航天應用載荷的高精度時間同步與共用信息分發*

邱愛華，喬曠怡，陳寅元，張 濤

(中國科學院空間應用工程與技術中心，中國科學院太空應用重點實驗室，北京 100094)

當前衛星或航天器中應用載荷的時間校準最直接的方式，是通過載荷設備接收飛行器主設備(例如全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收機)的時間碼數據和秒脈沖信號對齊來解決[1]，GNSS接收機可提供定位信息(含協調世界時(Universal Time Coordinated，UTC))，各載荷通過在軌解算時間和獲取準確位置來開展高精度的實驗任務。這種方法中，當航天器中載荷數量較多、布局廣、滾動更換時，單個GNSS設備可能無法提供更多的硬件接口支持載荷連接，尤其是大型航天器的電纜設計將非常復雜，急需尋找一種不過度依賴航天器平臺GNSS設備接口的更適合載荷間使用的高精度時間系統和時間同步方式。

一般情況下，航天器軌道、姿態、位置等公共信息的傳輸，是平臺采用總線廣播方式逐級發送給各載荷的。實際運控中，因載荷本地采用的時間系統與軌道數據和姿態數據中的時間系統并不完全是一個體系，各載荷收到后，往往需要進行多次時間系統的變換和計算。加之廣播數據到達載荷需經歷多級總線轉發，會產生較大延遲，載荷終端需要對接收到的數據進行差值推算才能利用。綜合上述因素后，直接使用平臺軌道和姿態等數據作為實驗任務參考數據的實際效果會大大降低。一些對姿態和軌道等數據敏感的載荷為了完成高精度的觀測任務，往往需要自身再攜帶功能較強的GNSS接收機和姿態測量系統，研制成本會很高。因此，需要考慮載荷在公共信息利用中的時間系統匹配和解決成本問題。

1 時間基準技術途徑

1.1 時間需求分類

航天應用有效載荷的時間基準[2]是指載荷獲取的精確絕對時間，一般采用UTC時間系統，并以此為刻度安排載荷任務，時間基準的精度被定義為載荷時間與UTC之差的統計特征。

各應用載荷與時間基準相關的需求主要分為四類(見表1)：

表1 應用載荷時間基準需求分類Tab.1 Payload timing requirements classification

第一類為高精度時間需求載荷，即時間精度需求優于100 ns的載荷，主要為天文載荷或載荷設備與地面具有精確配合試驗類的載荷，獲取高精度時間以及當前時間下的準確空間位置信息。

第二類為較高精度時間需求載荷，即時間精度需求優于1 μs的載荷，常見的有觀測類和天文類載荷，通過獲取較高精度時間信息和位置信息，根據軌道、姿態數據和對應的UTC時間，解算對天和對地的位置和觀測視場。

第三類為一般精度時間需求載荷，即時間精度需求在毫秒級的載荷，如軌道控制類載荷，主要為獲取時間信息和位置信息，用于根據軌道、姿態數據和對應的UTC時間解算相對位置關系。

第四類為粗精度時間需求載荷，即時間精度需求在10 ms量級的載荷，如生命科學類載荷，其任務對時空基準不敏感，通常直接利用航天器平臺提供的位置和時間信息就可以完成載荷的任務。

1.2 時間基準解決途徑

根據在軌實驗任務的需求，應用載荷需要外部實時提供較為準確的時間基準，以及精確的位置、軌道和姿態數據作為載荷觀測、測量和位置解算的依據。其中，對載荷任務成敗影響較大的主要因素是載荷獲取的時間基準精度以及在該時間基準下的當前位置、軌道和姿態數據的實時性能。在載荷實驗任務中，為了和定位數據、姿態數據、星下點位置準確關聯，就需要這些數據采用統一的時間系統，以便獲取準確視場指向，所有的實驗任務和測量數據的時間與UTC對齊，便于規劃高精度的載荷實驗任務。

時間同步是通過對本地時鐘的操作，利用處于異地的標準時鐘產生的時間對本地時鐘進行校準并形成統一時間基準的過程[2]。一般需要在系統中預先設立高精度的標準時鐘源，通過軟件或硬件設計將系統其他時鐘與標準時鐘源進行對準和修正。

