航天器自主高精度時(shí)間管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 瑋， 陳 丹， 徐曉光

(中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094)

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航天器自主高精度時(shí)間管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 瑋， 陳 丹， 徐曉光

(中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094)

為滿足航天器長(zhǎng)期在軌飛行期間高精度的時(shí)間同步需求，提出了一種航天器自主高精度時(shí)間管理系統(tǒng)，將北斗導(dǎo)航定位授時(shí)設(shè)備和頻率綜合器兩種時(shí)鐘源系統(tǒng)進(jìn)行融合使用，兩種時(shí)鐘源系統(tǒng)可根據(jù)導(dǎo)航定位狀態(tài)自主切換，在消除了頻率源系統(tǒng)誤差累積效應(yīng)問(wèn)題的同時(shí)，解決了導(dǎo)航非定位情況下時(shí)間精度急劇下降的問(wèn)題。通過(guò)建立系統(tǒng)的誤差模型，以航天器應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明：系統(tǒng)時(shí)間同步精度優(yōu)于37.8 μs。研究結(jié)果可以為后續(xù)航天器高精度時(shí)間管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

自主時(shí)間管理； 北斗導(dǎo)航； 頻率綜合器； 時(shí)間同步誤差

0 引 言

航天器時(shí)間管理是為了滿足用戶對(duì)時(shí)間精度和同步精度的需求，通過(guò)特定的方法和必要手段對(duì)星上時(shí)間產(chǎn)生、維護(hù)和發(fā)布機(jī)制進(jìn)行相應(yīng)的約束和規(guī)定，并實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)時(shí)間要求的完整過(guò)程[1]。通過(guò)時(shí)間管理使各時(shí)間用戶工作在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)下，共享綁定統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)的信息量，從而保證航天器內(nèi)部以及航天器與地面之間時(shí)間同步并協(xié)調(diào)運(yùn)作。

為滿足航天器長(zhǎng)期在軌飛行期間高精度的時(shí)間同步需求，大部分偵察衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星均使用以銣鐘為頻率基準(zhǔn)的高精度時(shí)間系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確測(cè)量[2,3]，星載銣原子鐘具有體積小、重量輕、功耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，短期時(shí)間穩(wěn)定度可達(dá)到10-12量級(jí)，但時(shí)間精度長(zhǎng)期穩(wěn)定度不足，存在誤差累積效應(yīng)。為了抵消飛行時(shí)間帶來(lái)的性能損失，星上往往采用銫鐘、氫鐘等更高精度的原子鐘設(shè)備，但隨之會(huì)造成研制成本的數(shù)倍增加。對(duì)于部分配置有全球定位系統(tǒng)(GPS)導(dǎo)航的航天器可通過(guò)GPS發(fā)布高精度時(shí)間[4～6]，雖不存在誤差累積效應(yīng)，但由于軌道電磁環(huán)境的復(fù)雜性和航天器自身存在的高速度姿態(tài)機(jī)動(dòng)、天線視場(chǎng)遮擋等因素，無(wú)法保證GPS定位持續(xù)性，在GPS非定位情況下，航天器自主時(shí)間同步精度指標(biāo)將大幅下降，無(wú)法滿足用戶的使用需求。同時(shí)，美國(guó)已成功掌握了局部屏蔽GPS信號(hào)等技術(shù)[7]，這就對(duì)依賴于GPS的國(guó)內(nèi)航天器帶來(lái)了潛在的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[8]還提出了一種面向時(shí)間應(yīng)用的GPS可馴服銣鐘，可利用銣鐘和GPS接收機(jī)時(shí)間差的數(shù)據(jù)自主校正銣鐘頻率準(zhǔn)確度，但時(shí)間用戶以銣鐘輸出信號(hào)為唯一的時(shí)間源，一旦銣鐘故障，系統(tǒng)將無(wú)法正常運(yùn)行，可靠性不足。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種航天器自主高精度時(shí)間管理系統(tǒng)，以北斗導(dǎo)航定位接收設(shè)備和頻率綜合器為時(shí)鐘源進(jìn)行構(gòu)建。系統(tǒng)將北斗導(dǎo)航定位授時(shí)數(shù)據(jù)引入頻率源授時(shí)鏈路，并根據(jù)北斗導(dǎo)航定位狀態(tài)自主進(jìn)行器上時(shí)間授時(shí)信息流的切換，可以持續(xù)滿足航天器高精度時(shí)間同步需求，具有良好的系統(tǒng)可靠性。

