CN102882586A - 一种卫星时间同步系统 - Google Patents

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Abstract

一种卫星时间同步系统，包括时间发送部分、时间传输部分和时间接收部分。其中，时间发送部分通过对GNSS导航信号进行接收，产生精确的UTC时间，并发出与UTC整秒时刻相对应的秒脉冲。时间传输部分将秒脉冲和与秒脉冲相对应的UTC整秒时刻信息传输至时间接收部分。时间接收部分接收秒脉冲和与秒脉冲相对应的UTC整秒时刻信息，由秒脉冲进行触发，通过本地时钟进行计数，从而获得精确的当前时间。采用本发明提出的卫星高精度时间同步系统，可以使卫星各测量设备工作在同一时间基准上，地面处理测量数据时可以根据时间信息进行精确匹配，提高遥感数据或科学探测数据的测量精度。

Description

一种卫星时间同步系统
技术领域
本发明涉及一种卫星时间同步系统。
背景技术
对于卫星等空间飞行器，在进行空间遥感、科学探测等任务时，为确保测量数据的精度，需要将各星载测量设备的工作时间进行统一，使各测量设备工作在同一时间基准上，从而使得各测量数据在地面处理时可以根据时间信息进行精确匹配，提高遥感数据或科学探测数据的测量精度。
以低轨遥感卫星为例，为确保遥感图像产品的定位精度，遥感数据(图像)及相关的测量数据(卫星轨道、位置、姿态、相机相关参数)必须具备相同的时间基准，这就要求卫星的相机分系统、控制分系统、测控分系统等与遥感测量相关的分系统进行高精度的时间同步。
目前常用的星载时间系统基本采用软件授时与各分系统独立计时的方式。软件授时主要是指通过数管分系统将星载GNSS接收机测得的时间信息发送给各相关分系统。授时后，各相关分系统依据各自的内部时钟进行计时，维持各自时间系统。这种方式受到数管分系统软件运行的不确定性和各分系统自身时钟精度的影响，时间同步误差较大。目前的测试结果表明，该类系统的时间同步精度在±100μs左右。
对于具有高测量精度或高遥感定位精度要求的卫星，其时间同步精度要求优于±50μs，并且要求能满足卫星高动态运行的特点。同时，卫星的不可维修性以及所处的空间环境要求时间同步系统具有高可靠性、可应对空间单粒子事件的特点。显然现有的方法已经无法满足这样的需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星时间同步系统，可以实现整星各测量设备的高精度时间统一，提高卫星测量数据的匹配精度。
本发明的技术解决方案是：一种卫星时间同步系统，包括高稳定时间单元、星载GNSS接收单元、中央处理单元、秒脉冲发送单元和时间接收终端，其中：
高稳定时间单元：为星载GNSS接收单元和中央处理单元提供稳定的时钟信号，作为星载GNSS接收单元和中央处理单元的本地时钟；
星载GNSS接收单元：包括导航接收天线、射频信号处理模块、GNSS导航解算模块、时间信息处理模块；导航接收天线接收导航卫星发出的导航信号；射频信号处理模块利用本地时钟对导航信号进行预处理并解调出导航电文；GNSS导航解算模块对导航电文进行解算，得出由导航卫星确定的卫星当前的位置信息和时间信息TG；时间处理模块根据卫星当前的时间信息TG调整本地的秒脉冲信号，使本地的秒脉冲信号与UTC整秒时刻保持一致，并将本地的秒脉冲信号发送给秒脉冲发送单元，作为主份秒脉冲，同时将UTC整秒时刻信息发送至中央处理单元；时间处理模块还从中央处理单元接收卫星本地时间TS，并计算TG和TS的时差ΔT作为校时信息反馈给中央处理单元，对中央处理单元进行校时；
中央处理单元：包括数据处理模块和备份秒脉冲模块，数据处理模块利用本地时钟进行计时形成卫星本地时间TS并发送给星载GNSS接收单元的时间处理模块，同时接收星载GNSS接收单元的时间处理模块传来的校时信息ΔT，对卫星本地时间TS进行校正；数据处理模块还接收星载GNSS接收单元的时间处理模块提供的UTC整秒时刻信息，当星载GNSS接收单元工作正常时，数据处理模块将星载GNSS接收单元提供的UTC整秒时刻信息发送给时间接收终端，当星载GNSS接收单元工作异常时，数据处理模块将卫星本地时间TS的整秒时刻作为UTC整秒时刻信息发送给时间接收终端；备份秒脉冲模块根据数据处理模块的卫星本地时间TS产生备份秒脉冲信号发送给秒脉冲发送单元，作为备份秒脉冲，所述备份秒脉冲信号与卫星本地时间TS的整秒时刻保持一致；
