CN109975834A - 星载计算机在轨时钟漂移精确测量系统及测量方法 - Google Patents

星载计算机在轨时钟漂移精确测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种星载电子设备技术领域的星载计算机在轨时钟漂移精确测量系统及测量方法。所述测量系统由星载计算机、导航接收机、1553B总线和RS422接口组成，星载计算机采用主备机冗余备份方式；星载计算机主机和备机，以及导航接收机均通过1553B总线进行信息交互；导航接收机以远程终端广播形式对外输出整秒时间，同时通过RS422接口输出秒脉冲信号；星载计算机主机和备机同时接收秒脉冲信号和总线广播整秒时间，实现导航秒脉冲信号授时和校时。本发明还涉及一种星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，便于实时掌握时钟系统变化趋势，同时通过积累数据，指导星载时间系统设计。

Description

星载计算机在轨时钟漂移精确测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及星载电子设备技术领域，具体地，涉及一种星载计算机在轨时钟漂移精确测量系统及测量方法。
背景技术
星载计算机，装在人造卫星或航天飞行器上的计算机的总称。又称“航天器计算机”。星载计算机的主要任务是：卫星和航天飞行器的姿态控制和程序控制；接收遥控命令和数据注入；对大量数据(包括图像信息)进行适时处理和传送；监视卫星和航天飞行器的运行状态，进行故障诊断。星载计算机除了体积小、重量轻、功耗低外，最主要特点是具有极高的可靠性，能在冲击、振动、空间粒子辐照、电磁干扰等恶劣环境和无人维修的条件下，长期连续运行。
星载计算机作为整星信息处理和数据交互的核心设备，其是否能够长期正常稳定工作将直接影响卫星的使用效能。星载计算机所执行的遥测采集、遥控输出、程控控制、轨道计算等各项任务，均与时间密切相关。星载计算机通常通过高稳晶振进行时间计数，在星载计算机研制过程中，会专门对高稳晶振进行频率标定，但是星载计算机一旦合盖后，将无法测量晶振频率，在地面测试过程中精确测量星载计算机时钟系统的漂移也是比较繁琐的。卫星发射入轨后，无法定量获知星载计算机时钟系统的长期漂移情况，而且星上时间在生成、插入遥测帧、星地传输、地面解析等各环节存在处理时延，且该时延在地面测试时往往无法精确测量，因此在采用均匀校时时，往往通过长期观察和校时试错的方式进行多次均匀校时注数，逐步实现星地时间同步。目前尚未在公开文献中查阅到在轨精确测量时钟漂移的方法。
经对现有技术的检索，申请号为201410013535.2的中国发明专利公开了，包括以下步骤：步骤(1)：通过有源定标器跟踪并接收星载雷达的脉冲信号，并记录每个接收脉冲的到达时刻，得到有源定标器接收脉冲时刻序列；步骤(2)：通过有源定标器内部的数据处理模块对有源定标器接收脉冲时刻序列中的相邻两点求差值，得到有源定标器接收脉冲时间间隔序列Rn+1-Rn；步骤(3)：通过有源定标器从星载雷达存储记录的数据中读取星载雷达每一个发射脉冲的时刻，得到星载雷达发射脉冲时刻序列，然后将该发射脉冲时刻序列中的相邻两点求差值，得到星载雷达发射脉冲时间间隔序列tn+1-tn；步骤(4)：通过有源定标器内部的数据处理模块将步骤(2)和步骤(3)得到的时间间隔序列变换为星载雷达与有源定标器间的距离之差序列；步骤(5)：对步骤(4)得到的距离之差序列进行数据拟合得到以时间t为变量的一次直线函数；步骤(6)：对步骤(5)得到的一次直线函数进行积分得到有源定标器距离抛物线，星载雷达时钟漂移误差使所述有源定标器距离抛物线的对称轴位置较理想状态下距离抛物线的对称轴位置发生偏移；步骤(7)：从星载雷达存储记录的数据中读取星载雷达每一个发射脉冲的时刻和对应的每一个接收脉冲的时刻，并用每一个接收脉冲时刻减去对应的发射脉冲时刻，得到星载雷达收发脉冲时间间隔序列rn-tn；步骤(