CN103217689B - 一种星座模式下秒脉冲的同步方法 - Google Patents

Abstract

一种星座模式下秒脉冲的同步方法，依托于第一卫星和第二卫星，第一卫星和第二卫星均包括铷钟、时间管理单元、频率综合器、测距授时处理器和时延调解器；铷钟为时间管理单元提供时钟，时间管理单元通过第五电缆与时延调解器连接，时延调解器通过第四电缆与频率综合器连接，频率综合器通过第三电缆与测距授时处理器连接；第一卫星和第二卫星之间也通过电缆连接在一起。本发明方法用简单调整电缆长度的方式来将40MHz与外同步秒脉冲的相位调整到一个合理的范围，大大降低了工程难度和复杂性，减小了设备与外部输入1pps的同步误差，保证了测距不会跳变。

Description

一种星座模式下秒脉冲的同步方法

技术领域

本发明涉及一种星座模式下秒脉冲的同步方法，属于编队飞行器技术领域。

背景技术

随着空间事业的发展，现在，由多颗小卫星组成的星座系统进行空间活动的情况越来越多，由于小卫星本身具有的很多优点，在航天领域已经广泛应用，例如，对无源目标定位系统来说，要求目标定位的几颗卫星时间上高度同步，在纳秒级，而利用时差测量星间距离是直接影响定位精度的重要因素，因此相位漂移后直接影响对无源目标任务的定位，所以保证相位关系准确是关键。

星座模式是一种新型模式，在航天领域中如何实现使用时差进行星座测距的资料较少，切目前国内对纳秒级的同步报导很少，对这种同步过程中相位漂移的处理方法报到罕见。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种星座模式下秒脉冲的同步方法。

本发明的技术解决方案是：

一种星座模式下秒脉冲的同步方法，依托于第一卫星和第二卫星，第一卫星和第二卫星均包括铷钟、时间管理单元、频率综合器、测距授时处理器和时延调解器，步骤如下：

（1）铷钟为时间管理单元提供时钟，时间管理单元通过第五电缆与时延调解器连接，时延调解器通过第四电缆与频率综合器连接，频率综合器通过第三电缆与测距授时处理器连接；第一卫星和第二卫星之间也通过电缆连接在一起；

（2）通过第一卫星的测距授时处理器测量两卫星间的距离R1；

（3）在第一卫星时间管理单元与频率综合器之间，接入可编程时延线，将可编程时延线的时延调整为T1，然后通过第一卫星测量星间距离，判断此次测量距离是否发生25ns跳变，若得到的距离等于R1+T1，则未发生跳变，进入步骤（4）；如果距离等于R1+T1+25，则相位发生跳变，进入步骤（5）；

（4）调整所述可编程时延线的n次，直到星间距离测量的值调整为R1+Tn+25ns，其中Tn为第n次可编程延时线调整的时延，当距离跳变为25ns时，若8≤Tn≤16ns，则相位在合理范围内；否则表明相位发生翻转，则通过调整时间管理单元与频率综合器之间的电缆长度使得在8≤Tn≤16ns时，距离发生25ns跳变，此时测量的星间距离为R2；

（5）同理，将可编程时延线接入第二卫星，调整第二卫星时间管理单元与频率综合器的电缆长度，得到第二卫星相位在合理范围时，测量的距离为R2+Tn'，Tn'为第二卫星第n次可编程延时线调整的时延；

（6）分别将第一、第二卫星中，用第二电缆替换第四电缆、第五电缆和可编程时延线，即时间管理单元和频率综合器之间通过第二电缆直接连接，则第一卫星中，第二电缆的时延L=L1+L2+Tn，L1为第一卫星中第四电缆的时延，L2为第一卫星中第五电缆的时延；第二卫星中，第二电缆的时延S=S1+S2+Tn'，S1为第二卫星中第四电缆的时延，S2为第二卫星中第五电缆的时延，此时即完成了星座模式下秒脉冲的同步。