1 自主高精度時(shí)間管理系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)

航天器自主高精度時(shí)間管理系統(tǒng)主要由時(shí)間源、時(shí)間維護(hù)設(shè)備、時(shí)間用戶和時(shí)間傳輸通道4部分組成。時(shí)鐘源用于產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)，包括北斗導(dǎo)航接收機(jī)和頻率綜合器，北斗導(dǎo)航接收機(jī)可使用我國(guó)完全自主可控的北斗II代導(dǎo)航定位系統(tǒng)[9]，頻率綜合器通過(guò)頻率合成的方法可以以較低的研制成本對(duì)外提供較高精度的頻率信號(hào)；時(shí)間維護(hù)設(shè)備負(fù)責(zé)維護(hù)艙上時(shí)間信息，一般為航天器負(fù)責(zé)平臺(tái)系統(tǒng)級(jí)信息管理的中心管理單元；時(shí)間用戶用于使用時(shí)間源輸出時(shí)間同步信息；時(shí)間傳輸通道用于傳輸航天器器上時(shí)間信息的數(shù)據(jù)鏈路，包括RS—422串口通道和1553B總線通道。系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 航天器自主高精度時(shí)間管理系統(tǒng)架構(gòu)

時(shí)間管理系統(tǒng)以北斗導(dǎo)航接收機(jī)和頻率綜合器為2套時(shí)間發(fā)布基準(zhǔn)進(jìn)行構(gòu)建。在北斗導(dǎo)航定位時(shí)間系統(tǒng)下，以北斗導(dǎo)航接收機(jī)發(fā)布的世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(UTC)為基準(zhǔn)，各時(shí)間用戶同時(shí)接收北斗導(dǎo)航接收機(jī)通過(guò)RS—422串口發(fā)送的秒脈沖信號(hào)作為觸發(fā)條件，定期對(duì)設(shè)備內(nèi)部自走時(shí)進(jìn)行校時(shí)，從而保持各用戶間的時(shí)間協(xié)調(diào)性。在頻率源時(shí)間系統(tǒng)下，由頻率綜合器向時(shí)間維護(hù)設(shè)備中心管理單元輸出高精度穩(wěn)定的方波信號(hào)，中心管理單元接收輸入的方波信號(hào)作為激勵(lì)，一方面通過(guò)1553B總線向各時(shí)間用戶設(shè)備發(fā)布器上飛行時(shí)間，另一方面，產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)通過(guò)RS—422串口輸出至各時(shí)間用戶設(shè)備，各時(shí)間用戶設(shè)備以器上相對(duì)飛行時(shí)間碼為統(tǒng)一基準(zhǔn)并利用秒脈沖信號(hào)同步修正本地維護(hù)的時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)用戶間的時(shí)間同步。

2套時(shí)間系統(tǒng)可配合使用，在北斗定位模式下，由北斗導(dǎo)航定位時(shí)間系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成航天器高精度時(shí)間自主同步，同時(shí)，為了消除頻率綜合器的頻偏累積誤差，中心管理單元除了作為系統(tǒng)的時(shí)間維護(hù)設(shè)備外，還作為北斗導(dǎo)航定位時(shí)間系統(tǒng)下的時(shí)間用戶，直接通過(guò)RS—422串口接收北斗導(dǎo)航接收機(jī)發(fā)布的UTC和秒脈沖信號(hào)，自主對(duì)發(fā)布的飛行時(shí)進(jìn)行校時(shí)維護(hù)，從而保證器上飛行時(shí)的發(fā)布精度。在北斗非定位模式下，則由頻率源時(shí)間系統(tǒng)臨時(shí)接管完成航天器高精度時(shí)間自主同步，由于頻率源時(shí)間系統(tǒng)已在北斗定位期間實(shí)時(shí)修正了發(fā)布時(shí)間精度，可以在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持高精度時(shí)間管理水平，直至北斗信號(hào)重新定位。北斗定位模式與非定位模式切換，由中心管理單元根據(jù)采集的北斗導(dǎo)航接收機(jī)定位狀態(tài)遙測(cè)自主進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換，并發(fā)出控制命令通知各時(shí)間用戶同步完成對(duì)時(shí)鐘源系統(tǒng)的響應(yīng)切換。

