CN109634095B - 卫星时钟系统和卫星时钟校时方法 - Google Patents

卫星时钟系统和卫星时钟校时方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种卫星时钟系统和卫星时钟校时方法。卫星时钟系统包括：卫星时钟，向星载设备提供时间和计时频率；校时器，检测参考时钟并根据所述参考时钟校正所述的卫星时钟；所述校时器，被配置为按照预设的周期计算所述参考时钟和所述卫星时钟的周期时间差，当所述周期时间差超过预设门限，所述校时器不校正所述卫星时钟，当所述周期时间差低于预设门限，所述校时器按照所述周期时间差校正所述卫星时钟，所述时钟系统通过双CAN总线，进一步提高了时钟系统的可靠性。卫星校时方法包括综合上电启动时的初始校时、周期进行的周期时间差校时、卫星测控中心的指令校时等校时方法提高了卫星时钟系统的精度和稳定度。

Description

卫星时钟系统和卫星时钟校时方法
技术领域
本发明涉及卫星领域，特别是卫星时钟系统和卫星时钟校时方法。
背景技术
时钟提供时间信息，例如，年月日时分秒等信息；并按照计时频率增加时间数值，例如，秒计数器每秒加一。时钟同步要求各个时钟保持时间相同和计时频率相同。例如卫星时钟向全球卫星导航系统(GNSS)提供的时钟对齐，保持时间和计时频率相同。
铷钟、铯钟等时钟精度和稳定度都很好，但是价格昂贵。晶体振荡器的时钟简称晶振时钟，价格适当，性能稳定，但长期的稳定度不如铷钟和铯钟。
随着技术发展，卫星趋向于小型化和低成本化，但卫星执行任务的复杂度和精度在日益提高，对时钟的精度要求越来越高。但是，卫星时钟容易受到复杂空间环境影响，例如太空中存在的单粒子效应导致时间错误。因此卫星时钟必须能够校准。
卫星上通常安装晶振时钟，并采用校时方法对晶振时钟进行校正。
传统校时方法包括：
一、地面授时
地面授时适用于卫星时钟与地面标准时间的时间误差比较大时。
卫星测控中心向卫星发送时间信息和时间同步的指令，卫星按照卫星测控中心的指令取得与地面标准时间的同步，这里地面标准时间为国家授时中心的时间或者测控中心原子钟时间等。
卫星测控中心在卫星可见测控弧段内发送校时指令，卫星在境内或者境外完成一次校时动作。
二、集中校时
集中授时适用于卫星时钟与地面标准时间的误差较小时。
卫星向卫星测控中心下发卫星时间，卫星测控中心比较卫星时间与地面标准时间的时间误差。如果时间差较小，则卫星测控中心向卫星发送包括时间秒和整秒调整值的指令，卫星按照指令对准时间
卫星测控中心在卫星可见测控弧段内发送校时指令，卫星在境内或者境外完成一次校时动作。
三、均匀校时
均匀校时适用于周期性的修正卫星时钟稳定度不足带来的时间误差。
卫星向卫星测控中心下发卫星时间，卫星测控中心记录一定时间段内的卫星时间并分析卫星时间稳定度。如果卫星时间误差超过正常范围，则卫星测控中心向卫星发送校时指令。
应用均匀校时，卫星每隔一定时间就可以修正时间误差，以补偿卫星时钟稳定度不足带来的时间误差。
均匀校时无法对温度变化等短暂变化引起时间误差进行判断和修正。
四、全球定位系统(GPS)校时
卫星在收到校时指令后，通过GPS收到时间信息和秒脉冲(PPS)后，然后卫星重置卫星时间并锁定卫星秒脉冲为计时频率，从而校正卫星时间。但该方法没有进行周期校正，由于卫星计时频率不能完全对准GPS秒脉冲，或者由于卫星计时频率存在温度漂移，导致卫星时间会向逐渐向同一个方向累积时间误差，以致GPS校时精度不高。
在上述方法中，方法一、二、三需要卫星测控中心在可见测控弧段内向卫星发送校时指令，也成为指令校时，卫星是被动校时。在方法四中，卫星主动校时，但是精度不高；而且GPS系统受美国控制，存在安全风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够主动校时、低成本、高精度的可靠的卫星时钟系统。
