專利名稱：用于地面測試的星上與地面時鐘統(tǒng)一方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天測試技術(shù)，具體涉及一種星上與地面時鐘統(tǒng)一方法及其時統(tǒng)設(shè)備。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星的姿態(tài)與軌道控制方案的可行性、正確性直接關(guān)系到衛(wèi)星在軌的安全性。因 此衛(wèi)星的姿態(tài)與軌道控制方案必須經(jīng)過地面充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，如何在地面更有效的驗(yàn)證控 制方案的正確性是問題的關(guān)鍵。地面的試驗(yàn)驗(yàn)證工作除了包括數(shù)學(xué)仿真，還包括物理仿真。物理仿真與數(shù)學(xué)仿真 的區(qū)別在于物理仿真時，需要連接衛(wèi)星的真實(shí)部件，并運(yùn)用一些模擬器，模擬衛(wèi)星在軌飛行 的各種狀態(tài)，這種仿真試驗(yàn)稱作“模飛試驗(yàn)”。由于是真實(shí)部件，部件的物理特性對系統(tǒng)的作 用更接近真實(shí)，對方案的驗(yàn)證也更有效。在做地面模飛試驗(yàn)時，星上的姿態(tài)軌道控制計算機(jī)(AOCC-Attitude andOrbit Controlling Computer)運(yùn)行星載程序，地面運(yùn)行地面動力學(xué)程序；AOCC星載程序根據(jù) AOCC的當(dāng)前時間對GPS送來的軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，在校驗(yàn)通過后，直接使用GPS的軌道數(shù) 據(jù)，并且在下一拍GPS軌道信息到來前，根據(jù)AOCC當(dāng)前時間以及前一拍經(jīng)過校驗(yàn)的GPS軌 道數(shù)據(jù)推算衛(wèi)星所處的位置和速度，因此在模飛開始后，星上的軌道可以近似表示成F、=F(t-t0GI,s)，F(xiàn),=G(t-toors ),/ 為衛(wèi)星的軌道位置矢量4為衛(wèi)星的速度矢量，t為AOCC的當(dāng)前時間，^ps為GPS 軌道計算開始時間，可以是要模擬的任意時間，常表示成是距某一固定時刻的時間。地面動力學(xué)程序根據(jù)軌道遞推模型也計算衛(wèi)星的軌道位置和速度，地面動力學(xué)計 算得的衛(wèi)星的位置和速度可以表示成
_9] r2=f(t'-t0), f2=g(t'-t0),巧為衛(wèi)星的軌道位置矢量4為衛(wèi)星的速度矢量，t'為地面動力學(xué)的當(dāng)前時間，、 為地面動力學(xué)開始時間，一般為0。和然計算的公式不一樣，但是只要能夠使t0GK時刻的GPS計算的衛(wèi)星 軌道位置、速度和、時刻地面動力學(xué)計算的衛(wèi)星軌道位置、速度相等，且星上時間(Itcieps) 和地面動力學(xué)時間(t' -t0)相等，就有g(shù) =F2^=A2對每一時刻都成立。在模飛試驗(yàn)中，(t-t0GPS)取決于GPS模擬器的運(yùn)行時間，時間累計為對GPS模擬器 時鐘的累計，(t' _、)取決于地面動力學(xué)的運(yùn)行時間，為對地面動力學(xué)使用的晶振的時間 累計，邏輯示意圖參見圖1，因此，有兩個缺陷導(dǎo)致(Itcieps)和(t' -t0)不一致。第一 (Itcieps)和(t' -t0)的開始計時信號是獨(dú)立的，即啟動GPS模擬器和啟動 地面動力學(xué)使用的是不同的信號，導(dǎo)致兩者有一個初始誤差；
