CN102291169B - 一种卫星星上高精度时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
一种卫星星上高精度时间同步方法，有效解决了星上时间系统精度低、稳定性差而无法满足卫星实施敏捷机动过程中的时间同步问题。利用本发明的高精度时间同步方法，首先，不仅提高了星务中心计算机产生时间的精度(与GPS标准时间的误差＜25us)，并且整星各分系统间的时间同步精度优于0.1ms(以GPS标准时间为基准)。其次，克服了单纯以GPS秒脉冲作为整星各分系统时间同步设计方法在GPS接收机不定位时无法继续工作的缺点。在卫星的在轨飞行期间，只要存在GPS接收机、星地测控信道之一便可实现卫星的时间同步，有效降低了系统功能失效的风险，并可根据需要或环境的变化而及时改变时间同步方式，显著提高了卫星时间同步的灵活性、可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星星上高精度时间同步方法。
背景技术
以往卫星上的时钟为系统钟，系统钟由星务中心计算机的遥测中断产生，星务中心计算机遥测中断每3.90625ms产生一次，软件在遥测中断服务程序中累计时间，在256次遥测中断后时间正好为1秒。星上系统时钟按秒和毫秒进行累计，其时间分辨率为1毫秒，接收星箭分离信号的时刻系统钟清零。星务中心计算机将系统钟通过CAN总线向星上各个分系统广播，能够提供日、时、分、秒以及毫秒，其精度和稳定性由星务中心计算机内部的晶振决定，属于星上低精度时间。随着任务精度和复杂度的日益提高，越来越多的任务要由星上多个分系统协同完成，各分系统协同工作的基础就是星上具有统一的高精度时间同步方法，以往精度为ms的系统钟无法满足任务的需要，因此需要建立一种卫星星上高精度时间同步方法以保证星上内部的时间高精度一致。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种卫星星上高精度时间同步方法，采用该方法可以有效解决在轨运行时原有的星上时间精度低、稳定性差的问题，为整星建立了高精度统一时间，使星上各分系统能够在统一的时间坐标下协同工作，完成以往卫星无法完成的复杂任务。
本发明的技术解决方案是：
一种卫星星上高精度时间同步方法，步骤如下：
(1)卫星在轨运行期间，当星上的GPS接收机处于定位状态时，GPS接收机接收GPS导航卫星的导航信号并解算出GPS标准时间，在每个GPS标准时间的整秒时刻，GPS接收机向星上的星务中心计算机发出一个GPS秒脉冲；当星上的GPS接收机处于非定位状态时，GPS接收机不发出GPS秒脉冲；
(2)判断星务中心计算机是否收到GPS接收机发送的GPS秒脉冲，若收到，则进入步骤(3)；若未收到，则星务中心计算机继续使用其内部计时，之后进入步骤(6)；
(3)星务中心计算机向星上时间用户发送GPS秒脉冲和时间信息广播；
(4)星务中心计算机根据GPS秒脉冲校准内部计时，使得星务中心计算机的内部计时与GPS标准时间之间的偏差小于25us；
(5)星务中心计算机获得其自主均匀校时周期并存储在星务中心计算机内部寄存器中，所述自主均匀校时周期是指星务中心计算机的内部计时与GPS标准时间之间的偏差达到25us所用的时间，之后返回步骤(1)；
(6)判断星务中心计算机的内部寄存器中是否已存入自主均匀校时周期，若已存入，则进入步骤(7)；若未存入，则进入步骤(8)；
(7)星务中心计算机向星上时间用户发送时间广播信息和由星务中心计算机内部计时产生的内部秒脉冲，并且星务中心计算机根据自主均匀校时周期调整其内部计时，使得内部计时和GPS标准时间之间的偏差小于25us，之后返回步骤(1)；
(8)星务中心计算机向星上时间用户发送时间广播信息和由星务中心计算机内部计时产生的内部秒脉冲，之后返回步骤(1)。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明利用卫星上GPS接收机输出给星务中心计算机的高精度秒脉冲，由星务中心计算机根据GPS秒脉冲对内部计时进行校准，使GPS标准时间与星务中心计算机的内部计时之间的误差＜25us，而以往单纯以GPS秒脉冲作为时间同步基准的设计无法提升星务中心计算机内部计时精度(GPS时间与星务中心计算机的内部计时两者误差为ms级)。并且，星务中心计算机在422总线上发送秒脉冲和在CAN总线上发送时间广播信息，实现整星各分系统间(星上时间用户)的高精度时间同步，精度优于0.1ms(以GPS输出的标准时间(UTC时间)为基准)。