解決載荷高精度時間基準需求問題的主要技術途徑有：

1)將載荷時間基準、時間同步和共用信息的硬軟件體系從航天器平臺提供的時間、廣播信息體系中獨立開來。在航天器中單獨建立一套為高精度時間和共用信息需求的載荷提供服務的信息系統。

2)尋找更高精度的功能載荷時間源和共用信息。航天器中布置的平臺GNSS接收機僅作為輔助手段，開發具備全球定位系統(Global Positioning System,GPS)或北斗導航衛星系統(BeiDou navigation satellite System,BDS)功能的載荷專門提供高精度時間和共用信息的能力。這些功能載荷能提供姿態、軌道、位置等高精度測量信息，數據精度較航天器平臺要高，比較符合其他載荷的任務需求。

3)設計新的時間同步機制，解決時鐘源硬件設備接口資源瓶頸。在時鐘源設備秒脈沖接口資源有限的情況下，可以利用信息組網技術，設計軟件時間同步協議，傳輸介質上采用光纖通道，減少長距離電纜信號傳輸的損失。

4)在時間同步的基礎上，將定位數據、姿態、軌道等共用信息與時間基準進行融合傳輸，便于載荷解算和高效利用。

我國已經開始在航天器中大規模應用FC-AE-1553總線，作為支持載荷通信的主要通信接口，底層光纖速率采用4.25 Gbit/s[3]。載荷信息網絡將采用自主開發的FC-AE-1553交換式網絡協議(支持主從式架構)，基礎協議中并不支持時間同步協議。在FC-AE-1553光纖網絡中，利用光纖網絡的信號傳輸優勢，首次設計疊加IEEE 1588v2時間同步協議，并采用同步數據發送機制，設計時采用兩種時鐘輸入源進行比較：一種是輸入平臺秒脈沖和平臺共用信息，另一種是輸入功能載荷的精確時間基準和共用信息。然后分別同步給有需求的載荷進行精度比較，并給出不同時間精度需求載荷的解決方案。

1.3 利用平臺信息的缺陷

1.3.1 平臺共用信息與秒脈沖

航天器平臺定期只向載荷網絡主機發送平臺制導、導航與控制系統(Guidance,Navigation and Control system，GNC)測量的姿態信息、GPS數據(含UTC時間碼)、數管系統相對時間碼等信息。然后由載荷網絡主機向各載荷通過網絡接口轉發。由于數據產生和發送的延遲，以及經過多級總線轉發，航天器平臺轉發這些共用信息到達載荷網絡主機的總延遲性能如表2所示，載荷在使用這些信息時，往往需要適當處理后才能使用。

表2 航天器平臺向載荷網絡主機轉發的共同信息Tab.2 Shared information of spacecraft to payload network host

航天器平臺通過GNSS單機只提供載荷網絡主機秒脈沖接口，脈沖寬度 1±0.2 ms，發送周期1 s±2 μs，下降沿精度≤40 ns。定位數據在對應的秒脈沖信號輸出后的1～1.1 s輸出，包含絕對定位時間。秒脈沖信號對應的時間與GNSS單機定位數據中的絕對定位時間表示的時間相同。

1.3.2 平臺共用信息缺陷

由于相對時間碼無法作為載荷實驗任務使用，除了用于運控任務之外，實驗任務基本不采用平臺數管系統的相對時間碼。根據平臺提供的秒脈沖能力和GPS定位數據的發送時序，平臺定位數據到達載荷網絡主機的時延范圍為1 100～2 700 ms。平臺提供的秒脈沖能力和GPS定位數據發送至載荷網絡主機后，由載荷網絡主機將時間基準和定位數據通過網絡同步給各載荷終端。預計各載荷終端的時間基準誤差可達幾十毫秒，平臺定位數據到達載荷終端的總延遲預計則在1 100～2 700 ms范圍內(FC-AE-1553光纖傳輸性能為納秒量級，可以忽略不計)。