第一卫星的发射与第二卫星的接收之间形成的通路为前向链路，第二卫星的发射和第一卫星的接收之间形成的通路为反向链路，前向链路的电缆总长度和反向链路的电缆总长度相同。

发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明方法通过硬件设计,使得在同步的过程中,需要调整三根电缆的部分,改为调整一根,方法简单,降低了同步的难度,且实现了将40MHz和外部1PPS的相位关系调整到合理位置。

（2）本发明方法通过星座测距自身的特点,将相位跳变转换为测距值跳变,且由于星座可直接测距,因此容易判断，这使得单星的相位跳变模式简单话，尤其是对卫星较多的星座模式，大大的简化了其复杂性，节约了成本,降低了难度。

附图说明

图1秒脉冲与40MHz外部连接示意图

图2测距授时处理器秒脉冲同步时序关系图

图31PPS与40MHz相位关系发生变化后时序关系图

图4测距授时处理器自主同步后时序关系图

图5加入可编程延时线的外部连接示意图

图6星座模式有线连接示意图

图7为本发明流程图

具体实施方式

本发明方法用简单调整电缆长度的方式来将40MHz与外同步秒脉冲的相位调整到一个合理的范围，大大降低了工程难度和复杂性，减小了设备与外部输入1pps的同步误差，保证了测距不会跳变。同时为了避免测距值跳变，我们可以对相位的跳变点进行测试，测试的仪器为可编程延时线，该设备的主要功能是调整时延，且精度小于0.1ns，理论上我们可以在电缆1（第一电缆），电缆2（第二电缆）和电缆3（第三电缆）中间加入可编程时延线来调整相位，保证系统初始工作时测距授时处理器外部输入的1pps和40MHz的相位差Δt大于在合理范围内，但由于一般的1pps为低频线，调整起来比较困难，且可编程延时线为高频线，因此不建议调整1pps的长度；另外为了简化，整星将测距授时处理器和频综为星间链路分系统，且两者集成绑定在一起，因此连接的电缆3很短，所以，我们只需调整10MHz电缆的长度即电缆2，就可以调整相位，这大大的简化了步骤，节省了时间。

如图1所示，参与本方法的星上设备有星上铷钟、时间管理单元，星间链路设备，包括测距授时处理器等，其中铷钟和时间管理单元属于星务分系统，测距授时处理器属于星间分系统，在卫星系统中，铷钟产生10MHz的频率基准，10MHz经过处理后输出给时间管理单元，时间管理单元的10MHz和1PPS产生时间基准，而星间分系统的星间测距授时处理器为了减小与外部输入1PPS的同步误差，采用了40MHz进行分频产生本地1PPS并自主同步到来自时间管理单元的外部1PPS上，并作为本地时间基准进行测距。其中10MHz、40MHz与1PPS的关系如图1所示。电缆1和电缆2、3以及频综时延决定了40MHz和外部1PPS的相位关系。

测距授时处理器秒脉冲自主同步策略为：以40MHz时钟计数，外部输入1PPS开门，本地40MHz产生的1PPS关门，检测计数器是否连续3秒相等且大于2，若大于2则自主同步一次，使其同步相位保证在2个周期以内，若小于2，则默认为同步上，不进行处理。同步后本地1PPS与外部输入的1PPS相位差ΔT为25ns～50ns，如图2所示。

正常情况下，图1所示的电缆1和电缆2、3长度确定且频综时延恒定，图2所示测距授时处理器外部输入的1PPS和40MHz的相位差Δt1固定，同步后本地1PPS与外部输入的1PPS相位差ΔT1在25ns～50ns之间且固定不变，本地1PPS时刻40MHz计数器计数值为1。若Δt1值较小，系统连续工作，且温度发生变化，导致电缆1、2、3以及频综时延发生变化，1PPS和40MHz的相位差Δt1即会发生变化。假设系统初始工作时，时序关系图如图2所示，Δt1发生变化后的相位记为Δt2时序图如图3所示，图3中内部生成1PPS时刻40MHz时钟计数值为2，满足上述测距授时处器器自主同步条件，测距授时处理器即会自主同步，自主同步后时序图如图4所示。

比较图2和图4可知，在测距授时处理器外部输入的1PPS和40MHz的相位差Δt1较小，受温度等影响，1PPS和40MHz相对相位变化，即相位变为Δt2时，测距授时处理器内部生成的1PPS就会自主同步一次，同步后的相位为Δt3，同步前后相位发生约Δt3-Δt2=25ns的跳变，从而最终反映在测距值发生25ns的跳变，使用中需要确定其1PPS和10MHz相位关系在一个合适范围内，以保证在相位发生大于12ns飘移时时差零值不会发生25ns跳变，同时为了避免测距值跳变，我们可以对相位的跳变点进行测试，测试的仪器为可编程延时线，该设备的主要功能是在能调整时延,且精度在皮秒级，理论上我们可以在电缆1、电缆2和电缆3中间加入可编程时延线来调整相位，保证系统初始工作时测距授时处理器外部输入的1PPS和40MHz的相位差Δt大于在合理范围内，但由于一般的1PPS为低频线，调整起来比较困难，且可编程延时线为高频线，因此不建议调整1pps的长度；另外为了简化，整星将测距授时处理器和频综为星间链路分系统，且两者集成绑定在一起,因此连接的电缆3很短，所以，我们只需调整10MHz电缆的长度即电缆2，就可以调整相位调整，这大大的简化了步骤，节省了时间。

本发明提供依托于第一卫星、第二卫星，是一种精确自主同步外部输入秒脉冲方法，分别依托于第一卫星、第二卫星的铷钟、时间管理单元、频率综合器、测距授时处理器，电缆，以及地面的可编程时延线，铷钟产生10MHz的频率基准，10MHz经过处理后输出给时间管理单元，时间管理单元对铷钟的10MHz进行分路和产生1pps信号，给星上其它分机使用，频率综合器为10MHz产生别的频率，测距授时处理器为星上时间同步和测量距离的设备，可编程延时线可以调节时延的地面设备，其精度小于0.1ns为。

如图7所示，本发明提供的星座模式下秒脉冲的同步方法，依托于第一卫星和第二卫星，第一卫星和第二卫星均包括铷钟、时间管理单元、频率综合器、测距授时处理器和时延调解器，步骤如下：

（1）如图5、图6所示，铷钟为时间管理单元提供时钟，时间管理单元通过第五电缆（电缆5）与时延调解器连接，时延调解器通过第四电缆（电缆4）与频率综合器连接，频率综合器通过第三电缆与测距授时处理器连接；第一卫星和第二卫星之间也通过电缆连接在一起；

（2）通过第一卫星的测距授时处理器测量两卫星间的距离R1；

（3）在第一卫星时间管理单元与频率综合器之间，接入可编程时延线，将可编程时延线的时延调整为T1，然后通过第一卫星测量星间距离，判断此次测量距离是否发生25ns跳变，若得到的距离等于R1+T1，则未发生跳变，进入步骤（4）；如果距离等于R1+T1+25，则相位发生跳变，进入步骤（5）；

（4）调整所述可编程时延线的n次，直到星间距离测量的值调整为R1+Tn+25ns，其中Tn为第n次可编程延时线调整的时延，当距离跳变为25ns时，若8≤Tn≤16ns，则相位在合理范围内；否则表明相位发生翻转，则通过调整时间管理单元与频率综合器之间的电缆长度使得在8≤Tn≤16ns时，距离发生25ns跳变，此时测量的星间距离为R2；

（5）同理，将可编程时延线接入第二卫星，调整第二卫星时间管理单元与频率综合器的电缆长度，得到第二卫星相位在合理范围时，测量的距离为R2+Tn'，Tn'为第二卫星第n次可编程延时线调整的时延；

