CN107359931A - 基于gps信号的卫星测控链路传输时延测量方法 - Google Patents

基于gps信号的卫星测控链路传输时延测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，包括以下步骤：步骤一，完成所有卫星上设备和地面设备的有线连接；步骤二，完成卫星上设备和地面设备的加电和功能自检；步骤三，星载GPS接收机和地面GPS接收机分别通过GPS天线与GPS星座完成时间同步；步骤四，星载计算机与GPS接收机完成时间同步，将当前时间码填入遥测帧中并发出；步骤五，地面测控基带设备与地面GPS接收机完成时间同步。本发明适用范围更广，完成了星地时间的统一，获得了卫星测控链路传输时延；能够满足目前绝大多数卫星的测控链路时延测量；测量结果经过了卫星在轨试验验证。

Description

基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法
技术领域
本发明涉及一种卫星测控链路传输时延测量方法，特别是涉及一种基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法。
背景技术
在卫星地面综合测试、在轨正常运行和业务应用过程中，卫星姿态、天线指向、载荷成像等工作依赖于卫星上时间与地面时间的精确同步。卫星在正常运行期间，星上的本地时钟会受到温度等多种因素的影响而产生漂移现象，从而导致星上时间不准确，最终会对卫星有效载荷的正常应用产生影响。
通常会采用地面上注的方式对星地时差进行校正，首先通过理论计算或者测量的方式得出星地时差值，然后通过卫星测控链路将此时差值经过一定的格式转换后上注到星载计算机，完成星地时间的同步。星地时差的测量涉及到很多环节、包括卫星测控链路传输时延、空间链路传输时延、地面测控设备解调时延、帧同步字传输时延等，每个环节都需要进行精确的测试，才能保证最终星地时差测量的准确性。在以上提到的多个环节中，卫星测控链路时延测量环节尤为重要，由于每颗卫星的测控链路不尽相同，即使是两台同样的产品，由于内部射频链路的细微差别，最后测量得出的时延也会有一定差距。
传统上采用帧同步脉冲法进行卫星测控链路时延测量，要求星载计算机和地面测控基带设备通过电缆各提供一路帧同步脉冲输出接口，然后用高精度示波器测量此两个帧同步脉冲下降沿(或上升沿)之间的时间差值，再扣除空间传输时延和帧同步字传输时延等。此方法无法适用于星载计算机和地面测控基带设备无帧同步脉冲的情况，增加了星载计算机和地面测控基带设备设计的复杂性，通用性较差。本发明公开的卫星测控链路时延测量方法适用范围更广，不需要星载计算机和测控基带设备提供帧同步脉冲输出接口，目前绝大部分卫星上都配置了星载GPS接收机，因此，本方法能够满足目前绝大多数卫星的测控链路时延测量。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，其适用范围更广，完成了星地时间的统一，获得了卫星测控链路传输时延；能够满足目前绝大多数卫星的测控链路时延测量；测量结果经过了卫星在轨试验验证。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，其包括以下步骤：
步骤一，完成所有卫星上设备和地面设备的有线连接；
步骤二，完成卫星上设备和地面设备的加电和功能自检；
步骤三，星载GPS接收机和地面GPS接收机分别通过GPS天线与GPS星座完成时间同步；
步骤四，星载计算机与GPS接收机完成时间同步，将当前时间码填入遥测帧中并发出；
步骤五，地面测控基带设备与地面GPS接收机完成时间同步；
步骤六，地面测控基带设备接收星载计算机发送的遥测信号，完成解调和帧同步，并获取帧同步时刻的本地时间码；
步骤七，利用同一遥测帧中星载计算机填入的时间码和地面测控基带设备获取的时间码计算得出星地传输总时延XDSC＝Td-Tx；
步骤八，获取地面测控基带设备和地面S频段下变频器的解调时延△Tsb；
步骤九，计算遥测数据的空间传输时延R/C；
步骤十，计算星载计算机遥测组帧时延△Tzz；
步骤十一，计算遥测帧同步字序列传输时延△Tdm；
步骤十二，计算得出卫星测控链路传输时延△Tsy。
优选地，所述步骤四中星载计算机通过GPS接收机输出的PPS秒脉冲，并通过1553B总线完成与GPS星座时间的高精度时间同步，按照遥测传输频率将时间码填入到遥测帧的固定位置中。
优选地，所述步骤六中，地面测控基带设备采用非相干扩频测控体制，在完成遥测帧同步信号的下降沿锁存当前时刻的本地时间。
优选地，所述步骤七中，同一遥测帧的判断标准为帧计数相同。