秒脉冲发送单元：同时接收星载GNSS接收单元的时间处理模块送来的主份秒脉冲和中央处理单元的备份秒脉冲模块送来的备份秒脉冲，当星载GNSS接收单元工作正常时，将主份秒脉冲发送给时间接收终端，当星载GNSS接收单元工作异常时，将备份秒脉冲发送给时间接收终端；
时间接收终端：包括晶振和计时模块，晶振为计时模块提供稳定的时钟信号，计时模块通过秒脉冲信号传输线接收主份秒脉冲或者备份秒脉冲，计时模块还通过数据总线接收与主份秒脉冲相对应的UTC整秒时刻或者与备份秒脉冲相对应的UTC整秒时刻；计时模块以接收到秒脉冲信号作为计时开始的触发点，利用晶振提供的时钟信号进行计数，计算获得精确的当前时间T。
所述的数据总线为1553B总线、CAN总线或其它双向数据总线。所述的秒脉冲信号传输线为RS422、RS485或其它差分信号传输线路。
本发明与现有技术相比的特点在于：本发明基于星载GNSS定位以获取精确的UTC时间，并以此为基准作为整个系统的时间基准。利用GNSS系统整秒时钟信号作为系统内部标准时间，并通过专用通道送达系统内的各时间用户；同时GNSS系统将输出的整秒信号对应的UTC时间信息以约定的方式同步发送给系统内的各接收终端。接收终端结合收到的秒脉冲信号和对应的UTC时间完成时间的精确对准，从而实现整星高精度的时间统一。同时，本发明提出的卫星高精度时间同步系统还针对卫星在轨运行时的异常情况，提供了基于卫星中央处理单元的备份秒脉冲同步系统，可在星载GNSS接收单元因空间单粒子事件或其他原因出现定位异常时，维持整星高精度的时间统一。
附图说明
图1为本发明系统的组成原理框图；
图2为本发明系统的星载GNSS接收单元的原理框图；
图3为本发明系统的中央处理单元的原理框图；
图4为本发明系统的时间接收终端原理框图。
具体实施方式
为使卫星等空间飞行器满足高测量精度或高遥感定位精度的要求，实现整星各测量设备的工作时间具备相同的时间基准，本发明提出一种卫星的高精度时间同步系统。
本发明提出的卫星高精度时间同步系统由三个部分组成：时间发送部分、时间传输部分和时间接收部分，其系统构成如图1所示。
1.时间发送部分
时间发送部分由高稳定时间单元、星载GNSS接收单元、中央处理单元、秒脉冲发送单元组成。
高稳定时间单元为星载GNSS接收单元和中央处理单元提供高稳定的时钟信号，作为星载GNSS接收单元和中央处理单元的本地时钟。例如，高稳定时间单元为星载双频GPS接收单元提供5MHz的高稳定时钟信号，该时钟信号通过分频处理形成中央处理单元所需的40kHz的高稳定时钟信号。两种频率信号同源，可以消除因时钟偏差造成的时间误差。
星载GNSS接收单元由导航接收天线、射频信号处理模块、GNSS导航解算模块、时间信息处理模块组成，如图2所示，可根据需要进行GPS导航信号、GLONASS导航信号、北斗(BD-2)导航信号的接收，或者是兼容多种导航信号的双模/多模接收系统。各部分功能如下：
1)导航接收天线用于接收导航卫星发出的导航信号。
2)射频信号处理模块利用高稳定时间单元提供的时钟信号形成稳定的本地时钟，并利用该时钟对导航接收天线接收到的导航信号进行低噪声放大、下变频、滤波、中频信号放大等处理，最终解调出相应的导航电文。
3)GNSS导航解算模块根据解调出的导航电文进行计算，得出卫星当前精确的位置信息和时间信息TG。如何进行导航天文的计算可以参见刘基余编著的《GPS卫星导航定位原理与方法》。
4)时间处理模块根据卫星当前的时间信息TG，调整本地的秒脉冲信号，使本地秒脉冲信号与UTC整秒时刻保持一致，并将秒脉冲信号发送给秒脉冲发送单元，作为高精度时间同步系统的主份秒脉冲。该模块还具备通过数据总线为中央处理单元提供与秒脉冲信号相对应的UTC整秒时刻信息的功能。同时，该模块通过数据总线接收中央处理单元发来的卫星时间TS，并将其与GNSS导航解算模块解算出的时间TG进行比较，按公式(1)计算出两者的时差ΔT作为校时信息，通过数据总线发送给中央处理单元，从而完成为中央处理单元进行校时的功能。
