CN112255645B - 用于航天器快速交会对接的地面测试时间系统建立方法 - Google Patents

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Abstract

用于航天器快速交会对接的地面测试时间系统建立方法，将时间系统基准建立在地面动力学仿真计算机上，并可以利用GPS接收机给出的秒脉冲和秒脉冲对应的整秒UTC时间对星上控制计算机时间进行校正。本发明既可以用于测试星上控制计算机时钟漂移对控制系统性能的影响，又可以通过利用GPS秒脉冲校时的方法实现星地时间同步。本发明解决了现有校时策略中当星上时间发生改变时，亦会对动力学时间产生影响的问题，且无需星地之间的校时串口，可以更为真实的反映出星上时间系统的在轨状态，保证了地面测试的真实性和有效性，提高了地面测试系统的精确程度。

Description

用于航天器快速交会对接的地面测试时间系统建立方法
技术领域
本发明涉及一种用于航天器地面测试时间系统建立方法，特别适用于航天器快速交会对接等对时间系统精度要求较高的测试场合，属于航天器控制与仿真技术领域。
背景技术
为了在地面测试阶段更充分、更有效的验证控制系统方案设计的正确性，通常需要对航天器进行地面“闭环模飞试验”。而为使“闭环模飞试验”的数据能够真实的反映出航天器的在轨性能，要求测试时航天器地面仿真测试状态与实际在轨状态保持一致。在如快速交会对接等自主控制场合中，控制分系统对飞行轨道特征点处的导航精度要求较为严格，因此地面测试时需对特征点导航精度重点关注，由此便对地面测试的时间系统与在轨运行时的状态一致性提出了较高的要求。
目前航天器控制系统地面闭环测试的时间系统通常采用两种方法：1)天地硬钟同步法：使用星上控制计算机(GNCC或AOCC)下行的时钟信号作为地面动力学仿真时钟，利用星箭分离等信号作为同步触发信号，启动仿真。该方法将时间基准建立在星上控制计算机上，由于动力学仿真时钟与星上控制计算机时钟为同源信号，因此可以严格保证地面测试时的星地时间同步；2)将时间基准建立在GPS模拟源(GPS动态仿真器)上，利用GPS接收机定位后输出的GPS秒脉冲信号以及对应的整秒广播数据，对星上控制计算机进行校时；之后，星上控制计算机通过星地串口转发整秒时间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时间数据对自身时间进行校正。上述两种方法虽然都可以满足星地时间同步的要求，但建立的时间系统与在轨运行状态相比仍然具有以下差别，从而降低了地面测试系统的精确程度：
1)方法一的时间系统基准建立在星上控制计算机时间上，但在轨运行时的物理时间系统基准与UTC时间同步，而非星上控制计算机。由于地面仿真测试时，动力学仿真计算机担负着物理时间系统仿真功能，动力学仿真时间即为仿真测试时的物理时间，因此时间系统基准应建立在动力学仿真计算机上。
2)方法二中，通过星上控制计算机下行串口对动力学仿真计算机进行校时，时间系统基准也不在动力学仿真计算机上，一旦星上控制计算机的时间发生变化，则会改变物理动力学特征，导致地面仿真状态与在轨运行状态不一致。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于航天器快速交会对接的地面测试时间系统建立方法，将时间系统建立在动力学仿真计算机上，可以保证时间系统的测试状态与在轨运行状态一致，保证了地面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：用于航天器快速交会对接的地面测试时间系统建立方法，步骤如下：
(1)搭建包括GPS动态仿真模拟器、时钟板卡、动力学仿真计算机、GPS接收机和星上控制计算机的地面闭环测试时间系统；
(2)根据GPS动态仿真模拟器时钟源需求，利用时钟板卡输出同源、不同频率的时钟信号，分别作为动力学仿真计算机和GPS动态仿真模拟器的仿真时钟基准；
(3)在动力学仿真计算机上设置地面动力学仿真程序的测试轨道参数及时间，在地面GPS动态仿真模拟器上设置仿真开始时刻；
(4)同时触发星上控制计算机和地面动力学仿真计算机，星上控制计算机被触发后星时清零，地面动力学仿真计算机被触发后开始运行动力学仿真计算，并利用动力学计算结果激励GPS动态仿真模拟器；
(5)GPS动态仿真模拟器接收到激励数据后，向星上GPS接收机输出导航卫星信号；
(6)星上GPS接收机根据接收的导航卫星信号进行定位，正常定位后向星上控制计算机输出GPS秒脉冲信号、秒脉冲对应的整秒UTC时间和GPS定位数据，从而将地面测试时间系统的基准建立在动力学仿真计算机上，完成地面测试时间系统的建立。
