卫星在轨时钟源频率特性评估方法研究及应用

陈曦 李文东 姜东升

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

卫星在轨时钟源频率特性评估方法研究及应用

陈曦 李文东 姜东升

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

针对传统评价卫星在轨时钟源频率特性方法，在实际应用中存在占用地面测控资源、自主性较低及评估精确性受限的问题，提出以星载高稳钟源作为参考频率源，基于遥测数据评价卫星时钟源频率特性的方法，并详细介绍了其方案设计、数据处理流程以及在轨实际应用的情况。该方法具有原理简单、算法简便、资源占用少、应用性强的优势，可有效解决传统方法在实际应用中遇到的问题。

卫星时间；准确度；稳定度

1 引言

卫星时间一般指星务管理分系统或数据管理分系统提供的时间，是卫星遥测数据采集、下传以及程控指令执行的基准，也是卫星确定自身所处空间位置所依据的重要信息。若卫星时间出现较大偏差，则会影响卫星载荷预期侦测的范围、姿态控制的精度以及地面监测判读的准确性。监测分析卫星在轨时钟源频率准确度及稳定度，对保障卫星在轨稳定运行和有效载荷正常应用具有重要意义。

卫星时间是由星载晶体振荡器输出的高稳频率作为计时基准，以某特定时间作为计时零点累加形成的时间［1］，在地面试验测试时会对星载晶体振荡器的频率特性，包括准确度及稳定度进行测量考核，但由于卫星在太空环境中，工作环境十分恶劣，真空、微重力、温度变化、电磁场变化、自然辐射影响等诸多因素共同作用，会使星载晶体振荡器输出频率产生漂移，从而导致卫星时间出现偏差［2］，因此须要对卫星在轨时钟源的频率特性进行长期监测评估。首先考核卫星时钟源在轨的真实特性，并且当发现卫星时钟源的频率准确度或稳定度不满足使用要求时，及时调整时间管理策略，或者启动备份手段进行应对维护。这对保障卫星在轨安全稳定运行和有效载荷正常使用具有重要意义。

目前，国内外应用较普遍的在轨卫星时钟源频率特性评价方法为地面钟源比时法［3－5］，其在实际应用中存在占用资源多、受限制条件多等问题。针对这些问题，本文提出了一种基于星载高稳钟源的卫星在轨时钟源频率特性评估方法，介绍了方法的原理、数据处理流程以及在轨实际应用情况，可为卫星运行和使用过程中的时间管理提供参考。

2 在轨卫星时钟源频率特性评估方法

2.1 传统方案及存在问题

利用地面钟源比时法评估在轨卫星时钟源频率特性，选用地面测控站时间作为参考时间源，具体方案是利用卫星测控的上下行信道，在地面测控站定时控制下，卫星传送时间信号至地面测控站，实现星地时间差的比对，然后根据比时法测量频率特性的原理［6］，获得在轨卫星时钟源的频率准确度和稳定度。系统框图见图1。

图1 采用传统方法进行在轨卫星时钟源频率特性评估的系统框图Fig.1 System of the traditional evaluation method for frequency stability and accuracy of on－orbit satellite

利用此方法评价在轨卫星时钟源频率特性，在实际应用中会遇到以下3个问题：

（1）随着在轨卫星数量快速增长，使得地面测控资源越发紧张，不可避免地需要较长时间占用有限的地面资源；

（2）卫星须要接受地面测控站的干预与操控，一定程度上降低了卫星在轨运行的自主性和可靠性；

（3）对于近地轨道卫星，同一地面测控站每日对指定卫星仅能跟踪2～4个圈次，每个跟踪圈次的可测控弧段仅十余分钟，因此很难保证在任意时段，长时间等间隔取样测量星地时差，也就很难得到卫星在轨任意时间段或任意测量周期的时钟源频率特性。较为普遍的做法是，连续多个圈次分别测算各弧段卫星在轨时钟源频率特性，然后取均值作为该时段内的卫星在轨时钟源频率特性，这也就降低了评估结果的精确性。

2.2 基于星载高稳钟源的卫星在轨时钟源频率特性评估方法

2.2.1 方案设计

针对传统方法遇到的问题，依据在轨运行管理经验，本文总结了基于星载高稳钟源的卫星在轨时钟源频率特性评价方法。

目前，我国在轨卫星普遍装配有GPS接收机或铷钟，能够提供高精度的计时基准，可以为卫星载荷设备及其余分系统设备提供高精度的时间，并且星载GPS接收机及铷钟的时间精度均要优于以星载晶体振荡器作为钟源的卫星时间至少3个量级［7］，因此，根据频率特性测量的标准，在星载GPS接收机和铷钟工作正常的情况下，可以将GPS接收机或铷钟时间作为参考时间源，利用比时法测量评估卫星时钟源的频率准确度及稳定度。

