一種衛星時間同步系統的製作方法
2023-05-05 04:38:21
專利名稱:一種衛星時間同步系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種衛星時間同步系統。
背景技術：
對於衛星等空間飛行器，在進行空間遙感、科學探測等任務時，為確保測量數據的精度，需要將各星載測量設備的工作時間進行統一，使各測量設備工作在同一時間基準上，從而使得各測量數據在地面處理時可以根據時間信息進行精確匹配，提高遙感數據或科學探測數據的測量精度。
以低軌遙感衛星為例，為確保遙感圖像產品的定位精度，遙感數據(圖像)及相關的測量數據(衛星軌道、位置、姿態、相機相關參數)必須具備相同的時間基準，這就要求衛星的相機分系統、控制分系統、測控分系統等與遙感測量相關的分系統進行高精度的時間 同步。
目前常用的星載時間系統基本採用軟體授時與各分系統獨立計時的方式。軟體授時主要是指通過數管分系統將星載GNSS接收機測得的時間信息發送給各相關分系統。授時後，各相關分系統依據各自的內部時鐘進行計時，維持各自時間系統。這種方式受到數管分系統軟體運行的不確定性和各分系統自身時鐘精度的影響，時間同步誤差較大。目前的測試結果表明，該類系統的時間同步精度在±100 μ s左右。
對於具有高測量精度或高遙感定位精度要求的衛星，其時間同步精度要求優於±50 μ S，並且要求能滿足衛星高動態運行的特點。同時，衛星的不可維修性以及所處的空間環境要求時間同步系統具有高可靠性、可應對空間單粒子事件的特點。顯然現有的方法已經無法滿足這樣的需求。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了一種衛星時間同步系統，可以實現整星各測量設備的高精度時間統一，提高衛星測量數據的匹配精度。
本發明的技術解決方案是一種衛星時間同步系統，包括高穩定時間單元、星載GNSS接收單元、中央處理單元、秒脈衝發送單元和時間接收終端，其中
高穩定時間單元為星載GNSS接收單元和中央處理單元提供穩定的時鐘信號，作為星載GNSS接收單元和中央處理單元的本地時鐘；
星載GNSS接收單元包括導航接收天線、射頻信號處理模塊、GNSS導航解算模塊、時間信息處理模塊；導航接收天線接收導航衛星發出的導航信號；射頻信號處理模塊利用本地時鐘對導航信號進行預處理並解調出導航電文；GNSS導航解算模塊對導航電文進行解算，得出由導航衛星確定的衛星當前的位置信息和時間信息Te ;時間處理模塊根據衛星當前的時間信息Te調整本地的秒脈衝信號，使本地的秒脈衝信號與UTC整秒時刻保持一致，並將本地的秒脈衝信號發送給秒脈衝發送單元，作為主份秒脈衝，同時將UTC整秒時刻信息發送至中央處理單元；時間處理模塊還從中央處理單元接收衛星本地時間Ts，並計算Tt^PTs的時差Λ T作為校時信息反饋給中央處理單元，對中央處理單元進行校時；
中央處理單元包括數據處理模塊和備份秒脈衝模塊，數據處理模塊利用本地時鐘進行計時形成衛星本地時間Ts並發送給星載GNSS接收單元的時間處理模塊，同時接收星載GNSS接收單元的時間處理模塊傳來的校時信息AT，對衛星本地時間Ts進行校正；數據處理模塊還接收星載GNSS接收單元的時間處理模塊提供的UTC整秒時刻信息，當星載GNSS接收單元工作正常時，數據處理模塊將星載GNSS接收單元提供的UTC整秒時刻信息發送給時間接收終端，當星載GNSS接收單元工作異常時，數據處理模塊將衛星本地時間Ts的整秒時刻作為UTC整秒時刻信息發送給時間接收終端；備份秒脈衝模塊根據數據處理模塊的衛星本地時間Ts產生備份秒脈衝信號發送給秒脈衝發送單元，作為備份秒脈衝，所述備份秒脈衝信號與衛星本地時間Ts的整秒時刻保持一致；
