CN102118847B - 用于地面测试的星上与地面时钟统一方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天测试技术领域，具体公开了一种用于地面测试的星上与地面时钟统一方法及装置，在卫星地面模飞测试中，利用启动地面动力学的模拟星箭分离信号作为公共激励源，同时启动GPS模拟器与地面动力学程序，用电信号代替不同人的操作，使星上和地面时钟初始误差降到可以忽略的微妙级；利用对GPS模拟器的秒脉冲计数得到的精确时间对地面动力学时钟进行校时，使星上时钟和地面动力学时钟之间的差不随测试时间的长短变化，在整个试验过程中，星上何地面时钟之间得差达到毫秒级。提高了系统的精确程度。

Description

用于地面测试的星上与地面时钟统一方法及装置

技术领域

本发明属于航天测试技术，具体涉及一种星上与地面时钟统一方法及其时统设备。

背景技术

卫星的姿态与轨道控制方案的可行性、正确性直接关系到卫星在轨的安全性。因此卫星的姿态与轨道控制方案必须经过地面充分的试验验证，如何在地面更有效的验证控制方案的正确性是问题的关键。

地面的试验验证工作除了包括数学仿真，还包括物理仿真。物理仿真与数学仿真的区别在于物理仿真时，需要连接卫星的真实部件，并运用一些模拟器，模拟卫星在轨飞行的各种状态，这种仿真试验称作“模飞试验”。由于是真实部件，部件的物理特性对系统的作用更接近真实，对方案的验证也更有效。

在做地面模飞试验时，星上的姿态轨道控制计算机(AOCC-Attitude andOrbit Controlling Computer)运行星载程序，地面运行地面动力学程序；AOCC星载程序根据AOCC的当前时间对GPS送来的轨道数据进行校验，在校验通过后，直接使用GPS的轨道数据，并且在下一拍GPS轨道信息到来前，根据AOCC当前时间以及前一拍经过校验的GPS轨道数据推算卫星所处的位置和速度，因此在模飞开始后，星上的轨道可以近似表示成：

${\stackrel{\→}{r}}_1=F(t-t_{0\mathrm{GPS}}),$

${\stackrel{\stackrel{\·}{\→}}{r}}_1=G(t-t_{0\mathrm{GPS}}),$

为卫星的轨道位置矢量，

为卫星的速度矢量，t为AOCC的当前时间，t_0GPS为GPS轨道计算开始时间，可以是要模拟的任意时间，常表示成是距某一固定时刻的时间。

地面动力学程序根据轨道递推模型也计算卫星的轨道位置和速度，地面动力学计算得的卫星的位置和速度可以表示成

${\stackrel{\→}{r}}_2=f(t^{\′}-t_0),$

${\stackrel{\stackrel{\·}{\→}}{r}}_2=g(t^{\′}-t_0),$

为卫星的轨道位置矢量，

为卫星的速度矢量，t′为地面动力学的当前时间，t₀为地面动力学开始时间，一般为0。

和和

虽然计算的公式不一样，但是只要能够使t_0GPS时刻的GPS计算的卫星轨道位置、速度和t₀时刻地面动力学计算的卫星轨道位置、速度相等，且星上时间(t-t_0GPS)和地面动力学时间(t′-t₀)相等，就有

对每一时刻都成立。

在模飞试验中，(t-t_0GPS)取决于GPS模拟器的运行时间，时间累计为对GPS模拟器时钟的累计，(t′-t₀)取决于地面动力学的运行时间，为对地面动力学使用的晶振的时间累计，逻辑示意图参见图1，因此，有两个缺陷导致(t-t_0GPS)和(t′-t₀)不一致。

第一：(t-t_0GPS)和(t′-t₀)的开始计时信号是独立的，即启动GPS模拟器和启动地面动力学使用的是不同的信号，导致两者有一个初始误差；

第二：即使两者同时开始计时，随着时间越来越长，由于两者的时间累计时钟的差别，两者的时间差会越来越大。我们现有的定量经验，累计6000秒，两者就能差出1秒。

发明内容

本发明的目的在于针对上述地面模飞试验中，星上时间和地面时间的偏差问题，提出一种基于GPS模拟器的用于地面测试的星上与地面时钟统一方法及装置，使其在地面模飞试验中，利用启动地面动力学的模拟星箭分离信号作为公共激励源，同时启动GPS模拟器与地面动力学程序，解决初始偏差问题。对GPS模拟器的秒脉冲进行计数，并作为精确时钟源，定时地面动力学软件校时解决长时间试验时间偏差问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于地面测试的星上与地面时钟统一方法，该方法包含如下步骤：

1)将运行地面动力学程序的工控机发出的模拟星箭分离信号作为公共激励源，同时输入给GPS模拟器与地面动力学程序，使两者同时启动；

2)对GPS模拟器轨道仿真开始时刻t_0GPS后的秒脉冲个数进行计数；

3)约定一个固定时间间隔N个秒脉冲，每当秒脉冲计到N的整数倍，为地面动力学程序校一次时间，强制使t′-t₀＝t-t_0GPS；所述固定时间间隔N为120～480。

一种用于地面测试中星上与地面时钟统一的时统设备，它包括电源模块、系统时钟、信号处理模块、核心处理模块、GPS模拟器接口模块和地面动力学接口模块；

所述的GPS模拟器接口连接GPS模拟器，地面动力学接口连接运行地面动力学程序的工控机；

所述的信号处理模块用FPGA实现，连接GPS模拟器接口和地面动力学接口；信号处理模块内部也设计有计时器，它从接收到模拟星箭分离信号后开始累计，在信号处理模块的内部计时器开始累计之后，信号处理模块以GPS模拟器接口模块传来的秒脉冲信号作为同步信号，并用从GPS模拟器接口模块获得的时间信息对内部计时器校时；

所述的核心处理模块为嵌入式处理器ARM9，它通过信号处理模块扩展GPS模拟器接口模块、地面动力学接口模块；核心处理模块与地面动力学工控机相连，并向地面动力学工控机发送时间信息。

所述的系统时钟为恒温振荡器，它提供信号处理模块和核心处理模块的工作时钟；

地面动力学工控机发出的模拟星箭分离信号作为激励源，发送给地面动力学接口，地面动力学接口将此信号处理后发送给信号处理模块，信号处理模块通过GPS模拟器接口给GPS模拟器发出启动信号，使地面动力学工控机与GPS模拟器同时启动；GPS模拟器启动后不间断的发送秒脉冲信号以及时间信息，脉冲信号以及时间信息在GPS模拟器接口模块中进行电平转换，转换后的信号送入信号处理模块，当信号处理模块的内部计时器计数每到N个秒脉冲的整数倍时刻，信号处理模块保存当前计时器时间，并向地面动力学接口模块发送时间同步信号，同时触发核心处理模块中断。

在上述的一种用于地面测试中星上与地面时钟统一的时统设备中：所述的GPS模拟器接口模块是实现时统设备与GPS模拟器的通信通道，它以FPGA为实现平台，将FPGA与GPS模拟器串口相连，FPGA向GPS模拟器发送启动信号，GPS模拟器向FPGA发送秒脉冲。

在上述的一种用于地面测试中星上与地面时钟统一的时统设备中：所述的地面动力学接口模块是实现时统设备与地面动力学工控机的通信通道，它以FPGA为实现平台，地面动力学工控机向FPGA发送模拟星箭分离信号，FPGA向地面动力学工控机发送时间同步信号。

在上述的一种用于地面测试中星上与地面时钟统一的时统设备中：所述的核心处理模块还扩展连接有以太网络接口，可以连接外部计算机，对整个时统设备的运行参数进行监视。

本发明的显著效果在于：在卫星地面模飞测试中，利用时统设备使地面动力学工控机和GPS模拟器产生物理连接关系，将地面动力学工控机的模拟星箭分离信号作为公共激励源，同时启动GPS模拟器与地面动力学程序，用电信号代替不同人的操作，使星上和地面时钟初始误差降到可以忽略的微妙级；利用对GPS模拟器的秒脉冲计数得到的精确时间对地面动力学时钟进行校时，使星上时钟和地面动力学时钟之间的差不随测试时间的长短变化，在整个试验过程中，星上何地面时钟之间得差达到毫秒级，从而提高了系统的精确程度。

附图说明

图1为星上时钟与地面时钟逻辑关系图；

图2为运用GPS模拟器秒脉冲进行定时校时逻辑关系图；

图3为时统设备结构图；

图4为GPS模拟器接口模块处理原理图；

图5为地面动力学接口处理原理示意图；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明中采用的是GPS模拟器的时间作为星上时间。

