基于GPS高精度高可靠卫星自主校时系统设计

陈红飞 章生平 孙立达 刘艳阳 魏春

摘 要： 设计一种基于GPS的卫星自主校时系统。采用CPU晶振和高稳晶振平滑切换结构，并通过总线校时和秒脉冲校时手段进行修正维护。总线校时方式通过时延参数的测量及修正，校时精度可达到300 μs，接口简单，操作方便；秒脉冲校时方式通过硬件实现，校时精度优于100 μs，稳定可靠，精度较高。两种校时方法组合使用，具有高精度、高可靠、自主可控，易于实现等特点。地面试验结果表明，该系统可满足卫星的高要求。

关键词： 卫星； 自主校时； 高精度； GPS秒脉冲； 1553B总线； 系统设计

中图分类号： TN927?34； V443 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）15?0105?03

Design of high?precision and high?reliability satellite antonymous time

calibration system based on GPS

CHEN Hongfei， ZHANG Shengping， SUN Lida， LIU Yanyang， WEI Chun

（Shanghai Institute of Satellite Engineering， Shanghai 201109， China）

Abstract： A satellite antonymous time calibration system based on GPS is designed， in which the smooth switching structure of CPU crystal oscillator and high?stability crystal oscillator is adopted， and the means of bus time calibration and pulse per second （PPS） time calibration is used for correction and maintenance. The bus time calibration method is used to measure and correct the delay parameters， its time calibration accuracy can reach up to 300 μs， which has simple interface and easy operation. The PPS time calibration method is implemented with hardware， its time calibration accuracy is superior to 100 μs， which has stable operation and high precision. The combination usage of two time calibration methods has the advantages of high accuracy and reliability， antonymous control， and easy realization. The results of the ground test show that the system can meet the high performance of satellite.

Keywords： satellite； autonomous time calibration； high accuracy； GPS pulse per second； 1553B bus； system design

0 引 言

隨着卫星载荷功能、性能的不断提升，系统对时间精度和稳定度的要求越来越高，特别是GEO发射?LEO接收的双基地合成孔径雷达（SAR）[1]，对时间要求更为严格。

卫星星务主机通常需要产生和维护平台统一时钟，周期性通过总线广播给各终端使用。由于晶振时钟的准确度和稳定度有限，长期积累后容易产生时钟偏差，因而需要时统校正维护，控制误差在一定范围内。目前，卫星系统常用的校时方法主要有集中校时、均匀校时和总线校时，校时精度较低，可靠性不高，操作不方便[2]。本文结合GPS和高稳晶振的互补特点，提出一种高精度高可靠卫星自主校时方法。

1 星上时钟管理

目前，卫星星上时钟维护有授时和校时两种常用方式[3]，分类情况如图1所示。

授时有遥控授时和导航授时，是读取外部完整时间格式作为星上系统时钟的基点，仅在地面测试或者在轨飞行中系统时钟切换、复位等非正常时操作。

校时有集中校时、均匀校时、GPS总线校时、GPS秒脉冲校时等方法。集中校时，当星地时差超过限定范围，由地面测控系统对星上注入时差值进行校时。均匀校时，地面遥测根据时钟漂移规律，计算星上时钟变化率，周期性地进行一定补偿。GPS总线校时，利用总线用户广播的时间，对星上时钟进行校时修正。GPS秒脉冲校时，利用GPS秒脉冲信号，对星上时钟进行校时修正。

2 方案设计

高稳晶振的短期稳定性非常好，但长期稳定性较差，再加上老化的因素，长期使用后频率输出会有较大的累计误差[4]。GPS接收机输出的秒脉冲信号存在较大的随机误差，却不存在累计误差。系统采用CPU晶振和高稳晶振平滑切换的设计，并通过GPS总线校时和秒脉冲校时等手段进行时统维护。星上时间维护总体方案如图2所示。

星务主机采取软件时钟方式，硬件提供循环计时器，软件周期性读取计算节拍间隔时间后累加到软件时钟参数上。系统时钟基准源优先选用5 MHz高稳恒温晶振，FPGA产生100 μs分辨率的16位时钟计数源供软件读取。当软件读取的高稳晶振计时值故障时，可以自主平滑过渡或遥控注数切换到由CPU内部晶振产生的低稳定度时钟计数源。CPU内部的GT时钟计数口可根据需要设置成1 μs分辨率，32位循环计数器。

软件周期性读取高稳定的计数器或低稳定度计时器，与各自上次读数相减，获取本次计时的间隔量[Th]，[Tl]，比对[Th]和[Tl]，若[Th]数据可信则累加到系统软件时钟上，否则采用内部时钟[Tl]数据累加到系统软件时钟上。

由于晶振的准确度和稳定度指标始终有限，长期积累后会产生偏差，系统通过GPS总线和GPS秒脉冲进行校时修正。两种方式根据星务主机高稳计时源使用情况来选择，且只能使用一种方式。当星务主机硬件高稳计时源可用时，通过GPS秒脉冲校时，反之则使用GPS总线校时。