以GPS接收机时间作为参考时间源为例，现对该方法的系统方案进行说明。星载GPS接收机能够为卫星有效载荷等设备提供高精度的计时基准，累计得到GPS高精度时间TR。卫星设置有时间管理单元，在高精度钟源控制下按照等时间间隔τ同时向GPS高精度时间的计时钟及卫星时间TS的计时钟发送取时控制指令，计时钟收到取时控制指令后读取该时刻各自钟面时间码TRi（i＝1，2，…）及TSi（i＝1，2，…），并回传至时间管理单元，卫星将每组两个时间码打入同一遥测帧中下传，从而可通过遥测数据直接获得同一时刻相对应的GPS高精度时间数据和卫星时间数据。计算两者差值，然后根据比时法测量频率特性的原理，可以获得在轨卫星时钟源的频率准确度和稳定度。系统框图见图2。

利用此方法评估时钟源频率特性，时间管理单元每个周期通过总线分别采集两钟源时间，取时指令发出与钟源时间传输间隔很小，在测量计算时忽略两钟源的差别，近似认为两者相等，这也是该评估方法的主要误差来源，而传统方法的主要误差来源是在测量计算时认为卫星上下行链路的总时延近似相等。两种方法测量误差是同一个量级，其评估结果精度基本相同。

图2 星载高稳钟源比时法系统框图Fig.2 System of the method of comparison time base on spacecraft high stability time resource

2.2.2 数据处理方法及流程

卫星实际在轨运行时，星载晶体振荡器受空间多种因素影响，其频率会发生漂移，导致卫星时间与标准时间产生偏差，累计一段时间后偏差过大会影响卫星在轨正常运行与有效载荷的正常应用［7］，因此，卫星在轨运行管理要求卫星时间与标准时间偏差不能超过一定阈值（一般为±10ms）。为保证该要求，卫星会选用适当的策略进行时间管理，主要有以下2种方式：均匀校时结合集中校时法和引入GPS时间法。针对以上两种不同时间管理策略，进行卫星时钟源频率特性评估时，在得到GPS高精度时间数据和卫星时间数据后，数据处理方法有所不同。

1）均匀校时结合集中校时法数据处理方法［8－9］

均匀校时结合集中校时法进行时间管理的具体策略为：卫星根据设置的均匀校时周期H，以此为周期，将卫星时间调整一个固定时间量X（一般为±1ms）；当卫星时间与标准时间之差累计达到阈值时，卫星接收到地面发送的集中校时指令，将卫星时间直接加上集中校时量Y。

在此种情况进行卫星时钟源频率特性评估时，首先计算卫星时间与GPS高精度时间的时差ΔTi，具体公式如下。

式中：TJZk（k＝1，2，…）为每一个取样周期τ内的集中校时量；TJYk（k＝1，2，…）为每一个取样周期τ内的均匀校时量，其可由均匀校时周期推算得到，TJYk＝X·τ／H，其中H为均匀校时周期；GPS高精度时间TRi、卫星时间TSi可以通过遥测数据直接获得。

然后可计算出卫星时间与GPS高精度时间之间相邻两次时差的变化量Δi，Δi＝ΔTi＋1－ΔTi；最后依据比时法测量频率特性的原理，按照式（2）计算得到卫星在轨时钟源频率准确度A，按照式（3）计算得到频率稳定度σ，其中采样汉数m＞100。

2）引入GPS时间法数据处理方法［10］

引入GPS时间法进行时间管理的具体策略为：卫星每隔一个固定周期（一般为8s），将卫星时间与GPS高精度时间进行一次比对，两者之差的绝对值在限制范围内（一般为±3s），若卫星时间比GPS高精度时间快，则卫星时间直接减少一个固定值Z（一般为1ms）；若卫星时间比GPS高精度时间慢，则卫星时间直接增加一个固定值。

