專利名稱：一種衛(wèi)星星上高精度時間同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星星上高精度時間同步方法。
背景技術(shù)：
以往衛(wèi)星上的時鐘為系統(tǒng)鐘，系統(tǒng)鐘由星務(wù)中心計算機的遙測中斷產(chǎn)生，星務(wù)中心計算機遙測中斷每3. 90625ms產(chǎn)生一次，軟件在遙測中斷服務(wù)程序中累計時間，在256次遙測中斷后時間正好為1秒。星上系統(tǒng)時鐘按秒和毫秒進行累計，其時間分辨率為1毫秒， 接收星箭分離信號的時刻系統(tǒng)鐘清零。星務(wù)中心計算機將系統(tǒng)鐘通過CAN總線向星上各個分系統(tǒng)廣播，能夠提供日、時、分、秒以及毫秒，其精度和穩(wěn)定性由星務(wù)中心計算機內(nèi)部的晶振決定，屬于星上低精度時間。隨著任務(wù)精度和復(fù)雜度的日益提高，越來越多的任務(wù)要由星上多個分系統(tǒng)協(xié)同完成，各分系統(tǒng)協(xié)同工作的基礎(chǔ)就是星上具有統(tǒng)一的高精度時間同步方法，以往精度為ms的系統(tǒng)鐘無法滿足任務(wù)的需要，因此需要建立一種衛(wèi)星星上高精度時間同步方法以保證星上內(nèi)部的時間高精度一致。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種衛(wèi)星星上高精度時間同步方法，采用該方法可以有效解決在軌運行時原有的星上時間精度低、穩(wěn)定性差的問題，為整星建立了高精度統(tǒng)一時間，使星上各分系統(tǒng)能夠在統(tǒng)一的時間坐標(biāo)下協(xié)同工作，完成以往衛(wèi)星無法完成的復(fù)雜任務(wù)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種衛(wèi)星星上高精度時間同步方法，步驟如下(1)衛(wèi)星在軌運行期間，當(dāng)星上的GPS接收機處于定位狀態(tài)時，GPS接收機接收GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航信號并解算出GPS標(biāo)準(zhǔn)時間，在每個GPS標(biāo)準(zhǔn)時間的整秒時刻，GPS接收機向星上的星務(wù)中心計算機發(fā)出一個GPS秒脈沖；當(dāng)星上的GPS接收機處于非定位狀態(tài)時， GPS接收機不發(fā)出GPS秒脈沖；(2)判斷星務(wù)中心計算機是否收到GPS接收機發(fā)送的GPS秒脈沖，若收到，則進入步驟(3)；若未收到，則星務(wù)中心計算機繼續(xù)使用其內(nèi)部計時，之后進入步驟(6)；(3)星務(wù)中心計算機向星上時間用戶發(fā)送GPS秒脈沖和時間信息廣播；(4)星務(wù)中心計算機根據(jù)GPS秒脈沖校準(zhǔn)內(nèi)部計時，使得星務(wù)中心計算機的內(nèi)部計時與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的偏差小于25us ；(5)星務(wù)中心計算機獲得其自主均勻校時周期并存儲在星務(wù)中心計算機內(nèi)部寄存器中，所述自主均勻校時周期是指星務(wù)中心計算機的內(nèi)部計時與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的偏差達到25us所用的時間，之后返回步驟(1)；(6)判斷星務(wù)中心計算機的內(nèi)部寄存器中是否已存入自主均勻校時周期，若已存入，則進入步驟(7)；若未存入，則進入步驟(8)；(7)星務(wù)中心計算機向星上時間用戶發(fā)送時間廣播信息和由星務(wù)中心計算機內(nèi)部計時產(chǎn)生的內(nèi)部秒脈沖，并且星務(wù)中心計算機根據(jù)自主均勻校時周期調(diào)整其內(nèi)部計時，使得內(nèi)部計時和GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的偏差小于25us，之后返回步驟(1)；(8)星務(wù)中心計算機向星上時間用戶發(fā)送時間廣播信息和由星務(wù)中心計算機內(nèi)部計時產(chǎn)生的內(nèi)部秒脈沖，之后返回步驟(1)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(1)本發(fā)明利用衛(wèi)星上GPS接收機輸出給星務(wù)中心計算機的高精度秒脈沖，由星務(wù)中心計算機根據(jù)GPS秒脈沖對內(nèi)部計時進行校準(zhǔn)，使GPS標(biāo)準(zhǔn)時間與星務(wù)中心計算機的內(nèi)部計時之間的誤差< 25us，而以往單純以GPS秒脈沖作為時間同步基準(zhǔn)的設(shè)計無法提升星務(wù)中心計算機內(nèi)部計時精度(GPS時間與星務(wù)中心計算機的內(nèi)部計時兩者誤差為ms級)。 