航天器自主高精度时间管理系统设计*

王 玮， 陈 丹， 徐晓光

(中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094)



航天器自主高精度时间管理系统设计*

王 玮， 陈 丹， 徐晓光

(中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094)

为满足航天器长期在轨飞行期间高精度的时间同步需求，提出了一种航天器自主高精度时间管理系统，将北斗导航定位授时设备和频率综合器两种时钟源系统进行融合使用，两种时钟源系统可根据导航定位状态自主切换，在消除了频率源系统误差累积效应问题的同时，解决了导航非定位情况下时间精度急剧下降的问题。通过建立系统的误差模型，以航天器应用设计实例进行计算分析，结果表明：系统时间同步精度优于37.8 μs。研究结果可以为后续航天器高精度时间管理系统设计提供参考。

自主时间管理； 北斗导航； 频率综合器； 时间同步误差

0 引 言

航天器时间管理是为了满足用户对时间精度和同步精度的需求，通过特定的方法和必要手段对星上时间产生、维护和发布机制进行相应的约束和规定，并实现用户对时间要求的完整过程[1]。通过时间管理使各时间用户工作在统一的时间基准下，共享绑定统一时间基准的信息量，从而保证航天器内部以及航天器与地面之间时间同步并协调运作。

为满足航天器长期在轨飞行期间高精度的时间同步需求，大部分侦察卫星、遥感卫星均使用以铷钟为频率基准的高精度时间系统实现对目标的精确测量[2,3]，星载铷原子钟具有体积小、重量轻、功耗低、精度高等优点，短期时间稳定度可达到10-12量级，但时间精度长期稳定度不足，存在误差累积效应。为了抵消飞行时间带来的性能损失，星上往往采用铯钟、氢钟等更高精度的原子钟设备，但随之会造成研制成本的数倍增加。对于部分配置有全球定位系统(GPS)导航的航天器可通过GPS发布高精度时间[4～6]，虽不存在误差累积效应，但由于轨道电磁环境的复杂性和航天器自身存在的高速度姿态机动、天线视场遮挡等因素，无法保证GPS定位持续性，在GPS非定位情况下，航天器自主时间同步精度指标将大幅下降，无法满足用户的使用需求。同时，美国已成功掌握了局部屏蔽GPS信号等技术[7]，这就对依赖于GPS的国内航天器带来了潜在的应用风险。文献[8]还提出了一种面向时间应用的GPS可驯服铷钟，可利用铷钟和GPS接收机时间差的数据自主校正铷钟频率准确度，但时间用户以铷钟输出信号为唯一的时间源，一旦铷钟故障，系统将无法正常运行，可靠性不足。

针对上述问题，提出了一种航天器自主高精度时间管理系统，以北斗导航定位接收设备和频率综合器为时钟源进行构建。系统将北斗导航定位授时数据引入频率源授时链路，并根据北斗导航定位状态自主进行器上时间授时信息流的切换，可以持续满足航天器高精度时间同步需求，具有良好的系统可靠性。

1 自主高精度时间管理系统架构与设计

航天器自主高精度时间管理系统主要由时间源、时间维护设备、时间用户和时间传输通道4部分组成。时钟源用于产生时间基准，包括北斗导航接收机和频率综合器，北斗导航接收机可使用我国完全自主可控的北斗II代导航定位系统[9]，频率综合器通过频率合成的方法可以以较低的研制成本对外提供较高精度的频率信号；时间维护设备负责维护舱上时间信息，一般为航天器负责平台系统级信息管理的中心管理单元；时间用户用于使用时间源输出时间同步信息；时间传输通道用于传输航天器器上时间信息的数据链路，包括RS—422串口通道和1553B总线通道。系统组成架构如图1所示。

图1 航天器自主高精度时间管理系统架构

时间管理系统以北斗导航接收机和频率综合器为2套时间发布基准进行构建。在北斗导航定位时间系统下，以北斗导航接收机发布的世界标准时间(UTC)为基准，各时间用户同时接收北斗导航接收机通过RS—422串口发送的秒脉冲信号作为触发条件，定期对设备内部自走时进行校时，从而保持各用户间的时间协调性。在频率源时间系统下，由频率综合器向时间维护设备中心管理单元输出高精度稳定的方波信号，中心管理单元接收输入的方波信号作为激励，一方面通过1553B总线向各时间用户设备发布器上飞行时间，另一方面，产生秒脉冲信号通过RS—422串口输出至各时间用户设备，各时间用户设备以器上相对飞行时间码为统一基准并利用秒脉冲信号同步修正本地维护的时钟，从而实现用户间的时间同步。

