一種集成化的衛星PCM測控與時間同步性能測試系統設計

楊同智 周汝志 盛開明

(上海衛星工程研究所，上海201109)

1 引言

遙控、遙測與時間同步是衛星平臺電子系統的基本功能，是實現衛星功能控制、程控作業與自主管理等高級特性的基礎，其性能優劣直接影響衛星效能。以往平臺電子系統測試采用單機自檢設備和軟件，其測試完備性與系統性有所欠缺，很多問題在系統級測試時未能發現，增加了衛星后期更改的開銷，因此有必要將衛星綜合測試提前引入至系統級測試，提高系統級測試的充分性。此外，衛星系統間高精度協作任務(如運動補償等)對衛星時間同步性能要求越來越高，需在系統級測試中充分驗證星上時間同步設計性能。最后，平臺電子系統級測試需進行多次外場對接聯調，其測試設備應具備集成化、便攜性的特點。

綜上需求，本文設計了一套集成化的PCM多功能測試系統，由PCM多功能卡、GPS時間服務器、PCM測控軟件和時間同步性能測試軟件組成，實現了PCM有線測控與時間同步測試兩部分功能。PCM多功能卡可以適配不同碼率與格式的衛星PCM測控接口，與綜合測試軟件無縫集成，實現測控信息處理，充分利用了綜合測試軟件優良的人機交互界面、多樣式遙測數據呈現能力和便捷的遙控指令編輯生成特性，提升了測試的效率與充分性；同時PCM多功能卡可以鎖存衛星觸發信號對應的地面時間，通過時間同步性能測試軟件分析多功能卡鎖存的時間和衛星下傳數據中的時標信息，實現衛星時間同步性能測試。

2 PCM有線測控

如圖1所示，PCM多功能卡收發PCM測控信號，具備與Cortex測控基帶[1]一致的網絡控制接口，與后端的綜合測試軟件協同完成遙控發送與遙測監視。

圖1 PCM測控測試原理圖Fig.1 PCM TM＆TC test schematic diagram

2.1 硬件設計

如圖2所示為PCM多功能卡的PCM測控邏輯設計總體結構圖。設備接收得到的遙測數據及發送到星上單機的遙控指令均通過串口與上位機進行通信，3路遙測數據、應答信號、存儲器讀寫、遙控自閉環等數據流均需要使用串口與上位機進行數據交互。為了避免多個通道同時使用串口，設備在FPGA邏輯設計時引入優先級控制功能。各通道使用串口的優先級從高到低依次為：遙測通道1、遙測通道2、遙測通道3、應答信號、存儲器讀、遙控自閉環。當通道需要向上位機傳輸數據時，先向控制單元發送請求命令，控制單元比對當前所有請求通道的優先級，選擇傳輸優先級最高通道的數據。在數據傳輸過程當中，更高優先級的通道不能切斷當前數據傳輸，必須等當前數據傳輸結束之后才能開始新一輪的通道優先級比對及數據傳輸。

圖2 PCM測控邏輯設計總體結構圖Fig.2 FPGA logic design diagram of PCM TM＆TC

為了確保接收遙測數據的完整性和連續性，避免遙測處理單元在傳輸遙測數據時發生數據丟失，遙測處理單元的數據緩存區采用兩個FIFO交叉工作的乒乓緩存，當FIFO1存儲了完整的一幀遙測數據之后，控制單元自動將數據緩存切換到FIFO2，并且向控制單元請求傳輸FIFO1中的數據[2]。

2.2 軟件設計

軟件總體結構如圖3，采用分層模塊化設計[3]，完成遙測、遙控與配置管理。

圖3 PCM測控軟件總體結構圖Fig.3 PCM TM＆TC software overall structure

測控軟件應用功能強大的綜合測試軟件，工作界面如圖4所示，其中遙測解析分發軟件主要功能為指令轉發、解析遙測數據、對幀連續性進行監控報警、將解析的遙測數據分發至監視軟件、遙測遙控存盤及回放；監視軟件以文本、曲線、圖像化等多種方式成像遙測數據，具備遙測數據原碼顯示、保存回放、波道跟蹤、超差報警等多種功能；發令軟件具備豐富的指令列表集合和靈活的注數界面，可以根據測試需求修改參數發送臨時注數包。

圖4 遙測解析分發軟件、監視軟件與發令軟件Fig.4 Telemetry processing，Monitor software and command software interface

3 時間同步測試

如圖5，PCM多功能卡接收GPS時間服務器的IRIG-B碼[4]，使地面時間精度、穩定度與 GPS時間一致；PCM多功能卡接收衛星時標觸發信號輸入，鎖存對應的地面時間；通過時間同步性能測試軟件分析多功能卡鎖存的時間信息與衛星下傳數據流中的時標信息，完成星地時間、星上各系統時間的同步性能測試。