平臺共用信息還包括GNC姿態信息和軌道數據等，這些參數信息都是通過航天器平臺1553B總線廣播給載荷網絡主機的。由于數據源是經過從別的平臺分系統遙測數據中提取、處理、轉發，存在較大的時間延遲，且平臺GNC姿態數據包含的時間碼與數管分系統時間碼的換算差值較大，對直接利用也有較大影響。

通過以上分析，直接利用平臺的時間基準和共用信息只能解決一小部分對時間基準要求不高(粗精度)和共用信息要求不精確載荷的間接需求。

1.4 功能載荷時間信息優勢

有幾類功能載荷在任務期可以專門對外提供精確時間源和位置信息。例如，開展在軌高精度時間與頻率系統試驗的應用載荷自身就安裝有精密定軌裝置GNSS設備，可對外提供秒脈沖信號、UTC絕對時間信息和GPS/BD位置信息。另外，該載荷配置有氫原子和微波鐘等不同精度的頻率源，可供GNSS設備切換不同精度的頻率源。

載荷內部GNSS設備的功能定位為提供航天器的精密參考軌道，可為其他應用載荷提供時間源、絕對時間、定位數據、原始觀測數據以及軌道預報的信息公共服務。其中：

1)秒脈沖(Pulse Per Second,PPS)秒脈沖精度為30 ns，頻率為1 Hz，寬度為1 ms，如圖1所示。相較平臺的秒脈沖，該載荷的GNSS提供PPS秒脈沖精度和性能較高。

圖1 載荷GNSS設備PPS秒脈沖信號Fig.1 PPS second pulse signal of GNSS payload

2)時間碼信息為與PPS對應的UTC時間：年月日時分秒。

3)100 MHz頻率參考由高精度的原子鐘/微波鐘提供。

4)直接測量的位置和速度，共6個分量(x,y,x,Vx,Vy,Vz)，單位分別為m和m/s，位置精度為10 m。

5)原始觀測數據包括偽距、載波、信噪比、多普勒以及觀測碼相位等信息。

6)軌道預報數據包括：軌道坐標(x,y,x,Vx,Vy,Vz)，以及位置預報精度和速度預報的精度等信息。

此外，還利用一些天文載荷的星敏感器數據作為姿態共用信息提供給其他載荷使用，提供載荷布局就近位置處的姿態測量。這些功能載荷一般設置為長期工作載荷，能提供穩定的時鐘源和共用信息資源，向其他載荷提供服務。

根據第1.3節分析，理論上對于時間基準性能精度優于10 ms的載荷，采用載荷網絡主機轉發航天器平臺發送的時間碼信息和位置信息給載荷，載荷再通過差值解算，已無法得到任務實施所需的位置和姿態軌道數據的精度。如果這些有需求的載荷能直接接入秒脈沖硬件接口，并通過接收的時間碼信息與秒脈沖信號進行對齊解算，按道理是可以滿足絕大多數載荷的時間基準需求的。但由于航天器有這類需求的載荷數量較多，且布局的位置不集中，大多數載荷安裝位置需要開展維修和更換。通過集中設備給有需求的載荷提供秒脈沖硬接口，會增加系統級電纜網設計的復雜度，各載荷均要增加秒脈沖接口和對應數據專用信息接口設計，載荷設備將增加設計復雜度，這個在工程研制中較難實現。由于線損的原因，一些距離遠的載荷時間精度也并不一定能滿足。

如果將功能載荷當作載荷信息網絡FC-AE-1553接口的一個節點，其他有需求的載荷都掛接在FC-AE-1553網絡上，則可利用光纖通信的優勢，將時鐘信息和共用信息通過同步協議，快速提供給有需求的載荷進行解算，可以解決大部分載荷的高精度時間和高精度共用信息需求。

2 高精度時間同步與共用信息分發

2.1 總體方案

2.1.1 接口設計

基于載荷網絡主機提供的FC-AE-1553光纖網絡，通過疊加時間同步協議的方式，將高精度的時間基準信息通過底層同步協議同步到網絡終端，同時將姿態、位置信息等共用數據同步分發給各終端，供各終端進行實時解算，則可大大節省設計復雜度，同時充分利用了光纖網絡的傳輸優勢。

