航天器多子网时间同步系统设计与验证

白崇延 邢卓异 张伍 黄昊 朱舜杰

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

深空探测器飞行距离遥远，地面测控困难、通信延迟大，尤其在探测器着陆、再入返回、交会接近目标天体等关键任务环节，不能像近地航天器那样依赖于地面测控，且无GPS卫星进行任务支持，需要由探测器自主确定探测器的位置和姿态。在这些任务环节需要探测器时间系统保持较高的精度，才能使探测器保持较高的导航精度，因此在没有GPS卫星支持条件下如何保证航天器时间精度已成为时间同步系统设计的热点问题[1]。

常规航天器采用单一拓扑结构，在整个任务期间只有一种时间同步系统结构，时统设计简单。目前国内外航天器采用的时间同步系统设计方法是器上配置高精度计时器，通过器上数管或星务系统对整器的时间进行维护和发布[2-3]，近地航天器还可以通过接收GPS卫星信号进行时间同步，从而满足航天器各个设备仪器的时间需求。

不同于常规航天器单一时统拓扑结构，多舱段多子网深空探测器在执行任务过程中将会存在舱段之间的多次分离或对接，每次分离或对接都将会改变或影响航天器的时统拓扑结构。航天器在不同的组合状态，不同的飞行时刻以及不同的任务执行阶段均有可能通过不同的方法和方式进行整器的时间维护和发布[4]。文献[5]提出了一种双子网深空探测器时统设计方法，通过在轨飞行过程验证了其设计方法的有效性，但对多子网时间同步系统没有提出解决方案；国外在这方面的研究鲜见于公开发表的文献中。

针对多子网深空探测器任务特点及时间精度要求，本文结合航天器广泛采用的时间同步系统组网方式，提出了一种对等子网和上下级子网相结合的多子网时间同步系统设计方案，并对该方案进行了时间误差分析，开展了地面试验验证。该时间维护系统适用于子网间多次对接或者分离的深空探测任务，在无GPS卫星支持下能够满足多子网深空探测任务时间精度要求。

1 多子网时间同步系统分析

1.1 多子网系统的组网方式

目前国内航天器广泛采用1553B总线连接各智能单元组成数据网络，在多子网系统的拓扑结构中存在2种较为常见的子网互联组网方式，分别为上下级子网和对等子网[6-7]。这2种拓扑结构的区别为，作为网关的公共终端在两个子网中或者都是作为远置终端，或者在其中一个子网中作为总线控制器，在另一个子网中作为远置终端。时间同步方案设计就是基于上述两种组网方式的系统。

上下级子网时间同步系统拓扑如图1所示，其中子网1是上级子网，子网2是下级子网，公共终端 (远置终端n+1、总线控制器2)作为总线1的远程终端，同时又作为总线2的总线控制器。对等子网时间同步系统拓扑如图2所示。2个子网分别配置子网独立的总线控制器，2个子网间设置网关(子网1远置终端p+1、子网2远置终端q+1)，分别作为2个子网的远置终端。

1.2 多子网时间同步机制分析

多子网时间同步系统设计的要点在于建立子网间的时间信息传输机制，针对不同的时间同步信息传输需求设计对应的软件结构及传输协议。需要考虑如下问题[8-9]：

(1)当时间信息跨越多级子网时，必须考虑两个子网的传输延迟等问题。如果传输绝对时间，且传输的延迟大于精度指标要求，显然难以满足设计需求；如果传输2个子网间的相对时间，传输延迟将不引入误差。

(2)总线数据传输一般有2种形式：由总线控制器发起的数据传输和由远置终端发起的数据传输。如果由总线控制器发起数据传输，无需等待可以立刻执行，时间同步信息到达远置终端的延时包括总线控制器内部及设备之间的软硬件延时和通信延时，引入误差数量级为百微妙量级，可能引入的误差满足设计精度要求。如果由远置终端发起的数据传输，需要总线控制器在时间片内某个时刻执行，根据国内航天器常规设计，最大的执行延时可达125 ms，远大于设计精度要求。

(3)子网间传输相对时间，需要同一设备在不引入其他误差的基础上，获取2个子网的时间，获取差值，用于校正被授时设备所在子网的守时设备。

综上所述，为满足时间精度要求，对2种拓扑结构的时间传输机制解决思路如下：

在上下级子网中，总线控制器1作为整个系统的守时设备，网关总线控制器2作为子网2的守时设备。总线控制器1通常为子网1数管中心计算机，能够与地面进行通信，获取地面校时信息，并利用子网1配置的高稳时钟源进行守时，并通过主动发起数据传输将绝对时间传输给网关设备；网关获取时间信息进行自身时间同步后，主动发起数据传输将绝对时间传输给子网2的时间接收设备。上下级子网时间传输过程示意图如图3所示。

在对等子网中，总线控制器1作为子网1的守时设备，总线控制器2作为子网2的守时设备。总线控制器1/2通常为子网1/2数管中心计算机，均能够与地面进行通信，获取地面校时信息。由于存在的设计约束，在对等子网组网状态，仅在子网1中配置高稳时钟源，子网1总线控制器作为整个网络的守时设备。子网1/2总线控制器均通过主动发起数据传输将绝对时间传输给网关设备及子网1其他时间接收设备；网关获取两个子网的时间信息后计算2个子网的时间差值，子网2总线控制器主动发起数据传输获取网关中的两子网时间差值，用于自身时间校正，与子网1时间建立同步。子网2总线控制器通过主动发起数据传输将时间同步信息传输给子网2时间接收设备。对等子网时间传输过程示意图如图4所示。

2 设计实例及时间误差分析

2.1 多子网时间同步系统设计实例

某多舱段深空探测器的数据网络划分为3个子网，且子网1、2、3分别位于不同的舱段中。以对等子网和上下级子网的时间传输机制相结合的解决思路为基础，文章设计了一种多子网时间同步系统，见图5。子网1和子网2组成上下级子网，其中子网1为上级子网，子网2为下级子网，通过网关A连接；子网1和子网3组成对等子网，通过网关B连接。

定义TD为地面标准时间，TG为子网1下行遥测时间，TS为子网3下行遥测时间，ΔTD-G为地面上注的校时数据，TF1为子网2总线控制器自身时间，TG1为子网1总线控制器自身时间，TS1为子网3总线控制器自身时间，TF2为子网2总线控制器总线广播时间，TG2为子网1总线控制器总线广播时间，TS2为子网3总线控制器总线广播时间，ΔTGS为网关B计算子网1广播校时TG2与子网3广播校时TS2之间的时间差。

为了满足舱段分离的需求，子网1、子网2和子网3均可独立工作，配置独立的守时设备，且子网1、2、3所在舱段中都配备了独立的对地上下行测控通道，可各自独立地获取地面校时。在独立工作状态下，各子网总线控制器为守时设备，与常规近地航天器时间同步体制相同；子网3与子网1+子网2组合体分离后，子网3作为单子网时间同步系统工作，子网1+子网2组合体作为上下级子网时间同步系统工作；在多舱段组合体工作状态，子网1总线控制器作为整个时间同步系统的时间基准设备，为其他子网提供时间同步信息。子网1+子网2组合体、子网1、子网2、子网3工作模式下时间维护过程的链路均可视为其子集。因此，下文仅对通过子网3测控信道上行对整个网络进行时间维护进行说明。

子网1/2/3组成完整的多舱段深空探测器数据网络，如图5所示。子网1总线控制器作为整个探测器系统的时间维护基准设备，配置了较高稳定度的频率输入信号。地面根据子网1下行遥测时间TG和地面标准时间TD生成上注校时数据ΔTD-G，通过子网3测控信道上注，子网3总线控制器将ΔTD-G转发给网关B，网关B将ΔTD-G转发给子网1总线控制器，由子网1总线控制器根据ΔTD-G完成校时，形成子网1总线控制器自身守时时间TG1，子网1总线控制器校时完成后周期性对网关A、网关B以及子网1中各终端设备广播时间TG2；子网2总线控制器(网关A)完成校时形成自身守时时间TF1后，周期性对子网2各终端设备广播时间TF2；子网1总线控制器周期性把TS2发送网关B，网关B计算子网1总线控制器和子网3总线控制器的时间差ΔTGS后发送给子网3总线控制器，子网3总线控制器得到时间差ΔTGS后完成校时，形成自身守时时间TS1，然后周期性对子网3各终端设备广播时间TS2。

2.2 多子网时间同步系统误差分析

文章描述的时间同步系统设计方案，精度要求为各子网的器地时间误差小于5.00 ms。定义TGD为子网1总线控制器守时时间，TFH为子网2总线控制器守时时间，TSS为子网3总线控制器守时时间。在图 5所示的多舱段多子网深空探测器时间同步系统下，子网1总线控制器作为整个时间同步系统的守时设备与地面标准进行时间同步，TGD与TD的关系为

TGD-TD=Tmod ulation+Tlink+Tdemod ulation+

Tint+ΔTMeature+ΔTQ

(1)

式中：Tmodulation、Tlink、Tdemodulation分别为子网1航天器上遥测的调制时间、与地面之间通信信号的传输时间和地面遥测的解调时间，其中，Tmodulation和Tdemodulation要通过地面测量获得，Tlink可通过测定轨后或者地面验证过程中通过计算获得；ΔTMeature可认为是测量Tmodulation、Tlink、Tdemodulation时产生的测量误差；Tint为当遥测中断被其他事件关闭(如总线广播时间过程关闭中断)产生的时间误差。

子网2总线控制器守时时间TFH与子网1总线控制器守时时间TGD为

TFH-TGD=TG-Comdeley+TGocs-30s+TF-Comdeley

(2)

式中：TG-Comdeley为子网1总线控制器在向子网2总线控制器发起时间同步信息传输过程中由软件和通信产生的延时；TF-Comdeley为子网2总线控制器内部的软件和中断响应延时；TGocs-30s为子网1总线控制器30 s内守时晶振漂移导致的计时误差，根据子网1总线控制器使用的晶振性能指标，误差值低于6×10-9s。

子网3总线控制器守时时间TSS与子网1总线控制器守时时间TGD关系为

TSS-TGD=TCal+TZocs-30s+TS-Comdeley

(3)

式中：TCal为网关B同时获取子网1总线控制器和子网3总线控制器守时的时间并计算差值后传输给子网3总线控制器，由软件和通信产生的延时；TS-Comdeley为子网2总线控制器内部的软件和中断响应延时；TZocs-30s为网关B收到子网1总线控制器守时时间及子网3总线控制器守时时间计算差值，最长间隔时间30 s晶振漂移导致的计时误差，根据网关B使用的晶振性能指标，误差值低于10-6s，TZocs-30s最大值误差为3×10-5s不能忽略。

式(2)+(1)，(3)+(1)，得到

TFH-TD=Tmod ulation+Tlink+Tdemod ulation+

ΔTMeasure+ΔTQ+TGocs-30s+TG-Comdeley+

TF-Comdeley+Tint

(4)

TSS-TD=Tmod ulation+Tlink+Tdemod ulation+

ΔTMeasure+TZocs-30s+TCal+TF-Comdeley+

Tint+ΔTQ

(5)

