基于1553B总线的卫星星时高精度自主恢复设计

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(1.北京空间飞行器总体设计部,北京 100094； 2.中国空间技术研究院 载人航天总体部,北京 100094)

0 引言

卫星星时管理和维护是航天器数据管理的一项基本任务，通常是由星载数据管理计算机软件实现的。卫星星时可用于支持下行遥测信息的形成，支持延时命令的执行，支持姿态和轨道控制以及其他分系统的运行，也支持各类遥感图像及收集到的电子信号的精确定位等[1]，因此卫星星上时间对于卫星的正常运行和应用起到了至关重要的作用。由于卫星工作的特殊空间环境，星载数据管理计算机会受到空间环境变化及空间天气灾害事件的影响，造成星载数据管理计算机自主复位、切换备份等操作，影响星地时间同步，进而影响与星时相关任务的执行。因此，引入星时自主恢复机制对于卫星数据管理是十分必要的。

对于携带GPS接收机的航天器，可以通过接收GPS时间达到自主恢复星时的目的，但是对于地球同步轨道卫星和深空探测卫星等没有携带GPS接收机的航天器而言，这种方法不适用。另外，美国已成功掌握了局部屏蔽GPS信号等技术[2]，这就对依赖于GPS的国内航天器带来了潜在的应用风险[3]。本文针对没有携带GPS接收机的航天器，星时精度要求高的卫星系统提出了一种基于1553B总线的星时高精度自主恢复设计。

1 星时管理方案简介

典型的卫星系统中，星时管理是由星载数据管理计算机实现的，下面对目前航天器星时管理的相关概念进行介绍：

星时生成：由卫星系统和地面测控系统约定一个时间点作为时间零点(例如北京时间2008年1月1日0：00：00作为时间零点)，然后由星载数据管理计算机计时电路计时，产生的相对时间，作为卫星星时。星时一般为相对于其时间零点的累积值，卫星发射前需根据时间零点对累计值进行设置，一般在星载数据管理计算机中由秒部分和亚秒部分组成，秒部分计数单位为1秒，亚秒部分计数单位为若干毫秒或若干微秒(由星时计时电路最小分辨率和亚秒部分数据长度确定)，其结构形式如表1所示[4]。

表1 星上时间码结构表

星时分发：常用的有两种方式，一种由星载数据管理计算机每秒送出秒脉冲给星时用户使用，用户收到秒脉冲后当作自己的秒计数用；另一种是由星载数据管理计算机以固定时间间隔在总线上广播或者发送当前的星时，星时用户接收时间码，扣除误差后作为自己的星时。在卫星系统里，除星载数据管理计算机外的星时用户，通常有载荷分系统和控制分系统。

星时下传：由星载数据管理计算机以固定的间隔取出星时填入卫星遥测帧，通过遥测帧下传至地面。地面测控系统接收到遥测数据中的星时后，根据约定的时间零点以及星时数据，计算出当前星时。

星时维护：大多数航天器软件采用通过秒中断计数来维护星上时间的方法，维护由计数器产生的时间信息[5-6]。

星时校准：对星上时间校准采用了集中校时和均匀校时两种方法。在这两种方法中，飞行器定时将星上时间传回地面进行比对，地面计算出星上与地面时钟的时间误差，集中校时就是把地面测定的时间误差T0通过遥控注入星上，星上把接收到的时间差一次性加到时间计数器中，从而纠正星上时钟；均匀校时是地面根据计算出的时间误差拟合曲线(kt+T0)，然后将获得的参数k通过遥控注入星上，星上时钟就按照每秒加k进行修正。集中校时可以消除累计误差，均匀校时有利于保持星上时间的连续性，在使用中通常两种方法配合进行[7]。

2 星时恢复方案

图1 典型的数据管理分系统总线拓扑图[8]

常规的星时恢复有两种，一种是通过地面测量星地时差，当时差累计到某一个设定的阈值时，生成校时数据对星时进行调整，这种方法需要地面人工干预，同时不能保证实时性，只能是事后处理，这种方法对于卫星不可见弧段的工作会有很大影响，尤其是太阳同步轨道的遥感卫星，其主要大部分工作均在不可见弧段进行；另一种是将星时作为重要数据，定期保存，当星载数据管理计算机出现自主复位、切换备份情况时，自动从保存的重要数据中取回星时，此种方法不能保证恢复后的星时误差，误差取决于重要数据保存间隔和计算机自主复位或切换备份所需要时间，一般误差在十秒以上，不能满足对星时精度要求高的卫星系统的要求，其过程如图2所示。