GNSS自身輸入的時間信號和接收的原始觀測數據可來自兩個源：其一是接收艙外BD/GPS的天線信號和觀測數據后進行本地解算和校準；其二是地面系統會開展天地時頻比對，定期對在軌GNSS進行時頻校準。通過這兩種方式，GNSS輸入時間源的隨機誤差和不確定度，已經事先在GNSS單機本地消除或被校準，然后再輸出標準的時間脈沖信息給載荷網絡主機，秒脈沖精度穩定在30 ns量級。

在功能載荷GNSS設備上設計網絡終端(Network Terminal,NT)節點，將GNSS設備接入FC-AE-1553主干網中，將該NT作為時間基準、定位數據等的信息輸入源。由載荷網絡主機通過光纖接口接收GNSS設備的時間碼信息、直接測量的位置速度以及原始觀測數據。GNSS的原始測量數據包括測量時間碼、偽距和載波相位，通過NT節點發送給FC-AE-1553網絡主機，FC-AE-1553網絡主機解算出精確的位置和速度信息、軌道預報數據，同步向各應用載荷發送。各載荷接收到數據后通過在軌實時解算，定位精度可以達到1 m，若事后進行解算，精度可達到厘米量級。另外，一些天文載荷也設計通過NT節點連接至FC-AE-1553的網絡主機，提供姿態原始數據源。利用光纖網絡同步發送數據的優勢，將這些數據通過載荷網絡主機同步發送到各網絡終端節點，提供給有需求的載荷任務使用。

GNSS、天文載荷與載荷網絡主機，以及各載荷用戶的信息接口連接關系如圖2所示。

圖2 GNSS、天文載荷與載荷網絡主機的數據流Fig.2 Data flow between GNSS、astronomical payload and network host

2.1.2 時間同步與同步數據發送

由于GNSS定位數據中的時間信息與秒脈沖基本保持同步，與UTC絕對時間相差量級在納秒量級。載荷網絡主機采集GNSS的精確時間后，再將時間信息通過FC-AE-1553光纖同步協議同步至各終端節點。各終端通過時間同步服務，本地絕對時間與UTC時間差的性能可達到理想范圍以內。

根據圖2，應用載荷的時間基準源來自功能載荷GNSS設備，通過載荷網絡主機的精確時間同步機制，向各個載荷網絡NT節點實施同步服務。各載荷NT終端節點的時標信息與UTC的差值可達到100 ns～1 μs以內，可以滿足絕大部分載荷的高精度時統需求。其中，通過設置時間同步周期，可在100 ns～1 μs之間調整時間同步精度。載荷網絡主機接收到GNSS設備的定位數據、觀測數據和天文載荷的姿態原始數據后，通過FC-AE-1553底層協議，向應用載荷同步發送這些共用信息，共用信息的時間基準誤差僅為納秒量級。于是各載荷接收到的共用信息(含時間碼)與時間基準能按秒對齊進行使用和解算，進而能開展任務所需的對地指向和各種視場的實時確定。

2.2 FC-AE-1553時間同步

2.2.1 網絡架構

典型的航天器FC-AE-1553網絡如圖3所示，FC-AE-1553網絡支持交換式和總線式兩種拓撲結構的網絡形式[4-5]。載荷網絡主機作為FC-AE-1553的網絡控制器(Network Control,NC),管理交換式FC-AE-1553主干網。主干網上連接各個載荷網絡終端。通過NT-NC的橋接設備，可支持總線型FC-AE-1553網絡的擴展，總線型網絡上連接的NT，通過分時復用通信最終與主干網的NC通信[6-7]。

圖3 航天器中典型的FC-AE-1553 網絡Fig.3 Typical FC-AE-1553 network in spacecraft

通過在FC-AE-1553網絡的底層疊加IEEE 1588v2時間同步協議，可借助光纖傳輸的優點和FC-AE-1553協議的優勢，將網絡外部引入的秒脈沖硬接口通過網絡傳遞至各個網絡節點，通過維持網絡終端節點與網絡主節點的時間同步，來達到網絡終端節點和外部秒脈沖時間基準對準的目的。