根据软件设计分析TG-Comdeley、TF-Comdeley理论最大误差值为5×10-4s，该误差值不能忽略；Tint为遥测下行过程中，遇到遥测中断被关闭导致的误差，最大误差值为5×10-4s；TGocs-30s为子网1总线控制器30 s内守时晶振漂移导致的计时误差，根据子网1总线控制器使用的晶振性能指标，误差值低于6×10-9s；ΔTMeature的时间误差数量级为10-6s。ΔTMeature、TGocs-30s小于计时精度2个数量级以上，均可以忽略；根据网关B晶振性能进行分析，TZocs-30s为30 s内最大值误差为3×10-5s；根据网关B软件设计情况，TCal最大误差值为1.2×10-3s；ΔTQ为在下行遥测写入时间码时，由于毫秒时间量化造成的时间误差，最大值为1.0×10-3s；器地链路时延C=Tmodulation+Tlink+Tdemodulation，C近似为常数，可以通过测量获得在轨应用中在器地校时过程中进行补偿。

TFH-TD≤C+2.5×10-3s

(6)

TSS-TD≤C+3.23×10-3s

(7)

TGD-TD≤C+1.5×10-3s

(8)

通过上述分析，该多舱段多子网深空探测器时间同步系统通过器地校时后，不考虑晶振长漂的情况下，子网1守时时间与地面标准时间误差为1.50 ms，子网2守时时间与地面标准时间误差为2.50 ms，子网3守时时间与地面标准时间误差为3.23 ms；考虑晶振长漂的情况下，子网1守时时间与地面标准时间误差为3.50 ms，子网2守时时间与地面标准时间误差为4.50 ms，子网3守时时间与地面标准时间误差为4.23 ms；各时差均满足器地时间误差小于5.00 ms的精度要求。

3 地面试验验证

通过搭建地面试验验证系统，获取器上时间码，与地面标准时间码进行比较，分析得出各子网各守时设备与地面标准时间的误差，验证时间时间系统设计是否正确[10-12]。

3.1 各子网GPS时间戳与对应时间码关系分析

定义ΔTGD为子网1器地链路时延；ΔTFH为子网2器地链路时延；ΔTSS为子网3器地链路时延。

1)子网1的GPS时间戳与器上时间码关系

地面验证中器地校时未补偿子网1的器地链路时延C，子网1总线控制器守时时间比标准时间TD快ΔTGD，存在等式

TGD-ΔTGD=TD

(9)

定义子网1遥测帧中插入的时间码TGD产生时刻为TGPS1，该遥测帧下传到子网1地面调制/解调设备中插入GPS时间戳TGPS2

TGD-ΔTGD=TGPS1

(10)

TGPS2-TGPS1=ΔTGD

(11)

得TGPS2=TGD，则：对子网1总线控制器进行GPS校时后，子网1地面MTP测试数据库中查询得到的同一遥测帧内的器上时间码与对应的GPS时间戳近似相等，即TGPS2-TGD=0(器地链路时延可认为是常数予以扣除)。子网2守时与子网1守时最大偏移不能超过5.00 ms，|TGPS2-TGD|≤5.00 ms。

2)子网2GPS时间戳与器上时间码关系

根据第2章分析，子网1守时时间与子网2时间误差TGW∈[0.00，3.50] ms，存在

TGD-ΔTGD=TD

(12)

TGD-TFH=TGW

(13)

得TFH-(ΔTGD-TGW)=TD，可以得出子网2总线控制器守时的时间比标准时间快(ΔTGD-TGW)，(ΔTGD-TGW)∈[996.50，1 000.00] ms。

定义子网2遥测帧中插入的时间码TFH产生时刻为TGPS3，该遥测帧下传到子网2地面调制/解调设备中插入GPS时间戳TGPS4

TFH-(ΔTGD-TGW)=TGPS3

(14)

TGPS4-TGPS3=ΔTFH

(15)

得TGPS4-TFH=ΔTFH-ΔTGD+TGW，其中ΔTFH测量值为1 161.00 ms，(TGPS4-TFH)∈[161.00，164.50] ms。GPS校时后，地面MTP测试数据库中查询得到的同一遥测帧内的器上时间码与对应的GPS时间戳，相差的最大值为164.50 ms，最小值为161.00 ms。