秒脈衝發送單元同時接收星載GNSS接收單元的時間處理模塊送來的主份秒脈衝和中央處理單元的備份秒脈衝模塊送來的備份秒脈衝，當星載GNSS接收單元工作正常 時，將主份秒脈衝發送給時間接收終端，當星載GNSS接收單元工作異常時，將備份秒脈衝發送給時間接收終端；
時間接收終端包括晶振和計時模塊，晶振為計時模塊提供穩定的時鐘信號，計時模塊通過秒脈衝信號傳輸線接收主份秒脈衝或者備份秒脈衝，計時模塊還通過數據總線接收與主份秒脈衝相對應的UTC整秒時刻或者與備份秒脈衝相對應的UTC整秒時刻；計時模塊以接收到秒脈衝信號作為計時開始的觸發點，利用晶振提供的時鐘信號進行計數，計算獲得精確的當前時間Τ。
所述的數據總線為1553Β總線、CAN總線或其它雙向數據總線。所述的秒脈衝信號傳輸線為RS422、RS485或其它差分信號傳輸線路。
本發明與現有技術相比的特點在於本發明基於星載GNSS定位以獲取精確的UTC時間，並以此為基準作為整個系統的時間基準。利用GNSS系統整秒時鐘信號作為系統內部標準時間，並通過專用通道送達系統內的各時間用戶；同時GNSS系統將輸出的整秒信號對應的UTC時間信息以約定的方式同步發送給系統內的各接收終端。接收終端結合收到的秒脈衝信號和對應的UTC時間完成時間的精確對準，從而實現整星高精度的時間統一。同時，本發明提出的衛星高精度時間同步系統還針對衛星在軌運行時的異常情況，提供了基於衛星中央處理單元的備份秒脈衝同步系統，可在星載GNSS接收單元因空間單粒子事件或其他原因出現定位異常時，維持整星高精度的時間統一。
圖I為本發明系統的組成原理框圖；
圖2為本發明系統的星載GNSS接收單元的原理框圖；
圖3為本發明系統的中央處理單元的原理框圖；
圖4為本發明系統的時間接收終端原理框圖。
具體實施方式
為使衛星等空間飛行器滿足高測量精度或高遙感定位精度的要求，實現整星各測量設備的工作時間具備相同的時間基準，本發明提出一種衛星的高精度時間同步系統。[0020]本發明提出的衛星高精度時間同步系統由三個部分組成時間發送部分、時間傳輸部分和時間接收部分，其系統構成如圖I所不。
I.時間發送部分
時間發送部分由高穩定時間單元、星載GNSS接收單元、中央處理單元、秒脈衝發送單元組成。
高穩定時間單元為星載GNSS接收單元和中央處理單元提供高穩定的時鐘信號，作為星載GNSS接收單元和中央處理單元的本地時鐘。例如，高穩定時間單元為星載雙頻GPS接收單元提供5MHz的高穩定時鐘信號，該時鐘信號通過分頻處理形成中央處理單元所需的40kHz的高穩定時鐘信號。兩種頻率信號同源，可以消除因時鐘偏差造成的時間誤差。
星載GNSS接收單元由導航接收天線、射頻信號處理模塊、GNSS導航解算模塊、時間信息處理模塊組成，如圖2所示，可根據需要進行GPS導航信號、GL0NASS導航信號、北鬥 (BD-2)導航信號的接收，或者是兼容多種導航信號的雙模/多模接收系統。各部分功能如下
I)導航接收天線用於接收導航衛星發出的導航信號。