并且，星務(wù)中心計算機在422總線上發(fā)送秒脈沖和在CAN總線上發(fā)送時間廣播信息，實現(xiàn)整星各分系統(tǒng)間(星上時間用戶)的高精度時間同步，精度優(yōu)于0. Ims (以GPS輸出的標(biāo)準(zhǔn)時間(UTC時間)為基準(zhǔn))。(2)本發(fā)明的星上高精度時間同步方法，克服了以往單純以GPS秒脈沖作為整星各分系統(tǒng)時間同步設(shè)計在GPS接收機不定位時無法繼續(xù)工作的缺點。因為原有的設(shè)計方法僅僅是依靠GPS秒脈沖作為各時間用戶的同步信號，而GPS接收機不定位時不再發(fā)送秒脈沖，各時間用戶之間無法繼續(xù)同步工作。而本方法則能在GPS接收機出現(xiàn)不定位情況時，星務(wù)中心計算機通過自主均勻校時使得GPS標(biāo)準(zhǔn)時間與星務(wù)中心計算機的內(nèi)部計時兩者誤差<25us，并能夠輸出高精度秒脈沖給時間用戶使用，保證各時間用戶時間同步的需要。(3)本發(fā)明的星上高精度時間同步方法，有效解決了星上時間系統(tǒng)精度低、穩(wěn)定性差而無法滿足衛(wèi)星實施敏捷機動過程中的時間同步問題。在衛(wèi)星實際在軌飛行期間，只要存在GPS接收機、星地測控信道之一便可實現(xiàn)衛(wèi)星的時間統(tǒng)一，有效降低了系統(tǒng)功能失效的風(fēng)險，并可根據(jù)需要或使用環(huán)境的變化及時改變時間統(tǒng)一方式，顯著提高了衛(wèi)星時間同步的靈活性、可靠性和安全性。


圖1為本發(fā)明的高精度時間同步方法結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的高精度時間同步方法流程圖；圖3為本發(fā)明的秒脈沖輸出工作原理圖；圖4為本發(fā)明的校時原理圖。
具體實施例方式如圖1所示為本發(fā)明的高精度時間同步方法結(jié)構(gòu)示意圖，衛(wèi)星上安裝有GPS接收機、星務(wù)中心計算機、時鐘單元和各個時間用戶(星上分系統(tǒng))。其中，GPS接收機接收GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航信號解算出GPS標(biāo)準(zhǔn)時間，并向星務(wù)中心計算機發(fā)出高精度秒脈沖。星務(wù)中心計算機產(chǎn)生的內(nèi)部計時是以內(nèi)部時鐘或時鐘單元為基準(zhǔn)累計形成的，在軌運行時絕大部分時間使用時鐘單元。時鐘單元為星務(wù)中心計算機提供高精度的計時基準(zhǔn)，并且減少了地面對衛(wèi)星時間的修正。它采用恒溫控制技術(shù)，保證石英晶體和振蕩電路工作在穩(wěn)定的溫度下，確保輸出頻率的穩(wěn)定，輸出為40kHz的方波信號。時鐘穩(wěn)定度優(yōu)于5X ΙΟ—9/天，頻率準(zhǔn)確度為5X10—7。星務(wù)中心計算機對接收到的時鐘單元輸出的40kHz方波信號進行計數(shù)，以此實現(xiàn)內(nèi)部計時。星務(wù)中心計算機在收到GPS秒脈沖后校準(zhǔn)星務(wù)中心計算機的內(nèi)部計時，并向星上時間用戶發(fā)送秒脈沖和時間廣播信息，時間用戶接收星務(wù)中心計算機發(fā)出的秒脈沖和時間信息廣播，并以此為基準(zhǔn)校時、計時。本發(fā)明提供了一種衛(wèi)星星上高精度時間同步方法，如圖2所示，步驟如下(1)衛(wèi)星在軌運行期間，當(dāng)星上的GPS接收機處于定位狀態(tài)時，GPS接收機接收GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航信號并解算出GPS標(biāo)準(zhǔn)時間，在每個GPS標(biāo)準(zhǔn)時間的整秒時刻，GPS接收機向星上的星務(wù)中心計算機發(fā)出一個與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間誤差小于1 μ s的高精度GPS秒脈沖；當(dāng)星上的GPS接收機處于非定位狀態(tài)時，GPS接收機不發(fā)出GPS秒脈沖；(2)判斷星務(wù)中心計算機是否收到GPS接收機發(fā)送的GPS秒脈沖，若收到，則進入步驟(3)；若未收到，則星務(wù)中心計算機繼續(xù)使用其內(nèi)部計時，之后進入步驟(6)；(3)星務(wù)中心計算機向星上時間用戶發(fā)送GPS秒脈沖和時間信息廣播；如圖3所示，星務(wù)中心計算機可以根據(jù)GPS接收機的定位狀態(tài)自主判斷選擇輸出 GPS秒脈沖或者星務(wù)中心計算機產(chǎn)生的內(nèi)部秒脈沖。