第二 即使兩者同時開始計時，隨著時間越來越長，由于兩者的時間累計時鐘的差 別，兩者的時間差會越來越大。我們現(xiàn)有的定量經(jīng)驗(yàn)，累計6000秒，兩者就能差出1秒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述地面模飛試驗(yàn)中，星上時間和地面時間的偏差問題， 提出一種基于GPS模擬器的用于地面測試的星上與地面時鐘統(tǒng)一方法及裝置，使其在地面 模飛試驗(yàn)中，利用啟動地面動力學(xué)的模擬星箭分離信號作為公共激勵源，同時啟動GPS模 擬器與地面動力學(xué)程序，解決初始偏差問題。對GPS模擬器的秒脈沖進(jìn)行計數(shù)，并作為精確 時鐘源，定時地面動力學(xué)軟件校時解決長時間試驗(yàn)時間偏差問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用于地面測試的星上與地面時鐘統(tǒng)一方法，該方法包含如下步驟1)將運(yùn)行地面動力學(xué)程序的工控機(jī)發(fā)出的模擬星箭分離信號作為公共激勵源，同 時輸入給GPS模擬器與地面動力學(xué)程序，使兩者同時啟動；2)對GPS模擬器軌道仿真開始時刻Icieps后的秒脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)；3)約定一個固定時間間隔N個秒脈沖，每當(dāng)秒脈沖計到N的整數(shù)倍，為地面動力學(xué) 程序校一次時間，強(qiáng)制使t' -t0 = t-t0GPS ；所述固定時間間隔N為120 480。一種用于地面測試中星上與地面時鐘統(tǒng)一的時統(tǒng)設(shè)備，它包括電源模塊、系統(tǒng)時 鐘、信號處理模塊、核心處理模塊、GPS模擬器接口模塊和地面動力學(xué)接口模塊；所述的GPS模擬器接口連接GPS模擬器，地面動力學(xué)接口連接運(yùn)行地面動力學(xué)程 序的工控機(jī)；所述的信號處理模塊用FPGA實(shí)現(xiàn)，連接GPS模擬器接口和地面動力學(xué)接口 ；信號 處理模塊內(nèi)部也設(shè)計有計時器，它從接收到模擬星箭分離信號后開始累計，在信號處理模 塊的內(nèi)部計時器開始累計之后，信號處理模塊以GPS模擬器接口模塊傳來的秒脈沖信號作 為同步信號，并用從GPS模擬器接口模塊獲得的時間信息對內(nèi)部計時器校時；所述的核心處理模塊為嵌入式處理器ARM9，它通過信號處理模塊擴(kuò)展GPS模擬器 接口模塊、地面動力學(xué)接口模塊；核心處理模塊與地面動力學(xué)工控機(jī)相連，并向地面動力學(xué) 工控機(jī)發(fā)送時間信息。所述的系統(tǒng)時鐘為恒溫振蕩器，它提供信號處理模塊和核心處理模塊的工作時 鐘；地面動力學(xué)工控機(jī)發(fā)出的模擬星箭分離信號作為激勵源，發(fā)送給地面動力學(xué)接 口，地面動力學(xué)接口將此信號處理后發(fā)送給信號處理模塊，信號處理模塊通過GPS模擬器 接口給GPS模擬器發(fā)出啟動信號，使地面動力學(xué)工控機(jī)與GPS模擬器同時啟動；GPS模擬器 啟動后不間斷的發(fā)送秒脈沖信號以及時間信息，脈沖信號以及時間信息在GPS模擬器接口 模塊中進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號送入信號處理模塊，當(dāng)信號處理模塊的內(nèi)部計時器計 數(shù)每到N個秒脈沖的整數(shù)倍時刻，信號處理模塊保存當(dāng)前計時器時間，并向地面動力學(xué)接 口模塊發(fā)送時間同步信號，同時觸發(fā)核心處理模塊中斷。在上述的一種用于地面測試中星上與地面時鐘統(tǒng)一的時統(tǒng)設(shè)備中所述的GPS模 擬器接口模塊是實(shí)現(xiàn)時統(tǒng)設(shè)備與GPS模擬器的通信通道，它以FPGA為實(shí)現(xiàn)平臺，將FPGA與 GPS模擬器串口相連，F(xiàn)PGA向GPS模擬器發(fā)送啟動信號，GPS模擬器向FPGA發(fā)送秒脈沖。
在上述的一種用于地面測試中星上與地面時鐘統(tǒng)一的時統(tǒng)設(shè)備中所述的地面動 力學(xué)接口模塊是實(shí)現(xiàn)時統(tǒng)設(shè)備與地面動力學(xué)工控機(jī)的通信通道，它以FPGA為實(shí)現(xiàn)平臺，地 面動力學(xué)工控機(jī)向FPGA發(fā)送模擬星箭分離信號，F(xiàn)PGA向地面動力學(xué)工控機(jī)發(fā)送時間同步信號。在上述的一種用于地面測試中星上與地面時鐘統(tǒng)一的時統(tǒng)設(shè)備中所述的核心處 理模塊還擴(kuò)展連接有以太網(wǎng)絡(luò)接口，可以連接外部計算機(jī)，對整個時統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn) 行監(jiān)視。