導(dǎo)航衛(wèi)星平臺時間自主標(biāo)定和校正方法

石龍龍 祁見忠 賀 蕓

1.中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203；2.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基于衛(wèi)星的時間和位置信息實(shí)現(xiàn)精密授時、測距和導(dǎo)航定位服務(wù)。新一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于星間鏈路自主定軌與時間同步功能的自主運(yùn)行能力。長時間自主運(yùn)行要求導(dǎo)航衛(wèi)星保持時間系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和高準(zhǔn)確度，期間一旦發(fā)生時頻系統(tǒng)異常，衛(wèi)星將無法自主獲得時間信息，導(dǎo)致服務(wù)中斷[1]。

提出一種衛(wèi)星平臺時間維持方法，在時頻系統(tǒng)故障時，由星載計(jì)算機(jī)利用平臺時間對時頻系統(tǒng)進(jìn)行授時，獲得時間基準(zhǔn)后，利用星間鏈路進(jìn)行衛(wèi)星時間恢復(fù)。但平臺時間準(zhǔn)確度不高，無法達(dá)到時頻系統(tǒng)恢復(fù)所允許的時間誤差范圍[1]。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，以原子鐘為基礎(chǔ)的載荷時統(tǒng)以及自主導(dǎo)航的時間同步研究得到關(guān)注。關(guān)于導(dǎo)航衛(wèi)星平臺時間的研究集中在壓控晶振電壓的閉環(huán)控制，通過調(diào)整壓控晶振的電壓以達(dá)到調(diào)整晶振頻率的目的。本文提出一種軟硬件相結(jié)合的平臺時間管理方法，以導(dǎo)航任務(wù)處理機(jī)1PPS(1 Pulse Per Second)信號作為平臺時間的校準(zhǔn)信號，利用軟件對平臺時間誤差進(jìn)行自主標(biāo)定和校準(zhǔn)，維持平臺時間的高精度，在載荷時統(tǒng)故障時反向授時，保持星上時間系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。相對于傳統(tǒng)硬件調(diào)整時鐘頻率的方法，本文采用自主標(biāo)定和校正的方式，使用簡單，不依賴硬件電路，適用范圍不限于壓控晶振。

1 平臺時間維持

1.1 導(dǎo)航衛(wèi)星時間系統(tǒng)

導(dǎo)航衛(wèi)星時間系統(tǒng)分為載荷時間和平臺時間。衛(wèi)星時頻系統(tǒng)是載荷時間的基準(zhǔn)，其以星載原子鐘為時間源，載荷設(shè)備均以時頻系統(tǒng)為時間基準(zhǔn)。平臺時間系統(tǒng)以星載計(jì)算機(jī)的實(shí)時時鐘單元晶振為時間源。導(dǎo)航衛(wèi)星時間系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 導(dǎo)航衛(wèi)星時間系統(tǒng)

導(dǎo)航衛(wèi)星時間系統(tǒng)的建立和維持包括時間源、時間起點(diǎn)、時間間隔以及時間信息等。導(dǎo)航任務(wù)處理機(jī)自主維持的北斗時為載荷時間起點(diǎn)，時間間隔為1s(1PPS)。載荷時間即衛(wèi)星時間，是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航服務(wù)的基礎(chǔ)。

一般情況下，載荷與運(yùn)控系統(tǒng)星地間同步通過發(fā)送指令和上注鐘差參數(shù)實(shí)現(xiàn)。平臺與測控系統(tǒng)的星地時間同步通過地面測控系統(tǒng)上注實(shí)現(xiàn)。獲得初始時間后，時頻系統(tǒng)產(chǎn)生時間基準(zhǔn)，導(dǎo)航任務(wù)處理機(jī)以此產(chǎn)生1PPS。導(dǎo)航衛(wèi)星載荷單機(jī)均以此為時間基準(zhǔn)進(jìn)行校正。平臺以星載計(jì)算機(jī)實(shí)時時鐘單元實(shí)現(xiàn)自主守時。由于晶振準(zhǔn)確度遠(yuǎn)低于原子鐘，可利用1PPS信號對平臺時間進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.2 平臺時間校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

星載計(jì)算機(jī)實(shí)時時鐘單元采用恒溫晶振(OCXO)。晶振的實(shí)際震蕩頻率與標(biāo)稱頻率發(fā)生偏移(頻率漂移)的程度稱為準(zhǔn)確度。由晶振頻率漂移引起的頻率誤差在采樣間隔內(nèi)的一次積分形成時鐘偏置誤差。準(zhǔn)確度引起的偏差會給測量系統(tǒng)引入累積誤差。晶振頻率穩(wěn)定度是指由晶振相位噪聲引起的頻率隨機(jī)變化，會給測量系統(tǒng)引入隨機(jī)誤差。星載計(jì)算機(jī)的恒溫晶振如表1所示。

表1 恒溫晶振性能指標(biāo)

星載計(jì)算機(jī)晶振頻率與載荷原子鐘系統(tǒng)時標(biāo)準(zhǔn)頻率的不嚴(yán)格同步是產(chǎn)生平臺時間與載荷時間時鐘誤差的根本原因。由表1可知恒溫晶振頻率準(zhǔn)確度為5×10-6，頻率穩(wěn)定度達(dá)到5×10-8。星載氫原子鐘準(zhǔn)確度為5×10-12，穩(wěn)定度為7×10-15量級[2]。導(dǎo)航任務(wù)處理機(jī)產(chǎn)生的1PPS信號準(zhǔn)確度可達(dá)8×10-9量級，穩(wěn)定度為10-11量級。時鐘晶振無法直接作為載荷時間的備用時間基準(zhǔn)。可以利用載荷時頻系統(tǒng)1PPS時間信號對平臺時間進(jìn)行標(biāo)定，用軟件對鐘差進(jìn)行校正，提高星載計(jì)算機(jī)時間的精度，達(dá)到載荷時間系統(tǒng)可用的程度。

載荷時間系統(tǒng)產(chǎn)生1PPS信號，作為時間基準(zhǔn)輸入到星載計(jì)算機(jī)，星載計(jì)算機(jī)利用1PPS信號進(jìn)行平臺時間校準(zhǔn)。載荷時間系統(tǒng)故障時，星載計(jì)算機(jī)利用產(chǎn)生的平臺時間1PPS信號輸出給載荷系統(tǒng)進(jìn)行反向授時。平臺時間校準(zhǔn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 平臺時間校準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖

晶振頻率信號經(jīng)時鐘芯片輸出10MHz時鐘信號。導(dǎo)航任務(wù)處理機(jī)1PPS信號輸出到星載計(jì)算機(jī)。該1PPS信號有2個作用：1)星載計(jì)算機(jī)利用該1PPS信號實(shí)時校正平臺時鐘，以作為實(shí)時平臺時鐘信號；2)以1PPS信號為時間基準(zhǔn)，利用星載計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置的FPGA計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)一段時間內(nèi)的時鐘芯片輸出的10MHz脈沖上升沿個數(shù)，統(tǒng)計(jì)晶振時鐘的誤差，用于計(jì)算生成平臺1PPS信號的參數(shù)。載荷1PPS信號實(shí)時校正平臺時鐘示意圖如圖3所示：

圖3 1PPS信號校正平臺時鐘示意圖

導(dǎo)航任務(wù)處理機(jī)1PPS信號采用RS-422差分電平，周期為1s，正脈沖形式，脈沖寬度大于20μs。利用授時指令等操作使平臺時間與衛(wèi)星時間在整數(shù)秒級一致。開啟PPS校時指令后，星載計(jì)算機(jī)時鐘信號每秒與1PPS信號上升沿對齊，誤差部分(Δt)舍棄。實(shí)際上，1PPS校正的是平臺10MHz時鐘的脈沖個數(shù)。例如，某個1PPS時間內(nèi)對應(yīng)的10MHz脈沖數(shù)是9999900，那么剩余的100個直接舍棄，重新開始計(jì)時。

1.3 平臺時間自主標(biāo)定和校正

10MHz時鐘最小時間間隔為100ns，每進(jìn)行一次計(jì)數(shù)操作，引入的系統(tǒng)誤差范圍為-100～100ns，而且不可控。由于FPGA硬件接口限制，星載計(jì)算機(jī)只能進(jìn)行微秒級的校時動作，星載計(jì)算機(jī)每一次動作都要消耗時間，引入了隨機(jī)誤差。如果利用載荷1PPS每秒校正平臺時鐘得到鐘差Δt，用Δt作為參數(shù)生成下一秒的平臺1PPS信號，則無法消除或者減小上述誤差。通過選取一段較長時間統(tǒng)計(jì)載荷時間與平臺時間的鐘差的方法，可以把由時鐘最小間隔帶來的誤差平攤到更長時間，也可以減小由計(jì)算機(jī)校時操作引起的外部隨機(jī)誤差。導(dǎo)航任務(wù)處理機(jī)的1PPS信號相對于絕對時間的誤差服從正態(tài)分布，選擇一段時間內(nèi)的1PPS信號作為基準(zhǔn)亦可減小隨機(jī)誤差。綜合考慮FPGA的資源開銷、隨時間增長而減小誤差的邊際遞減效應(yīng)，以及晶振溫度穩(wěn)定度和老化率等因素，選取127s作為統(tǒng)計(jì)時長。

1.3.1 鐘差的統(tǒng)計(jì)