ΔT＝TG-TS-δT                  (1)
上式中，δT是中央处理单元取出卫星时间并将其通过数据总线发送给星载GNSS接收单元所需的时延，该参数应在卫星地面测试时进行测试标定。
中央处理单元由数据处理模块和备份秒脉冲模块组成，如图3所示。各部分功能如下：
1)数据处理模块利用高稳定时间单元提供的时钟信号进行计时，形成卫星时间TS，并将该卫星时间通过数据总线发送给星载GNSS接收单元。在此基础上，接收星载GNSS接收单元通过数据总线发来校时信息ΔT，并按公式(2)进行校时，形成新的卫星时间TS1。
TS1＝TS+ΔT                     (2)
2)数据处理模块通过数据总线接收星载GNSS接收单元提供的UTC整秒时刻信息。当星载GNSS接收单元工作正常时，数据处理模块将星载GNSS接收单元提供的UTC整秒时刻信息通过时间传输部分发送给时间接收部分；当星载GNSS接收单元工作不正常时，数据处理模块将卫星时间的整秒时刻作为UTC整秒时刻信息通过时间传输部分发送给时间接收部分。
3)备份秒脉冲模块根据数据处理模块的卫星时间TS产生秒脉冲信号，并将该秒脉冲信号发送给秒脉冲发送单元，作为高精度时间同步系统的备份秒脉冲。
秒脉冲发送单元同时接收星载GNSS接收单元送来的主份秒脉冲信号和中央处理单元送来的备份秒脉冲信号，并对其进行选择、分路和放大。当星载GNSS接收单元工作正常时，秒脉冲发送单元将主份秒脉冲信号通过时间传输部分发送给时间接收部分；当星载GNSS接收单元工作不正常时，秒脉冲发送单元将备份秒脉冲信号通过时间传输部分发送给时间接收部分。
2.时间传输部分
时间传输部分包括数据总线和秒脉冲信号传输线。
数据总线可以由1553B总线、CAN总线或其它双向数据总线实现，用于进行卫星时间数据、校时数据、UTC整秒时刻数据等的传输。
秒脉冲信号传输线可以由RS422、RS485或其它差分信号传输线路实现，用于进行秒脉冲信号的传输。
3.时间接收部分
时间接收部分由多个原理相同的时间接收终端组成，时间接收终端的配置由卫星的总体任务决定(如可以是三线阵相机控制器、多光谱相机控制器、数据采集器等)。每个时间接收终端均由高稳定晶振和计时模块组成，如图4所示。各部分功能如下：
1)高稳定晶振为计时模块提供稳定的时钟信号。
2)计时模块通过秒脉冲信号传输线接收秒脉冲信号，并通过数据总线接收与秒脉冲相对应的UTC整秒时刻。计时模块以接收到秒脉冲信号作为计时开始的触发点，设与该次秒脉冲对应的UTC整秒时刻为TUTC。计时模块被触发后，根据高稳定晶振提供的时钟信号进行计数，设当前时间的计数值为N(触发时刻的计数值是1)，时钟信号的周期为TCLK，则可按公式(3)计算出精确的当前时间T。
T＝TUTC+(N-1)TCLK+δS          (3)
上式中，δS是秒脉冲信号由时间发送部分的输出端口至时间接收部分的输入端口的时延，该参数应在卫星地面测试时进行测试标定。
本发明卫星高精度时间同步系统的工作过程如下：
1.在卫星地面测试中，对中央处理单元取出卫星时间TS并将其通过数据总线发送给星载GNSS接收单元所需的时延δT和秒脉冲信号由时间发送部分的输出端口至时间接收部分的输入端口的时延进行δS测试标定；
2.卫星发射入轨后，由星载GNSS接收单元接收GNSS导航卫星的导航信号，并获取卫星当前精确的位置信息和时间信息TG；
3.中央处理单元利用高稳定时间单元提供的时钟信号进行计时，形成卫星时间TS，并将该卫星时间通过数据总线发送给星载GNSS接收单元；
4.星载GNSS接收单元通过数据总线接收中央处理单元发来的卫星时间TS，按公式1计算出校时信息ΔT，并通过据总线发送给中央处理单元；
5.中央处理单元通过过数据总线接收星载GNSS接收单元发来的校时信息ΔT，并按公式2计算新的卫星时间TS1，完成校时；
6.星载GNSS接收单元依据实际接收到导航信号调整秒脉冲信号，使秒脉冲信号与UTC整秒时刻保持一致，并将秒脉冲信号发送给秒脉冲发送单元，作为高精度时间同步系统的主份秒脉冲；