2.2.2 時間同步機制

FC-AE-1553的交換式和總線式兩種架構均可實施時間同步服務。航天器采用交換式網絡作為載荷信息管理的主干網，可采用總線式網絡作為局域網，局域網接受主干網的管理。時間同步算法是在FC-2層之上執行的，FC-2層為標準的Fibre Channel協議，并不受FC-4層是否為交換式和總線式的影響。

(1)交換式網絡

交換式網絡的時間同步模型如圖4所示，以GNSS輸入時鐘源為例，FC-AE-1553交換式主干網絡的時間同步過程如下：

圖4 FC-AE-1553主干網絡時間同步模型Fig.4 Time synchronization model of FC-AE-1553 backbone network

1)GNSS設備的NT接收GPS/BD秒脈沖和定位數據中的UTC時間信息，然后與UTC時間系統進行同步。

2)網絡交換機與GNSS設備的NT進行同步。

3)網絡交換機和網絡上的各載荷終端NT進行同步。

(2)總線式網絡

總線式FC-AE-1553局域網絡的核心為NT-NC網橋單元，網橋單元作為主干網絡的NT和局域網絡的NC，通過與主干網絡同步后，再對局域網絡內載荷NT進行同步。總線式網絡的時間同步模型如圖5所示。

圖5 FC-AE-1553總線式網絡時間同步模型Fig.5 Time synchronization model of FC-AE-1553 bus network

總線式網絡的時間同步與主干網絡同步方式類似，但由于該網絡為共享帶寬網絡，進行時間同步的載荷個數與精度需要與帶寬進行折中。

2.2.3 相鄰節點同步

載荷網絡主機對各個NT節點的時間同步機制中，FC-AE-1553網絡中相鄰的網絡節點為主從節點，主從時鐘節點之間的同步過程如圖6所示。

圖6 FC-AE-1553主從節點同步過程Fig.6 Synchronization process between host and slave of FC-AE-1553 network

上述FC-AE-1553主從節點時間同步過程中，由主時鐘先發送Sync幀，從時鐘端收到后回復Delay_Req幀，主時鐘收到后再發送Delay_Resp。發送端是在物理層發送時打上時間戳，接收端在從物理層提取數據幀后立即標記取得幀的時間[8]。

主從端的時間同步詳細過程為：

1)Master端發Sync報文給Slave，Slave接收后記錄該報文到達時間T2，Sync報文中同時包括其離開Master時的時間T1。

2)Slave端發Delay_Req報文給Master，Slave記錄Delay_Req報文的離開時間T3，Master端記錄其到達時間T4。

3)Master通過Delay_Resp報文把T4發給Slave，此時Slave獲知Delay_Req報文的發送時間T3和接收時間T4，及Sync報文的發送時間T1與接收時間T2。

經過上述報文交互過程后，在Slave端可得到如下計算式：

T2-T1=offset+MS_Delay=A

(1)

T4-T3=SM_Delay-offset=B

(2)

其中，offset為晶振偏差，MS_Delay為主節點到從節點的鏈路延遲，SM_Delay為從節點到主節點的鏈路延遲。

設計時，時間同步協議的實現方式如圖7所示，在FC-2之上實施時間同步。

圖7 FC-AE-1553協議底層的時間同步實施Fig.7 Time synchronization process in protocol stack of FC-AE-1553 network

由于主從節點之間鏈路延遲MS_Delay等于從主節點之間鏈路延遲SM_Delay，則在Slave端可以得到：

(3)

(4)

Master和Slave間不斷發送PTP協議報文，Slave端根據offset修正本地時間值，使之同步Master時間。

2.2.4 同步時間標簽

時間同步協議采用的時間標簽共48 B，其中T1、T2、T3和T4各占12 B，時間標簽的詳細設計如圖8所示。

圖8 時間同步時間標簽Fig.8 The time stamp in time synchronization

其中，秒值為32 bit，全0代表1987年1月1日0時0分0秒，毫秒值占12位，納秒值占20位。低于納秒的值占32位，主要用于FC-AE-1553時間同步內部計算采用。