2套时间系统可配合使用，在北斗定位模式下，由北斗导航定位时间系统负责完成航天器高精度时间自主同步，同时，为了消除频率综合器的频偏累积误差，中心管理单元除了作为系统的时间维护设备外，还作为北斗导航定位时间系统下的时间用户，直接通过RS—422串口接收北斗导航接收机发布的UTC和秒脉冲信号，自主对发布的飞行时进行校时维护，从而保证器上飞行时的发布精度。在北斗非定位模式下，则由频率源时间系统临时接管完成航天器高精度时间自主同步，由于频率源时间系统已在北斗定位期间实时修正了发布时间精度，可以在相当长的时间内维持高精度时间管理水平，直至北斗信号重新定位。北斗定位模式与非定位模式切换，由中心管理单元根据采集的北斗导航接收机定位状态遥测自主进行角色转换，并发出控制命令通知各时间用户同步完成对时钟源系统的响应切换。

2套时间系统也可以互为备份，独立工作。当其中一套时间系统故障时，另一套时间系统可以在一定时间范围内继续维持航天器高精度时间同步水平。对于载人航天器可为航天员实施在轨维修争取更多时间，对于不具备在轨维修条件的航天器也可为地面飞控人员争取更多故障处置时间，在一定程度上提高了系统可靠性。同时，系统使用我国完全自主可控的北斗II代导航系统，极大地增强了航天器在轨飞行的安全性。

2 时间同步原理及误差模型

2.1 北斗导航定位模式下的时间同步

北斗定位时，各时间用户以北斗导航接收机发布的UTC为基准，同时接收北斗导航接收机通过RS—422串口发送的秒脉冲信号作为触发条件，完成时间同步，时间同步工作时序如图2所示。具体时间同步过程如下：

1)北斗导航接收机锁定信号，每秒通过RS—422串口输出秒脉冲信号和UTC至各时间用户，发布的UTC时间t_utc在对应的秒脉冲信号输出后的1～1.2 s通过串口输出；

2)各时间用户及中心管理单元接收到北斗导航接收机输出的秒脉冲信号后，锁存秒脉冲时刻设备内部自走时计数T_dmc；

3)各时间用户及中心管理单元将本次接收到的秒脉冲后的第一帧UTC时间t_utc加1s，并进行锁存；

4)各时间用户及中心管理单元在完成UTC时间锁存后的下一控制周期内进行内部自走时校时处理，以器箭分离时刻对应的UTC为零点，将锁存的UTC时间转换成内部自走时，并对从收到秒脉冲到进行秒内校时的延时量进行补偿修正，即得到修正后的各时间用户内部飞行时间tc=t_utc+1-tf+|T_dmc-T_dc|×T_mdl，其中，T_mdl为每个计数对应的时间码当量。

图2 北斗定位模式下时间同步时序

2.2 北斗导航非定位模式下的时间同步

北斗非定位时，由频率源时间系统接管北斗导航定位时间系统完成航天器高精度时间自主同步，各时间用户设备以中心管理单元发布的器上相对飞行时间码为统一基准，并利用中心管理单元输出秒脉冲信号同步修正本地维护的时钟，完成时间同步，时间同步工作时序如图3所示。

具体过程如下：

1)中心管理单元利用频率综合器输出的方波信号计数，一方面产生秒脉冲信号并通过RS—422串口输出，另一方面产生飞行时间码t_fly并通过1553B总线广播，t_fly在对应秒脉冲信号输出后0～0.5 s输出。同时，t_fly在北斗定位期间，每秒内通过北斗导航定位时间系统完成校时修正。

2)各时间用户接收到中心管理单元输出的秒脉冲信号后，锁存秒脉冲时刻设备内部自走时计数T_pmc。

3)各时间用户将本次接收到的秒脉冲后的第一帧广播飞行时t_fly进行锁存。

4)各时间用户在完成广播飞行时间锁存后的下一控制周期内进行内部自走时校时处理，在锁存的广播飞行时基础上，对从收到秒脉冲到进行秒内校时的延时量进行补偿修正，即得到修正后的各时间用户内部飞行时tc=t_fly+|T_pmc-T_pc|×T_mdl，其中，T_mdl为每个计数对应的时间码当量。

图3 北斗非定位模式下时间同步时序

2.3 误差模型

本文提出的时间管理系统主要误差源包括时钟源发布误差、时基传输延时误差、信号锁存误差、用户校时误差4部分。其中，时钟源发布误差为时钟源产生并输出的时间信息和秒脉冲信号误差；时基传输延时误差为从时钟源输出信号到时间用户接收信息链路传输延时误差；信号锁存误差为用户锁存秒脉冲和时间信息的时间计数偏差；用户校时误差为用户接收到外部校时激励使用自身软硬件实施校时过程产生的误差。根据以上误差源在时间管理系统中的信息流传递时序，建立时间管理系统的校时误差模型如图4所示。