本發(fā)明的顯著效果在于在衛(wèi)星地面模飛測試中，利用時統(tǒng)設(shè)備使地面動力學(xué)工 控機(jī)和GPS模擬器產(chǎn)生物理連接關(guān)系，將地面動力學(xué)工控機(jī)的模擬星箭分離信號作為公共 激勵源，同時啟動GPS模擬器與地面動力學(xué)程序，用電信號代替不同人的操作，使星上和地 面時鐘初始誤差降到可以忽略的微妙級；利用對GPS模擬器的秒脈沖計數(shù)得到的精確時間 對地面動力學(xué)時鐘進(jìn)行校時，使星上時鐘和地面動力學(xué)時鐘之間的差不隨測試時間的長短 變化，在整個試驗(yàn)過程中，星上何地面時鐘之間得差達(dá)到毫秒級，從而提高了系統(tǒng)的精確程 度。


圖1為星上時鐘與地面時鐘邏輯關(guān)系圖；圖2為運(yùn)用GPS模擬器秒脈沖進(jìn)行定時校時邏輯關(guān)系圖；圖3為時統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；圖4為GPS模擬器接口模塊處理原理圖；圖5為地面動力學(xué)接口處理原理示意具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明中采用的是GPS模擬器的時間作為星上時間。利用下述方法，同時利用時統(tǒng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)星上與地面時鐘統(tǒng)一。如圖2所示，方法步驟如下1)星上時間，采用的是GPS模擬器的時間；將運(yùn)行地面動力學(xué)程序的工控機(jī)發(fā)出 的模擬星箭分離信號作為公共激勵源，同時輸入給GPS模擬器與地面動力學(xué)程序，使兩者 同時啟動；2)利用時統(tǒng)設(shè)備對GPS模擬器軌道仿真開始時刻Icieps后的秒脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)， 秒脈沖的個數(shù)表示了模飛開始的時間；3)約定一個固定的間隔，可以取120 480中任意數(shù)，這里以120個秒脈沖為例，
每當(dāng)秒脈沖計到120的整數(shù)倍，時統(tǒng)設(shè)備都為地面動力學(xué)程序校一次時間，強(qiáng)制使t' -t0
=t-t ·
L LOGPS ，在校時之后的120秒內(nèi)，地面動力學(xué)的10_6精度的時鐘與GPS模擬器的10_9精度 的時鐘本身的誤差最大只有0. 12毫秒，可以忽略不計，即在之后的120秒內(nèi)，都有t' -t0
—t t〇GPS°綜上，在模擬星箭分離信號送出之后，星上與地面的時間都有t' = Itcieps，達(dá)到了統(tǒng)一。圖3所示的時統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖，時統(tǒng)設(shè)備主要設(shè)計實(shí)現(xiàn)了以下幾個模塊電源模 塊、系統(tǒng)時鐘、核心處理模塊、GPS模擬器接口模塊和地面動力學(xué)接口模塊。電源模塊給整個時統(tǒng)設(shè)備供電，系統(tǒng)時鐘提供FPGA和ARM9工作時鐘，選用的是恒 溫振蕩器，以嵌入式處理器ARM9為核心，通過FPGA擴(kuò)展GPS模擬器接口模塊、地面動力學(xué) 接口模塊以及網(wǎng)絡(luò)接口模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能。系統(tǒng)采用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。系統(tǒng)要求的時間差值計算和發(fā)送，均為嵌入式應(yīng)用程序，執(zhí)行效率和實(shí)時性較好。GPS模擬器接口模塊圖4所示的GPS模擬器接口模塊處理流程原理圖，時統(tǒng)設(shè)備與GPS模擬器的通信 是直接的物理數(shù)據(jù)通信通道，GPS模擬器輸出一個秒脈沖信號線和一個時間數(shù)據(jù)串口，時統(tǒng) 設(shè)備與之直接相連。