CN109212955A - 一种多源卫星系统时间智能管理方法 - Google Patents

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Abstract

一种多源卫星系统时间智能管理方法，属于卫星时间系统智能化管理技术领域。本发明方法根据应用模式自主切换时间系统，在GNSS接收机、下位机时钟源、CPU系统时钟、温补晶振时钟源之间实现自主切换，根据GNSS接收机是否可用来确定是否使用GNSS接收机时间，通过绝对、增量和均匀校时方法来选择对温补晶振和CPU时钟进行校准，同时参考下位机时钟源进行时间偏差纠正，将以准确可靠的形式通过总线对时间需求终端进行授时，实现卫星星时的校准和分发，确保卫星系统时间统一，各项功能准确执行，解决了当前卫星时间管理系统的存在时间延迟且校准流程繁琐的问题，进一步地，还能够在卫星时间清零或者计算机复位等异常工况下，防止卫星错误星时向下位机蔓延的情况。

Description

一种多源卫星系统时间智能管理方法
技术领域
本发明涉及一种多源卫星系统时间智能管理方法，属于卫星时间系统智能化管理技术领域。
背景技术
航天器运行过程中由于对其运行轨道要求非常严格，需要定期进行轨道维护，而轨道系统对时间的准确程度依赖非常高，需要准确的时间系统。
以前的卫星时间管理主要以地面校时为主，具备地面授时、均匀校时和增量校时三种，地面航天器管控系统根据时间偏差，定期对时间进行维护。但是由于手段单一，且操作复杂，难以满足多航天器多任务的现状。
随着网络化、智能化的发展趋势，航天器设备的电子化程度越来越高。同时卫星自主运行的需求也越来越强烈，目前自主轨道确定和控制、自主进行太阳月亮干扰保护、遥测遥控功能、能源自主管理、热控自主管理功能以及自主故障诊断和处理功能的需求以及航天器的特殊载荷系统，例如相机、激光通信等，都对卫星的时间系统提出了非常高的要求。以合成孔径雷达为例，在高分辨率聚束模式工作期间，为了获取丰富精细的目标信息，高速运动的卫星将始终小范围地照射卫星预置的特定成像区域，这就要求预先设定的聚束模式工作时间起点与星上时间比对时刻严格同步，超出时间误差范围即可造成不可忽视的成像性能下降。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多源卫星系统时间智能管理方法，提出了一种智能化、准确性高、自主性强的时间管理方案，根据卫星运行的不同阶段提供不同的时间系统管理模式，可通过系统级应用软件进行模式自主切换。本发明方法适用于通信卫星从发射到在轨的运行阶段，解决当前卫星时间管理系统的存在时间延迟且校准流程繁琐的问题。
本发明的技术解决方案是：一种多源卫星系统时间智能管理方法，包括如下步骤：
S1，星上中心计算机周期性地自主请求校时，同时判断当前GNSS接收机能否使用；若能使用，则星上中心计算机将自主指令包通过总线发送给GNSS接收机，所述自主指令包包括请求校时指令和当前卫星时间，GNSS接收机收到自主指令包后，将GNSS接收机时间减去当前卫星时间得到时间差，并将该时间差通过总线发送给星上中心计算机，星上中心计算机根据时间差校准当前卫星时间；若不能使用，则星上中心计算机向地面管理系统发送自主指令包，地面管理系统接收自主指令包后形成地面校时指令发送给星上中心计算机，星上中心计算机接收并解析地面校时指令，校准当前卫星时间；
S2，星上中心计算机以完成校时的当前卫星时间为基础继续产生新的卫星时间；
S3，星上中心计算机利用新的卫星时间对时间需求终端授时。
进一步地，所述的GNSS接收机将时间差通过总线发送给星上中心计算机前，还对所述时间差进行判断：若所述时间差大于时间差阈值，则时间差计数加1；当时间差计数大于2时，星上中心计算机判断GNSS接收机不能使用，并将时间差计数归0；当且仅当时间差计数不大于2时，GNSS接收机将时间差通过总线发送给星上中心计算机；所述时间差计数初始值为0，所述时间阈值为预先设定的固定值。
优选地，所述时间差阈值为1s。
进一步地，所述的当GNSS接收机不能使用时，由地面管理系统直接将地面时间发送给星上中心计算机，星上中心计算机将接收到的地面时间置为新的卫星时间，完成校时。
进一步地，所述的当GNSS接收机不能使用时，由地面管理系统将地面时间与当前卫星时间的差值发送给星上中心计算机，星上中心计算机将当前卫星时间与所述差值的和置为新的卫星时间，完成校时。