为解决该技术问题，本发明提供一种卫星时钟系统，包括：卫星时钟，其被配置为向星载设备提供时间和计时频率；校时器，其被配置为检测参考时钟并根据所述参考时钟校正所述的卫星时钟；所述校时器，被配置为按照预设的周期计算所述参考时钟和所述卫星时钟的周期时间差，其中当所述周期时间差超过预设门限时，所述校时器不校正所述卫星时钟，并且当所述周期时间差低于预设门限时，所述校时器按照所述周期时间差校正所述卫星时钟。
进一步的，所述校时器，被配置为接收地面卫星测控中心的校时指令，根据所述校时指令启动校时或停止校时。
进一步的，所述校时器，被配置为在上电启动时，对所述卫星时钟执行一次校准操作。
进一步的，所述校准操作包括将所述卫星时钟校准到和所述参考时钟相同。
进一步的，所述校时器检测全球卫星导航系统的时钟或卫星测控中心的时钟作为参考时钟。
进一步的，所述全球卫星导航系统为全球定位系统或北斗卫星导航系统。
进一步的，包括至少两个控制器局域网络(CAN)总线，所述至少两个CAN总线包括第一CAN总线和第二CAN总线，所述第一CAN总线和/或所述第二CAN总线连接所述卫星时钟和所述校时器。
进一步的，所述第一CAN总线和所述第二CAN总线被配置为：当所述第一CAN总线和所述第二CAN总线都正常时，所述第一CAN总线连接所述卫星时钟和所述校时器；当所述第一CAN总线异常并且第二CAN总线正常时，所述第二CAN总线连接所述卫星时钟和所述校时器；当所述第一CAN总线正常并且第二CAN总线异常时，所述第一CAN总线连接所述卫星时钟和所述校时器；当所述第一CAN总线和第二CAN总线都异常时，所述第一CAN总线和所述第二CAN总线都断开所述卫星时钟和所述校时器连接。
本发明还提供了一种卫星时钟系统的校时方法，包括：按照预设的周期计算参考时钟和卫星时钟的周期时间差；当所述周期时间差超过预设门限，不校正所述卫星时钟；当所述周期时间差低于预设门限，按照所述周期时间差校正所述卫星时钟。
进一步的，所述的校时方法，包括接收地面卫星测控中心的校时指令，根据所述校时指令启动校时或停止校时。
综上所述，本发明的卫星时钟系统和校时方法，通过上电启动时的初始校时、周期进行的周期时间差校时、卫星测控中心的指令校时提高了卫星时钟的精度和稳定度，并通过双CAN总线，进一步提高了时钟系统的可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明，其中：
图1是本发明的卫星时钟系统的一种实施方式；
图2是本发明的卫星时钟系统的一种实施方式，使用GPS作为参考时钟，使用晶振时钟作为卫星时钟；
图3是本发明的卫星时钟系统的一种实施方式，使用双CAN总线；
图4本发明的卫星时钟的校时方法的一种实施方式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变型和改进。这些都属于本发明的保护范围。
下面结合卫星时钟系统的组成，分别描述本发明的实施方式。
一、系统组成
在一个实施例中，如图1所示，本发明的卫星时钟系统包括：卫星时钟2，向星载设备3提供时间和计时频率；校时器1，检测参考时钟4并根据参考时钟4校正所述的卫星时钟2；所述校时器1，被配置按照预设的周期计算参考时钟4和卫星时钟2的周期时间差，当所述的周期时间差超过预设门限，所述校时器1不校正所述卫星时钟2，当所述周期时间差低于预设门限，所述校时器1按照所述周期时间差校正所述卫星时钟2。
二、卫星时钟
在一个实施例中，所述卫星时钟2为晶振时钟，通过所述晶振时钟输出时间和计时频率。所述晶振时钟输出的计时频率为秒脉冲，通过串口传输给卫星上的其它设备，输出的时间为时间秒值和时间毫秒值，通过控制器局域网络(CAN)总线传输给卫星上其它设备。
应当指出，所述卫星时钟也可以选择铷钟、铯钟。但这些时钟价格昂贵，不适宜用在低成本的卫星上。
三、校时器和参考时钟
卫星时钟通常可以向卫星内部提供时间和计时频率，但是在温度和外部环境影响下，时钟会逐渐偏离参考时钟，因此需要使用校时器按照参考时钟进行校正。