在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)秒脈沖信號抗干擾處理和串口核，獲得時間信息時統(tǒng)設(shè)備的GPS模擬器校時，以秒脈沖信號的上升沿作為對實(shí)時時鐘進(jìn)行校時的 中斷信號，同時將接收到的與上一個秒脈沖相對應(yīng)的串口時間信息加上1秒作為統(tǒng)一時 間，對時統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行校時。使用此種方案可以避免在串行通信中由傳輸時間帶來的毫秒級 延時，同時克服了單用秒脈沖校時不能提供與該脈沖相對應(yīng)的日期和時間信息的缺點(diǎn)。采用綜合校時方式，校時后的時間與準(zhǔn)確時間的時間誤差在幾個微秒以內(nèi)甚至更地面動力學(xué)接口模塊如圖5所示的地面動力學(xué)接口模塊處理過程原理圖，時統(tǒng)設(shè)備采集啟動地面動力 學(xué)的模擬星箭分離信號，并精確記錄星箭分離信號產(chǎn)生的時刻，并從該時刻起對時間進(jìn)行 累計，定期將時間差信息發(fā)送回地面動力學(xué)。模擬星箭分離信號是開路集電極輸出，時統(tǒng)設(shè)備接收端做上拉處理。采樣模擬星 箭分離信號的變化，記錄該時刻為時間零點(diǎn)。星箭分離信號經(jīng)過信號調(diào)理后，由FPGA進(jìn)行抗干擾處理，當(dāng)采集到真信號時，發(fā) 出GPS模擬器啟動信號，記錄星箭分離信號時刻，并啟動星箭分離時間計數(shù)器。計數(shù)器為64 位，精度到Ius。時統(tǒng)設(shè)備啟動星箭分離時間計數(shù)器后，以經(jīng)過GPS模擬器校準(zhǔn)過的時間為基準(zhǔn)， 每120秒，由FPGA周期性向地面動力學(xué)工控機(jī)發(fā)送120秒同步脈沖信號，保存當(dāng)前計時器 值，并且同時給ARM9發(fā)送中斷觸發(fā)信號，觸發(fā)ARM9的中斷。ARM9在中斷處理中，讀取FPPA內(nèi)同步信號發(fā)出時的計時器值，并通過串口傳給地 面動力學(xué)工控機(jī)。累計時間同步信號，經(jīng)過信號調(diào)理后輸出給地面動力學(xué)工控機(jī)。累計時間同步信 號采用開路集電極輸出，累計時間同步信號有效為高電平，平時維持低電平?？梢约s定，累 計時間同步信號的周期定為120 480秒中任意整數(shù)秒。時統(tǒng)設(shè)備周期性產(chǎn)生累計時間同步信號的同時，記錄每個同步信號時刻的累計時 間計數(shù)器數(shù)值，并將計數(shù)器數(shù)值通過標(biāo)準(zhǔn)RS422串口發(fā)送給地面動力學(xué)工控機(jī)。累計時間 差數(shù)據(jù)發(fā)送的格式如下· 16進(jìn)制數(shù)據(jù)格式發(fā)送； 數(shù)據(jù)長度為8個字節(jié)；
低字節(jié)之前，高字節(jié)在后； 波特率為 19200bps ；· RS422 標(biāo)準(zhǔn)；地面動力學(xué)工控機(jī)和時統(tǒng)設(shè)備接插件選擇DB9，時統(tǒng)設(shè)備端為公頭，時統(tǒng)設(shè)備和地 面動力學(xué)工控機(jī)通過電纜進(jìn)行通信，接插件定義為
權(quán)利要求
1.一種用于地面測試的星上與地面時鐘統(tǒng)一方法，其特征在于，該方法包含如下步驟1)將運(yùn)行地面動力學(xué)程序的工控機(jī)發(fā)出的模擬星箭分離信號作為公共激勵源，同時輸 入給GPS模擬器與地面動力學(xué)程序，使兩者同時啟動；2)對GPS模擬器軌道仿真開始時刻Icieps后的秒脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)；3)約定一個固定時間間隔N個秒脈沖，每當(dāng)秒脈沖計到N的整數(shù)倍，為地面動力學(xué)程序 校一次時間，強(qiáng)制使t' -t0 = t-t0GPS ；所述固定時間間隔N為120 480 ；其中t'為地面動力學(xué)的當(dāng)前時間 tQ為地面動力學(xué)開始時間； t為AOCC的當(dāng)前時間； t0GPs為GPS軌道計算開始時間。