(2)本发明的星上高精度时间同步方法，克服了以往单纯以GPS秒脉冲作为整星各分系统时间同步设计在GPS接收机不定位时无法继续工作的缺点。因为原有的设计方法仅仅是依靠GPS秒脉冲作为各时间用户的同步信号，而GPS接收机不定位时不再发送秒脉冲，各时间用户之间无法继续同步工作。而本方法则能在GPS接收机出现不定位情况时，星务中心计算机通过自主均匀校时使得GPS标准时间与星务中心计算机的内部计时两者误差＜25us，并能够输出高精度秒脉冲给时间用户使用，保证各时间用户时间同步的需要。
(3)本发明的星上高精度时间同步方法，有效解决了星上时间系统精度低、稳定性差而无法满足卫星实施敏捷机动过程中的时间同步问题。在卫星实际在轨飞行期间，只要存在GPS接收机、星地测控信道之一便可实现卫星的时间统一，有效降低了系统功能失效的风险，并可根据需要或使用环境的变化及时改变时间统一方式，显著提高了卫星时间同步的灵活性、可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明的高精度时间同步方法结构示意图；
图2为本发明的高精度时间同步方法流程图；
图3为本发明的秒脉冲输出工作原理图；
图4为本发明的校时原理图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的高精度时间同步方法结构示意图，卫星上安装有GPS接收机、星务中心计算机、时钟单元和各个时间用户(星上分系统)。
其中，GPS接收机接收GPS导航卫星的导航信号解算出GPS标准时间，并向星务中心计算机发出高精度秒脉冲。
星务中心计算机产生的内部计时是以内部时钟或时钟单元为基准累计形成的，在轨运行时绝大部分时间使用时钟单元。时钟单元为星务中心计算机提供高精度的计时基准，并且减少了地面对卫星时间的修正。它采用恒温控制技术，保证石英晶体和振荡电路工作在稳定的温度下，确保输出频率的稳定，输出为40kHz的方波信号。时钟稳定度优于5×10-9/天，频率准确度为5×10-7。星务中心计算机对接收到的时钟单元输出的40kHz方波信号进行计数，以此实现内部计时。
星务中心计算机在收到GPS秒脉冲后校准星务中心计算机的内部计时，并向星上时间用户发送秒脉冲和时间广播信息，
时间用户接收星务中心计算机发出的秒脉冲和时间信息广播，并以此为基准校时、计时。
本发明提供了一种卫星星上高精度时间同步方法，如图2所示，步骤如下：
(1)卫星在轨运行期间，当星上的GPS接收机处于定位状态时，GPS接收机接收GPS导航卫星的导航信号并解算出GPS标准时间，在每个GPS标准时间的整秒时刻，GPS接收机向星上的星务中心计算机发出一个与GPS标准时间误差小于1μs的高精度GPS秒脉冲；当星上的GPS接收机处于非定位状态时，GPS接收机不发出GPS秒脉冲；
(2)判断星务中心计算机是否收到GPS接收机发送的GPS秒脉冲，若收到，则进入步骤(3)；若未收到，则星务中心计算机继续使用其内部计时，之后进入步骤(6)；
(3)星务中心计算机向星上时间用户发送GPS秒脉冲和时间信息广播；
如图3所示，星务中心计算机可以根据GPS接收机的定位状态自主判断选择输出GPS秒脉冲或者星务中心计算机产生的内部秒脉冲。
GPS接收机处于定位状态时，星务中心计算机通过422总线直接向时间用户转发GPS接收机输出给星务中心计算机的GPS秒脉冲。
星务中心计算机转发出GPS秒脉冲后的50毫秒内会向CAN总线发送时间广播信息。星上各时间用户可以根据星务中心计算机转发出的GPS秒脉冲和CAN总线上的时间广播信息进行校时、计时，将自身的内部时间与GPS标准时间对齐。
(4)星务中心计算机根据GPS秒脉冲校准内部计时，使得星务中心计算机的内部计时与GPS标准时间之间的偏差小于25us；
星务中心计算机产生的内部秒脉冲采用计数器级联的方式实现，首先将时钟单元输出的40KHz方波信号作为计数器1的时钟信号输入，生成周期为1ms的方波信号；然后将该1ms的方波信号作为计数器2的时钟信号输入，生成周期为1秒，负脉冲宽度为1ms的脉冲信号。40KHz时钟的一个周期为25us，可以通过增加或减少1个40KHz方波信号的脉冲来达到内部秒脉冲调快或减慢25us的目的。
根据GPS秒脉冲校时的实现方法如图4所示：