本法发明提供了校时器1，所述校正器1检测参考时钟4，并按照参考时钟4校正卫星时钟2。参考时钟4通常采用精度和稳定度更高的时钟。
在一个实施例中，如图2所示，所述卫星时钟2为晶振时钟，晶振时钟通过晶体振荡器产生的计时频率，实现一定精度的计时。但是，晶体振荡器存在温度漂移特性，太空中存在的单粒子效应，这些会导致时钟的时间错误。因此，卫星时钟2必须有校时方法。
在一个实施例中，如图2所示，所述参考时钟4为全球定位系统(GPS)的时钟，校时器1上设置有GPS接收机。应当指出，所述校时器1上也可以设置北斗卫星导航系统接收机，从而支持北斗卫星导航卫星的时钟。所述校时器1也可以设置为支持其他全球卫星导航系统的时钟。全球卫星导航系统具有高精度和稳定性，适于作为参考时钟4，用于校正卫星时钟2。
在一个实施例中，如图3所示，卫星测控中心5下直接下发时钟信息到校时器1，校时器1采用收到的卫星测控中心5提供的时钟来校正所述的卫星时钟2。
四、内部设备连接方式
在传统卫星中，卫星时钟2通过CAN总线与卫星上其它设备传递时间信息，这种方式采用单CAN总线，不够可靠。本发明可使用双CAN总线来提高CAN总线的可靠性。
在一个实施例中，如图3所示，所述卫星时钟系统还包括第一CAN总线6和第二CAN总线7。卫星时钟2通过CAN总线向校时器1通过CAN总线和卫星时钟2，通过CAN总线互相传递时间信息。
当所述第一CAN总线和所述第二CAN总线都正常时，所述卫星时钟2和所述校时器1通过第一CAN总线传输时间数据；
当所述第一CAN总线异常并且第二CAN总线正常时，所述卫星时钟2和所述校时器1通过第二CAN总线传输时间数据；
当所述第一CAN总线正常并且第二CAN总线异常，所述卫星时钟2和所述校时器1通过第一CAN总线传输时间数据；
当所述第一CAN总线和第二CAN总线都异常时，所述卫星时钟2和所述校时器1断开连接，不再校时。
通过双CAN总线，可以保障卫星时钟2与校时器1和其它星载设备之间可靠的通信连接，避免单总线故障导致的时钟不同步。
下面结合卫星运行的场景，分别描述本发明的卫星时钟系统的实施方式。
一、在卫星刚入轨道时，校时器上电启动，执行初始校时91。
在一个实施例中，如图2所示，包含初始校时方法。所述校时器1，被配置为在上电启动时，执行一次校准卫星时钟的操作。例如，在卫星刚入轨道时，校时器1上电启动，在大约10分钟后，校时器1可以锁定GPS时钟，此时，校时器1做第一次时钟校准。
进一步的，所述校准卫星时钟2的操作包括将卫星时钟2校准到和参考时钟4相同。例如，校时器1将卫星时钟2校准到和GPS时钟相同，即卫星时钟2的时间和GPS时间相同，卫星时钟2的计时频率锁定GPS的秒脉冲。这种校时方式简单快捷，但可靠性不高，适于初次校时使用。
二、在卫星入轨以后，校时器执行周期校时92。
在一个实施例中，如图2所示，包含周期校时92方法。所述校时器1，被配置为按照预设的周期进行周期校正所述卫星时钟2。
在卫星入轨以后，所述校时器1按照周期校正所述卫星时钟2，即每隔一段时间校正一次，从而消除卫星时钟2漂移所积累的时钟误差。所述周期可以通过卫星测控中心5下发指令设置。所述周期的缺省值为1秒，即在每个GPS秒脉冲的起始边沿，校正一次所述卫星时钟2，这样每秒可以校正一次时钟，提高卫星时钟2的稳定度。
进一步的，所述校时器1，被配置按照预设的周期计算参考时钟4和卫星时钟2的周期时间差，当所述的周期时间差超过预设门限，所述校时器1不校正所述卫星时钟2，当所述周期时间差低于预设门限，所述校时器1按照所述周期时间差校正所述卫星时钟2。
在周期校正过程中，传统的校时方法采用直接将卫星时钟2校准到和参考时钟4相同，但是在校时器1异常时，例如校时器1不能正确锁定参考时钟4或参考时钟4本身异常，传统的校时方法将导致卫星时钟错误。因此，改进校时的方法，采用周期时间差来校时。所述周期时间差是指在每一个校时周期内，计算一次卫星时钟2和参考时钟4的时间差，如果时间差超过预设门限，则认为校时器1异常，因此不能校时，如果周期时间差小于预设门限，则认为在合理范围内，则校时器1正常，可以校时。所述预设门限可以按照卫星实际的运行环境设置，缺省值为10毫秒。