优选地，所述步骤八中，地面测控基带设备和地面S频段下变频器的解调时延通过链路自闭环方式获得，遥测码速率、编码方式等参数设置与卫星发送的遥测相同。
优选地，所述步骤九中，空间传输时延为卫星与地面测试系统之间的空间距离与光速相除获得。
优选地，所述步骤十中，星载计算机遥测组帧时延为从收到0.5s遥测中断开始至当前遥测帧输出时刻的总时间，含遥测帧缓存时间。
优选地，所述步骤十一中，遥测帧同步字序列传输时延由帧同步字长度和遥测码速率决定，不同卫星遥测帧同步字和遥测码速率不同，帧同步字序列传输时延也不同。
优选地，所述步骤十二中，卫星测控链路传输时延指的是遥测从星载计算机输出时刻到遥测从星载测控收发天线发出时刻之间的时延。
本发明的积极进步效果在于：本发明适用范围更广，不需要星载计算机和测控基带设备提供帧同步脉冲输出接口，目前绝大部分卫星上都配置了星载GPS接收机，星载计算机和地面测控基带设备通过GPS接收机接收GPS导航星座的GPS信号，完成了星地时间的统一，在此基础上，通过相关计算和测量，最终获得了卫星测控链路传输时延；能够满足目前绝大多数卫星的测控链路时延测量；目前已经在多个型号卫星地面测试和与测控系统对接试验中得到应用，且测量结果经过了卫星在轨试验验证。
附图说明
图1为本发明的系统框架图。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1、图2所示，本发明基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法包括以下步骤：
步骤S101，完成所有卫星上设备和地面设备的有线连接，其中星载GPS天线与星载GPS接收机、星载计算机与星载扩频应答机、星载扩频应答机与星载测控收发天线、地面测控收发天线与地面S频段下变频器、地面S频段下变频器与地面测控基带设备之间均采用S频段射频电缆连接，射频电缆工作在S频段(频率范围在2Ghz～4Ghz的电磁波频段)，插损为0.5dB/m，电缆接口为SMA(小型螺纹连接的同轴连接器)接口；
步骤S102，完成卫星上设备和地面设备的加电和功能自检，星上设备自检正常的标志为加电电流正常、星务计算机输出遥测正常，地面设备自检正常的标志为参数遥测遥控参数设置正常、射频电缆校准完毕、星地天线对准；
步骤S103，星载GPS接收机和地面GPS接收机分别通过GPS天线与GPS星座完成时间同步，同步标志为星载GPS接收机和地面GPS接收机完成GPS定位和定轨数据解算，完成实时定位和定轨；
步骤S104，星载计算机与GPS接收机完成时间同步，将当前时间码(Tx)填入遥测帧中并发出，星载计算机通过1553B总线接收星载GPS接收机广播的GPS时间，在收到PPS(每秒脉冲数)秒脉冲后对时间信息进行锁存，在收到0.5s遥测中断后，将锁存的时间信息以一定的格式填入遥测帧中，遥测信息码速率为8192bps，遥测信道编码方式为(2，1，7)卷积编码，遥测帧中时间精度为0.5ms；
步骤S105，地面测控基带设备与地面GPS接收机完成时间同步，通过地面GPS接收机输出的IRIGB(串行时间码)信号，测控基带设备获取时间信息；
步骤S106，地面测控基带设备接收星载计算机发送的遥测信号，完成解调和帧同步，并获取帧同步时刻的本地时间码(Td)，帧同步字长度为4字节，帧同步信号下降沿在帧同步完成后输出，测控基带设备获取的时间码精度为0.5ms；
步骤S107，利用同一遥测帧中星载计算机填入的时间码(Tx)和地面测控基带设备获取的时间码(Td)计算得出星地传输总时延XDSC＝Td-Tx，遥测帧中的时间码占用5个字节，为相对于某一时刻的0时0分0时0.5毫秒计数转换后的16进制数值，在运算时，需要将16进制时间转换为时分秒格式进行运算；
步骤S108，获取地面测控基带设备和地面S频段下变频器的解调时延△Tsb，采用自闭环的方式完成解调时延的获得，设置遥测码速率8192bps，编码方式为(2，1，7)卷积编码，信号输出电平为0dBm；
步骤S109，计算遥测数据的空间传输时延R/C，在地面测试过程中，空间传输距离通常为十几米至5公里不等，C为光速3.0×108m/s；
步骤S110，计算星载计算机遥测组帧时延△Tzz，星载计算机采用乒乓存储结构，收到遥测帧后缓存2帧后输出，帧周期为0.5s，计算得出△Tzz为1s；
步骤S111，计算遥测帧同步字序列传输时延△Tdm，遥测帧同步字为4字节，码速率为8192bps，计算得出的△Tdm为3.91ms；
步骤S112，计算得出卫星测控链路传输时延△Tsy＝XDSC-△Tsb-R/C-△Tzz-△Tdm。
所述步骤四中星载计算机通过GPS接收机输出的PPS秒脉冲，并通过1553B总线完成与GPS星座时间的高精度时间同步，按照遥测传输频率将时间码填入到遥测帧的固定位置中，这样提高同步性。