2.2.5 同步性能測試

各網絡終端節點NC和NT的時間同步模塊在FC-AE-1553協議體系中處于2P層和2M層之間[9]，系統時鐘設置為106.25 MHz，數據位寬設置為128 bit。各網絡端口的具體實現方式如圖9所示，通過物理層發送/接收時間戳方式避免了數據發送/接收的先入先出隊列(First Input First Output,FIFO)帶來的時間抖動，保證MS_Delay和SM_Delay的值相同。

圖9 終端物理層發送/接收時間戳的方式Fig.9 Mode to receive time stamp in physical layer of terminal

通過搭建交換式主干網絡環境，在不接入外部秒脈沖的條件下，只對具有FC-AE-1553接口的NC和NT進行時鐘的主從同步，如圖10所示。實際測試中，交換機的傳輸路徑延遲一致，NC和NT的光纖連接長度為2 m，光纖的路徑延遲誤差測試為0 ns，示波器的測量精度為1 ns(下同)。在常溫26 ℃測試20 min，測試結果如表3所示。

圖10 無外部時鐘源輸入的時間同步測試連接圖Fig.10 Test connection for time synchronization without external clock source

表3 主從時鐘節點端之間的相對時間同步測試Tab.3 Relative time synchronization test between host clock and slave clock

當輸入外部時鐘源時，搭建測試環境如圖11所示，在FC-AE-1553網絡交換機上，連接高精度時鐘源NT節點，外部高精度秒脈沖和時間信息最先進入該NT節點。NC和NT的光纖連接長度為2 m，光纖的路徑延遲誤差測試為0 ns。通過交換機的時間同步服務對載荷NT進行時間同步。測試驗證時，分別從時鐘源NT節點和載荷NT節點上輸出測試秒脈沖，測量二者之間的時間同步誤差。通過軟件查看時鐘源NT的秒值與載荷NT的秒值及秒以上時間一致后，觀測示波器上的兩個輸入時鐘源的誤差。

圖11 FC-AE-1553網絡高精度時鐘同步測試連接圖Fig.11 Test connection for time synchronization of FC-AE-1553 network

當設置同步周期為1 ms時，時間同步幀占用鏈路通信帶寬小于0.8%；單級同步精度不超過±50 ns(常溫26 ℃下，測試20 min)。實測結果如圖12所示，通過示波器上的余暉，記錄下長時間的時鐘抖動情況，同步源和被同步源的時間誤差保持在50 ns以內。

(a) 同步源時鐘同步精度(a) Clock synchronization accuracy of synchronization source

當設置同步周期為500 ms時，時間同步幀占用鏈路通信帶寬小于0.001 6%；單級同步精度不超過±100 ns(常溫26 ℃下，測試20 min)，實測結果如圖13所示。通過示波器上的余暉，記錄下長時間的時鐘抖動情況，同步源和被同步源的時間誤差保持在100 ns以內。

(a) 同步源時鐘同步精度(a) Clock synchronization accuracy of synchronization source

同步周期與同步精度的對應關系如表4所示(常溫26 ℃下，測試20 min)。

表4表明，同步周期越小，提供的時間精度越高，同步協議的通信占用總帶寬資源越多，反之，同步周期越大，占用帶寬資源越小，時間精度會下降。在交換式網絡中，時間同步協議占用網絡帶寬的設計采用“并發交換式”動態帶寬調度機制[10]，占用靜態分配帶寬，以保證穩定帶寬。測試中，多次重復實驗均能達到穩定的同步效果。而總線式網絡中，時間同步協議占用網絡帶寬的設計采用“一對多”和“多對一”的動態分配機制[11]，合理解決了帶寬分配問題。

表4 同步周期與同步精度的對應關系Tab.4 Corresponding relationship between synchronization cycle and synchronization accuracy

另外，時間同步指標精度測試中，主從節點之間的光纖路徑延時誤差為0 ns。當光纖距離更長時，實際網絡中可能存在一定的路徑延遲時。當單端(主時鐘或從時鐘端)的接收延時和發送延時誤差在20 ns左右時，主從時鐘節點之間的誤差最大為40 ns，理論上可造成的同步誤差為20 ns。實際測試過程中，通過人為注入路徑延時誤差20 ns后，可增加同步精度誤差20～30 ns。由于選用的電子學器件等級均為普軍級或宇航級，符合艙內使用溫度，預計環境溫度對同步測試結果基本無影響，后續測試中將進一步考慮測試環境溫度的實際影響程度。