8)：通过有源定标器内部的数据处理单元将步骤(7)得到的星载雷达收发脉冲时间间隔序列变换为星载雷达与有源定标器的距离序列，并通过对该距离序列进行数据拟合得到星载雷达距离抛物线函数，星载雷达时钟漂移误差引起所述星载雷达距离抛物线较理想状态下的距离抛物线发生上下平移；步骤(9)：在有源定标器内部的数据处理模块中，对比步骤(6)所得到的有源定标器距离抛物线和步骤(8)所得到的星载雷达距离抛物线的对称轴位置，根据其对称轴位置之差得出有源定标器时钟频率和星载雷达时钟频率之间的时钟频率偏差；步骤(10)：在地面使用频率计或频谱仪，直接测量所述有源定标器的时钟频率，并根据步骤(9)得到的有源定标器时钟频率和星载雷达时钟频率之间的时钟频率偏差，求出星载雷达的时钟频率测量值；步骤(11)：将步骤(10)得到的星载雷达时钟频率测量值与星载雷达时钟频率理论设计值相比较，得出星载雷达时钟漂移量，基于所述时钟漂移量校正星载雷达时钟系统。但是该方法不能用于星载计算机在轨时钟漂移的精确测量。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，本发明的星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，提高在轨时钟变化的测量精度，实时掌握时钟系统变化，指导星地时间同步设计。
本发明涉及一种星载计算机在轨时钟漂移精确测量系统，包括星载计算机、导航接收机、155B总线和RS422接口，星载计算机采用主备机冗余备份方式；星载计算机主机和备机，以及导航接收机均通过1553B总线进行信息交互；在轨正常运行时星载计算机主机为有权机，在1553B网络中为总线控制器；星载计算机备机为无权机，与导航接收机均为1553B网络中的远程终端；导航接收机以远程终端广播形式对外输出整秒时间；导航接收机通过RS422接口输出导航秒脉冲信号，星载计算机主机和备机同时接收导航秒脉冲信号；导航接收机总线广播整秒时间与秒脉冲信号上升沿或下降沿对齐；星载计算机接收到导航秒脉冲信号后，用秒脉冲信号上升沿或下降沿锁存星载计算机本地时间，并将本地时间与导航广播整秒时间进行对比，其差值即为星载计算机与导航接收机接收的时间差，星载计算机扣除差值后实现导航秒脉冲信号授时和校时。
本发明还涉及一种星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，包括如下步骤：
(1)地面遥控注数设置星载计算机主机为导航秒脉冲自主校时方式，即导航秒脉冲信号锁存的星载计算机主机本地时间与导航广播时间的时间差若小于设置的阈值，则认为导航广播时间有效，用时间差校正星载计算机主机本地时间，直到与导航广播时间的时间差为0，否则，则认为导航广播时间无效；
(2)地面遥控注数同时设置星载计算机主机和备机为导航秒脉冲自主授时方式，自主授时间隔为ΔT，星载计算机直接采用秒脉冲信号锁存的本地时间与导航广播时间的时间差校准本地时间，使星载计算机主机和备机与导航接收时间同步，并记下导航广播时间T1；
(3)星载计算机主机处于秒脉冲自主校时状态，保持与导航接收机的时间同步，星载计算机备机处于本地时钟计时状态，直到接收到导航广播时间T2，使T2-T1＝ΔT时，再进行一次导航秒脉冲自主授时，同时记下备机秒脉冲信号锁存的本地时间与广播时间的时间差ΔT2，1，即为星载计算机备机在时间区间T1～T2内的时钟漂移；
(4)重复步骤(3)，持续获得单位时间间隔ΔT的备机时钟漂移量ΔTj，i，j＝i+1，即第j次与第i次导航秒脉冲自主授时间的漂移；
(5)星载计算机备机在轨时钟漂移为N为测量次数。
优选地，步骤(1)中所述导航秒脉冲自主校时方式为“持续性”校时方式，校时间隔由导航秒脉冲信号周期确定，在收到停止自主校时注数后方退出校时模式。
优选地，步骤(2)中所述导航秒脉冲自主授时方式为“持续性”授时方式，授时间隔由地面注数确定，在收到停止自主授时注数后方退出授时模式。
优选地，步骤(2)中所述自主授时间隔ΔT通过地面注数修改。