利用下述方法，同时利用时统设备来实现星上与地面时钟统一。

如图2所示，方法步骤如下

1)星上时间，采用的是GPS模拟器的时间；将运行地面动力学程序的工控机发出的模拟星箭分离信号作为公共激励源，同时输入给GPS模拟器与地面动力学程序，使两者同时启动；

2)利用时统设备对GPS模拟器轨道仿真开始时刻t_0GPS后的秒脉冲个数进行计数，秒脉冲的个数表示了模飞开始的时间；

3)约定一个固定的间隔，可以取120～480中任意数，这里以120个秒脉冲为例，每当秒脉冲计到120的整数倍，时统设备都为地面动力学程序校一次时间，强制使t′-t₀＝t-t_0GPS；

在校时之后的120秒内，地面动力学的10^-6精度的时钟与GPS模拟器的10^-9精度的时钟本身的误差最大只有0.12毫秒，可以忽略不计，即在之后的120秒内，都有t′-t₀＝t-t_0GPS成立。

综上，在模拟星箭分离信号送出之后，星上与地面的时间都有t′-t₀＝t-t_0GPS，达到了统一。

图3所示的时统设备的结构图，时统设备主要设计实现了以下几个模块：电源模块、系统时钟、核心处理模块、GPS模拟器接口模块和地面动力学接口模块。

电源模块给整个时统设备供电，系统时钟提供FPGA和ARM9工作时钟，选用的是恒温振荡器，以嵌入式处理器ARM9为核心，通过FPGA扩展GPS模拟器接口模块、地面动力学接口模块以及网络接口模块，实现系统的各个功能。系统采用嵌入式实时操作系统。

系统要求的时间差值计算和发送，均为嵌入式应用程序，执行效率和实时性较好。

GPS模拟器接口模块

图4所示的GPS模拟器接口模块处理流程原理图，时统设备与GPS模拟器的通信是直接的物理数据通信通道，GPS模拟器输出一个秒脉冲信号线和一个时间数据串口，时统设备与之直接相连。在FPGA内实现秒脉冲信号抗干扰处理和串口核，获得时间信息

时统设备的GPS模拟器校时，以秒脉冲信号的上升沿作为对实时时钟进行校时的中断信号，同时将接收到的与上一个秒脉冲相对应的串口时间信息加上1秒作为统一时间，对时统设备进行校时。使用此种方案可以避免在串行通信中由传输时间带来的毫秒级延时，同时克服了单用秒脉冲校时不能提供与该脉冲相对应的日期和时间信息的缺点。

采用综合校时方式，校时后的时间与准确时间的时间误差在几个微秒以内甚至更小。

地面动力学接口模块

如图5所示的地面动力学接口模块处理过程原理图，时统设备采集启动地面动力学的模拟星箭分离信号，并精确记录星箭分离信号产生的时刻，并从该时刻起对时间进行累计，定期将时间差信息发送回地面动力学。

模拟星箭分离信号是开路集电极输出，时统设备接收端做上拉处理。采样模拟星箭分离信号的变化，记录该时刻为时间零点。

星箭分离信号经过信号调理后，由FPGA进行抗干扰处理，当采集到真信号时，发出GPS模拟器启动信号，记录星箭分离信号时刻，并启动星箭分离时间计数器。计数器为64位，精度到1us。

时统设备启动星箭分离时间计数器后，以经过GPS模拟器校准过的时间为基准，每120秒，由FPGA周期性向地面动力学工控机发送120秒同步脉冲信号，保存当前计时器值，并且同时给ARM9发送中断触发信号，触发ARM9的中断。

ARM9在中断处理中，读取FPPA内同步信号发出时的计时器值，并通过串口传给地面动力学工控机。

累计时间同步信号，经过信号调理后输出给地面动力学工控机。累计时间同步信号采用开路集电极输出，累计时间同步信号有效为高电平，平时维持低电平。可以约定，累计时间同步信号的周期定为120～480秒中任意整数秒。

时统设备周期性产生累计时间同步信号的同时，记录每个同步信号时刻的累计时间计数器数值，并将计数器数值通过标准RS422串口发送给地面动力学工控机。累计时间差数据发送的格式如下：