2)射頻信號處理模塊利用高穩定時間單元提供的時鐘信號形成穩定的本地時鐘，並利用該時鐘對導航接收天線接收到的導航信號進行低噪聲放大、下變頻、濾波、中頻信號放大等處理，最終解調出相應的導航電文。
3)GNSS導航解算模塊根據解調出的導航電文進行計算，得出衛星當前精確的位置信息和時間信息Te。如何進行導航天文的計算可以參見劉基餘編著的《GPS衛星導航定位原理與方法》。
4)時間處理模塊根據衛星當前的時間信息Te，調整本地的秒脈衝信號，使本地秒脈衝信號與UTC整秒時刻保持一致，並將秒脈衝信號發送給秒脈衝發送單元，作為高精度時間同步系統的主份秒脈衝。該模塊還具備通過數據總線為中央處理單元提供與秒脈衝信號相對應的UTC整秒時刻信息的功能。同時，該模塊通過數據總線接收中央處理單元發來的衛星時間Ts，並將其與GNSS導航解算模塊解算出的時間Te進行比較，按公式⑴計算出兩者的時差AT作為校時信息，通過數據總線發送給中央處理單元，從而完成為中央處理單元進行校時的功能。
AT = Tg-Ts-St(I)
上式中，δ τ是中央處理單元取出衛星時間並將其通過數據總線發送給星載GNSS接收單元所需的時延，該參數應在衛星地面測試時進行測試標定。
中央處理單元由數據處理模塊和備份秒脈衝模塊組成，如圖3所示。各部分功能如下
I)數據處理模塊利用高穩定時間單元提供的時鐘信號進行計時，形成衛星時間Ts,並將該衛星時間通過數據總線發送給星載GNSS接收單元。在此基礎上，接收星載GNSS接收單元通過數據總線發來校時信息ΛΤ，並按公式(2)進行校時，形成新的衛星時間TS1。
Tsi = Ts+ Δ T(2)
2)數據處理模塊通過數據總線接收星載GNSS接收單元提供的UTC整秒時刻信息。當星載GNSS接收單元工作正常時，數據處理模塊將星載GNSS接收單元提供的UTC整秒時刻信息通過時間傳輸部分發送給時間接收部分；當星載GNSS接收單元工作不正常時，數據處理模塊將衛星時間的整秒時刻作為UTC整秒時刻信息通過時間傳輸部分發送給時間接收部分。
3)備份秒脈衝模塊根據數據處理模塊的衛星時間1產生秒脈衝信號，並將該秒脈衝信號發送給秒脈衝發送單元，作為高精度時間同步系統的備份秒脈衝。
秒脈衝發送單元同時接收星載GNSS接收單元送來的主份秒脈衝信號和中央處理單元送來的備份秒脈衝信號，並對其進行選擇、分路和放大。當星載GNSS接收單元工作正常時，秒脈衝發送單元將主份秒脈衝信號通過時間傳輸部分發送給時間接收部分；當星載GNSS接收單元工作不正常時，秒脈衝發送單元將備份秒脈衝信號通過時間傳輸部分發送給時間接收部分。
2.時間傳輸部分
時間傳輸部分包括數據總線和秒脈衝信號傳輸線。·[0039]數據總線可以由1553B總線、CAN總線或其它雙向數據總線實現，用於進行衛星時間數據、校時數據、UTC整秒時刻數據等的傳輸。
秒脈衝信號傳輸線可以由RS422、RS485或其它差分信號傳輸線路實現，用於進行秒脈衝信號的傳輸。
3.時間接收部分
時間接收部分由多個原理相同的時間接收終端組成，時間接收終端的配置由衛星的總體任務決定(如可以是三線陣相機控制器、多光譜相機控制器、數據採集器等)。每個時間接收終端均由高穩定晶振和計時模塊組成，如圖4所示。各部分功能如下
I)聞穩定晶振為計時|旲塊提供穩定的時鐘彳目號。