优选地，步骤(2)中自主授时间隔ΔT可通过地面注数修改，以获取不同时间采样点下的时间精度测量值。
优选地，该方法适用于备机无权，主机有权状态，或备机有权，主机无权状态下测量星载计算机主机的时钟漂移，星载计算机权状态通过地面遥控切换。
优选地，利用时钟漂移测量结果进行在轨均匀校时的依据，假设均匀校时时间间隔的最小分辨率为T均，时间修正值最小分辨率为t修，则每隔T均时间拨快或拨慢时钟刻度为
优选地，每隔T均时间拨快或拨慢时钟刻度k乘以系数M使k×M变为整数后，即精确生成均匀校时注数参数，即每隔M个均匀校时时间间隔拨快或拨慢k×M个时间修正值。
优选地，通过时钟漂移测量结果进行星载计算机时钟系统变化趋势分析和健康诊断。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法通过测量单位时间间隔时钟漂移量，进而可以获得时钟漂移变化率，通过分析变化率，可以得到时钟系统长期变化趋势，并用于星载计算机健康诊断；
2、本发明星载计算机在轨时钟漂移精确测量系统及测量方法便于实时掌握时钟系统变化趋势，提高在轨时钟变化的测量精度，实时掌握时钟系统变化，同时通过积累数据，指导星载时间系统设计。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明校时系统的示意图；
图2为本发明时钟漂移测试方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例中，本发明的星载计算机在轨时钟漂移精确测量系统介绍如下：包括星载计算机、导航接收机、155B总线和RS422接口组成，星载计算机采用主备机冗余备份方式；星载计算机主机和备机，以及导航接收机均通过1553B总线进行信息交互；导航接收机以远程终端广播形式对外输出整秒时间，同时通过RS422接口输出秒脉冲信号；星载计算机主机和备机同时接收秒脉冲信号和总线广播整秒时间，实现导航秒脉冲信号授时和校时。
接下来对本发明进行详细的描述。
高稳晶振具有较好的精度和短期稳定度，但长期稳定度较差，因此引入导航接收机进行时间校准。基于导航接收机秒脉冲信号的在轨时间校准方法可查见诸多公开的文献，这些文献均致力于确保星载计算机时间与导航接收机时间保持同步。星载计算机通常主备份冗余设计，主备份产品状态一致。利用星载计算机主备冗余的设计，以及基于导航接收机秒脉冲信号的高精度时间校准方法，在确保星载计算机主机时间与导航接收机时间实时同步校准的情况下，利用备机进行时钟漂移测量，获取一段时间内的时钟变化特性，可以精确定量计算出时钟漂移情况，本发明方法可用于在轨实时监视时钟系统的性能，以及指导均匀校时注数参数选择。
本发明的目的还提供一种星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，本发明的星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，提高在轨时钟变化的测量精度，实时掌握时钟系统变化，指导星地时间同步设计。
由星载计算机、导航接收机、155B总线和RS422接口组成，星载计算机采用主备机冗余备份方式；星载计算机主机和备机，以及导航接收机均通过1553B总线进行信息交互；在轨正常运行时星载计算机主机为有权机，在1553B网络中为总线控制器；星载计算机备机为无权机，与导航接收机均为1553B网络中的远程终端；导航接收机以远程终端广播形式对外输出整秒时间T秒；导航接收机通过RS422接口输出秒脉冲信号，星载计算机主机和备机同时接收秒脉冲信号；导航接收机总线广播整秒时间T秒与秒脉冲信号上升沿或下降沿对齐；星载计算机接收到导航秒脉冲信号后，用脉冲上升沿或下降沿锁存星载计算机本地时间T本，并将本地时间与导航广播整秒时间进行对比，其差值ΔT校＝T本-T秒即为星载计算机与导航接收的时间差，星载计算机扣除差值后实现导航秒脉冲信号授时和校时。如图1所示。
