CN103795457B - 一种用于地面整星测试的小卫星星地时间同步方法 - Google Patents

Abstract

一种用于地面整星测试的小卫星星地时间同步方法，有效解决了模飞试验中星地时间同步问题，通过调整卫星控制分系统轨道参数、控制GPS动态仿真器轨道仿真开始时刻和卫星星箭分离开关状态，并利用卫星校时功能，将星务中心计算机时间、姿态和轨道控制计算机AOCC时间、地面动力学仿真时间均同步于GPS动态仿真器轨道仿真时间，实现星地时间同步，可模拟卫星在轨的真实情况，为卫星功率分配、时序分析计算和指令安排提供依据，保证地面整星测试的真实性和有效性。各时间用户均使用GPS接收机输出的GPS秒脉冲信号和对应的整秒对时数据作为计时、校时基准，并使星地时间之间的差值不随测试时间的长短变化，提高地面测试系统的精确程度。

Description

一种用于地面整星测试的小卫星星地时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种用于地面整星测试的小卫星星地时间同步方法，属于小卫星测试技术领域。

背景技术

随着小卫星任务精度和复杂度的日益提高，越来越多的任务要由星上多个分系统协同完成，各分系统协同工作的基础就是星上具有统一的高精度时间同步方法。为了在地面测试阶段更充分、更有效的验证各分系统方案设计的正确性，通常进行“模飞试验”，以模拟卫星在轨真实情况为原则，为卫星功率分配、时序分析计算和指令安排提供依据，应保证模飞的真实性和有效性。

控制系统在空间飞行状态时是一个闭环的多元自主控制系统，在卫星飞行任务的不同阶段有其不同的控制模式，每种模式都有其特有的测量部件和执行部件组合，以及不同的运算和控制规律。为验证系统方案和技术设计的合理性及详细的性能指标，需要创造一个为其构成闭环控制的测试环境。在进行地面模飞测试时，星上的姿态和轨道控制计算机（AOCC-Attitude and Orbit Control Computer）运行星载程序，地面动力学仿真计算机运行动力学仿真程序来模拟空间环境和卫星动力学控制定律。在整星状态下，为保证闭环测试的正常、真实进行，需星上AOCC时间和地面动力学仿真时间同步以及与星上高精度时间系统的时间同步。在控制系统分系统测试状态，可利用模拟星箭分离信号作为公共激励源，同时启动AOCC时间和地面动力学仿真时间以及星上高精度时间系统的时间（此时星上高精度时间系统使用模拟器代替），但是整星状态下，星箭分离信号无法作为公共激励源。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于地面整星测试的小卫星星地时间同步方法，采用该方法可以有效解决模飞试验中星地时间同步的问题，保证了地面整星测试的真实性和有效性，提高了地面测试系统的精确程度。

本发明的技术解决方案是：一种用于地面整星测试的小卫星星地时间同步方法，步骤如下：

（1）向卫星控制系统AOCC运行的星载程序和地面动力学仿真计算机运行的动力学仿真程序注入测试用轨道参数，且使注入的测试轨道参数与GPS动态仿真器设置的轨道参数相同；

（2）通过地面注入指令，将控制系统GPS秒脉冲校时标志设置为允许校时；

（3）设置地面GPS动态仿真器轨道仿真开始时刻、设置卫星星箭分离开关为分离状态，星务中心计算机和AOCC检测到星箭分离开关为分离状态后星时清零，地面动力学仿真计算机检测到星箭分离开关为分离状态后触发动力学仿真程序运行，地面动力学仿真时间从零开始累计，随后卫星自主进入入轨模式并最终进入正常星敏感器定姿模式；

（4）星上GPS接收机从步骤（3）设置的GPS动态仿真器轨道仿真开始时刻接收GPS动态仿真器输出的轨道参数，GPS接收机根据轨道参数正常定位后开始输出GPS秒脉冲信号以及对应的整秒对时广播数据；

（5）设置星务中心计算机GPS授时和GPS校时，星务中心计算机根据步骤（4）GPS接收机输出的整秒对时广播数据进行时间校正，用于保证星务中心计算机时间与GPS动态仿真器轨道仿真时间同步；

（6）设置控制系统AOCC星务校时，AOCC根据步骤（5）星务中心计算机时间进行时间校正，用于保证AOCC时间、星务中心计算机时间与GPS动态仿真器轨道仿真时间同步；

（7）控制系统AOCC根据步骤（2）设置的秒脉冲校时标志以及步骤（4）发出的GPS秒脉冲信号以及对应的整秒对时广播数据作为校时基准，对步骤（6）的AOCC时间进行时间校正，同时AOCC通过星地串口转发整秒对时数据至地面动力学仿真计算机，地面动力学仿真计算机根据转发的整秒对时数据进行时间校正，用于保证地面动力学仿真时间与GPS动态仿真器轨道仿真时间同步；