若子网2与子网1守时时间完全同步，TGPS4-TFH=161.00 ms。子网2守时与子网1守时最大偏移不能超过5.00 ms，(TGPS4-TFH)∈[156.00,166.00] ms，其中161.00 ms表示子网1守时时间与子网2守时时间完全同步。上述推论(TGPS4-TFH)∈[161.00，164.50] ms满足时间设计精度要求。

3)子网3GPS时间戳与器上时间码关系分析

子网3守时时间与子网1守时时间误差TSP∈[0.00，1.73] ms，存在

TGD-ΔTGD=TD

(16)

TGD-TSS=TSP

(17)

得TSS-(ΔTGD-TSP)=TD，可以得出子网3守时时间比标准时间快(ΔTGD-TSP)，(ΔTGD-TSP)∈[998.27，1 000.00] ms。

定义子网3遥测帧中插入的时间码TSS产生时刻为TGPS5，该遥测帧下传到子网3地面调制/解调设备中插入GPS时间戳TGPS6

TSS-(ΔTGD-TSP)=TGPS5

(18)

TGPS6-TGPS5=ΔTSS

(19)

得TGPS6-TSS=ΔTSS-ΔTGD+TSP，其中ΔTSS测量值为2 205.00 ms，(TGPS6-TSS)∈[1 205.00，1 206.73] ms。GPS校时后，地面MTP测试数据库中查询得到的同一遥测帧内的器上时间码与对应的GPS时间戳，相差的最大值为1 206.73 ms，最小值为1 205.00 ms。

若子网3与子网1守时时间完全同步，TGPS6-TSS=1 205.00 ms。子网3与地面标准时间最大偏移不能超过5.00 ms，在这种条件下(TGPS6-TSS)∈[1 200.00，1 210.00] ms，其中1 205.00 ms表示子网3守时时间与地面标准时间完全同步。上述推论(TGPS6-TSS)∈[1 205.00，1 206.73] ms满足时间设计精度要求。

3.2 各子网时间数据分析

本节对多子网时间同步系统联合工作状态下，子网1、2、3遥测信道下行的遥测帧中的时间码及对应的GPS时间码进行分析。

1)子网1时间数据

查询TGPS2和TGD数据，绘制(TGPS2-TGD)曲线如图6和图7所示，图6持续约为180 s，误差区间为[-0.42，0.59] ms，图7持续时间约为130 min，误差区间为[-0.36，1.03] ms。

通过上述试验数据可知，子网1守时时间满足在地面连续2 h不对探测器注入校时指令条件下，器地时差不大于5.00 ms，满足在轨时间精度要求。

2)子网2时间数据

查询TGPS4和TFH数据，绘制(TGPS4-TFH)曲线如图8和图9所示。图8持续约为180 s，误差区间为[161.00，163.00] ms，图9持续时间约为130 min，误差区间为[161.00，164.00] ms。

验证数据得(TGPS4-TFH)∈[161.00，164.00] ms，满足3.1节中[161.00，164.50] ms的分析结果，在2 h10 min内，子网3守时时间与地面标准时间偏移在[0.00，3.00] ms间跳变。子网3器上时间满足在地面连续2 ms不对探测器注入校时指令条件下，器地时差不大于5.00 ms的时间精度设计要求。

3)子网3时间数据

通过在测试计算机中查询TGPS6和TSS数据，绘制(TGPS6-TSS)曲线如图10所示，图中误差区间为[1 205.01，1 206.66] ms。

验证数据得(TGPS6-TSS)∈[1 205.01，1 206.66] ms，满足3.1节中[1 205.00，1 206.73] ms的分析结果，子网3守时时间与地面标准时间偏移在[0.10，1.66] ms间跳变，满足器上时间精度设计需求。