导航秒脉冲自主校时方式为“持续性”校时方式，校时间隔由导航秒脉冲信号周期确定，在收到停止自主校时注数后方退出校时模式。
导航秒脉冲自主授时方式为“持续性”授时方式，授时间隔由地面注数确定，在收到停止自主授时注数后方退出授时模式。自主授时间隔ΔT可通过地面注数修改。
基于上述导航秒脉冲信号授时和校时方法，在确保星载计算机主机与导航接收机时间同步的情况下，可以精确测量星载计算机备机的时钟漂移，如图2所示，星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，步骤如下：
(1)地面遥控注数设置星载计算机主机为导航秒脉冲自主校时方式，即导航秒脉冲信号锁存的星载计算机主机本地时间与导航广播时间的时间差若小于设置的阈值，则认为导航广播时间有效，用时间差校正星载计算机主机本地时间，直到与导航广播时间的时间差为0，否则，则认为导航广播时间无效；
(2)地面遥控注数同时设置星载计算机主机和备机为导航秒脉冲自主授时方式，自主授时间隔为ΔT，星载计算机直接采用秒脉冲信号锁存的本地时间与导航广播时间的时间差校准本地时间，使星载计算机主机和备机与导航接收时间同步，并记下导航广播时间T1；
(3)星载计算机主机处于秒脉冲自主校时状态，保持与导航接收机的时间同步，星载计算机备机处于本地时钟计时状态，直到接收到导航广播时间T2，使T2-T1＝ΔT时，再进行一次导航秒脉冲自主授时，同时记下备机秒脉冲信号锁存的本地时间与广播时间的时间差ΔT2，1，即为星载计算机备机在时间区间T1～T2内的时钟漂移；
(4)重复上述第3步，持续获得单位时间间隔ΔT的备机时钟漂移量ΔTj，i，j＝i+1，即第j次与第i次导航秒脉冲自主授时间的漂移；
(5)星载计算机备机在轨时钟漂移为N为测量次数。
上述步骤是星载计算机主机为有权机时，测量备机的时钟漂移，可以地面遥控切换星载计算机权状态，使备机有权，主机无权，按照上述所述步骤测量星载计算机主机的时钟漂移。
均匀校时主要根据地面上注的定时修正参数，包括校时时间间隔(最小分辨率为T均)、时间修正值(最小分辨率为t修)，按照时间间隔周期性修改星上当前时间。均匀校时是导航接收机秒脉冲校时失效后的一种保证星地时间同步的方法。传统的均匀校时，通常根据事先测得的星地时延和遥测下传的当前星上时间，估算均匀校时修正参数并上注，根据星上时间修正结果再次修改均匀校时修正参数，以尽可能确保星地时间同步。本方法提供了时钟在轨漂移的精确测量结果，通过单位时间内的时间漂移ΔT备，可以计算出均匀校时时间间隔内的时间修正值ΔT备×T均，则每隔T均时间拨快或拨慢时钟刻度为乘以某个系数M使k×M变为整数后，即精确生成均匀校时注数参数，即每隔M个均匀校时时间间隔拨快或拨慢k×M个时间修正值。
基于高稳晶振源的星载计算机时钟系统在轨长期工作时，容易受器件老化、空间环境、温度交变等多种因素影响，导致时钟系统频率精度和稳定度都产生变化。
综上所述，本方法通过测量单位时间间隔时钟漂移量，进而可以获得时钟漂移变化率，通过分析变化率，可以得到时钟系统长期变化趋势，并用于星载计算机健康诊断；本发明星载计算机在轨时钟漂移精确测量系统及测量方法便于实时掌握时钟系统变化趋势，同时通过积累数据，指导星载时间系统设计。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种星载计算机在轨时钟漂移精确测量系统，其特征在于，包括星载计算机、导航接收机、1553B总线和RS422接口，星载计算机采用主备机冗余备份方式；星载计算机主机和备机，以及导航接收机均通过1553B总线进行信息交互；在轨正常运行时星载计算机主机为有权机，在1553B网络中为总线控制器；星载计算机备机为无权机，与导航接收机均为1553B网络中的远程终端；导航接收机以远程终端广播形式对外输出整秒时间；导航接收机通过RS422接口输出导航秒脉冲信号，星载计算机主机和备机同时接收导航秒脉冲信号；导航接收机总线广播整秒时间与秒脉冲信号上升沿或下降沿对齐；星载计算机接收到导航秒脉冲信号后，用秒脉冲信号上升沿或下降沿锁存星载计算机本地时间，并将本地时间与导航广播整秒时间进行对比，其差值即为星载计算机与导航接收机接收的时间差，星载计算机扣除差值后实现导航秒脉冲信号授时和校时。
