上升沿之間的時(shí)間差，結(jié)果如表3所示。可見系統(tǒng)時(shí)間漂移明顯減小，一天的漂移量僅為455 μs，且實(shí)際的漂移時(shí)間在估計(jì)的范圍之內(nèi)。

表3　校正后系統(tǒng)時(shí)間漂移情況（k=2）

為了突出分級校正方法的效果，故選擇k=0的情況作為對比，即等效于只對整數(shù)部分進(jìn)行校正，而對于非整數(shù)部分不進(jìn)行校正。將FPGA中分級校正模塊的參數(shù)固定設(shè)為0，重新進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果如表4所示。

表4　校正后系統(tǒng)時(shí)間漂移情況（k=0）

可見k=0的情況明顯比k=2的情況差，同時(shí)證明了分級校正方法的有效性。

應(yīng)用本方案，如需進(jìn)一步改善校正效果，可通過增大n值、使用σ指標(biāo)更好的GPS接收機(jī)、以及增大k值來實(shí)現(xiàn)。然而對于皮衛(wèi)星來說，n越大意味著GPS開機(jī)時(shí)間越長，對能源十分有限的皮衛(wèi)星來說是難以承受的。故選用σ指標(biāo)更好的GPS接收機(jī)同時(shí)增大k值，以更好的發(fā)揮分級校正算法精細(xì)補(bǔ)償?shù)淖饔茫诖饲闆r下是進(jìn)一步提高時(shí)間精度的有效的途徑。

5　結(jié)語

本文考慮皮衛(wèi)星的特點(diǎn)及其限制和要求，討論了皮衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。先利用GPS短時(shí)開機(jī)測量估計(jì)真實(shí)時(shí)鐘頻率，然后通過分級校正算法周期性的校正FPGA時(shí)間以獲得高精度的秒級以下時(shí)間，最后拼接同步后的RTC秒級以上時(shí)間，以提供完整的時(shí)間信息。從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)適用于皮衛(wèi)星、滿足一定精度要求的星上時(shí)間系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明GPS接收機(jī)每天開機(jī)1 024 s，該系統(tǒng)可保證24 h內(nèi)時(shí)間漂移小于1 ms，滿足了ZDPS-2皮衛(wèi)星的需求。該方案實(shí)現(xiàn)簡單且開銷較小，并且使用性能更好的GPS接收機(jī)可進(jìn)一步提高時(shí)間精度，可推廣到其它有時(shí)間精度需求的皮衛(wèi)星中。

［1］Sandau R，Brie? K，D’Errico M.Small Satellites for Global Coverage：Potential and Limits［J］//Isprs Journal of Photogrammetry& Remote Sensing，2010，65（6）：492-504.

［2］Adarsh Rajguru.Laser Space Communication Concept for Deep-Space Interplanetary Missions Using CubeSats［C］//Aiaa Plasmadynamics and Lasers Conference.2000.

［3］Bandyopadhyay S.A Review of Impending Small Satellite Formation Flying Missions［C］//53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting.2015.

［4］李輝，張鈺，楊牧，等.基于CMOS圖像傳感器的皮衛(wèi)星成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，01：62-67.

［5］Carissa B C，Tom S，Kirsten A，et al.Analysis of the Commercial Satellite Industry［C］//AIAA SPACE 2015 Conference and Exposition，2015

［6］Zhang Yu，Zheng Yang-Ming，Yang MU，et al.New Technique：Design and Implementation of the Highly-Reliable，Low-Cost Housekeeping System in the ZDPS-1A Pico-Satellite［J］//Journal of Zhejiang University：Science C，2012，13（2）：83-89.

［7］葉偉松，劉海穎，陳志明等.“天巡一號”微小衛(wèi)星數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)與在軌性能評估［J］//南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44 （6）：797-802.

［8］屈勇晟，劉昶，朱虹等.導(dǎo)航衛(wèi)星星載原子鐘研發(fā)方向探討［J］//導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2013，1（4）：55-60.

［9］Li B，Rizos C，Lee H K，et al.A GPS-Slaved Time Synchronization System for Hybrid Navigation［J］//Gps Solutions，2006，10 （3）：207-217.

［10］Lin H T，Huang Y J，Tseng W H，et al.Recent Development and Utilization of Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer［J］// MAPAN-Journal of Metrology Society of India，2012，27（1）：13-22.

［11］Matsakis D，Powers E，F(xiàn)onville B，et al.GPS Timing Performance ［C］//General Assembly and Scientific Symposium（URSI GASS），2014 XXXIth URSI.IEEE，2014：1-4.

［12］李倩，戰(zhàn)興群，王立端，等.GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22（12）：1752-1756.

［13］吳寧，潘小龍，虞皆俠，等.高精度GPS同步時(shí)鐘的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（10）：61-65.

［14］田鳴，王瑞清.基于GPS校準(zhǔn)的數(shù)字式守時(shí)鐘守時(shí)算法研究［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39（3）：12-16，35.

［15］張杰，周棟明.GPS馴服中無偏滑動(dòng)平均濾波算法的研究［J］.電子學(xué)報(bào)，2013，41（2）：412-416.

［16］Lewandowski W，Petit G，Thomas C.Precision and Accuracy of GPS Time Transfer［J］//IEEE Transactions on Instrumentation& Measurement，1993，42（2）：474-479.

［17］Weiss M，Zhang V，Nelson L，et al.Delay Variations in Some GPS Timing Receivers［C］//Frequency Control Symposium，1997，Proceedings of the 1997 IEEE International.IEEE，1997：304-312.

蘇星（1987-），男，浙江大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)在讀博士生，從事皮衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究；

王慧泉（1981-），男，浙江大學(xué)微小衛(wèi)星研究中心副研究員，主要研究方向?yàn)镸EMS/NEMS傳感器及其接口電路，微弱信號處理，微小衛(wèi)星技術(shù)。

The High-Precisiontime System Design of Pico-Satellite Based on GPS Receiver*

SU Xing，WANG Huiquan*，JIN Zhonghe
（Micro-Satellite Research Center，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

High-precision system time is usually required in many missions of pico-satellite.Traditional solution of timing system based on real-time clock（RTC）chip in pico-satellite cannot meet thisrequirement，therefore GPS receiver（GPSR）is applied in the design of timing system.However，GPSR in pico-satellite cannot work for long time because of the energy limitaiton.Then a design of a timing system based on GPSR which only need to be powered on for a short time has been presented in this paper.An algorithm to calibrate system time for long-term is provided. Experiment shows that the time accuracy is better than 1 ms/d when GPSR works for 1 024 seconds per day.Thisdesign has been applied in ZDPS-2 satellite，and qualified the mission requirements of 5 ms/d.

Pico-satellite；Timing System；Global Position System Receiver（GPSR）；PPS；FPGA

V423.43

A

1004-1699（2016）08-1200-05

EEACC：7320K；7630A10.3969/j.issn.1004-1699.2016.08.013

項(xiàng)目來源：國家杰出青年基金項(xiàng)目（61525403）

2016-03-02修改日期：2016-03-31