4 结束语

本文提出了多子网深空探测器中对等子网与上下级子网相结合的时间同步系统设计方法，并对各子网守时时间与地面标准时间误差进行了理论分析，通过地面试验验证并获取试验数据，经过分析证明：各舱段守时时间与地面标准时间之间的误差小于5.00 ms的精度设计要求，满足任务需求。本文提出的时间同步系统设计方法已成功应用于某月球探测器，可以为后续深空探测任务设计参考。

参考文献(References)

[1] 孙泽洲，孟林智.中国深空探测现状及持续发展趋势[J].南京航空航天大学学报，2015，47(6)：785-791

Sun Zezhou, Meng Linzhi．Current situation and sustainable development trend of deep space exploration in China[J] Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2015，47(6)：785-791 (in Chinese)

[2] Wu Haitao，Li Xiaohui，Bian Yujing．Independent UTC synchronization and time code transmission over LORAN-C data channel[C]// Proceedings of the IEEE 2002 International Frequency Control Symposium. New York：IEEE，2002：156-183

[3] 金晟毅，杜颖，黄昊. 一种多航天器组合体的时统结构：中国，ZL201418006574.0[P]. 2017-04-12

Jin Shengyi，Du Ying，Huang Hao. A structure of time-synchronization system on multi-cabin spacecraft: China, ZL201418006574.0[P]. 2017-04-12

[4] 杨孟飞，张伍，杜颖. 多舱段组合式航天器的变结构数据总线系统：中国, ZL201418006575.5[P]. 2017-04-12

Yang Mengfei，Zhang Wu，Du Ying. The variable structure data bus system on multi-cabin spacecraft: China, ZL201418006575.5 [P]. 2017-04-12

[5] 金晟毅，白崇延，张伍, 等. 月地高速再入返回航天器时统设计及验证[J]. 航天器工程，2016，25(1)：84-89

Jin Shengyi, Bai Chongyan, Zhang Wu, et al. Time-synchronization system design and verification for moon-earth high-speed reentry spacecraft[J]. Spacecraft Engineering，2016，25(1)：84-89 (in Chinese)

[6] 穆强，裴楠，郭坚，等. 一种航天器上多子网数据网络设计[J]. 航天器工程，2015，24(6)：41-46

Mu Qiang, Pei Nan, Guo Jian, et al. Design of on-board multi-subnet data network of spacecraft[J] Spacecraft Engineering，2015，24(6)：41-46 (in Chinese)

[7] 周林. 国际空间站信息系统方案[J]. 遥测遥控，2005，26(2)：50-56

Zhou Lin．Space station information system project[J]. Journal of Telemetry，Tracking，and Command，2005，26(2)：50-56 (in Chinese)

[8] 邵金剑，邵宗良. 1553B总线拓扑及通信协议设计[J]. 计算机工程，2011，37(10)：269-270

Shao Jinjian，Shao Zongliang. Design of bus topology and communication protocols on 1553B[J]. Computer Engineering, 2011，37(10)：269-270 (in Chinese)

[9] 黄波. 1553B总线控制系统时间同步设计[J]. 航天控制，2008，26(6)：70-73

Huang Bo. A time synchronization mechanism for 1553B data bus control system[J]. Aerospace Control，2008，26(6)：70-73 (in Chinese)

[10] 国防科学技术工业委员会. GJB 2242-94 时统设备通用规范[S]. 北京：国防科工委军标出版发行部，1994

Commission of Science，Technology and Industry for National Defense. GJB 2242-94 General specifieation for timing equipments [S]. Beijing：Military Standard Publishing Department of Commission on Science,Technology,and Industry of National Defence，1994 (in Chinese)

[11] 章宝润. 时间统一系统[M]. 北京：国防工业出版社，2003

Zhang Baorun. Timing system[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2003 (in Chinese)

[12] 王云杨. 时间同步技术研究[J]. 计算机与网络，2009，35(16)：37-40

Wang Yunyang. Time synchronization technology[J]. Computer and Network，2009，35(16)：37-40 (in Chinese)