2套時(shí)間系統(tǒng)也可以互為備份，獨(dú)立工作。當(dāng)其中一套時(shí)間系統(tǒng)故障時(shí)，另一套時(shí)間系統(tǒng)可以在一定時(shí)間范圍內(nèi)繼續(xù)維持航天器高精度時(shí)間同步水平。對(duì)于載人航天器可為航天員實(shí)施在軌維修爭(zhēng)取更多時(shí)間，對(duì)于不具備在軌維修條件的航天器也可為地面飛控人員爭(zhēng)取更多故障處置時(shí)間，在一定程度上提高了系統(tǒng)可靠性。同時(shí)，系統(tǒng)使用我國(guó)完全自主可控的北斗II代導(dǎo)航系統(tǒng)，極大地增強(qiáng)了航天器在軌飛行的安全性。

2 時(shí)間同步原理及誤差模型

2.1 北斗導(dǎo)航定位模式下的時(shí)間同步

北斗定位時(shí)，各時(shí)間用戶以北斗導(dǎo)航接收機(jī)發(fā)布的UTC為基準(zhǔn)，同時(shí)接收北斗導(dǎo)航接收機(jī)通過(guò)RS—422串口發(fā)送的秒脈沖信號(hào)作為觸發(fā)條件，完成時(shí)間同步，時(shí)間同步工作時(shí)序如圖2所示。具體時(shí)間同步過(guò)程如下：

1)北斗導(dǎo)航接收機(jī)鎖定信號(hào)，每秒通過(guò)RS—422串口輸出秒脈沖信號(hào)和UTC至各時(shí)間用戶，發(fā)布的UTC時(shí)間t_utc在對(duì)應(yīng)的秒脈沖信號(hào)輸出后的1～1.2 s通過(guò)串口輸出；

2)各時(shí)間用戶及中心管理單元接收到北斗導(dǎo)航接收機(jī)輸出的秒脈沖信號(hào)后，鎖存秒脈沖時(shí)刻設(shè)備內(nèi)部自走時(shí)計(jì)數(shù)T_dmc；

3)各時(shí)間用戶及中心管理單元將本次接收到的秒脈沖后的第一幀UTC時(shí)間t_utc加1s，并進(jìn)行鎖存；

4)各時(shí)間用戶及中心管理單元在完成UTC時(shí)間鎖存后的下一控制周期內(nèi)進(jìn)行內(nèi)部自走時(shí)校時(shí)處理，以器箭分離時(shí)刻對(duì)應(yīng)的UTC為零點(diǎn)，將鎖存的UTC時(shí)間轉(zhuǎn)換成內(nèi)部自走時(shí)，并對(duì)從收到秒脈沖到進(jìn)行秒內(nèi)校時(shí)的延時(shí)量進(jìn)行補(bǔ)償修正，即得到修正后的各時(shí)間用戶內(nèi)部飛行時(shí)間tc=t_utc+1-tf+|T_dmc-T_dc|×T_mdl，其中，T_mdl為每個(gè)計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間碼當(dāng)量。

圖2 北斗定位模式下時(shí)間同步時(shí)序

2.2 北斗導(dǎo)航非定位模式下的時(shí)間同步

北斗非定位時(shí)，由頻率源時(shí)間系統(tǒng)接管北斗導(dǎo)航定位時(shí)間系統(tǒng)完成航天器高精度時(shí)間自主同步，各時(shí)間用戶設(shè)備以中心管理單元發(fā)布的器上相對(duì)飛行時(shí)間碼為統(tǒng)一基準(zhǔn)，并利用中心管理單元輸出秒脈沖信號(hào)同步修正本地維護(hù)的時(shí)鐘，完成時(shí)間同步，時(shí)間同步工作時(shí)序如圖3所示。

具體過(guò)程如下：

1)中心管理單元利用頻率綜合器輸出的方波信號(hào)計(jì)數(shù)，一方面產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)并通過(guò)RS—422串口輸出，另一方面產(chǎn)生飛行時(shí)間碼t_fly并通過(guò)1553B總線廣播，t_fly在對(duì)應(yīng)秒脈沖信號(hào)輸出后0～0.5 s輸出。同時(shí)，t_fly在北斗定位期間，每秒內(nèi)通過(guò)北斗導(dǎo)航定位時(shí)間系統(tǒng)完成校時(shí)修正。