进一步地，所述的当GNSS接收机不能使用时，设定均匀校时量，由地面管理系统不断测量当前卫星时间和地面时间的时间差达到所述均匀校时量的时间间隔，然后将所述时间间隔和判断所述当前卫星时间和地面时间大小的校时加减标志发送给星上中心计算机；星上中心计算机每经过一次时间间隔，根据校时加减标志对当前卫星时间进行调整，增加或减少一个均匀校时量，完成校时；当所述校时加减标志为正时，增加一个均匀校时量；当所述校时加减标志为负时，减少一个均匀校时量。
优选地，所述均匀校时量为1ms。
进一步地，所述星上中心计算机产生新的卫星时间的方法为：星上中心计算机默认选择CPU系统晶振作为时间源，所述的新的卫星时间由CPU系统晶振产生；同时星上中心计算机判断温补晶振能否正常工作；若卫星的温补晶振正常工作，则星上中心计算机选择温补晶振作为时间源，所述的卫星时间由温补晶振产生；当温补晶振工作异常时，星上中心计算机将自动切回CPU系统晶振作为时间源。
进一步地，所述的星上中心计算机利用新的卫星时间对时间需求终端授时的方法为：星上中心计算机接收授时请求，并对当前卫星时间是否经过校准进行判断；若当卫星时间未完成校时，则不响应授时请求；若当前卫星时间已完成校时，则星上中心计算机向该下位机授时。
进一步地，所述的星上中心计算机自主请求校时的周期为448±20ms。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)现有的时间管理系统方案需要地面管理人员根据卫星时间与地面系统时间的误差进行定期校时，而本发明可减少地面系统对于卫星时间的管理成本，在发射时仅需要一次校时即可，后续卫星可以根据GNSS接收机系统的时间进行周期校时，不需要地面进行校时管理；
(2)避免唯一时间源引入的系统错误，星上中心计算机设置了温补晶振时间源，可以在系统CPU晶振和温补晶振时间源之间实现切换；
(3)可根据应用模式自主切换时间系统，在GNSS接收机、下位机时钟源、CPU系统时钟、温补晶振时钟源之间实现自主切换，根据GNSS接收机是否可用来确定是否使用GNSS接收机时间，通过绝对、增量和均匀校时方法来选择对温补晶振和CPU时钟进行校准，同时参考下位机时钟源进行时间偏差纠正。
(4)可靠安全的授时模式，星上中心计算机时间对下位机授时设置两种模式，下位机可根据需求在通信协议中明确是否需要授时，同时授时设置开关，该开关可自主可遥控两种方式进行控制，确保授时可靠安全。
附图说明
图1为本发明系统组成框图；
图2为本发明GNSS接收机时间校准控制流程图；
图3为本发明地面时间校准控制流程；
图4为本发明星上中心计算机时间管理系统处理流程图；
图5为本发明星上中心计算机授时处理流程图。
具体实施方式
一种多源卫星系统时间智能管理方法，其特征在于包括：GNSS接收机时间校准模块、温补晶振时间计算模块、CPU系统晶振时间计算模块以及星上中心计算机时间管理模块，应用于卫星上。
GNSS接收机时间校准模块，在星上中心计算机时间管理模块计算得到卫星星时后，将绝对时间按照总线协议的格式发送给GNSS接收机，GNSS接收机根据接收到的绝对时间与BDS/GPS导航定位时间进行比较，并将计算得到的差值△t发送给星上中心计算机时间管理模块。
温补晶振时间计算模块，CPU系统晶振时间计算模块，均为星上中心计算机时间管理模块提供时钟计数器，采用工作频率为16MHz的晶振计数，通过时钟选择控制电路进行时钟选择，并经过分频电路进行分频，分频后为500KHz，系统时间最小分辨率为2us。
星上中心计算机时间管理模块，周期性的从接口控制电路的硬件技术器中获取寄存器的值，并通过乘以系统时间最小分辨率，从而获取精确的卫星本地时间。能够响应地面发送的时间，同时根据通信协议的授时需求，负责对时间需求终端进行授时。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)现有的时间管理系统方法需要地面管理人员根据卫星时间与地面系统时间的误差进行定期校时，而本发明可减少地面系统对于卫星时间的管理成本，在发射时仅需要一次校时即可，后续卫星可以根据GNSS接收机系统的时间进行周期校时，不需要地面进行校时管理；