星务中心计算机读取从GPS秒脉冲下降沿到星务中心计算机内部秒脉冲下降沿时间段内的40KHz信号的时钟个数，由此判断误差时间(误差时间的单位是25us)。如果时钟个数大于等于40001或者小于等于39999，星务中心计算机发出脉冲加“1”或脉冲减“1”指令相应增减40KHz脉冲序列中的一个脉冲，达到星务中心计算机内部秒脉冲调快25us或减慢25us的目的，从而使得星务中心计算机内部秒脉冲与GPS秒脉冲误差在一个时钟周期(25us)内。
(5)星务中心计算机获得其自主均匀校时周期并存储在星务中心计算机内部寄存器中，所述自主均匀校时周期是指星务中心计算机的内部计时与GPS标准时间之间的偏差达到25us所用的时间，之后返回步骤(1)；
在GPS接收机处于定位状态时，星务中心计算机读取GPS秒脉冲与内部秒脉冲之间的误差，记录下每次误差达到25us的时间作为星上自主均匀校时周期，并用最近一次获得的星上自主均匀校时周期覆盖前一次获得的星上自主均匀校时周期，自主均匀校时调整的最小时间当量是25us。除了采用最近一次获得的星上自主均匀校时周期覆盖前一次获得的星上自主均匀校时周期的方法，还可以经过不间断的统计求取GPS秒脉冲与内部秒脉冲之间误差达到25us所用时间的平均值作为星上自主均匀校时周期。
(6)判断星务中心计算机的内部寄存器中是否已存入自主均匀校时周期，若已存入，则进入步骤(7)；若未存入，则进入步骤(8)；
(7)星务中心计算机向星上时间用户发送时间广播信息和由星务中心计算机内部计时产生的内部秒脉冲，并且星务中心计算机根据自主均匀校时周期调整其内部计时，使得内部计时和GPS标准时间之间的偏差小于25us，之后返回步骤(1)；
如图3所示，星务中心计算机根据GPS接收机的定位状态自主判断选择输出GPS秒脉冲或者星务中心计算机产生的内部秒脉冲。
GPS接收机处于不定位状态时，星务中心计算机通过422总线向时间用户发送星务中心计算机产生的内部秒脉冲。
星务中心计算机发出内部秒脉冲后的50毫秒内会向CAN总线发送时间广播信息。星上各时间用户可以根据星务中心计算机发出的内部秒脉冲和CAN总线上的时间广播信息进行校时、及时，将自身的内部时间与GPS标准时间对齐。
GPS接收机处于不定位状态时，星务中心计算机不能收到GPS秒脉冲，可以根据自主均匀校时周期调整内部计时，即从星务中心计算机接收不到GPS秒脉冲的一刻开始，每经过一次星上自主均匀校时周期便发出脉冲加“1”或脉冲减“1”指令相应增减40KHz脉冲序列中的一个脉冲，达到星务中心计算机内部秒脉冲调快25us或减慢25us的目的，从而保持星务中心计算机内部计时与GPS标准时间的误差在一个时钟周期(25us)内。
(8)星务中心计算机向星上时间用户发送时间广播信息和由星务中心计算机内部计时产生的内部秒脉冲，之后返回步骤(1)重新循环上述步骤。
Claims (1)
1.一种卫星星上高精度时间同步方法，其特征在于步骤如下：
(1)卫星在轨运行期间，当星上的GPS接收机处于定位状态时，GPS接收机接收GPS导航卫星的导航信号并解算出GPS标准时间，在每个GPS标准时间的整秒时刻，GPS接收机向星上的星务中心计算机发出一个GPS秒脉冲；当星上的GPS接收机处于非定位状态时，GPS接收机不发出GPS秒脉冲；
(2)判断星务中心计算机是否收到GPS接收机发送的GPS秒脉冲，若收到，则进入步骤(3)；若未收到，则星务中心计算机继续使用其内部计时，之后进入步骤(6)；
(3)星务中心计算机向星上时间用户发送GPS秒脉冲和时间信息广播；
(4)星务中心计算机根据GPS秒脉冲校准内部计时，使得星务中心计算机的内部计时与GPS标准时间之间的偏差小于25us；
(5)星务中心计算机获得其自主均匀校时周期并存储在星务中心计算机内部寄存器中，所述自主均匀校时周期是指星务中心计算机的内部计时与GPS标准时间之间的偏差达到25us所用的时间，之后返回步骤(1)；
(6)判断星务中心计算机的内部寄存器中是否已存入自主均匀校时周期，若已存入，则进入步骤(7)；若未存入，则进入步骤(8)；
(7)星务中心计算机向星上时间用户发送时间广播信息和由星务中心计算机内部计时产生的内部秒脉冲，并且星务中心计算机根据自主均匀校时周期调整其内部计时，使得内部计时和GPS标准时间之间的偏差小于25us，之后返回步骤(1)；
(8)星务中心计算机向星上时间用户发送时间广播信息和由星务中心计算机内部计时产生的内部秒脉冲，之后返回步骤(1)。
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