所述步骤六中，地面测控基带设备采用非相干扩频测控体制，在完成遥测帧同步信号的下降沿锁存当前时刻的本地时间，这样提高数据准确性。
所述步骤七中，同一遥测帧的判断标准为帧计数相同，这样便于提高精确度。
所述步骤八中，地面测控基带设备和地面S频段下变频器的解调时延通过链路自闭环方式获得，遥测码速率、编码方式等参数设置与卫星发送的遥测相同，这样增加使用方便性。
所述步骤九中，空间传输时延为卫星与地面测试系统之间的空间距离与光速相除获得，这样便于获取。
所述步骤十中，星载计算机遥测组帧时延为从收到0.5s遥测中断开始至当前遥测帧输出时刻的总时间，含遥测帧缓存时间，这样增强数据准确度。
所述步骤十一中，遥测帧同步字序列传输时延由帧同步字长度和遥测码速率决定，不同卫星遥测帧同步字和遥测码速率不同，帧同步字序列传输时延也不同，这样增强传输数据准确度。
所述步骤十二中，卫星测控链路传输时延指的是遥测从星载计算机输出时刻到遥测从星载测控收发天线发出时刻之间的时延，这样提高方便性。
综上所述，采用本发明的方法，开创了一个卫星测控链路时延测量的新思路，该发明使用范围广、通用性强、实现简单、测量周期短，在卫星星地时差测量领域的应用将会十分广泛。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，完成所有卫星上设备和地面设备的有线连接；
步骤二，完成卫星上设备和地面设备的加电和功能自检；
步骤三，星载GPS接收机和地面GPS接收机分别通过GPS天线与GPS星座完成时间同步；
步骤四，星载计算机与GPS接收机完成时间同步，将当前时间码填入遥测帧中并发出；
步骤五，地面测控基带设备与地面GPS接收机完成时间同步；
步骤六，地面测控基带设备接收星载计算机发送的遥测信号，完成解调和帧同步，并获取帧同步时刻的本地时间码；
步骤七，利用同一遥测帧中星载计算机填入的时间码和地面测控基带设备获取的时间码计算得出星地传输总时延XDSC＝Td-Tx；
步骤八，获取地面测控基带设备和地面S频段下变频器的解调时延△Tsb；
步骤九，计算遥测数据的空间传输时延R/C；
步骤十，计算星载计算机遥测组帧时延△Tzz；
步骤十一，计算遥测帧同步字序列传输时延△Tdm；
步骤十二，计算得出卫星测控链路传输时延△Tsy。
2.如权利要求1所述的基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，其特征在于，所述步骤四中星载计算机通过GPS接收机输出的PPS秒脉冲，并通过1553B总线完成与GPS星座时间的高精度时间同步，按照遥测传输频率将时间码填入到遥测帧的固定位置中。
3.如权利要求1所述的基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，其特征在于，所述步骤六中，地面测控基带设备采用非相干扩频测控体制，在完成遥测帧同步信号的下降沿锁存当前时刻的本地时间。
4.如权利要求1所述的基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，其特征在于，所述步骤七中，同一遥测帧的判断标准为帧计数相同。
5.如权利要求1所述的基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，其特征在于，所述步骤八中，地面测控基带设备和地面S频段下变频器的解调时延通过链路自闭环方式获得，遥测码速率、编码方式等参数设置与卫星发送的遥测相同。
6.如权利要求1所述的基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，其特征在于，所述步骤九中，空间传输时延为卫星与地面测试系统之间的空间距离与光速相除获得。
7.如权利要求1所述的基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，其特征在于，所述步骤十中，星载计算机遥测组帧时延为从收到0.5s遥测中断开始至当前遥测帧输出时刻的总时间，含遥测帧缓存时间。
8.如权利要求1所述的基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，其特征在于，所述步骤十一中，遥测帧同步字序列传输时延由帧同步字长度和遥测码速率决定，不同卫星遥测帧同步字和遥测码速率不同，帧同步字序列传输时延也不同。
9.如权利要求1所述的基于GPS信号的卫星测控链路传输时延测量方法，其特征在于，所述步骤十二中，卫星测控链路传输时延指的是遥测从星载计算机输出时刻到遥测从星载测控收发天线发出时刻之间的时延。
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