2.3 共用信息分發

由于功能載荷的公共測量數據需要實時傳輸給有需求的載荷，而FC-2層的傳輸實時性優于FC-4層，不使用FC-AE-1553主從式交換數據方式，直接通過FC-AE協議通信，通信效率更高。因而，共用信息通過FC-AE-1553的FC-2層協議進行采集和發送，通過FC-AE-1553分層傳輸不同精度等級的時間基準和共用信息，載荷根據信息源來選擇所需的數據，開展任務試驗。共用信息在FC-AE-1553協議棧中的收發形式如圖14所示。

圖14 共用信息分發Fig.14 Public information distribution

由圖14可知，在實施時間同步的基礎上，通過FC-2層，同步發送網絡主機采集功能載荷的定位數據、原始觀測數據、原始姿態數據或解算后的姿態數據等，傳輸延遲和時間基準誤差累計均不超過1 ms。各應用載荷同時使用時間同步的時間基準和共用信息，采用時間碼對齊方式，即可解析出自身所需的當前時間基準下(一般以整秒計)高精度定位數據和姿態數據，為載荷任務的實施提供所需的數據輸入。共用信息分發的字節數和發送周期如表5所示。

表5 共用信息收發字節數和發送周期Tab.5 Public information bytes and sending cycle

3 時間基準實現分類

通過利用航天器平臺提供的廣播信息和秒脈沖硬接口，綜合利用功能載荷GNSS設備的秒脈沖硬接口和定位信息，以及天文載荷的姿態原始數據等共用信息。在FC-AE-1553網絡第2、3層之間實施時間同步，同時在第2層完成同步信息發送的功能，可支持應用載荷不同等級需求的時間基準和共用信息需求。

為了滿足不同時間基準精度的需求，所采用的時間同步方式分類如表6所示，其中絕大部分應用載荷的時間基準信息可選擇引入航天器秒脈沖、載荷GNSS秒脈沖的兩種方式，再通過FC-AE-1553時間同步機制來解決。根據載荷的時間基準需求，載荷網絡主機可實施兩種外部秒脈沖接口的輸入切換。而少數極高時間精度(Tb≤100 ns)需求的載荷可通過直接接入GNSS秒脈沖硬件接口并聯合FC-AE-1553同步數據發送機制來滿足；粗時間基準需求的載荷直接使用平臺廣播的時間信息和姿態軌道共用信息。

表6 不同時間基準性能需求的載荷時間同步方式Tab.6 Time synchronization modes of the payloads with different timing requirements

4 結論

通過分析和試驗，可以采用不同的手段滿足應用載荷的高精度時間同步和共用信息的多種需求。利用航天器秒脈沖和平臺參數信息，可以解決對時間和姿軌數據等共用信息性能要求不高的載荷信息需求。統籌使用功能載荷GNSS設備的高精度時鐘源和定位信息以及天文載荷的姿態原始信息，并通過FC-AE-1553網絡時間同步機制，可以解決絕大部分載荷的高精度時間基準和位置解算需求。利用光纖網絡傳輸優勢，在FC-AE-1553協議底層，通過協議疊加的方式實現了IEEE 1588v2時間同步協議和同步數據發送功能，高效利用了高精度的時間基準和共用信息資源，彌補了專用信息接口資源設計的不足。設計驗證表明，FC-AE-1553網絡實施時間同步機制時，時鐘源和共用信息來自功能載荷與來自航天器平臺的信息源相比較，從功能載荷獲得的時間基準精度和共用信息利用性能將高出3個數量級，載荷獲取的UTC時間精度達到百納秒量級。在光纖網絡上疊加時間同步協議不僅提高了時間精度利用量級，還大大減少了秒脈沖和數據交換硬件接口的數量、減輕了載荷設計的復雜度和線纜設計的難度，為航天器設計節約了質量資源。