GPS总线校时和秒脉冲校时可由地面注数进行准禁控制，对校时的范围进行限幅，确保GPS偶尔异常跳变时不会导致系统时钟的跳变。

2.1 GPS总线校时

总线采用1553B标准的接口总线，由1553B总线控制器和隔离变压器组成，构成一个双通道冗余的1553B总线收发与协议控制电路。通信方式为时分多路，指令响应式半双工通信，传输介质为双绞屏蔽线，特性阻抗为70～85 Ω，接口原理如图3所示[5]。

GPS接收机定位后，按协议要求生成卫星定位，定轨数据通过1553B总线发送至星务主机，周期为1 s。星务软件访问硬件计时器和软件系统钟，实时计时，向1553B用户广播，广播周期为1 s。GNSS接收机总线广播时间后，进行相减计算时间差值。差值需扣除RT端产生的时延，BC端产生的时延和总线传输时延则由星务软件处理。若最终GPS与星上系统钟时差较小（±5 ms），则星务主机认为GPS数据可信，同时在地面授权的情况下，GPS可以自主对星上时钟进行校时修正[6]。

GPS总线校时流程如图4所示。

2.2 GPS秒脉冲校时

GPS接收机定位后，在每个整秒时刻，发出一个同步精度小于1 ms的高精度负脉冲。秒脉冲信号波形如图5所示。秒脉冲下降沿有效，下降沿精度小于50 ns，宽度为1.0 ms±0.1 ms，发送周期为1 s±1 ms。与每个秒脉冲对应的整秒时间数据通过1553B总线发送至星务主机。

秒脉冲接口电路为同步RS 422，采用二对二形式。输出端有51 Ω电阻保护，输入端上拉和下拉电阻为750 Ω，隔离电阻为260 Ω，线上特性阻抗为120 Ω。输入方对信号采取滤波等可靠性措施，防止干扰信号影响。GPS秒脉冲接口电路如图6所示。

星务主机接收GPS接收机的秒脉冲信号，系统硬件接收到后，自动锁定硬件计时器的参数。当软件访问后，计算对应锁定时刻的系统时间，模整秒后的时间余数，判断与整秒的偏差值，设定偏差不超过设定门限（±10 ms），若数据可信，则用偏差值修正本地时钟。GPS秒脉冲校时流程如图7所示。

3 结 语

本文结合GPS和高稳晶振的互补特点，提出一种高精度高可靠卫星自主校时方法，系统通过GPS总线和GPS秒脉冲进行校时修正。地面试验结果表明，GPS总线校时方式通过时延参数的测量及修正，校时精度可达到300 μs，GPS秒脉冲校时方式不涉及软件因素，校时精度较高，优于100 μs。两种校时方法组合使用，具有精度高，稳定性好，可靠性高，易于实现等特点。

参考文献

[1] SARABANDI K， KELLNDORFER J， PIERCE L. GLORIA： geostationary/low?earth orbiting radar image acquisition system： a multi?static GEO/LEO synthetic aperture radar satellite constellation for earth observation [C]// 2003 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. [S.l.]： IEEE， 2003： 773?775.

[2] 李浛，程砾瑜，曹海宁，等.GPS高精度校时在卫星控制系统中的应用[J].遥感学报，2012，16（z1）：52?56.

LI H， CHENG L Y， CAO H N， et al. Usage of high accuracy GPS time calibration in satellite onboard control system [J]. Journal of remote sensing， 2012， 16（S1）： 52?56.

[3] 田贺祥，王同桓，李璇，等.遥感卫星星上时间管理方法[J].传感器与微系统，2013，32（4）：80?82.

TIAN Hexiang， WANG Tonghuan， LI Xuan， et al. On?board time management method of remote sensing satellite [J]. Transducer and microsystem technologies， 2013， 32（4）： 80?82.

[4] 张斌，张东来.基于GPS的高精度时钟在线校频与授时研究[J].中国电机工程学报，2012，32（10）：22.

ZHANG Bin， ZHANG Donglai. GPS?based precision clock online frequency calibration and time service [J]. Proceedings of the CSEE， 2012， 32（10）： 22.

[5] DDC Corporation. BU?65170/61580 and BU?61585： MIL?STD?1553A/B NOTICE 2 RT and BC/RT/MT， advanced communication engine （ACE） [EB/OL]. [2010?10?09]. https：//wenku.baidu.com/view/9da446f34693daef5ef73d0b.html.

[6] 章生平，朱海园，朱维，等.卫星系统时钟基于总线方式的校准方法：CN102096372B[P].2012?09?19.

ZHANG Shengping， ZHU Haiyuan， ZHU Wei， et al. Calibration method of satellite system clock based on bus： CN 102096372B [P]. 2012?09?19.

[7] 于佳，邓元勇.基于GPSD的高精度校时系统[J].现代电子技术，2012，35（3）：45?48.

YU Jia， DENG Yuanyong. The high?precision time synchronous system based on GPSD [J]. Modern electronics technique， 2012， 35（3）： 45?48.