三、在卫星入轨以后，校时器1执行指令校时93。
卫星在太空中运行，容易受到极端环境影响，导致不能自行恢复时钟同步。卫星测控中心5可以通过下发校时指令主动干预时钟运行。指令校时93适用于卫星时钟2与参考时钟4的时间误差比较大时，或者校时器1工作异常时。
在一个实施例中，如图2所示，包含指令校时93方法。所述校时器1，被配置为接收卫星测控中心5的校时指令，根据所述校时指令启动校时或停止校时。
在卫星测控中心5接收卫星时钟2数据和校时器1数据后，卫星测控中心5向校时器1发出校时指令。所述校时指令包括禁止校时、执行校时。
在指令校时中，进一步的，所述校时器1检测卫星测控中心5提供的参考时钟4，所述参考时钟4为国家授时中心的时钟或者卫星测控中心的时钟。
卫星测控中心5在卫星可见测控弧段内发送校时指令，卫星在境内或者境外完成一次校时动作。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，在本发明的教导下，本领域的普通技术人员可以对本发明做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种卫星时钟系统，其特征在于，包括：
卫星时钟，被配置为向星载设备提供时间和计时频率；
校时器，被配置为检测参考时钟并根据所述参考时钟校正所述卫星时钟；
所述校时器，被配置为按照预设的周期计算所述参考时钟和所述卫星时钟的周期时间差，其中当所述周期时间差超过预设门限时，所述校时器不校正所述卫星时钟，并且当所述周期时间差低于预设门限时，所述校时器按照所述周期时间差校正所述卫星时钟。
2.根据权利要求1所述的卫星时钟系统，其特征在于，所述校时器，被配置为接收地面卫星测控中心的校时指令，根据所述校时指令启动校时或停止校时。
3.根据权利要求1所述的卫星时钟系统，其特征在于，所述校时器，被配置为在上电启动时，对所述卫星时钟执行一次校准操作。
4.根据权利要求3所述的卫星时钟系统，其特征在于，所述校准操作包括将所述卫星时钟校准到和所述参考时钟相同。
5.根据权利要求1至4任一所述的卫星时钟系统，其特征在于，所述校时器检测全球卫星导航系统的时钟或卫星测控中心的时钟作为参考时钟。
6.根据权利要求5所述的卫星时钟系统，其特征在于，所述全球卫星导航系统为全球定位系统或北斗卫星导航系统。
7.根据权利要求1所述的卫星时钟系统，其特征在于，包括至少两个控制器局域网络CAN总线，所述至少两个CAN总线包括第一CAN总线和第二CAN总线，所述第一CAN总线和/或所述第二CAN总线连接所述卫星时钟和所述校时器。
8.根据权利要求7所述的卫星时钟系统，其特征在于，所述第一CAN总线和所述第二CAN总线被配置为：
当所述第一CAN总线和所述第二CAN总线都正常时，所述第一CAN总线连接所述卫星时钟和所述校时器；
当所述第一CAN总线异常并且第二CAN总线正常时，所述第二CAN总线连接所述卫星时钟和所述校时器；
当所述第一CAN总线正常并且第二CAN总线异常时，所述第一CAN总线连接所述卫星时钟和所述校时器；
当所述第一CAN总线和第二CAN总线都异常时，所述第一CAN总线和所述第二CAN总线都断开所述卫星时钟和所述校时器之间的连接。
9.一种卫星时钟的校时方法，其特征在于，包括：
按照预设的周期计算参考时钟和卫星时钟的周期时间差；
当所述周期时间差超过预设门限，不校正所述卫星时钟；
当所述周期时间差低于预设门限，按照所述周期时间差校正所述卫星时钟。
10.根据权利要求9所述的卫星时钟的校时方法，其特征在于，包括接收地面卫星测控中心的校时指令，根据所述校时指令启动校时或停止校时。
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