7.中央处理单元根据卫星时间TS产生秒脉冲信号，并将该秒脉冲信号发送给秒脉冲发送单元，作为高精度时间同步系统的备份秒脉冲；
8.星载GNSS接收单元主份秒脉冲对应的UTC整秒时刻信息通过数据总线发送给中央处理单元；
9.当星载GNSS接收单元工作正常时，秒脉冲发送单元将主份秒脉冲信号通过秒脉冲信号传输线发送给各时间接收终端；当星载GNSS接收单元工作不正常时，秒脉冲发送单元将备份秒脉冲信号通过秒脉冲信号传输线发送给各时间接收终端；
10.当星载GNSS接收单元工作正常时，中央处理单元将星载GNSS接收单元提供的UTC整秒时刻信息通过数据总线发送给各时间接收终端；当星载GNSS接收单元工作不正常时，中央处理单元将卫星自身运行的内部时间TS的整秒时刻作为UTC整秒时刻信息通过数据总线发送给各时间接收终端；
11.各时间接收终端通过秒脉冲信号传输线接收秒脉冲信号，并通过数据总线接收与秒脉冲相对应的UTC整秒时刻；
12.各时间接收终端以接收到秒脉冲信号作为计时开始的触发点，并按公式3计算出精确的当前时间T。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种卫星时间同步系统，其特征在于包括：高稳定时间单元、星载GNSS接收单元、中央处理单元、秒脉冲发送单元和时间接收终端，其中：
高稳定时间单元：为星载GNSS接收单元和中央处理单元提供稳定的时钟信号，作为星载GNSS接收单元和中央处理单元的本地时钟；
星载GNSS接收单元：包括导航接收天线、射频信号处理模块、GNSS导航解算模块、时间信息处理模块；导航接收天线接收导航卫星发出的导航信号；射频信号处理模块利用本地时钟对导航信号进行预处理并解调出导航电文；GNSS导航解算模块对导航电文进行解算，得出由导航卫星确定的卫星当前的位置信息和时间信息TG；时间处理模块根据卫星当前的时间信息TG调整本地的秒脉冲信号，使本地的秒脉冲信号与UTC整秒时刻保持一致，并将本地的秒脉冲信号发送给秒脉冲发送单元，作为主份秒脉冲，同时将UTC整秒时刻信息发送至中央处理单元；时间处理模块还从中央处理单元接收卫星本地时间TS，并计算TG和TS的时差ΔT作为校时信息反馈给中央处理单元，对中央处理单元进行校时；
中央处理单元：包括数据处理模块和备份秒脉冲模块，数据处理模块利用本地时钟进行计时形成卫星本地时间TS并发送给星载GNSS接收单元的时间处理模块，同时接收星载GNSS接收单元的时间处理模块传来的校时信息ΔT，对卫星本地时间TS进行校正；数据处理模块还接收星载GNSS接收单元的时间处理模块提供的UTC整秒时刻信息，当星载GNSS接收单元工作正常时，数据处理模块将星载GNSS接收单元提供的UTC整秒时刻信息发送给时间接收终端，当星载GNSS接收单元工作异常时，数据处理模块将卫星本地时间TS的整秒时刻作为UTC整秒时刻信息发送给时间接收终端；备份秒脉冲模块根据数据处理模块的卫星本地时间TS产生备份秒脉冲信号发送给秒脉冲发送单元，作为备份秒脉冲，所述备份秒脉冲信号与卫星本地时间TS的整秒时刻保持一致；
秒脉冲发送单元：同时接收星载GNSS接收单元的时间处理模块送来的主份秒脉冲和中央处理单元的备份秒脉冲模块送来的备份秒脉冲，当星载GNSS接收单元工作正常时，将主份秒脉冲发送给时间接收终端，当星载GNSS接收单元工作异常时，将备份秒脉冲发送给时间接收终端；
时间接收终端：包括晶振和计时模块，晶振为计时模块提供稳定的时钟信号，计时模块通过秒脉冲信号传输线接收主份秒脉冲或者备份秒脉冲，计时模块还通过数据总线接收与主份秒脉冲相对应的UTC整秒时刻或者与备份秒脉冲相对应的UTC整秒时刻；计时模块以接收到秒脉冲信号作为计时开始的触发点，利用晶振提供的时钟信号进行计数，计算获得精确的当前时间T。
2.根据权利要求1所述的一种卫星时间同步系统，其特征在于：所述的数据总线为1553B总线、CAN总线或其它双向数据总线。
3.根据权利要求1所述的一种卫星时间同步系统，其特征在于：所述的秒脉冲信号传输线为RS422、RS485或其它差分信号传输线路。
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