●16进制数据格式发送；

●数据长度为8个字节；

●低字节之前，高字节在后；

●波特率为19200bps；

●RS422标准；

地面动力学工控机和时统设备接插件选择DB9，时统设备端为公头，时统设备和地面动力学工控机通过电缆进行通信，接插件定义为：

综上，利用时统设备将GPS模拟器和地面动力学工控机从物理上关联起来，利用GPS模拟器的时钟来统一地面动力学时钟，最终达到了星上与地面时钟的统一。

下表给出了实施例中的试验数据

连续模飞时间	星上时间tt0GPS＝94740469.0秒)	地面时间t′t0＝0.0秒	星地时间差(t-t0GPS)-(t′-t0)
				72小时(259200秒)	94999669.825秒	259200.375秒	0.450秒

这里，我们进行连续模飞试验72小时，星上时间为距2007年1月1日0时0分0秒的时间，要模拟的轨道开始时间为2010年1月1日的一个时刻，t_0GPS从94740469.0开始，地面从0开始，利用本文方法运行72小时的误差只有0.450秒。此0.450秒造成的卫星本体俯仰轴姿态的误差＜0.03。

Claims (5)

1.一种用于地面测试的星上与地面时钟统一方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

1）将运行地面动力学程序的工控机发出的模拟星箭分离信号作为公共激励源，同时输入给GPS模拟器与地面动力学程序，使两者同时启动；

2）对GPS模拟器轨道仿真开始时刻t_0GPS后的秒脉冲个数进行计数；

3）约定一个固定时间间隔N个秒脉冲，每当秒脉冲计到N的整数倍，为地面动力学程序校一次时间，强制使t′-t₀=t-t_0GPS；所述固定时间间隔N为120～480；

其中：t′为地面动力学的当前时间

t₀为地面动力学开始时间；

t为AOCC的当前时间，所述AOCC为姿态轨道控制计算机；

t_0GPS为GPS模拟器轨道计算开始时间。

2.一种用于地面测试中星上与地面时钟统一的时统设备，其特征在于：它包括电源模块、系统时钟、信号处理模块、核心处理模块、GPS模拟器接口模块和地面动力学接口模块；

所述的GPS模拟器接口连接GPS模拟器，地面动力学接口连接运行地面动力学程序的工控机；

所述的信号处理模块用FPGA实现，连接GPS模拟器接口和地面动力学接口；信号处理模块内部也设计有计时器，它从接收到模拟星箭分离信号后开始累计，在信号处理模块的内部计时器开始累计之后，信号处理模块以GPS模拟器接口模块传来的秒脉冲信号作为同步信号，并用从GPS模拟器接口模块获得的时间信息对内部计时器校时；

所述的核心处理模块为嵌入式处理器ARM9，它通过信号处理模块扩展GPS模拟器接口模块、地面动力学接口模块；核心处理模块与地面动力学工控机相连，并向地面动力学工控机发送时间信息；

所述的系统时钟为恒温振荡器，它提供信号处理模块和核心处理模块的工作时钟；

地面动力学工控机发出的模拟星箭分离信号作为激励源，发送给地面动力学接口，地面动力学接口将此信号处理后发送给信号处理模块，信号处理模块通过GPS模拟器接口给GPS模拟器发出启动信号，使地面动力学工控机与GPS模拟器同时启动；GPS模拟器启动后不间断的发送秒脉冲信号以及时间信息，脉冲信号以及时间信息在GPS模拟器接口模块中进行电平转换，转换后的信号送入信号处理模块，当信号处理模块的内部计时器计数每到N个秒脉冲的整数倍时刻，信号处理模块保存当前计时器时间，并向地面动力学接口模块发送时间同步信号，同时触发核心处理模块中断。

3.如权利要求2所述的一种用于地面测试中星上与地面时钟统一的时统设备，其特征在于：所述的GPS模拟器接口模块是实现时统设备与GPS模拟器的通信通道，它以FPGA为实现平台，将FPGA与GPS模拟器串口相连，FPGA向GPS模拟器发送启动信号，GPS模拟器向FPGA发送秒脉冲。

4.如权利要求2所述的一种用于地面测试中星上与地面时钟统一的时统设备，其特征在于：所述的地面动力学接口模块是实现时统设备与地面动力学工控机的通信通道，它以FPGA为实现平台，地面动力学工控机向FPGA发送模拟星箭分离信号，FPGA向地面动力学工控机发送时间同步信号。

5.如权利要求2或3或4所述的一种用于地面测试中星上与地面时钟统一的时统设备，其特征在于：所述的核心处理模块还扩展连接有以太网络接口，可以连接外部计算机，对整个时统设备的运行参数进行监视。

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