星載計(jì)算機(jī)以載荷1PPS信號為時間基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)127s時間內(nèi)平臺時鐘的誤差，作為校正參數(shù)生成高精度的平臺1PPS信號，在衛(wèi)星時頻系統(tǒng)故障時對其進(jìn)行反向授時，維持衛(wèi)星時間的穩(wěn)定和準(zhǔn)確度。具體操作方法是FPGA計(jì)數(shù)器以1PPS校時信號為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)127個1PPS時間單元內(nèi)10MHz時鐘晶振脈沖的個數(shù)，并將此結(jié)果輸出給處理器，作為軟件計(jì)算自主校時的參數(shù)。在處理器模塊接口中增加4個寄存器，分別為計(jì)數(shù)使能寄存器、賦初值寄存器、計(jì)數(shù)寄存器、統(tǒng)計(jì)次數(shù)寄存器。計(jì)數(shù)功能流程圖如圖4所示。

圖4 FPGA計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)功能流程圖

如果1PPS校時信號為正脈沖，向配置寄存器寫‘0’，將內(nèi)部信號初值配置為低電平；如果1PPS校時信號為負(fù)脈沖，則向配置寄存器寫‘1’，將內(nèi)部信號初值配置為低電平。如果要停止統(tǒng)計(jì)脈沖個數(shù)，則只需向控制寄存器中寫‘0’，即可停止計(jì)數(shù)，并將所有計(jì)數(shù)器清零。

1.3.2 鐘差的校正

平臺時鐘的準(zhǔn)確度可以保證其與1PPS時鐘信號的誤差值始終在同方向，則統(tǒng)計(jì)的總鐘差不會相互抵消，可以真實(shí)反映誤差情況。統(tǒng)計(jì)T1s至T127s共127s的平臺時間總誤差Δt總。實(shí)際操作中是以統(tǒng)計(jì)的10MHz平臺時鐘脈沖數(shù)與標(biāo)稱頻率的誤差計(jì)算鐘差。誤差值包括了頻率準(zhǔn)確度誤差、穩(wěn)定度誤差、計(jì)數(shù)引起的系統(tǒng)誤差。其中穩(wěn)定度誤差基本呈現(xiàn)正態(tài)分布，統(tǒng)計(jì)較長一段時間可以有效減小隨機(jī)誤差。

開啟自主校時指令后，按照上述方式每127s統(tǒng)計(jì)一次誤差值。把最近一次采集的誤差值存儲。當(dāng)衛(wèi)星時頻系統(tǒng)故障時，星載計(jì)算機(jī)連續(xù)3s采集不到導(dǎo)航任務(wù)處理機(jī)1PPS信號即把平臺1PPS信號輸出給導(dǎo)航任務(wù)處理機(jī)。

輸出給載荷的平臺1PPS需經(jīng)過誤差校正，需要注意3點(diǎn)：1)誤差不能丟棄，需要完整的校正到輸出的1PPS中；2)由于FPGA硬件接口限制，星載計(jì)算機(jī)只能進(jìn)行微秒級別的校正，故需要對每次校正的時間誤差參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；3)計(jì)算機(jī)每次進(jìn)行校時動作需要消耗200ns時間，故每次校時需要將該時間開銷計(jì)入時鐘誤差內(nèi)。具體的校正策略為：把最新的總時間誤差盡量完整的分?jǐn)偟叫枰Ｕ?27個平臺1PPS上，剩余的誤差累積到下一個127s總誤差中；每秒需要校正的時間參數(shù)為實(shí)際誤差最靠近的微秒級整數(shù)。詳細(xì)的校正步驟如下：

1)以載荷1PPS信號為時間基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)每127個1PPS信號時間內(nèi)平臺10MHz時鐘晶振脈沖個數(shù)，依此計(jì)算平臺時間與載荷時間的總誤差Δt總；

2)需要校正時，星載計(jì)算機(jī)利用存儲的最新誤差值Δt總計(jì)算平臺127個1PPS每秒需要校正的時間參數(shù)；

3)計(jì)算第1s應(yīng)調(diào)整的誤差值Δt1=(1×Δt總)/127，則取實(shí)際調(diào)整的參數(shù)Δt"1=[Δt1+0.2]μs，即取[Δt1+0.2]的整數(shù)部分，其中0.2 us為計(jì)算機(jī)操作需要消耗的時間。當(dāng)Δt"1為0時即不調(diào)整。前2s應(yīng)調(diào)整的總誤差值Δt2=(2×Δt總)/127，則取實(shí)際調(diào)整的參數(shù)Δt"2=[Δt2-Δt"1+0.2]μs，即前2s總的應(yīng)調(diào)整的總誤差值Δt2減去第1s已經(jīng)調(diào)整的Δt"1，再加上計(jì)算機(jī)操作時間0.2 us，取其整數(shù)部分即為第2s需要校正的誤差值；