2)各時(shí)間用戶接收到中心管理單元輸出的秒脈沖信號(hào)后，鎖存秒脈沖時(shí)刻設(shè)備內(nèi)部自走時(shí)計(jì)數(shù)T_pmc。

3)各時(shí)間用戶將本次接收到的秒脈沖后的第一幀廣播飛行時(shí)t_fly進(jìn)行鎖存。

4)各時(shí)間用戶在完成廣播飛行時(shí)間鎖存后的下一控制周期內(nèi)進(jìn)行內(nèi)部自走時(shí)校時(shí)處理，在鎖存的廣播飛行時(shí)基礎(chǔ)上，對(duì)從收到秒脈沖到進(jìn)行秒內(nèi)校時(shí)的延時(shí)量進(jìn)行補(bǔ)償修正，即得到修正后的各時(shí)間用戶內(nèi)部飛行時(shí)tc=t_fly+|T_pmc-T_pc|×T_mdl，其中，T_mdl為每個(gè)計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間碼當(dāng)量。

圖3 北斗非定位模式下時(shí)間同步時(shí)序

2.3 誤差模型

本文提出的時(shí)間管理系統(tǒng)主要誤差源包括時(shí)鐘源發(fā)布誤差、時(shí)基傳輸延時(shí)誤差、信號(hào)鎖存誤差、用戶校時(shí)誤差4部分。其中，時(shí)鐘源發(fā)布誤差為時(shí)鐘源產(chǎn)生并輸出的時(shí)間信息和秒脈沖信號(hào)誤差；時(shí)基傳輸延時(shí)誤差為從時(shí)鐘源輸出信號(hào)到時(shí)間用戶接收信息鏈路傳輸延時(shí)誤差；信號(hào)鎖存誤差為用戶鎖存秒脈沖和時(shí)間信息的時(shí)間計(jì)數(shù)偏差；用戶校時(shí)誤差為用戶接收到外部校時(shí)激勵(lì)使用自身軟硬件實(shí)施校時(shí)過(guò)程產(chǎn)生的誤差。根據(jù)以上誤差源在時(shí)間管理系統(tǒng)中的信息流傳遞時(shí)序，建立時(shí)間管理系統(tǒng)的校時(shí)誤差模型如圖4所示。

圖4 時(shí)間管理系統(tǒng)校時(shí)誤差模型

通過(guò)建立涵蓋誤差傳遞全過(guò)程的時(shí)間管理系統(tǒng)校時(shí)誤差模型，可根據(jù)不同型號(hào)航天器設(shè)備實(shí)測(cè)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整誤差模型單元參數(shù)值，評(píng)估出航天器的校時(shí)誤差。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例及計(jì)算分析

根據(jù)某航天器時(shí)間同步精度優(yōu)于50 μs的設(shè)計(jì)要求，給出了應(yīng)用本文提出的時(shí)間管理系統(tǒng)下的時(shí)間同步誤差計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)時(shí)間管理系統(tǒng)誤差模型，北斗非定位模式下，各模型單元誤差如下：

1)時(shí)間源產(chǎn)生誤差τ1：包括北斗導(dǎo)航接收機(jī)的UTC時(shí)發(fā)布誤差和秒脈沖產(chǎn)生誤差，實(shí)測(cè)UTC時(shí)授時(shí)精度優(yōu)于1 μs，秒脈沖產(chǎn)生誤差優(yōu)于2 μs，即τ1=3 μs。

2)時(shí)基傳輸延時(shí)誤差τ2：時(shí)鐘信號(hào)以電磁波形式在介質(zhì)中傳輸，以傳播速度3×108m/s，線纜長(zhǎng)度30 m計(jì)算，傳播引入的誤差不大于100 ns。

3)信號(hào)鎖存誤差τ3：與用戶設(shè)備內(nèi)部晶振有關(guān)，鎖存時(shí)間誤差為1個(gè)時(shí)鐘脈沖，根據(jù)設(shè)備芯片手冊(cè)數(shù)據(jù)，一般不大于0.1 μs。