（8）返回步骤（7）。

本发明与现有技术相比的优点是：

在小卫星地面模飞测试中，利用本发明的星地时间同步方法，将星务中心计算机时间、姿态和轨道控制计算机AOCC时间、地面动力学仿真时间均同步于GPS动态仿真器轨道仿真时间，实现了星地时间的同步，能够模拟卫星在轨的真实情况，为卫星功率分配、时序分析计算和指令安排提供依据，保证了地面整星测试的真实性和有效性。各时间用户均使用GPS接收机输出的GPS秒脉冲信号以及对应的整秒对时数据作为计时、校时基准，并使得星地时间之间的差值不随测试时间的长短变化，提高了地面测试系统的精确程度。

附图说明

图1为本发明的星地时间同步方法结构示意图；

图2为本发明的星地时间同步方法工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细地描述：

如图1所示，卫星上安装有GPS接收机、星务中心计算机、控制系统（由AOCC、敏感器、执行机构组成）、其他星上分系统，地面测试设备包括GPS动态仿真器、动力学仿真计算机；

其中，当GPS接收机处于定位状态时，GPS接收机接收GPS动态仿真器的输出信号并解算出GPS标准时间，在每个GPS标准时间的整秒时刻，GPS接收机向星上各时间用户发出GPS秒脉冲信号，在发送时间基准后50ms内自动通过CAN总线发送秒脉冲对应的秒值。

星务中心计算机及各时间用户接收GPS秒脉冲信号以及对应的整秒对时广播数据，并以此为基准进行校时、计时，将自身的内部时间与GPS时间对齐。

控制系统的AOCC采用专用的接口电路接收GPS接收机发来的GPS秒脉冲信号，秒脉冲信号同时连接至动力学仿真计算机。AOCC使用CPU的外部中断来响应该信号，产生GPS秒脉冲中断，AOCC在响应GPS秒脉冲中断后，在GPS秒脉冲校时标志允许的情况下，进行AOCC时间的校时操作，并通过星地串口转发整秒对时数据至动力学仿真计算机。

根据星务中心计算机、控制系统和其他星上分系统对星箭分离信号的需求，小卫星一般配置四个星箭分离开关，分别用于：1）为星务中心计算机提供星箭分离信号，作为星务中心计算机时间计时起点，一般连接至星箭分离开关FL1和FL2；2）启动控制系统AOCC星载程序，并作为AOCC时间计时起点，一般连接至星箭分离开关FL1和FL2；3）其他星上分系统用作控制星上火工品母线通继电器的指令输入端与指令输出端之间的通断，一般连接至星箭分离开关FL3和FL4。四个星箭分离开关均使用常闭触点，即在卫星与运载未分离之前，四个星箭分离开关呈断开状态，星箭分离后，四个星箭分离开关接通呈分离状态。实际使用时星箭分离开关通常多点并联，如图1所示，星箭分离开关FL1和FL2连接方式相同，其中触点1连接至星务中心计算机，触点3连接至控制系统AOCC。

GPS动态仿真器根据设置输入的轨道参数模拟卫星在轨运行状况，该轨道参数与控制系统AOCC星载程序、地面动力学仿真程序所使用的轨道参数相同。

动力学仿真计算机的主要功能是模拟卫星的飞行环境，通过卫星姿态与轨道动力学仿真软件模拟卫星姿态与轨道动力学特性，除常规的上行敏感器电信号源和控制信号、下行执行机构工作信息和状态信号之外，还包括专用的接口电路接收GPS接收机发出的GPS秒脉冲信号以及接收AOCC转发的整秒对时数据。动力学仿真计算机使用CPU的外部中断来响应GPS秒脉冲信号，产生GPS秒脉冲中断，动力学仿真计算机在响应GPS秒脉冲中断后，根据动力学仿真程序设置，在校时操作允许且系统时差的绝对值满足预设条件的情况下，进行地面动力学仿真时间的校时操作。

如图2所示，本发明的工作过程如下：

（1）向卫星控制系统AOCC运行的星载程序和地面动力学仿真计算机运行的动力学仿真程序注入测试用轨道参数，其中所述的测试轨道参数中的当前测试轨道时间T0值和星箭分离时刻UTC0值的设置需满足以下条件：若GPS动态仿真器轨道仿真开始时刻为T，则UTC0+T0值应等于T；

（2）通过地面注入指令，将控制系统GPS秒脉冲校时标志设置为允许校时（GPS秒脉冲校时允许标志AOCC初始加电时设置为不允许）；

（3）设置地面GPS动态仿真器轨道仿真开始时刻、设置卫星星箭分离开关为分离状态。星务中心计算机和AOCC检测到星箭分离开关为分离状态后星时清零，地面动力学仿真计算机检测到星箭分离开关为分离状态后触发动力学仿真程序运行，地面动力学仿真时间从零开始累计，随后卫星自主进入入轨模式并最终进入正常星敏感器定姿模式。该两项操作均为人工操作，很难做到同步，导致GPS动态仿真器轨道仿真时间和星务中心计算机时间、AOCC时间有一个初始误差，即使两者能够同时开始计时，随着星地系统运行时间越来越长，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。其中对所述GPS动态仿真器轨道参数有如下要求：该轨道参数与卫星控制系统AOCC运行的星载程序和地面动力学仿真计算机运行的动力学仿真程序所使用的轨道参数相同，设GPS动态仿真器轨道仿真开始时刻为T;