3.1 硬件設計

PCM多功能卡以IRIG-B碼為外參考時間基準，接收RS422電平的星上時標觸發信號，鎖存對應的地面時間。如圖6所示，衛星時標觸發信號類型主要分為三類：觸發1為脈沖型觸發，觸發2為周期性間歇數據流觸發，觸發3為連續數據流觸發。對觸發1采用邊沿觸發鎖存時間，對觸發2采用邊沿觸發，使用軟件獲取所需比特為位置的觸發時間，對觸發3采用數據觸發，可設置1～4字節觸發同步頭，在檢測到同步觸發頭后，輸出觸發脈沖信號，鎖存對應地面時。對于三種類型觸發輸入，在檢測到配置的觸發特征后，發送時間鎖存脈沖至時間寄存器鎖存單元，鎖存相應通道時間。

圖5 衛星時間同步性能測試信息流示意圖Fig.5 Information flow of satellite time sync performance test

圖6 觸發信號輸入類型Fig.6 Trigger signal types

板卡邏輯設計總體圖如圖7，接收IRIG-B(DC)碼參考輸入，對B碼進行譯碼獲得GPS時間，刷新板卡時間寄存器，使板卡時間與GPS時間對齊。由于B碼為整秒刷新[5]，因此通過溫補晶振的高穩時鐘維持秒內時間更新。為避免觸發通道的毛刺輸入造成誤觸發，緩存多拍輸入電平值，當電平發生翻轉且翻轉后電平持續3拍以上，才判定為跳變沿，消除毛刺觸發[6]。對消除毛刺的輸入進行觸發特性(邊沿或者觸發數據頭)檢測，在檢測到配置的觸發特征后，發送觸發脈沖至時間鎖存單元，鎖存相應通道時間寄存器時間。為避免多路同步觸發競爭一個時間寄存器，設計了獨立時間寄存器，用于鎖存對應通道的時間信息，在鎖存的時間信息前封裝通道號，經格式編排后由網口發送至上位機軟件。

圖7 觸發時間鎖存邏輯設計總體結構圖Fig.7 FPGA logic design diagram of trigger time latch

3.2 軟件設計

時間同步性能測試軟件主要完成星地時差監控與衛星時間同步性能測試。如圖8，軟件接收遙測、載荷、姿控等數據中的衛星時標信息，與PCM多功能卡鎖存的對應地面時比對分析，實現星地、衛星各系統的時間同步性能測試。

圖8 衛星時間同步性能測試原理圖Fig.8 Schematic diagram of satellite time sync performance test

時間同步測試的具體流程如下：

(1)地面時的精度控制：地面時以GPS時間服務器IRGB-B碼為參考，授時精度為1μs，保證地面時的準確性；

(2)衛星基準時與地面時對齊：通過星地時差測量，實時控制星地時差在規定范圍內，保證衛星基準時向地面時對齊，保證衛星基準時準確；

(3)衛星各個系統時與其觸發信號鎖存的地面時比對：接收解析衛星下傳的遙測、遙感等數據流，從中提取載荷、姿控等各個系統時；PCM多功能卡鎖存衛星分系統時標觸發信號對應的地面時；比對衛星系統時與對應地面時的時差，若時差超限，則星上時間同步設計需改進；

(4)同步時差分析：通過曲線擬合等方法進行獲得時差漂移率等信息[7]，用于優化時間同步設計。

衛星時與地面時的同步性能監控軟件界面如圖9所示。

圖9 星地時間同步性能監控界面Fig.9 Monitor interface of time sync between satellite clock and ground clock

以地面時間為橫坐標，以計算的星地時差為縱坐標，統計綜合測試中5個小時的測試數據，把數據點描繪成測量曲線。

圖10 星地時差漂移監測Fig.10 Monitor curve of time difference between satellite clock and ground clock

從圖10可以看出，星地時差隨時間基本上是線性變化的，可以使用公式y=kx+b進行線性擬合[8]，如下

根據最小二乘法，擬合的系數k、b應使各數據點與擬合直線之間的殘差平方和最小，k、b計算公式如式(2)所示，計算得到時差漂移率k=9.6ms/d。

同理對衛星各系統時間之間的關系進行線性擬合分析，獲得各個系統時間之間的時差漂移率等關系，如此可采用均勻校時等補償方法，降低時差漂移率，提升時間同步性能。

4 結束語

本文設計了一種集成化的PCM多功能測試系統，基于觸發時間鎖存的原理，實現了衛星時間同步性能的高精度測試，且可滿足了不同碼速率與格式PCM測控接口需求，使用綜合測試軟件進行衛星單機級、系統級測試，增強了衛星平臺電子測試的充分性，在衛星研制中起到了一定作用，具有一定工程指導價值。