GPS接收機處于定位狀態(tài)時，星務(wù)中心計算機通過422總線直接向時間用戶轉(zhuǎn)發(fā) GPS接收機輸出給星務(wù)中心計算機的GPS秒脈沖。星務(wù)中心計算機轉(zhuǎn)發(fā)出GPS秒脈沖后的50毫秒內(nèi)會向CAN總線發(fā)送時間廣播信息。星上各時間用戶可以根據(jù)星務(wù)中心計算機轉(zhuǎn)發(fā)出的GPS秒脈沖和CAN總線上的時間廣播信息進行校時、計時，將自身的內(nèi)部時間與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間對齊。(4)星務(wù)中心計算機根據(jù)GPS秒脈沖校準(zhǔn)內(nèi)部計時，使得星務(wù)中心計算機的內(nèi)部計時與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的偏差小于25us ；星務(wù)中心計算機產(chǎn)生的內(nèi)部秒脈沖采用計數(shù)器級聯(lián)的方式實現(xiàn)，首先將時鐘單元輸出的40KHz方波信號作為計數(shù)器1的時鐘信號輸入，生成周期為Ims的方波信號；然后將該Ims的方波信號作為計數(shù)器2的時鐘信號輸入，生成周期為1秒，負(fù)脈沖寬度為Ims的脈沖信號。40KHz時鐘的一個周期為25us，可以通過增加或減少1個40KHz方波信號的脈沖來達到內(nèi)部秒脈沖調(diào)快或減慢25us的目的。根據(jù)GPS秒脈沖校時的實現(xiàn)方法如圖4所示星務(wù)中心計算機讀取從GPS秒脈沖下降沿到星務(wù)中心計算機內(nèi)部秒脈沖下降沿時間段內(nèi)的40KHz信號的時鐘個數(shù)，由此判斷誤差時間(誤差時間的單位是25us)。如果時鐘個數(shù)大于等于40001或者小于等于39999，星務(wù)中心計算機發(fā)出脈沖加“1”或脈沖減“1” 指令相應(yīng)增減40KHz脈沖序列中的一個脈沖，達到星務(wù)中心計算機內(nèi)部秒脈沖調(diào)快25us或減慢25us的目的，從而使得星務(wù)中心計算機內(nèi)部秒脈沖與GPS秒脈沖誤差在一個時鐘周期 (25us)內(nèi)。(5)星務(wù)中心計算機獲得其自主均勻校時周期并存儲在星務(wù)中心計算機內(nèi)部寄存器中，所述自主均勻校時周期是指星務(wù)中心計算機的內(nèi)部計時與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的偏差達到25us所用的時間，之后返回步驟(1)；在GPS接收機處于定位狀態(tài)時，星務(wù)中心計算機讀取GPS秒脈沖與內(nèi)部秒脈沖之間的誤差，記錄下每次誤差達到25us的時間作為星上自主均勻校時周期，并用最近一次獲得的星上自主均勻校時周期覆蓋前一次獲得的星上自主均勻校時周期，自主均勻校時調(diào)整的最小時間當(dāng)量是25us。除了采用最近一次獲得的星上自主均勻校時周期覆蓋前一次獲得的星上自主均勻校時周期的方法，還可以經(jīng)過不間斷的統(tǒng)計求取GPS秒脈沖與內(nèi)部秒脈沖之間誤差達到25us所用時間的平均值作為星上自主均勻校時周期。(6)判斷星務(wù)中心計算機的內(nèi)部寄存器中是否已存入自主均勻校時周期，若已存入，則進入步驟(7)；若未存入，則進入步驟(8)；(7)星務(wù)中心計算機向星上時間用戶發(fā)送時間廣播信息和由星務(wù)中心計算機內(nèi)部計時產(chǎn)生的內(nèi)部秒脈沖，并且星務(wù)中心計算機根據(jù)自主均勻校時周期調(diào)整其內(nèi)部計時，使得內(nèi)部計時和GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的偏差小于25us，之后返回步驟(1)；如圖3所示，星務(wù)中心計算機根據(jù)GPS接收機的定位狀態(tài)自主判斷選擇輸出GPS 秒脈沖或者星務(wù)中心計算機產(chǎn)生的內(nèi)部秒脈沖。GPS接收機處于不定位狀態(tài)時，星務(wù)中心計算機通過422總線向時間用戶發(fā)送星務(wù)中心計算機產(chǎn)生的內(nèi)部秒脈沖。星務(wù)中心計算機發(fā)出內(nèi)部秒脈沖后的50毫秒內(nèi)會向CAN總線發(fā)送時間廣播信息。 星上各時間用戶可以根據(jù)星務(wù)中心計算機發(fā)出的內(nèi)部秒脈沖和CAN總線上的時間廣播信息進行校時、及時，將自身的內(nèi)部時間與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間對齊。GPS接收機處于不定位狀態(tài)時，星務(wù)中心計算機不能收到GPS秒脈沖，可以根據(jù)自主均勻校時周期調(diào)整內(nèi)部計時，即從星務(wù)中心計算機接收不到GPS秒脈沖的一刻開始，每經(jīng)過一次星上自主均勻校時周期便發(fā)出脈沖加“ 1，，或脈沖減“ 1，，指令相應(yīng)增減40KHz脈沖序列中的一個脈沖，達到星務(wù)中心計算機內(nèi)部秒脈沖調(diào)快25us或減慢25us的目的，從而保持星務(wù)中心計算機內(nèi)部計時與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間的誤差在一個時鐘周期內(nèi)。(8)星務(wù)中心計算機向星上時間用戶發(fā)送時間廣播信息和由星務(wù)中心計算機內(nèi)部計時產(chǎn)生的內(nèi)部秒脈沖，之后返回步驟(1)重新循環(huán)上述步驟。
權(quán)利要求
1. 一種衛(wèi)星星上高精度時間同步方法，其特征在于步驟如下(1)衛(wèi)星在軌運行期間，當(dāng)星上的GPS接收機處于定位狀態(tài)時，GPS接收機接收GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航信號并解算出GPS標(biāo)準(zhǔn)時間，在每個GPS標(biāo)準(zhǔn)時間的整秒時刻，GPS接收機向星上的星務(wù)中心計算機發(fā)出一個GPS秒脈沖；當(dāng)星上的GPS接收機處于非定位狀態(tài)時，GPS 接收機不發(fā)出GPS秒脈沖；(2)判斷星務(wù)中心計算機是否收到GPS接收機發(fā)送的GPS秒脈沖，若收到，則進入步驟 (3)；若未收到，則星務(wù)中心計算機繼續(xù)使用其內(nèi)部計時，之后進入步驟(6)；(3)星務(wù)中心計算機向星上時間用戶發(fā)送GPS秒脈沖和時間信息廣播；(4)星務(wù)中心計算機根據(jù)GPS秒脈沖校準(zhǔn)內(nèi)部計時，使得星務(wù)中心計算機的內(nèi)部計時與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的偏差小于25us ；(5)星務(wù)中心計算機獲得其自主均勻校時周期并存儲在星務(wù)中心計算機內(nèi)部寄存器中，所述自主均勻校時周期是指星務(wù)中心計算機的內(nèi)部計時與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的偏差達到25us所用的時間，之后返回步驟(1)；(6)判斷星務(wù)中心計算機的內(nèi)部寄存器中是否已存入自主均勻校時周期，若已存入，則進入步驟(7)；若未存入，則進入步驟(8)；(7)星務(wù)中心計算機向星上時間用戶發(fā)送時間廣播信息和由星務(wù)中心計算機內(nèi)部計時產(chǎn)生的內(nèi)部秒脈沖，并且星務(wù)中心計算機根據(jù)自主均勻校時周期調(diào)整其內(nèi)部計時，使得內(nèi)部計時和GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的偏差小于25us，之后返回步驟(1)；(8)星務(wù)中心計算機向星上時間用戶發(fā)送時間廣播信息和由星務(wù)中心計算機內(nèi)部計時產(chǎn)生的內(nèi)部秒脈沖，之后返回步驟(1)。
全文摘要
一種衛(wèi)星星上高精度時間同步方法，有效解決了星上時間系統(tǒng)精度低、穩(wěn)定性差而無法滿足衛(wèi)星實施敏捷機動過程中的時間同步問題。利用本發(fā)明的高精度時間同步方法，首先，不僅提高了星務(wù)中心計算機產(chǎn)生時間的精度(與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間的誤差＜25us)，并且整星各分系統(tǒng)間的時間同步精度優(yōu)于0.1ms(以GPS標(biāo)準(zhǔn)時間為基準(zhǔn))。其次，克服了單純以GPS秒脈沖作為整星各分系統(tǒng)時間同步設(shè)計方法在GPS接收機不定位時無法繼續(xù)工作的缺點。在衛(wèi)星的在軌飛行期間，只要存在GPS接收機、星地測控信道之一便可實現(xiàn)衛(wèi)星的時間同步，有效降低了系統(tǒng)功能失效的風(fēng)險，并可根據(jù)需要或環(huán)境的變化而及時改變時間同步方式，顯著提高了衛(wèi)星時間同步的靈活性、可靠性和安全性。
文檔編號H04L7/00GK102291169SQ20111026835
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者侯文才, 劉思遠, 李超, 楊芳, 蔣軼穎, 譚超, 趙鍵 申請人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司