图2 星时恢复过程示意图

基于1553B总线的卫星星时高精度自主恢复设计是基于1553B总线通信协议，在星载数据管理计算机复位、切换备份时，自主通过总线从星时用户取回相对星时时差，并对自身时间码进行自动校准。图1为典型的数据管理分系统总线拓扑图，在该系统内计算机可将卫星星时定时通过1553B总线分发到星上用户，并在计算机复位或者切机时，通过预先制定的通信协议从星上时间用户取回时间码进行自动校准，从而完成星时恢复。具体星时恢复设计如下：

1)选择星时恢复来源：

选定一个星时用户作为星时自主恢复的来源。该用户使用计算机分发的时间作为本机时间，并且星时用户在两次时间分发间隔内具有较精确的星时维护能力。

时间用户则是时间维护和时间发布的对象，控制分系统、载荷、数传分系统及地面测控均可认为是时间用户[9-10]，目前航天器上主要选择控制计算机或载荷计算机作为星时恢复来源，也可以同时选择两个星时用户作为星时自主恢复的来源，事先设置恢复的优先顺序，并设置合理的判据。

2)重要数据保存和恢复：

在传统数据管理系统，星载数据管理计算机会将软件运行中产生的重要的数据通过总线定时(一般为1分钟)发送给远置单元进行保存，如果计算机复位或切换，软件启动后，首先从保存的重要数据进行星时恢复，作为当前粗略的星时，该星时t落后于当前真实时间T。

重要数据保存一般选择长期加电工作的RT终端，为了保证星上重要数据的安全，可以选择同时保存在两个RT终端中，事先设置恢复的优先顺序，第一个恢复不成功则继续从第二个恢复，这样可以保证其中一个RT异常时仍然能够顺利恢复重要数据。

3)发送从重要数据恢复的粗略星时：

星载数据管理计算机取出当前恢复后的星时t1(此时星时用户时间为T1)，通过1553B总线BC-RT方式发送给选定的星时用户，并将取出星时到星时通过1553B总线送到星时用户总线控制器缓存中这个过程中产生的延时修正量Δt1修正到发送的星时数据中。因此，星时用户接收到的时间数据Tr为:

Tr=t1+Δt1

星时用户接收到1553B总线发送的时间数据时，实际经历时间为ΔT1。

修正量Δt1可以通过软件仿真分析、调试、测试得到，需要事先进行标定，使得Δt1的值接近ΔT1，标定结果越准确，则产生的误差越小。

记Δ1=ΔT1-Δt1，为修正量Δt1与实际经历时间ΔT1之间的误差。

4)星时用户计算时差:

选定的星时用户的1553B总线控制器会产生中断信号，该中断需要星时用户的软件以高优先级的方式进行处理，因此星时用户需及时将缓存中的星时数据读出，然后计算当前时刻与接收到星时Tr的差，同时要考虑从缓存中读出到计算开始这个过程的延时修正量Δt2，从收到时间数据到计算开始实际经历的时间为ΔT2，因此计算后的时差ΔT为：

ΔT=T1+ΔT1+ΔT2-Tr-Δt2=

T1-t1+ΔT1-Δt1+ΔT2-Δt2

记Δ2=ΔT2-Δt2，为修正量Δt2与实际经历时间ΔT2之间的误差。

此时：

ΔT=T1-t1+Δ1 +Δ2

同样，Δt2也需要通过软件仿真分析、调试、测试进行事先标定，标定结果越准确，Δt2的值越接近ΔT2，产生的误差也越小。

5)星时用户发送时差数据：

星时用户计算出时差数据后有两种方式将此数据送给星载数据管理计算机：一是将时差数据放入约定地址后，通过1553B总线向星载数据管理计算机提出服务请求；二是按照约定的时间内，将时差数据放入约定地址，等待星载数据管理计算机自动取走。前者实时性好，能够缩短星时恢复过程所需时间。

