基于GPS高精度高可靠衛星自主校時系統設計

陳紅飛 章生平 孫立達 劉艷陽 魏春

摘 要： 設計一種基于GPS的衛星自主校時系統。采用CPU晶振和高穩晶振平滑切換結構，并通過總線校時和秒脈沖校時手段進行修正維護。總線校時方式通過時延參數的測量及修正，校時精度可達到300 μs，接口簡單，操作方便；秒脈沖校時方式通過硬件實現，校時精度優于100 μs，穩定可靠，精度較高。兩種校時方法組合使用，具有高精度、高可靠、自主可控，易于實現等特點。地面試驗結果表明，該系統可滿足衛星的高要求。

關鍵詞： 衛星； 自主校時； 高精度； GPS秒脈沖； 1553B總線； 系統設計

中圖分類號： TN927?34； V443 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）15?0105?03

Design of high?precision and high?reliability satellite antonymous time

calibration system based on GPS

CHEN Hongfei， ZHANG Shengping， SUN Lida， LIU Yanyang， WEI Chun

（Shanghai Institute of Satellite Engineering， Shanghai 201109， China）

Abstract： A satellite antonymous time calibration system based on GPS is designed， in which the smooth switching structure of CPU crystal oscillator and high?stability crystal oscillator is adopted， and the means of bus time calibration and pulse per second （PPS） time calibration is used for correction and maintenance. The bus time calibration method is used to measure and correct the delay parameters， its time calibration accuracy can reach up to 300 μs， which has simple interface and easy operation. The PPS time calibration method is implemented with hardware， its time calibration accuracy is superior to 100 μs， which has stable operation and high precision. The combination usage of two time calibration methods has the advantages of high accuracy and reliability， antonymous control， and easy realization. The results of the ground test show that the system can meet the high performance of satellite.

Keywords： satellite； autonomous time calibration； high accuracy； GPS pulse per second； 1553B bus； system design

0 引 言

隨著衛星載荷功能、性能的不斷提升，系統對時間精度和穩定度的要求越來越高，特別是GEO發射?LEO接收的雙基地合成孔徑雷達（SAR）[1]，對時間要求更為嚴格。

衛星星務主機通常需要產生和維護平臺統一時鐘，周期性通過總線廣播給各終端使用。由于晶振時鐘的準確度和穩定度有限，長期積累后容易產生時鐘偏差，因而需要時統校正維護，控制誤差在一定范圍內。目前，衛星系統常用的校時方法主要有集中校時、均勻校時和總線校時，校時精度較低，可靠性不高，操作不方便[2]。本文結合GPS和高穩晶振的互補特點，提出一種高精度高可靠衛星自主校時方法。

1 星上時鐘管理

目前，衛星星上時鐘維護有授時和校時兩種常用方式[3]，分類情況如圖1所示。

授時有遙控授時和導航授時，是讀取外部完整時間格式作為星上系統時鐘的基點，僅在地面測試或者在軌飛行中系統時鐘切換、復位等非正常時操作。

校時有集中校時、均勻校時、GPS總線校時、GPS秒脈沖校時等方法。集中校時，當星地時差超過限定范圍，由地面測控系統對星上注入時差值進行校時。均勻校時，地面遙測根據時鐘漂移規律，計算星上時鐘變化率，周期性地進行一定補償。GPS總線校時，利用總線用戶廣播的時間，對星上時鐘進行校時修正。GPS秒脈沖校時，利用GPS秒脈沖信號，對星上時鐘進行校時修正。

2 方案設計

高穩晶振的短期穩定性非常好，但長期穩定性較差，再加上老化的因素，長期使用后頻率輸出會有較大的累計誤差[4]。GPS接收機輸出的秒脈沖信號存在較大的隨機誤差，卻不存在累計誤差。系統采用CPU晶振和高穩晶振平滑切換的設計，并通過GPS總線校時和秒脈沖校時等手段進行時統維護。星上時間維護總體方案如圖2所示。