（4）星上GPS接收机从步骤（3）设置的GPS动态仿真器轨道仿真开始时刻（即T）接收GPS动态仿真器输出的轨道参数，GPS接收机根据轨道参数正常定位后开始输出GPS秒脉冲信号以及对应的整秒对时广播数据；

（5）通过整星指令注入的方式，设置星务中心计算机GPS授时和GPS校时，星务中心计算机根据步骤（4）GPS接收机输出的整秒对时广播数据进行时间校正，用于保证星务中心计算机时间与GPS动态仿真器轨道仿真时间同步；

（6）通过整星指令注入的方式，设置控制系统AOCC星务校时，AOCC根据步骤（5）星务中心计算机时间进行时间校正，用于保证AOCC时间、星务中心计算机时间与GPS动态仿真器轨道仿真时间同步。通过历史遥测数据观察AOCC时间校时前后的差值，如果该差值过大，超过动力学仿真程序系统时差绝对值的预设条件（50μs〈│系统时差ΔT│〈10s），则人工操作地面动力学仿真程序界面进行校时。经过多次实际测试结果表明，该差值一般为2到3秒；至此，完成星地时间的初始同步设置；

（7）控制系统AOCC根据步骤（2）设置的秒脉冲校时标志以及步骤（4）发出的GPS秒脉冲信号以及对应的整秒对时广播数据作为校时基准，对步骤（6）的AOCC时间进行时间校正，同时AOCC通过星地串口转发整秒对时数据至地面动力学仿真计算机，地面动力学仿真计算机根据转发的整秒对时数据进行时间校正，用于保证地面动力学仿真时间与GPS动态仿真器轨道仿真时间同步。GPS秒脉冲需与50ms内的广播时间配合工作，两者缺一不可。AOCC硬件首先对2个秒脉冲信号进行滤波，并输出2个秒脉冲有效性标志信号供AOCC软件查询。校时过程如下：AOCC软件首先判断GPS秒脉冲校时标志，如果为允许校时则当CAN总线GPS秒脉冲时间广播到来时，判断硬件输出的秒脉冲有效性标志，如果有效且系统时差的绝对值满足软件预设条件（可通过上注数据块的方式修改预设条件，系统初始装订值为50μs〈│系统时差ΔT│〈10s），则在控制周期任务中完成AOCC时间校时，否则不进行校时；地面动力学仿真计算机和动力学仿真程序的校时接口电路和校时过程与星上控制系统相同；

（8）返回步骤（7），星务中心计算机时间、AOCC时间、地面动力学仿真时间均同步于GPS动态仿真器轨道仿真时间，实现了星地时间的同步，且星地时间之间的差值不随测试时间的长短变化。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种用于地面整星测试的小卫星星地时间同步方法，其特征在于步骤如下：

(1)向卫星控制系统AOCC运行的星载程序和地面动力学仿真计算机运行的动力学仿真程序注入测试用轨道参数，且使注入的测试用轨道参数与GPS动态仿真器设置的轨道参数相同；

(2)通过地面注入指令，将控制系统GPS秒脉冲校时标志设置为允许校时；

(3)设置地面GPS动态仿真器轨道仿真开始时刻、设置卫星星箭分离开关为分离状态，星务中心计算机和AOCC检测到星箭分离开关为分离状态后星时清零，地面动力学仿真计算机检测到星箭分离开关为分离状态后触发动力学仿真程序运行，地面动力学仿真时间从零开始累计，随后卫星自主进入入轨模式并最终进入正常星敏感器定姿模式；

(4)星上GPS接收机从步骤(3)设置的GPS动态仿真器轨道仿真开始时刻接收GPS动态仿真器输出的轨道参数，GPS接收机根据轨道参数正常定位后开始输出GPS秒脉冲信号以及对应的整秒对时广播数据；

(5)设置星务中心计算机GPS授时和GPS校时，星务中心计算机根据步骤(4)GPS接收机输出的整秒对时广播数据进行时间校正，用于保证星务中心计算机时间与GPS动态仿真器轨道仿真时间同步；

(6)设置控制系统AOCC星务校时，AOCC根据步骤(5)星务中心计算机时间进行时间校正，用于保证AOCC时间、星务中心计算机时间与GPS动态仿真器轨道仿真时间同步；

(7)控制系统AOCC根据步骤(2)设置的秒脉冲校时标志以及步骤(4)发出的GPS秒脉冲信号以及对应的整秒对时广播数据作为校时基准，对步骤(6)的AOCC时间进行时间校正，同时AOCC通过星地串口转发整秒对时数据至地面动力学仿真计算机，地面动力学仿真计算机根据转发的整秒对时数据进行时间校正，用于保证地面动力学仿真时间与GPS动态仿真器轨道仿真时间同步；

(8)返回步骤(7)。