4)前ns應(yīng)調(diào)整的總誤差值Δtn=(n×Δt總)/127Z，則第ns實(shí)際調(diào)整的參數(shù)Δt"n=[Δtn-Δt"n-1+0.2]μs，即前ns總的應(yīng)調(diào)整的誤差值Δtn減去前(n-1)s已經(jīng)調(diào)整的Δt"n-1，再加上計(jì)算機(jī)操作時間0.2 μs，取其整數(shù)部分即為第ns需要校正的誤差值；

5)按照步驟4的方法逐秒調(diào)整平臺1PPS至第127個，若還有剩余的的時間誤差(Δt總-Δt"127)未調(diào)整，則累積到下一個127s 1PPS總誤差中繼續(xù)調(diào)整。

上述步驟中每次都要計(jì)算前n秒應(yīng)調(diào)整的總誤差值Δtn=(n×Δt總)/127，并且不使用平均值計(jì)算的目的是為了計(jì)算中不丟失誤差值，即可以把誤差完整的調(diào)整到校時參數(shù)中，剩余誤差累積到下一個周期中同樣是為了不丟失誤差。平臺時間自主標(biāo)定和校正流程如下圖所示：

圖5 平臺時間自主校正流程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

地面試驗(yàn)使用氫原子鐘作為時間頻率基準(zhǔn)源，使用其輸出1PPS，其精度可達(dá)8×10-9量級，與導(dǎo)航任務(wù)處理機(jī)一致。與星載計(jì)算機(jī)10MHz時鐘晶振信號進(jìn)行比對，統(tǒng)計(jì)一段時間后兩者產(chǎn)生的偏差，能夠計(jì)算出星載計(jì)算機(jī)每秒鐘的時鐘誤差值。在星載計(jì)算機(jī)開啟自主校時后再次進(jìn)行比對試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)一段時間的時鐘誤差值，計(jì)算每秒的時鐘誤差值。

試驗(yàn)分別在低溫(-25℃)、高溫(60℃)、常溫(25℃)條件下進(jìn)行。利用頻率計(jì)(SR620)記錄星載計(jì)算機(jī)晶振時鐘與原子鐘的鐘差，一段時間后再次記錄結(jié)束時的鐘差，計(jì)算出每秒平均鐘差。未進(jìn)行自主標(biāo)定和糾正的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 未標(biāo)定和糾正的平臺時間誤差

由上表可以看出，未進(jìn)行時鐘校正平臺時間誤差的鐘差在395～655ns/s。標(biāo)定和校正后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示：

表3 標(biāo)定和糾正后的平臺時間誤差

經(jīng)過自主標(biāo)定和校正后的時鐘鐘差范圍在0.397～0.604ns/s，由于導(dǎo)航任務(wù)處理機(jī)的1PPS準(zhǔn)確度在10-9量級，可知平臺時間相比未校正前提高了約3個數(shù)量級，滿足30min誤差小于3μs的指標(biāo)要求。由校正原理可知，該方法主要是校正了平臺時鐘的準(zhǔn)確度誤差，也是主要誤差。穩(wěn)定度誤差是隨機(jī)波動引起的誤差，增加統(tǒng)計(jì)時間可把誤差分散到更長的基數(shù)上以減少單位時間內(nèi)誤差。技術(shù)系統(tǒng)誤差主要是硬件設(shè)計(jì)精度和軟件操作誤差，可在誤差統(tǒng)計(jì)中剔除，其對校正結(jié)果影響很小。

3 結(jié)論

研究了提高導(dǎo)航衛(wèi)星平臺時間的技術(shù)，針對導(dǎo)航衛(wèi)星平臺時間精度較低的情況，提出了一種平臺時間維持方法。在衛(wèi)星時間正常時利用載荷時間校正平臺時間；在衛(wèi)星時間故障時，利用校正后的平臺時間維持衛(wèi)星時間的穩(wěn)定。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用該自主校時方法校正的平臺時間精度提高了3個數(shù)量級，驗(yàn)證了增加統(tǒng)計(jì)時間、合理分?jǐn)傉`差值以提高時鐘精度的正確性。與傳統(tǒng)的利用鐘差調(diào)整壓控晶振電壓以調(diào)節(jié)時鐘頻率的方法不同，本文采用軟硬件相結(jié)合的方法直接對時鐘誤差進(jìn)行調(diào)整校正，為導(dǎo)航衛(wèi)星平臺時間校正方法提供了經(jīng)驗(yàn)。該平臺時鐘校正方法已經(jīng)應(yīng)用于北斗三號工程8顆MEO衛(wèi)星，經(jīng)過地面試驗(yàn)及在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法有效可行，有力保障了衛(wèi)星時間的穩(wěn)定性。后續(xù)可以調(diào)整鐘差統(tǒng)計(jì)時間，以找到誤差校正與資源開銷更好的平衡。