（6）分别将第一、第二卫星中，用第二电缆替换第四电缆、第五电缆和可编程时延线，即时间管理单元和频率综合器之间通过第二电缆直接连接，则第一卫星中，第二电缆的时延L=L1+L2+Tn，L1为第一卫星中第四电缆的时延，L2为第一卫星中第五电缆的时延；第二卫星中，第二电缆的时延S=S1+S2+Tn'，S1为第二卫星中第四电缆的时延，S2为第二卫星中第五电缆的时延；

经过上述步骤，即将第一卫星、第二卫星的相位调整到了合理的位置，此时的状态为最终秒脉冲同步的状态，能保证系统连续在轨工作时，且温度和环境发生变化时，测距授时处理器采用与时间管理单元相位发生大于某一个相位时，不会同步到上一个或者下一个相位上去，不会发生25ns跳变，测量的星座距离不会发生跳变，这样即完成了星座模式下秒脉冲的同步。

用本发明方法可对其他秒脉冲与其他频率的同步关系进行验调整，调整的方法同上；对于多颗卫星星间链路，也可以利用上面的方式进行调整。因此上述方法实际是一种通用的调整同步的方法，能有非常有效性的解决时钟跳变问题。

本发明说明书中其他未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种星座模式下秒脉冲的同步方法，依托于第一卫星和第二卫星，第一卫星和第二卫星均包括铷钟、时间管理单元、频率综合器、测距授时处理器和时延调解器，其特征在于步骤如下：

(1)铷钟为时间管理单元提供时钟，时间管理单元通过第五电缆与时延调解器连接，时延调解器通过第四电缆与频率综合器连接，频率综合器通过第三电缆与测距授时处理器连接；第一卫星和第二卫星之间也通过电缆连接在一起；

(2)通过第一卫星的测距授时处理器测量两卫星间的距离R1；

(3)在第一卫星时间管理单元与频率综合器之间，接入可编程时延线，将可编程时延线的时延调整为T1，然后通过第一卫星测量星间距离，判断此次测量距离是否发生25ns跳变，若得到的距离等于R1+T1，则未发生跳变，进入步骤(4)；如果距离等于R1+T1+25ns，则相位发生跳变，进入步骤(5)；

(4)调整所述可编程时延线的n次，直到星间距离测量的值调整为R1+Tn+25ns，其中Tn为第n次可编程延时线调整的时延，当距离跳变为25ns时，若8ns≤Tn≤16ns，则相位在合理范围内；否则表明相位发生翻转，则通过调整时间管理单元与频率综合器之间的电缆长度使得在8ns≤Tn≤16ns时，距离发生25ns跳变，此时测量的星间距离为R2；

(5)同理，将可编程时延线接入第二卫星，调整第二卫星时间管理单元与频率综合器的电缆长度，得到第二卫星相位在合理范围时，测量的距离为R2+Tn'，Tn'为第二卫星第n次可编程延时线调整的时延；

(6)分别将第一、第二卫星中，用第二电缆替换第四电缆、第五电缆和可编程时延线，即时间管理单元和频率综合器之间通过第二电缆直接连接，则第一卫星中，第二电缆的时延L＝L1+L2+Tn，L1为第一卫星中第四电缆的时延，L2为第一卫星中第五电缆的时延；第二卫星中，第二电缆的时延S＝S1+S2+Tn'，S1为第二卫星中第四电缆的时延，S2为第二卫星中第五电缆的时延，此时即完成了星座模式下秒脉冲的同步。

2.根据权利要求1所述的一种星座模式下秒脉冲的同步方法，其特征在于：第一卫星的发射与第二卫星的接收之间形成的通路为前向链路，第二卫星的发射和第一卫星的接收之间形成的通路为反向链路，前向链路的电缆总长度和反向链路的电缆总长度相同。