2)避免唯一时间源引入的系统错误，星上中心计算机设置了温补晶振时间源，可以在系统CPU晶振和温补晶振之间实现切换；
3)可根据应用模式自主切换时间系统，在GNSS接收机、下位机时钟源、CPU系统时钟、温补晶振时钟源之间实现自主切换，根据GNSS接收机是否可用来确定是否使用GNSS接收机时间，通过绝对、增量和均匀校时方法来选择对温补晶振和CPU时钟进行校准，同时参考下位机时钟源进行时间偏差纠正。
4)可靠安全的授时模式，星上中心计算机时间对下位机授时设置两种模式，下位机可根据需求在通信协议中明确是否需要授时，同时授时设置开关，该开关可自主可遥控两种方式进行控制，确保授时可靠安全。
本发明方法提出一种多源卫星系统时间智能管理方法，包括GNSS接收机时间校准模块、温补晶振时间计算模块、CPU系统晶振时间计算模块、以及星上中心计算机时间管理模块，如图1所示。地面管理系统可以通过绝对授时、增量校时以及均匀校时方式对星上中心计算机时间进行修正，同时可通过GNSS接收机时间校准模块进行时间校准，通过下位机时钟参考模块对时间采取比较的方式，将准确可靠的形式通过总线对时间需求终端进行授时，实现卫星星时的校准和分发，确保卫星系统时间统一，各项功能准确执行。
1)GNSS接收机时间校准控制机制；
星上中心计算机与GNSS接收机之间采用1553B总线进行连接，具体校时流程见图2所示，星上中心计算机把卫星时间封装成自主指令包，通过总线发送给GNSS接收机，GNSS接收机以时间差方式校时。具体为：GNSS接收机收到星上中心计算机的自主校时指令后，立即以中断方式用接收机当前时刻减去校时指令中发送来的绝对星时，将该时间差写入相应子地址。GNSS接收机将校时时差数据生成总线数据包通过总线发送，其中包括校时数据有效状态、校时数据闰秒标记、校时数据整秒、校时数据微秒等信息。
时间管理系统默认自主使用GNSS接收机进行校时处理，当GNSS接收机能够输出准确的时间信息后，则对星上中心计算机时间进行校准，时间管理任务在获取当前晶振计时的基础上加上GNSS接收机返回的时间差△t，作为卫星系统时间。针对GNSS接收机反馈的时间差进行判别，并设计独立的计数，当返回的时间差值大于1S时，计数加1，当计数大于2之后，则星上中心计算机判定GNSS时间不准确，自主禁止GNSS接收机校时，选择CPU晶振时间进行计时。
2)地面时间校准控制方案
地面管理系统对于卫星时间由三种校准方式，即绝对授时、增量校时和均匀校时，具体执行流程见图3所示。
绝对授时就是首先由地面管理系统注入某个时间值来调整星上时间。卫星星上中心计算机时间处理模块接收到地面授时指令块后，立即将指令块中的给定时间置入星上中心计算机内部的工作时钟计数器中，同时工作时钟就以这个新注入的时间为基础继续累加产生星上时间。
增量校时就是根据地面管理系统的要求在星上时间的基础上，增加或减小一个要求的时间值，以校正星地时间的较小误差。当星上中心计算机时间处理模块接收到增量校时指令块后，根据指令块中给定的修订时间差，将星上和地面的时间对准。此命令实时执行，星上单位时间的起点对准增量校时命令的执行时刻。
均匀校时，是为了调整由于星上计时基准晶振的偏差引起的星上时间积累偏差。这就需要地面管理系统根据遥测不断测量经过多长时间间隔星地时差会超过一个均匀校时量(如1ms)，然后把这个时差校正过来。根据上行均匀校时指令中规定的加减标志及均匀校时时间间隔，周期性地每经过相应的时间间隔，对卫星的时间增加和减少一个校时量(如1ms)，主要用于对CPU晶振时间计数模块和温补晶振计数模块进行偏差校准。
3)星上中心计算机时间源选择处理方案
星上中心计算机时间源默认选用CPU系统晶振计数乘以最小分辨率产生，当温补晶振加电后，由于温补晶振作为更为准确的时钟源，提供精确的计数，系统检测到温补晶振加电，则自主选择使用温补晶振计数作为时间产生来源，当温补晶振异常掉电或者出现计数停滞的情况下，星上中心计算机自主切换到CPU系统晶振进行时间处理，具体流程如图4所示。
4)星上中心计算机时间管理系统授时处理方案
如图5所示，首先由时间需求终端向星上中心计算机时间管理系统发出授时请求，接收到请求后，星上中心计算机时间管理系统进行判断，卫星星时是否经过校准，包括是否经过GNSS接收机校准或者经过地面管理系统时间校准，如果未经过校准，则不响应向下位机授时请求。经过校准后，判断向下位机授时总开关状态，如果开关打开，则继续判断对应的授时请求开关是否打开，如果打开，则向该下位机授时，如果未打开，则不响应向该下位机授时。