2)計時模塊通過秒脈衝信號傳輸線接收秒脈衝信號，並通過數據總線接收與秒脈衝相對應的UTC整秒時刻。計時模塊以接收到秒脈衝信號作為計時開始的觸發點，設與該次秒脈衝對應的UTC整秒時刻為Τυτ。。計時模塊被觸發後，根據高穩定晶振提供的時鐘信號進行計數，設當前時間的計數值為Ν(觸發時刻的計數值是I)，時鐘信號的周期為Τακ，則可按公式(3)計算出精確的當前時間Τ。
T = Tutc+ (N-I) Tclk+ δ s(3)
上式中，Ss是秒脈衝信號由時間發送部分的輸出埠至時間接收部分的輸入埠的時延，該參數應在衛星地面測試時進行測試標定。
本發明衛星高精度時間同步系統的工作過程如下
I.在衛星地面測試中，對中央處理單元取出衛星時間Ts並將其通過數據總線發送給星載GNSS接收單元所需的時延31和秒脈衝信號由時間發送部分的輸出埠至時間接收部分的輸入埠的時延進行δ s測試標定；
2.衛星發射入軌後，由星載GNSS接收單元接收GNSS導航衛星的導航信號，並獲取衛星當前精確的位置信息和時間信息Te ；
3.中央處理單元利用高穩定時間單元提供的時鐘信號進行計時，形成衛星時間Ts,並將該衛星時間通過數據總線發送給星載GNSS接收單元；
4.星載GNSS接收單元通過數據總線接收中央處理單元發來的衛星時間Ts，按公式I計算出校時信息ΛΤ，並通過據總線發送給中央處理單元；
5.中央處理單元通過過數據總線接收星載GNSS接收單元發來的校時信息AT，並按公式2計算新的衛星時間Tsi，完成校時；
6.星載GNSS接收單元依據實際接收到導航信號調整秒脈衝信號，使秒脈衝信號與UTC整秒時刻保持一致，並將秒脈衝信號發送給秒脈衝發送單元，作為高精度時間同步系統的主份秒脈衝；
7.中央處理單元根據衛星時間1產生秒脈衝信號，並將該秒脈衝信號發送給秒脈衝發送單元，作為高精度時間同步系統的備份秒脈衝；
8.星載GNSS接收單元主份秒脈衝對應的UTC整秒時刻信息通過數據總線發送給中央處理單元；
9.當星載GNSS接收單元工作正常時，秒脈衝發送單元將主份秒脈衝信號通過秒 脈衝信號傳輸線發送給各時間接收終端；當星載GNSS接收單元工作不正常時，秒脈衝發送單元將備份秒脈衝信號通過秒脈衝信號傳輸線發送給各時間接收終端；
10.當星載GNSS接收單元工作正常時，中央處理單元將星載GNSS接收單元提供的UTC整秒時刻信息通過數據總線發送給各時間接收終端；當星載GNSS接收單元工作不正常時，中央處理單元將衛星自身運行的內部時間Ts的整秒時刻作為UTC整秒時刻信息通過數據總線發送給各時間接收終端；
11.各時間接收終端通過秒脈衝信號傳輸線接收秒脈衝信號，並通過數據總線接收與秒脈衝相對應的UTC整秒時刻；
12.各時間接收終端以接收到秒脈衝信號作為計時開始的觸發點，並按公式3計算出精確的當前時間T。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種衛星時間同步系統，其特徵在於包括高穩定時間單元、星載GNSS接收單元、中央處理單元、秒脈衝發送單元和時間接收終端，其中 高穩定時間單元為星載GNSS接收單元和中央處理單元提供穩定的時鐘信號，作為星載GNSS接收單元和中央處理單元的本地時鐘； 星載GNSS接收單元包括導航接收天線、射頻信號處理模塊、GNSS導航解算模塊、時間信息處理模塊；導航接收天線接收導航衛星 發出的導航信號；射頻信號處理模塊利用本地時鐘對導航信號進行預處理並解調出導航電文；GNSS導航解算模塊對導航電文進行解算，得出由導航衛星確定的衛星當前的位置信息和時間信息Te ;時間處理模塊根據衛星當前的時間信息Te調整本地的秒脈衝信號，使本地的秒脈衝信號與UTC整秒時刻保持一致，並將本地的秒脈衝信號發送給秒脈衝發送單元，作為主份秒脈衝，同時將UTC整秒時刻信息發送至中央處理單元；時間處理模塊還從中央處理單元接收衛星本地時間Ts，並計算Te和Ts的時差AT作為校時信息反饋給中央處理單元，對中央處理單元進行校時； 中央處理單元包括數據處理模塊和備份秒脈衝模塊，數據處理模塊利用本地時鐘進行計時形成衛星本地時間Ts並發送給星載GNSS接收單元的時間處理模塊，同時接收星載GNSS接收單元的時間處理模塊傳來的校時信息AT，對衛星本地時間Ts進行校正；數據處理模塊還接收星載GNSS接收單元的時間處理模塊提供的UTC整秒時刻信息，當星載GNSS接收單元工作正常時，數據處理模塊將星載GNSS接收單元提供的UTC整秒時刻信息發送給時間接收終端，當星載GNSS接收單元工作異常時，數據處理模塊將衛星本地時間Ts的整秒時刻作為UTC整秒時刻信息發送給時間接收終端；備份秒脈衝模塊根據數據處理模塊的衛星本地時間Ts產生備份秒脈衝信號發送給秒脈衝發送單元，作為備份秒脈衝，所述備份秒脈衝信號與衛星本地時間Ts的整秒時刻保持一致； 秒脈衝發送單元同時接收星載GNSS接收單元的時間處理模塊送來的主份秒脈衝和中央處理單元的備份秒脈衝模塊送來的備份秒脈衝，當星載GNSS接收單元工作正常時，將主份秒脈衝發送給時間接收終端，當星載GNSS接收單元工作異常時，將備份秒脈衝發送給時間接收終端； 時間接收終端包括晶振和計時模塊，晶振為計時模塊提供穩定的時鐘信號，計時模塊通過秒脈衝信號傳輸線接收主份秒脈衝或者備份秒脈衝，計時模塊還通過數據總線接收與主份秒脈衝相對應的UTC整秒時刻或者與備份秒脈衝相對應的UTC整秒時刻；計時模塊以接收到秒脈衝信號作為計時開始的觸發點，利用晶振提供的時鐘信號進行計數，計算獲得精確的當前時間T。
2.根據權利要求
I所述的一種衛星時間同步系統，其特徵在於所述的數據總線為1553B總線、CAN總線或其它雙向數據總線。
3.根據權利要求
I所述的一種衛星時間同步系統，其特徵在於所述的秒脈衝信號傳輸線為RS422、RS485或其它差分信號傳輸線路。
專利摘要
一種衛星時間同步系統，包括時間發送部分、時間傳輸部分和時間接收部分。其中，時間發送部分通過對GNSS導航信號進行接收，產生精確的UTC時間，並發出與UTC整秒時刻相對應的秒脈衝。時間傳輸部分將秒脈衝和與秒脈衝相對應的UTC整秒時刻信息傳輸至時間接收部分。時間接收部分接收秒脈衝和與秒脈衝相對應的UTC整秒時刻信息，由秒脈衝進行觸發，通過本地時鐘進行計數，從而獲得精確的當前時間。採用本發明提出的衛星高精度時間同步系統，可以使衛星各測量設備工作在同一時間基準上，地面處理測量數據時可以根據時間信息進行精確匹配，提高遙感數據或科學探測數據的測量精度。
文檔編號G04R40/06GKCN102882586SQ201210390636
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月15日
發明者劉寧, 黃縉, 張新偉, 李少輝, 任放 申請人:北京空間飛行器總體設計部導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan