基于1553B總線的衛(wèi)星星時高精度自主恢復(fù)設(shè)計

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(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094； 2.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部,北京 100094)

0 引言

衛(wèi)星星時管理和維護(hù)是航天器數(shù)據(jù)管理的一項基本任務(wù)，通常是由星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的。衛(wèi)星星時可用于支持下行遙測信息的形成，支持延時命令的執(zhí)行，支持姿態(tài)和軌道控制以及其他分系統(tǒng)的運(yùn)行，也支持各類遙感圖像及收集到的電子信號的精確定位等[1]，因此衛(wèi)星星上時間對于衛(wèi)星的正常運(yùn)行和應(yīng)用起到了至關(guān)重要的作用。由于衛(wèi)星工作的特殊空間環(huán)境，星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)會受到空間環(huán)境變化及空間天氣災(zāi)害事件的影響，造成星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)自主復(fù)位、切換備份等操作，影響星地時間同步，進(jìn)而影響與星時相關(guān)任務(wù)的執(zhí)行。因此，引入星時自主恢復(fù)機(jī)制對于衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理是十分必要的。

對于攜帶GPS接收機(jī)的航天器，可以通過接收GPS時間達(dá)到自主恢復(fù)星時的目的，但是對于地球同步軌道衛(wèi)星和深空探測衛(wèi)星等沒有攜帶GPS接收機(jī)的航天器而言，這種方法不適用。另外，美國已成功掌握了局部屏蔽GPS信號等技術(shù)[2]，這就對依賴于GPS的國內(nèi)航天器帶來了潛在的應(yīng)用風(fēng)險[3]。本文針對沒有攜帶GPS接收機(jī)的航天器，星時精度要求高的衛(wèi)星系統(tǒng)提出了一種基于1553B總線的星時高精度自主恢復(fù)設(shè)計。

1 星時管理方案簡介

典型的衛(wèi)星系統(tǒng)中，星時管理是由星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，下面對目前航天器星時管理的相關(guān)概念進(jìn)行介紹：

星時生成：由衛(wèi)星系統(tǒng)和地面測控系統(tǒng)約定一個時間點(diǎn)作為時間零點(diǎn)(例如北京時間2008年1月1日0：00：00作為時間零點(diǎn))，然后由星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)計時電路計時，產(chǎn)生的相對時間，作為衛(wèi)星星時。星時一般為相對于其時間零點(diǎn)的累積值，衛(wèi)星發(fā)射前需根據(jù)時間零點(diǎn)對累計值進(jìn)行設(shè)置，一般在星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)中由秒部分和亞秒部分組成，秒部分計數(shù)單位為1秒，亞秒部分計數(shù)單位為若干毫秒或若干微秒(由星時計時電路最小分辨率和亞秒部分?jǐn)?shù)據(jù)長度確定)，其結(jié)構(gòu)形式如表1所示[4]。

表1 星上時間碼結(jié)構(gòu)表

星時分發(fā)：常用的有兩種方式，一種由星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)每秒送出秒脈沖給星時用戶使用，用戶收到秒脈沖后當(dāng)作自己的秒計數(shù)用；另一種是由星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)以固定時間間隔在總線上廣播或者發(fā)送當(dāng)前的星時，星時用戶接收時間碼，扣除誤差后作為自己的星時。在衛(wèi)星系統(tǒng)里，除星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)外的星時用戶，通常有載荷分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)。

星時下傳：由星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)以固定的間隔取出星時填入衛(wèi)星遙測幀，通過遙測幀下傳至地面。地面測控系統(tǒng)接收到遙測數(shù)據(jù)中的星時后，根據(jù)約定的時間零點(diǎn)以及星時數(shù)據(jù)，計算出當(dāng)前星時。

星時維護(hù)：大多數(shù)航天器軟件采用通過秒中斷計數(shù)來維護(hù)星上時間的方法，維護(hù)由計數(shù)器產(chǎn)生的時間信息[5-6]。

星時校準(zhǔn)：對星上時間校準(zhǔn)采用了集中校時和均勻校時兩種方法。在這兩種方法中，飛行器定時將星上時間傳回地面進(jìn)行比對，地面計算出星上與地面時鐘的時間誤差，集中校時就是把地面測定的時間誤差T0通過遙控注入星上，星上把接收到的時間差一次性加到時間計數(shù)器中，從而糾正星上時鐘；均勻校時是地面根據(jù)計算出的時間誤差擬合曲線(kt+T0)，然后將獲得的參數(shù)k通過遙控注入星上，星上時鐘就按照每秒加k進(jìn)行修正。集中校時可以消除累計誤差，均勻校時有利于保持星上時間的連續(xù)性，在使用中通常兩種方法配合進(jìn)行[7]。

2 星時恢復(fù)方案

圖1 典型的數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)總線拓?fù)鋱D[8]

常規(guī)的星時恢復(fù)有兩種，一種是通過地面測量星地時差，當(dāng)時差累計到某一個設(shè)定的閾值時，生成校時數(shù)據(jù)對星時進(jìn)行調(diào)整，這種方法需要地面人工干預(yù)，同時不能保證實(shí)時性，只能是事后處理，這種方法對于衛(wèi)星不可見弧段的工作會有很大影響，尤其是太陽同步軌道的遙感衛(wèi)星，其主要大部分工作均在不可見弧段進(jìn)行；另一種是將星時作為重要數(shù)據(jù)，定期保存，當(dāng)星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)出現(xiàn)自主復(fù)位、切換備份情況時，自動從保存的重要數(shù)據(jù)中取回星時，此種方法不能保證恢復(fù)后的星時誤差，誤差取決于重要數(shù)據(jù)保存間隔和計算機(jī)自主復(fù)位或切換備份所需要時間，一般誤差在十秒以上，不能滿足對星時精度要求高的衛(wèi)星系統(tǒng)的要求，其過程如圖2所示。

圖2 星時恢復(fù)過程示意圖

基于1553B總線的衛(wèi)星星時高精度自主恢復(fù)設(shè)計是基于1553B總線通信協(xié)議，在星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)復(fù)位、切換備份時，自主通過總線從星時用戶取回相對星時時差，并對自身時間碼進(jìn)行自動校準(zhǔn)。圖1為典型的數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)總線拓?fù)鋱D，在該系統(tǒng)內(nèi)計算機(jī)可將衛(wèi)星星時定時通過1553B總線分發(fā)到星上用戶，并在計算機(jī)復(fù)位或者切機(jī)時，通過預(yù)先制定的通信協(xié)議從星上時間用戶取回時間碼進(jìn)行自動校準(zhǔn)，從而完成星時恢復(fù)。具體星時恢復(fù)設(shè)計如下：

1)選擇星時恢復(fù)來源：

選定一個星時用戶作為星時自主恢復(fù)的來源。該用戶使用計算機(jī)分發(fā)的時間作為本機(jī)時間，并且星時用戶在兩次時間分發(fā)間隔內(nèi)具有較精確的星時維護(hù)能力。

時間用戶則是時間維護(hù)和時間發(fā)布的對象，控制分系統(tǒng)、載荷、數(shù)傳分系統(tǒng)及地面測控均可認(rèn)為是時間用戶[9-10]，目前航天器上主要選擇控制計算機(jī)或載荷計算機(jī)作為星時恢復(fù)來源，也可以同時選擇兩個星時用戶作為星時自主恢復(fù)的來源，事先設(shè)置恢復(fù)的優(yōu)先順序，并設(shè)置合理的判據(jù)。

2)重要數(shù)據(jù)保存和恢復(fù)：

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)會將軟件運(yùn)行中產(chǎn)生的重要的數(shù)據(jù)通過總線定時(一般為1分鐘)發(fā)送給遠(yuǎn)置單元進(jìn)行保存，如果計算機(jī)復(fù)位或切換，軟件啟動后，首先從保存的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行星時恢復(fù)，作為當(dāng)前粗略的星時，該星時t落后于當(dāng)前真實(shí)時間T。

重要數(shù)據(jù)保存一般選擇長期加電工作的RT終端，為了保證星上重要數(shù)據(jù)的安全，可以選擇同時保存在兩個RT終端中，事先設(shè)置恢復(fù)的優(yōu)先順序，第一個恢復(fù)不成功則繼續(xù)從第二個恢復(fù)，這樣可以保證其中一個RT異常時仍然能夠順利恢復(fù)重要數(shù)據(jù)。

3)發(fā)送從重要數(shù)據(jù)恢復(fù)的粗略星時：

星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)取出當(dāng)前恢復(fù)后的星時t1(此時星時用戶時間為T1)，通過1553B總線BC-RT方式發(fā)送給選定的星時用戶，并將取出星時到星時通過1553B總線送到星時用戶總線控制器緩存中這個過程中產(chǎn)生的延時修正量Δt1修正到發(fā)送的星時數(shù)據(jù)中。因此，星時用戶接收到的時間數(shù)據(jù)Tr為:

Tr=t1+Δt1

星時用戶接收到1553B總線發(fā)送的時間數(shù)據(jù)時，實(shí)際經(jīng)歷時間為ΔT1。

修正量Δt1可以通過軟件仿真分析、調(diào)試、測試得到，需要事先進(jìn)行標(biāo)定，使得Δt1的值接近ΔT1，標(biāo)定結(jié)果越準(zhǔn)確，則產(chǎn)生的誤差越小。

記Δ1=ΔT1-Δt1，為修正量Δt1與實(shí)際經(jīng)歷時間ΔT1之間的誤差。

4)星時用戶計算時差:

選定的星時用戶的1553B總線控制器會產(chǎn)生中斷信號，該中斷需要星時用戶的軟件以高優(yōu)先級的方式進(jìn)行處理，因此星時用戶需及時將緩存中的星時數(shù)據(jù)讀出，然后計算當(dāng)前時刻與接收到星時Tr的差，同時要考慮從緩存中讀出到計算開始這個過程的延時修正量Δt2，從收到時間數(shù)據(jù)到計算開始實(shí)際經(jīng)歷的時間為ΔT2，因此計算后的時差ΔT為：

ΔT=T1+ΔT1+ΔT2-Tr-Δt2=

T1-t1+ΔT1-Δt1+ΔT2-Δt2

記Δ2=ΔT2-Δt2，為修正量Δt2與實(shí)際經(jīng)歷時間ΔT2之間的誤差。

此時：

ΔT=T1-t1+Δ1 +Δ2

同樣，Δt2也需要通過軟件仿真分析、調(diào)試、測試進(jìn)行事先標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果越準(zhǔn)確，Δt2的值越接近ΔT2，產(chǎn)生的誤差也越小。

5)星時用戶發(fā)送時差數(shù)據(jù)：

星時用戶計算出時差數(shù)據(jù)后有兩種方式將此數(shù)據(jù)送給星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)：一是將時差數(shù)據(jù)放入約定地址后，通過1553B總線向星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)提出服務(wù)請求；二是按照約定的時間內(nèi)，將時差數(shù)據(jù)放入約定地址，等待星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)自動取走。前者實(shí)時性好，能夠縮短星時恢復(fù)過程所需時間。

6)計算機(jī)修正星時：

數(shù)據(jù)管理計算機(jī)在等待一定時間(Td)后開始從星時用戶那里，通過1553B總線RT-BC方式將時間差讀回(假設(shè)延時為Δt3)，并對讀回的數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)有效時對當(dāng)前星時t3進(jìn)行修正,t3為：

t3=t1+Td+Δt3

因此修正后的時間t為：

t=t3+ΔT+Δ3=T1+Td+Δt3+Δ1+Δ2

如果讀回的數(shù)據(jù)無效，并且實(shí)現(xiàn)設(shè)置了兩個星時用戶用于星時恢復(fù)，則按照約定向第二個星時用戶重復(fù)(3)～(6)操作。

3 實(shí)驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述星時恢復(fù)方案，在地面利用星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)和一臺載荷計算機(jī)進(jìn)行了測試，兩臺計算機(jī)均使用外部同一個時鐘源進(jìn)行時間計數(shù)，星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)時間亞秒計數(shù)單位為16 μs。設(shè)計了如下測試方案及步驟：

第一步，建立時間校準(zhǔn)系統(tǒng)。使用GPS作為地面時間基準(zhǔn)，測量下行遙測信號星地時延，再采用下傳的遙測幀中的時間碼與地面時間基準(zhǔn)比較的方法，建立時間校準(zhǔn)系統(tǒng)，具備均勻校時、集中校時功能。

第二步，校準(zhǔn)衛(wèi)星時間。使用時間校準(zhǔn)系統(tǒng)，對星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)進(jìn)行校時，使之與GPS時間同步，等待星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)分發(fā)星時，載荷計算機(jī)利用收到的星時完成自身校時。

第三步，復(fù)位星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)并恢復(fù)星時。地面發(fā)送指令使星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)復(fù)位，等待復(fù)位完成并從載荷計算機(jī)恢復(fù)星時。

第四步，計算星地時差。利用時間校準(zhǔn)系統(tǒng)，比較星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)與地面GPS時間的時差，即為星時恢復(fù)過程產(chǎn)生的星時誤差。

測試結(jié)果表明：

1)星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)可以通過載荷計算機(jī)自主恢復(fù)星時，星時恢復(fù)方案可行；

2)恢復(fù)后的星時與地面標(biāo)準(zhǔn)時間的差值為240 μs。

此星時恢復(fù)方案，恢復(fù)過程產(chǎn)生的誤差主要有兩部分，即Δ1和Δ2，其中Δ1是星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)產(chǎn)生的，Δ2是載荷計算機(jī)產(chǎn)生的，這兩部分誤差均與計算機(jī)軟件操作過程相關(guān)，可以通過優(yōu)化軟件設(shè)計以及仿真分析逐步減小誤差。同時，外部時鐘源的精度、星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)復(fù)位過程持續(xù)時間均會對星時恢復(fù)誤差產(chǎn)生影響。

此星時恢復(fù)方案優(yōu)點(diǎn)在于：星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)出現(xiàn)復(fù)位或切換備份操作時，能否自主恢復(fù)星時，保證了衛(wèi)星系統(tǒng)星時連續(xù)性，提高了衛(wèi)星可用性，并且能夠?qū)⑿菚r恢復(fù)誤差控制在微秒級，精度能夠滿足使用要求。

4 幾點(diǎn)說明

1)星時用戶選取。不同的星時用戶對星時精度要求不同，選取對星時精度要求高的星時用戶，有助于提高星時自動恢復(fù)的時間精度。考慮系統(tǒng)備份，在不影響系統(tǒng)工作前提下可以選取多個星時用戶用于星時恢復(fù)。

2)采用此方法實(shí)現(xiàn)星時自主恢復(fù)的前提是星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)與所選取的星時用戶使用的時鐘同源或者在星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)復(fù)位或切機(jī)開始至星時自動恢復(fù)這段時間內(nèi)星時用戶時鐘產(chǎn)生的誤差可以忽略。

3)在制定星時自動恢復(fù)協(xié)議時，需要確定ΔT1、ΔT2和Td，并且要求Td>ΔT1+ΔT2。一般要求Td不大于500 ms，這樣有利于盡快恢復(fù)星時。

4)星時恢復(fù)過程中的延時修正量Δt1和Δt2需要分別在星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)調(diào)試及星時用戶設(shè)備調(diào)試過程中標(biāo)定，標(biāo)定的準(zhǔn)確與否決定了星時自動恢復(fù)的誤差大小。

5)星時恢復(fù)效果可以通過星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)與星時用戶設(shè)備間聯(lián)合測試進(jìn)行驗證。測試時需要具備星地時延、星地時差測量系統(tǒng)，能夠通過集中校時實(shí)現(xiàn)對星時的準(zhǔn)確校正。

5 結(jié)束語

本文提出的基于1553B總線的衛(wèi)星星時高精度自主恢復(fù)設(shè)計，能夠有效減少對地面人工干預(yù)的依賴，并能夠有效的保證在意外情況下星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)工作的連續(xù)性。此星時自主恢復(fù)方法能夠?qū)崿F(xiàn)微秒級誤差，精度滿足工程需要。星時高精度自主恢復(fù)設(shè)計沒有帶來額外的硬件開銷，需要增加的僅僅是相關(guān)總線協(xié)議的制定以及軟件開發(fā)工作，在實(shí)際工程中具有一定的實(shí)用價值。在星載數(shù)據(jù)管理計算機(jī)需要復(fù)位或切機(jī)的情況下，大大提高了衛(wèi)星系統(tǒng)的可用性。