4)用戶校時(shí)誤差τ4：包括用戶設(shè)備硬件電路響應(yīng)串口秒脈沖信號(hào)中斷延時(shí)誤差、每秒內(nèi)利用自身晶振維護(hù)內(nèi)部飛行時(shí)產(chǎn)生的累積誤差以及軟件處理延時(shí)誤差。根據(jù)航天器實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和芯片手冊(cè)數(shù)據(jù)，通常用戶硬件接收延時(shí)不大于1 μs，每秒內(nèi)走時(shí)累積誤差不大于10 μs，軟件算法處理延時(shí)誤差不大于1 μs，即τ4=12 μs。

由以上分析可以得出北斗定位期間，各時(shí)間用戶綜合校時(shí)誤差τ=τ1+τ2+τ3+τ4=15.2 μs，滿足不大于50 μs的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

北斗非定位模式與定位模式相比，只是時(shí)間源產(chǎn)生的誤差τ1存在區(qū)別，其余模型單元誤差計(jì)算結(jié)果完全一致。非定位模式下，時(shí)間管理系統(tǒng)時(shí)間源產(chǎn)生誤差包括中心管理單元航天器器上飛行時(shí)發(fā)布誤差和秒脈沖產(chǎn)生誤差。飛行時(shí)發(fā)布誤差實(shí)際取決于頻率綜合器頻率穩(wěn)定度指標(biāo)，實(shí)測(cè)優(yōu)于1×10-9，按最長(zhǎng)非定位持續(xù)1圈時(shí)間計(jì)算，飛行時(shí)發(fā)布誤差應(yīng)不大于5.4 μs。同時(shí)，中心管理單元在北斗定位時(shí)，作為時(shí)間用戶對(duì)飛行時(shí)進(jìn)行校時(shí)產(chǎn)生的綜合誤差為15.2 μs，因此飛行時(shí)發(fā)布誤差為20.6 μs。秒脈沖產(chǎn)生誤差受頻率綜合器準(zhǔn)確度指標(biāo)影響，實(shí)測(cè)優(yōu)于5 μs。最終，時(shí)間源產(chǎn)生誤差τ1=25.6 μs。

因此，可以得出，在北斗非定位期間，各時(shí)間用戶綜合校時(shí)誤差τ=τ1+τ2+τ3+τ4=37.8 μs，同樣滿足不大于50 μs的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)以北斗導(dǎo)航定位授時(shí)設(shè)備和頻率綜合器兩種時(shí)鐘源系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。航天器可根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)定位狀態(tài)自主進(jìn)行時(shí)鐘系統(tǒng)切換，在消除了頻率源系統(tǒng)誤差累積效應(yīng)問(wèn)題的同時(shí)，可避免導(dǎo)航非定位情況下時(shí)間精度急劇下降的問(wèn)題。最后，以航天器應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明：本文給出的時(shí)間管理系統(tǒng)滿足指標(biāo)要求，可持續(xù)保證各用戶高精度時(shí)間同步。后續(xù)航天器可參考本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)誤差模型單元參數(shù)進(jìn)行修正，評(píng)估系統(tǒng)的時(shí)間綜合誤差，并通過(guò)對(duì)單機(jī)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求、芯片選型要求進(jìn)行誤差環(huán)節(jié)指標(biāo)控制，以滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

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Design of spacecraft autonomous high precision time management system*

WANG Wei, CHEN Dan, XU Xiao-guang

(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

For high precision time synchronization demands of long term on orbit spacecraft,an autonomous high precision time management system is proposed,which combines Beidou navigation equipment clock generator and frequency synthesizer clock generator.Two clock generators can autonomously switch by states of navigation and localization,it eliminates error accumulation effect of frequency clock generator system and solves the problem for time precision falling dramatically when Beidou navigation equipment is unable to be located.By building error model for system taking an real application in spacecraft for example,to compute and analyze, which indicates that precision of the system time synchronization is prior to 37.8 μs.The result can be a reference for subsequent design of high precision time management system spacecraft.

autonomous time management; Beidou navigation; frequency synthesizer; time synchronization error

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0127—03

2017—01—10

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程項(xiàng)目

V 474.2

A

1000—9787(2017)07—0127—03

王 瑋(1986-)，男，碩士，工程師，從事航天器信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，E—mail：majestywangwei@163.com。