星務主機采取軟件時鐘方式，硬件提供循環計時器，軟件周期性讀取計算節拍間隔時間后累加到軟件時鐘參數上。系統時鐘基準源優先選用5 MHz高穩恒溫晶振，FPGA產生100 μs分辨率的16位時鐘計數源供軟件讀取。當軟件讀取的高穩晶振計時值故障時，可以自主平滑過渡或遙控注數切換到由CPU內部晶振產生的低穩定度時鐘計數源。CPU內部的GT時鐘計數口可根據需要設置成1 μs分辨率，32位循環計數器。

軟件周期性讀取高穩定的計數器或低穩定度計時器，與各自上次讀數相減，獲取本次計時的間隔量[Th]，[Tl]，比對[Th]和[Tl]，若[Th]數據可信則累加到系統軟件時鐘上，否則采用內部時鐘[Tl]數據累加到系統軟件時鐘上。

由于晶振的準確度和穩定度指標始終有限，長期積累后會產生偏差，系統通過GPS總線和GPS秒脈沖進行校時修正。兩種方式根據星務主機高穩計時源使用情況來選擇，且只能使用一種方式。當星務主機硬件高穩計時源可用時，通過GPS秒脈沖校時，反之則使用GPS總線校時。

GPS總線校時和秒脈沖校時可由地面注數進行準禁控制，對校時的范圍進行限幅，確保GPS偶爾異常跳變時不會導致系統時鐘的跳變。

2.1 GPS總線校時

總線采用1553B標準的接口總線，由1553B總線控制器和隔離變壓器組成，構成一個雙通道冗余的1553B總線收發與協議控制電路。通信方式為時分多路，指令響應式半雙工通信，傳輸介質為雙絞屏蔽線，特性阻抗為70～85 Ω，接口原理如圖3所示[5]。

GPS接收機定位后，按協議要求生成衛星定位，定軌數據通過1553B總線發送至星務主機，周期為1 s。星務軟件訪問硬件計時器和軟件系統鐘，實時計時，向1553B用戶廣播，廣播周期為1 s。GNSS接收機總線廣播時間后，進行相減計算時間差值。差值需扣除RT端產生的時延，BC端產生的時延和總線傳輸時延則由星務軟件處理。若最終GPS與星上系統鐘時差較小（±5 ms），則星務主機認為GPS數據可信，同時在地面授權的情況下，GPS可以自主對星上時鐘進行校時修正[6]。

GPS總線校時流程如圖4所示。

2.2 GPS秒脈沖校時

GPS接收機定位后，在每個整秒時刻，發出一個同步精度小于1 ms的高精度負脈沖。秒脈沖信號波形如圖5所示。秒脈沖下降沿有效，下降沿精度小于50 ns，寬度為1.0 ms±0.1 ms，發送周期為1 s±1 ms。與每個秒脈沖對應的整秒時間數據通過1553B總線發送至星務主機。

秒脈沖接口電路為同步RS 422，采用二對二形式。輸出端有51 Ω電阻保護，輸入端上拉和下拉電阻為750 Ω，隔離電阻為260 Ω，線上特性阻抗為120 Ω。輸入方對信號采取濾波等可靠性措施，防止干擾信號影響。GPS秒脈沖接口電路如圖6所示。

星務主機接收GPS接收機的秒脈沖信號，系統硬件接收到后，自動鎖定硬件計時器的參數。當軟件訪問后，計算對應鎖定時刻的系統時間，模整秒后的時間余數，判斷與整秒的偏差值，設定偏差不超過設定門限（±10 ms），若數據可信，則用偏差值修正本地時鐘。GPS秒脈沖校時流程如圖7所示。

3 結 語

本文結合GPS和高穩晶振的互補特點，提出一種高精度高可靠衛星自主校時方法，系統通過GPS總線和GPS秒脈沖進行校時修正。地面試驗結果表明，GPS總線校時方式通過時延參數的測量及修正，校時精度可達到300 μs，GPS秒脈沖校時方式不涉及軟件因素，校時精度較高，優于100 μs。兩種校時方法組合使用，具有精度高，穩定性好，可靠性高，易于實現等特點。

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