6)计算机修正星时：

数据管理计算机在等待一定时间(Td)后开始从星时用户那里，通过1553B总线RT-BC方式将时间差读回(假设延时为Δt3)，并对读回的数据有效性进行判断，当数据有效时对当前星时t3进行修正,t3为：

t3=t1+Td+Δt3

因此修正后的时间t为：

t=t3+ΔT+Δ3=T1+Td+Δt3+Δ1+Δ2

如果读回的数据无效，并且实现设置了两个星时用户用于星时恢复，则按照约定向第二个星时用户重复(3)～(6)操作。

3 实验结果与分析

根据上述星时恢复方案，在地面利用星载数据管理计算机和一台载荷计算机进行了测试，两台计算机均使用外部同一个时钟源进行时间计数，星载数据管理计算机时间亚秒计数单位为16 μs。设计了如下测试方案及步骤：

第一步，建立时间校准系统。使用GPS作为地面时间基准，测量下行遥测信号星地时延，再采用下传的遥测帧中的时间码与地面时间基准比较的方法，建立时间校准系统，具备均匀校时、集中校时功能。

第二步，校准卫星时间。使用时间校准系统，对星载数据管理计算机进行校时，使之与GPS时间同步，等待星载数据管理计算机分发星时，载荷计算机利用收到的星时完成自身校时。

第三步，复位星载数据管理计算机并恢复星时。地面发送指令使星载数据管理计算机复位，等待复位完成并从载荷计算机恢复星时。

第四步，计算星地时差。利用时间校准系统，比较星载数据管理计算机与地面GPS时间的时差，即为星时恢复过程产生的星时误差。

测试结果表明：

1)星载数据管理计算机可以通过载荷计算机自主恢复星时，星时恢复方案可行；

2)恢复后的星时与地面标准时间的差值为240 μs。

此星时恢复方案，恢复过程产生的误差主要有两部分，即Δ1和Δ2，其中Δ1是星载数据管理计算机产生的，Δ2是载荷计算机产生的，这两部分误差均与计算机软件操作过程相关，可以通过优化软件设计以及仿真分析逐步减小误差。同时，外部时钟源的精度、星载数据管理计算机复位过程持续时间均会对星时恢复误差产生影响。

此星时恢复方案优点在于：星载数据管理计算机出现复位或切换备份操作时，能否自主恢复星时，保证了卫星系统星时连续性，提高了卫星可用性，并且能够将星时恢复误差控制在微秒级，精度能够满足使用要求。

4 几点说明

1)星时用户选取。不同的星时用户对星时精度要求不同，选取对星时精度要求高的星时用户，有助于提高星时自动恢复的时间精度。考虑系统备份，在不影响系统工作前提下可以选取多个星时用户用于星时恢复。

2)采用此方法实现星时自主恢复的前提是星载数据管理计算机与所选取的星时用户使用的时钟同源或者在星载数据管理计算机复位或切机开始至星时自动恢复这段时间内星时用户时钟产生的误差可以忽略。

3)在制定星时自动恢复协议时，需要确定ΔT1、ΔT2和Td，并且要求Td>ΔT1+ΔT2。一般要求Td不大于500 ms，这样有利于尽快恢复星时。

4)星时恢复过程中的延时修正量Δt1和Δt2需要分别在星载数据管理计算机调试及星时用户设备调试过程中标定，标定的准确与否决定了星时自动恢复的误差大小。

5)星时恢复效果可以通过星载数据管理计算机与星时用户设备间联合测试进行验证。测试时需要具备星地时延、星地时差测量系统，能够通过集中校时实现对星时的准确校正。

5 结束语

本文提出的基于1553B总线的卫星星时高精度自主恢复设计，能够有效减少对地面人工干预的依赖，并能够有效的保证在意外情况下星载数据管理计算机工作的连续性。此星时自主恢复方法能够实现微秒级误差，精度满足工程需要。星时高精度自主恢复设计没有带来额外的硬件开销，需要增加的仅仅是相关总线协议的制定以及软件开发工作，在实际工程中具有一定的实用价值。在星载数据管理计算机需要复位或切机的情况下，大大提高了卫星系统的可用性。