2.一種用于地面測試中星上與地面時鐘統(tǒng)一的時統(tǒng)設(shè)備，其特征在于它包括電源模 塊、系統(tǒng)時鐘、信號處理模塊、核心處理模塊、GPS模擬器接口模塊和地面動力學(xué)接口模塊；所述的GPS模擬器接口連接GPS模擬器，地面動力學(xué)接口連接運(yùn)行地面動力學(xué)程序的 工控機(jī)；所述的信號處理模塊用FPGA實(shí)現(xiàn)，連接GPS模擬器接口和地面動力學(xué)接口 ；信號處理 模塊內(nèi)部也設(shè)計有計時器，它從接收到模擬星箭分離信號后開始累計，在信號處理模塊的 內(nèi)部計時器開始累計之后，信號處理模塊以GPS模擬器接口模塊傳來的秒脈沖信號作為同 步信號，并用從GPS模擬器接口模塊獲得的時間信息對內(nèi)部計時器校時；所述的核心處理模塊為嵌入式處理器ARM9，它通過信號處理模塊擴(kuò)展GPS模擬器接口 模塊、地面動力學(xué)接口模塊；核心處理模塊與地面動力學(xué)工控機(jī)相連，并向地面動力學(xué)工控 機(jī)發(fā)送時間信息。所述的系統(tǒng)時鐘為恒溫振蕩器，它提供信號處理模塊和核心處理模塊的工作時鐘； 地面動力學(xué)工控機(jī)發(fā)出的模擬星箭分離信號作為激勵源，發(fā)送給地面動力學(xué)接口，地 面動力學(xué)接口將此信號處理后發(fā)送給信號處理模塊，信號處理模塊通過GPS模擬器接口給 GPS模擬器發(fā)出啟動信號，使地面動力學(xué)工控機(jī)與GPS模擬器同時啟動；GPS模擬器啟動后 不間斷的發(fā)送秒脈沖信號以及時間信息，脈沖信號以及時間信息在GPS模擬器接口模塊中 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號送入信號處理模塊，當(dāng)信號處理模塊的內(nèi)部計時器計數(shù)每到 N個秒脈沖的整數(shù)倍時刻，信號處理模塊保存當(dāng)前計時器時間，并向地面動力學(xué)接口模塊發(fā) 送時間同步信號，同時觸發(fā)核心處理模塊中斷。
3.如權(quán)利要求2所述的一種用于地面測試中星上與地面時鐘統(tǒng)一的時統(tǒng)設(shè)備，其特征 在于所述的GPS模擬器接口模塊是實(shí)現(xiàn)時統(tǒng)設(shè)備與GPS模擬器的通信通道，它以FPGA為 實(shí)現(xiàn)平臺，將FPGA與GPS模擬器串口相連，F(xiàn)PGA向GPS模擬器發(fā)送啟動信號，GPS模擬器向 FPGA發(fā)送秒脈沖。
4.如權(quán)利要求2所述的一種用于地面測試中星上與地面時鐘統(tǒng)一的時統(tǒng)設(shè)備，其特征 在于所述的地面動力學(xué)接口模塊是實(shí)現(xiàn)時統(tǒng)設(shè)備與地面動力學(xué)工控機(jī)的通信通道，它以 FPGA為實(shí)現(xiàn)平臺，地面動力學(xué)工控機(jī)向FPGA發(fā)送模擬星箭分離信號，F(xiàn)PGA向地面動力學(xué)工 控機(jī)發(fā)送時間同步信號。
5.如權(quán)利要求2或3或4所述的一種用于地面測試中星上與地面時鐘統(tǒng)一的時統(tǒng)設(shè)備，其特征在于所述的核心處理模塊還擴(kuò)展連接有以太網(wǎng)絡(luò)接口，可以連接外部計算機(jī)， 對整個時統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。
全文摘要
本發(fā)明涉及航天測試技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種用于地面測試的星上與地面時鐘統(tǒng)一方法及裝置，在衛(wèi)星地面模飛測試中，利用啟動地面動力學(xué)的模擬星箭分離信號作為公共激勵源，同時啟動GPS模擬器與地面動力學(xué)程序，用電信號代替不同人的操作，使星上和地面時鐘初始誤差降到可以忽略的微妙級；利用對GPS模擬器的秒脈沖計數(shù)得到的精確時間對地面動力學(xué)時鐘進(jìn)行校時，使星上時鐘和地面動力學(xué)時鐘之間的差不隨測試時間的長短變化，在整個試驗(yàn)過程中，星上何地面時鐘之間得差達(dá)到毫秒級。提高了系統(tǒng)的精確程度。
文檔編號H04B7/185GK102118847SQ20091021698
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者周劍敏, 姚寧, 張欣, 曹永梅, 王哲, 王勝剛 申請人:北京控制工程研究所