图4 时间管理系统校时误差模型

通过建立涵盖误差传递全过程的时间管理系统校时误差模型，可根据不同型号航天器设备实测或经验数据调整误差模型单元参数值，评估出航天器的校时误差。

3 设计实例及计算分析

根据某航天器时间同步精度优于50 μs的设计要求，给出了应用本文提出的时间管理系统下的时间同步误差计算结果。

根据时间管理系统误差模型，北斗非定位模式下，各模型单元误差如下：

1)时间源产生误差τ1：包括北斗导航接收机的UTC时发布误差和秒脉冲产生误差，实测UTC时授时精度优于1 μs，秒脉冲产生误差优于2 μs，即τ1=3 μs。

2)时基传输延时误差τ2：时钟信号以电磁波形式在介质中传输，以传播速度3×108m/s，线缆长度30 m计算，传播引入的误差不大于100 ns。

3)信号锁存误差τ3：与用户设备内部晶振有关，锁存时间误差为1个时钟脉冲，根据设备芯片手册数据，一般不大于0.1 μs。

4)用户校时误差τ4：包括用户设备硬件电路响应串口秒脉冲信号中断延时误差、每秒内利用自身晶振维护内部飞行时产生的累积误差以及软件处理延时误差。根据航天器实际经验数据和芯片手册数据，通常用户硬件接收延时不大于1 μs，每秒内走时累积误差不大于10 μs，软件算法处理延时误差不大于1 μs，即τ4=12 μs。

由以上分析可以得出北斗定位期间，各时间用户综合校时误差τ=τ1+τ2+τ3+τ4=15.2 μs，满足不大于50 μs的设计指标要求。

北斗非定位模式与定位模式相比，只是时间源产生的误差τ1存在区别，其余模型单元误差计算结果完全一致。非定位模式下，时间管理系统时间源产生误差包括中心管理单元航天器器上飞行时发布误差和秒脉冲产生误差。飞行时发布误差实际取决于频率综合器频率稳定度指标，实测优于1×10-9，按最长非定位持续1圈时间计算，飞行时发布误差应不大于5.4 μs。同时，中心管理单元在北斗定位时，作为时间用户对飞行时进行校时产生的综合误差为15.2 μs，因此飞行时发布误差为20.6 μs。秒脉冲产生误差受频率综合器准确度指标影响，实测优于5 μs。最终，时间源产生误差τ1=25.6 μs。

因此，可以得出，在北斗非定位期间，各时间用户综合校时误差τ=τ1+τ2+τ3+τ4=37.8 μs，同样满足不大于50 μs的设计指标要求。

4 结束语

系统以北斗导航定位授时设备和频率综合器两种时钟源系统进行构建。航天器可根据导航数据定位状态自主进行时钟系统切换，在消除了频率源系统误差累积效应问题的同时，可避免导航非定位情况下时间精度急剧下降的问题。最后，以航天器应用实例进行计算分析，结果表明：本文给出的时间管理系统满足指标要求，可持续保证各用户高精度时间同步。后续航天器可参考本文系统设计，对误差模型单元参数进行修正，评估系统的时间综合误差，并通过对单机设备技术指标要求、芯片选型要求进行误差环节指标控制，以满足系统指标要求。

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Design of spacecraft autonomous high precision time management system*

WANG Wei, CHEN Dan, XU Xiao-guang

(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

For high precision time synchronization demands of long term on orbit spacecraft,an autonomous high precision time management system is proposed,which combines Beidou navigation equipment clock generator and frequency synthesizer clock generator.Two clock generators can autonomously switch by states of navigation and localization,it eliminates error accumulation effect of frequency clock generator system and solves the problem for time precision falling dramatically when Beidou navigation equipment is unable to be located.By building error model for system taking an real application in spacecraft for example,to compute and analyze, which indicates that precision of the system time synchronization is prior to 37.8 μs.The result can be a reference for subsequent design of high precision time management system spacecraft.

autonomous time management; Beidou navigation; frequency synthesizer; time synchronization error

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0127—03

2017—01—10

国家重大科技专项工程项目

V 474.2

A

1000—9787(2017)07—0127—03

王 玮(1986-)，男，硕士，工程师，从事航天器信息系统设计工作，E—mail：majestywangwei@163.com。