2.一种星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)地面遥控注数设置星载计算机主机为导航秒脉冲自主校时方式，即导航秒脉冲信号锁存的星载计算机主机本地时间与导航广播时间的时间差若小于设置的阈值，则认为导航广播时间有效，用时间差校正星载计算机主机本地时间，直到与导航广播时间的时间差为0，否则则认为导航广播时间无效；
(2)地面遥控注数同时设置星载计算机主机和备机为导航秒脉冲自主授时方式，自主授时间隔为ΔT，星载计算机直接采用秒脉冲信号锁存的本地时间与导航广播时间的时间差校准本地时间，使星载计算机主机和备机与导航接收时间同步，并记下导航广播时间T1；
(3)星载计算机主机处于秒脉冲自主校时状态，保持与导航接收机的时间同步，星载计算机备机处于本地时钟计时状态，直到接收到导航广播时间T2，使T2-T1＝ΔT时，再进行一次导航秒脉冲自主授时，同时记下备机秒脉冲信号锁存的本地时间与广播时间的时间差ΔT2，1，即为星载计算机备机在时间区间T1～T2内的时钟漂移；
(4)重复步骤(3)，持续获得单位时间间隔ΔT的备机时钟漂移量ΔTj，i，j＝i+1，即第j次与第i次导航秒脉冲自主授时间的漂移；
(5)星载计算机备机在轨时钟漂移为N为测量次数，ΔT为自主授时间隔。
3.如权利要求2所述的星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，其特征是，步骤(1)中所述导航秒脉冲自主校时方式为“持续性”校时方式，校时间隔由导航秒脉冲信号周期确定，在收到停止自主校时注数后方退出校时模式。
4.如权利要求2所述的星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，其特征是，步骤(2)中所述导航秒脉冲自主授时方式为“持续性”授时方式，授时间隔由地面注数确定，在收到停止自主授时注数后方退出授时模式。
5.如权利要求2所述的星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，其特征是，步骤(2)中所述自主授时间隔ΔT通过地面注数修改。
6.如权利要求2所述的星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，其特征是，步骤(2)中自主授时间隔ΔT可通过地面注数修改，以获取不同时间采样点下的时间精度测量值。
7.如权利要求2所述的星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，其特征是，该方法适用于备机无权，主机有权状态，或备机有权，主机无权状态下测量星载计算机主机的时钟漂移，星载计算机权状态通过地面遥控切换。
8.如权利要求2所述的星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，其特征是，利用时钟漂移测量结果进行在轨均匀校时的依据，假设均匀校时时间间隔的最小分辨率为T均，时间修正值最小分辨率为t修，则每隔T均时间拨快或拨慢时钟刻度为
9.如权利要求8所述的星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，其特征是，每隔T均时间拨快或拨慢时钟刻度k乘以系数M使k×M变为整数后，即精确生成均匀校时注数参数，即每隔M个均匀校时时间间隔拨快或拨慢k×M个时间修正值。
10.如权利要求2所述的星载计算机在轨时钟漂移精确测量方法，其特征是，通过时钟漂移测量结果进行星载计算机时钟系统变化趋势分析和健康诊断。
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