本发明采取的措施，能够在卫星时间清零或者计算机复位等异常工况下，防止卫星错误星时向下位机蔓延的情况。
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 (10)

1.一种多源卫星系统时间智能管理方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，星上中心计算机周期性地自主请求校时，同时判断当前GNSS接收机能否使用；若能使用，则星上中心计算机将自主指令包通过总线发送给GNSS接收机，所述自主指令包包括请求校时指令和当前卫星时间，GNSS接收机收到自主指令包后，将GNSS接收机时间减去当前卫星时间得到时间差，并将该时间差通过总线发送给星上中心计算机，星上中心计算机根据时间差校准当前卫星时间；若不能使用，则星上中心计算机向地面管理系统发送自主指令包，地面管理系统接收自主指令包后形成地面校时指令发送给星上中心计算机，星上中心计算机接收并解析地面校时指令，校准当前卫星时间；
S2，星上中心计算机以完成校时的当前卫星时间为基础继续产生新的卫星时间；
S3，星上中心计算机利用新的卫星时间对时间需求终端授时。
2.根据权利要求1所述的一种多源卫星系统时间智能管理方法，其特征在于：所述的GNSS接收机将时间差通过总线发送给星上中心计算机前，还对所述时间差进行判断：若所述时间差大于时间差阈值，则时间差计数加1；当时间差计数大于2时，星上中心计算机判断GNSS接收机不能使用，并将时间差计数归0；当且仅当时间差计数不大于2时，GNSS接收机将时间差通过总线发送给星上中心计算机；所述时间差计数初始值为0，所述时间阈值为预先设定的固定值。
3.根据权利要求2所述的一种多源卫星系统时间智能管理方法，其特征在于：所述时间差阈值为1s。
4.根据权利要求1所述的一种多源卫星系统时间智能管理方法，其特征在于：所述的当GNSS接收机不能使用时，由地面管理系统直接将地面时间发送给星上中心计算机，星上中心计算机将接收到的地面时间置为新的卫星时间，完成校时。
5.根据权利要求1所述的一种多源卫星系统时间智能管理方法，其特征在于：所述的当GNSS接收机不能使用时，由地面管理系统将地面时间与当前卫星时间的差值发送给星上中心计算机，星上中心计算机将当前卫星时间与所述差值的和置为新的卫星时间，完成校时。
6.根据权利要求1所述的一种多源卫星系统时间智能管理方法，其特征在于：所述的当GNSS接收机不能使用时，设定均匀校时量，由地面管理系统不断测量当前卫星时间和地面时间的时间差达到所述均匀校时量的时间间隔，然后将所述时间间隔和判断所述当前卫星时间和地面时间大小的校时加减标志发送给星上中心计算机；星上中心计算机每经过一次时间间隔，根据校时加减标志对当前卫星时间进行调整，增加或减少一个均匀校时量，完成校时；当所述校时加减标志为正时，增加一个均匀校时量；当所述校时加减标志为负时，减少一个均匀校时量。
7.根据权利要求6所述的一种多源卫星系统时间智能管理方法，其特征在于：所述均匀校时量为1ms。
8.根据权利要求1所述的一种多源卫星系统时间智能管理方法，其特征在于：所述星上中心计算机产生新的卫星时间的方法为：星上中心计算机默认选择CPU系统晶振作为时间源，所述的新的卫星时间由CPU系统晶振产生；同时星上中心计算机判断温补晶振能否正常工作；若卫星的温补晶振正常工作，则星上中心计算机选择温补晶振作为时间源，所述的卫星时间由温补晶振产生；当温补晶振工作异常时，星上中心计算机将自动切回CPU系统晶振作为时间源。
9.根据权利要求1所述的一种多源卫星系统时间智能管理方法，其特征在于：所述的星上中心计算机利用新的卫星时间对时间需求终端授时的方法为：星上中心计算机接收授时请求，并对当前卫星时间是否经过校准进行判断；若当卫星时间未完成校时，则不响应授时请求；若当前卫星时间已完成校时，则星上中心计算机向该下位机授时。
10.根据权利要求1所述的一种多源卫星系统时间智能管理方法，其特征在于：所述的星上中心计算机自主请求校时的周期为448±20ms。
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