在此种情况进行卫星时钟源频率特性评估时，首先计算卫星时间与GPS高精度时间的时差

式中：TGPSk（k＝1，2，…）为每一个取样周期τ内卫星时间与GPS高精度时间比较后调整的时间量，可由调整次数M推算得到，TGPSk＝M·Z。

之后的计算流程与均匀校时结合集中校时法数据处理方案相同，按照式（2）计算得到卫星在轨时间准确度A，按照式（3）计算得到卫星在轨时间稳定度σ。

2.2.3 新方法的优势

基于星载高稳钟源的卫星在轨时钟源频率特性评估方法，以星载高稳钟源作为参考时间源，解决了利用传统方法进行卫星在轨时钟源频率特性评估时遇到的问题，具有以下3个优势：

（1）基于卫星遥测参数进行评估，不须额外占用地面测控资源及星上测控信道资源；

1.1 实验主要试剂 Ficoll淋巴细胞分离液购自上海试剂二厂；CD1a-PE、CD80-PE、CD83-APC、CD86-PECY5、HLA-DR-APC单克隆抗体购自美国BD公司；RPMI1640培养基、胎牛血清购自美国Gibco公司；GM-CSF购自美国Peprototech公司；IL-4购自德国Meltenyi公司；二乙基亚硝胺水溶液购自美国Sigma公司；抗大鼠PE-CD4、PE-CD25、抗大鼠Foxp3单克隆抗体购自美国Ebioscinence公司。

（2）减少了地面测控站操控带来的风险性，提高了卫星在轨运行的自主性和可靠性；

（3）可以在不降低评估精度的前提下，实现任意时段或较长时段卫星时钟源频率特性的评估。

3 实际应用及验证

目前，已将基于星载高稳钟源的卫星在轨时钟源频率特性评估方法应用在小卫星在轨运行管理工作之中，并取得了良好的效果。现以某小卫星在轨应用情况为例进行说明。

卫星发射入轨后，根据入轨初期的遥测数据，以星载GPS接收机提供的高精度时间作为参考时间源，对卫星时钟源在轨频率准确度及稳定度进行评估。根据2.2.2节提供的数据处理方法，得到卫星时间与GPS高精度时间之间的差值，即ΔTi，如图3所示。再按照式（2）和式（3）计算可得到，时钟源在轨的频率准确度为1.442×10－4，频率稳定度为2.12×10－5。

根据相同时段内连续多个弧段星地时差的测量值，分别进行各弧段卫星时钟源频率特性评估，再取平均值得到卫星时钟源的频率准确度为1.442× 10－4，频率稳定度为2.12×10－5，证明基于星载高稳钟源的卫星在轨时钟源频率特性评估方法得到的数据真实可信。

图3 某卫星GPS时间与卫星时间之间的差值Fig.3 D－value between satellite time and GPS time of a satellite

该卫星在轨的时钟源频率准确度为1.442× 10－4，即每秒钟时间误差约为0.144ms，虽然满足每秒钟时间误差不超过5ms的技术要求，但是卫星设计的时间管理策略中作为首选方案的“引入GPS时间”，其最小的引用周期为8s，每个引用周期的校时量为1ms，即最大的校时量为每秒纠正0.125ms的时间误差，这就表示单独利用该管理策略不能满足卫星在轨管理的要求。同时卫星时间在轨的稳定度为2.12×10－5，也不满足时间稳定度优于1× 10－9的指标要求。

根据事后分析及地面测试验证确认：作为卫星时间钟源的晶体振荡器，其所选用的电容器件，在研制工程中未严格筛选，与标称值误差较大，最终导致卫星在轨时钟源频率准确度偏差较大，稳定度不满足技术要求。在后续卫星研制中，对选用的电容器件加严指标要求，加强质量把控，得到后续卫星在轨时钟源频率准确度均优于1×10－7，稳定度均优于1×10－9，满足技术指标及实际使用要求。

4 结束语

随着我国科学技术的发展，近年卫星在轨实际寿命不断增长，尤其是近地轨道卫星，目前已有近六成的卫星超过设计寿命，对于这些超寿命运行卫星更加须要严密监测分析其时钟源频率特性，当不满足工作要求时，应尽早调整维护措施或启用备份手段，以保障卫星稳定运行和有效载荷正常应用。除此之外，收集整理测量数据及评价结果，对未来航天器产品可靠性研究及长寿命卫星研制都具有重要的意义。

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（编辑：李多）

Research and Application on Evaluation Method for Time Stability of On－orbit Satellite

CHEN Xi LI Wendong JIANG Dongsheng
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The traditional evaluation method for frequency stability and accuracy of on－orbit satellite has some problems in the application，such as consume of TT＆C resources，poor autonomy，and low accuracy of assessment.The paper presents an evaluation method of satellite time stability based on satellite remote sensing data，which makes use of the high stability clock in the satellite as a reference frequency source.The new evaluation method solves the problems in the application of the traditional method and has many advantages，including conciseness，convenience，being economical and promising.

satellite time；accuracy；stability

V423.41

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.014

2015－08－13；

：2015－11－05

陈曦，男，工程师，研究方向为航天器在轨运行管理。Email：285973147＠qq.com。