在地面测试时间系统建立完成后，为使星上时间与地面测试时间系统同步，则需采用连续校时方式实现，步骤如下：
(2.1)向星上控制计算机发送GPS时间信息校时指令；
(2.2)星上控制计算机以GPS接收机输出的GPS秒脉冲信号、秒脉冲对应的整秒UTC时间为基准对自身星时TS进行校正；
(2.3)重复(2.2)。
步骤(2.2)中的实现方法如下：
(3.1)利用公式△t＝T-(UTC0+T1)计算星时偏差△t，其中T为GPS接收机输出的秒脉冲信号对应的整秒UTC时间，UTC0为星箭分离时刻的UTC时间，T1为该GPS秒脉冲信号到达时锁存的星上控制计算机运行时间；
(3.2)星上控制计算机利用公式TS＝TS+△t对自身星时TS进行校正。
所述步骤(4)中利用星箭分离开关同时触发星上控制计算机和地面动力学仿真计算机。
所述步骤(3)中，设置地面动力学仿真程序的时间时，要求设置的动力学仿真开始时刻与GPS动态仿真模拟器仿真开始时刻的UTC时间一致。
所述步骤(2)中，时钟板卡输出时钟信号的稳定度高于星上控制计算机时钟。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明将地面测试的时间系统基准建立在动力学仿真计算机上，星上控制计算机的时间发生变化对地面测试时间系统没有影响，可以更为真实的反映出星上时间系统的在轨状态，保证了地面测试的真实性和有效性，提高了地面测试系统的精确程度。
(2)本发明不存在星地之间的校时串口，因此无需对现有的星上产品做任何改动，方法实用易行。
(3)在星上未采用连续校时手段时，利用本发明方法可较为真实的反映出星上时间的漂移，从而对星上时钟的漂移，及该漂移对控制系统的影响进行测试。
附图说明
图1本发明航天器地面闭环测试结构示意图；
图2本发明的工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明地面闭环测试结构示意图。地面闭环测试的时间系统主要由高精度时钟源(时钟板卡)、动力学仿真计算机、GPS动态仿真模拟器、GPS接收机和星上控制计算机组成。地面闭环测试的时间系统与执行机构模拟器、敏感器模拟器、敏感器、执行机构构成地面闭环测试系统。
其中高精度时钟源可生成仿真时钟信号供GPS动态仿真模拟器和动力学仿真计算机使用。
GPS接收机可接收GPS动态仿真模拟器产生的导航卫星信号，解算出GPS秒脉冲、定位数据及UTC时间，并输出给星上控制计算机。
利用星箭分离开关同时触发星上控制计算机和地面动力学仿真计算机。动力学仿真计算机和星上控制计算机均可接收到星箭分离开关信号。
本发明地面闭环测试时间系统建立方法如图2所示，具体内容如下：
(1)在所建立的地面闭环测试时间系统基础上，动力学仿真计算机和GPS动态仿真模拟器均利用高精度时钟板卡输出的时钟(同源)作为基准时钟信号。高精度时钟板卡向动力学仿真计算机和GPS动态仿真模拟器输出的时钟频率不同。要求该高精度时钟板卡输出时钟的稳定度应高于星上控制计算机时钟。
(2)设置地面动力学仿真程序的测试轨道参数及时间，设置地面GPS动态仿真模拟器仿真开始时刻等初始参数。要求设置的动力学仿真开始时刻与GPS动态仿真模拟器仿真开始时刻的UTC时间一致。
(3)利用星箭分离开关同时触发星上控制计算机和地面动力学仿真计算机，星上控制计算机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开始运行动力学仿真计算，并利用动力学计算结果激励GPS动态仿真模拟器。
(4)GPS动态仿真模拟器接收到激励数据后，开始进行卫星信号仿真，将导航卫星信号发送给星上GPS接收机。
(5)星上GPS接收机根据接收的导航卫星信号数据进行定位，正常定位后开始输出导航信息，包括GPS秒脉冲信号、秒脉冲对应的整秒UTC时间和位置信息，输出给星上控制计算机。
至此，将地面测试的时间系统基准建立在动力学仿真计算机上，可以对星上时钟的漂移，以及该漂移对控制系统的影响进行测试。
为使星上时间与物理时间(地面测试时为动力学仿真时间)同步，需要进行连续校时，步骤如下：
(6)通过地面注入指令，允许星上控制计算机利用GPS秒脉冲信号及整秒UTC时间进行校时；
(7)星上控制计算机利用GPS接收机输出的整秒UTC时间和秒脉冲信号为基准对自身星时TS进行校正。具体校时方法为：记星箭分离时刻UTC时为UTC0，GPS接收机输出的秒脉冲信号所对应的UTC时间为T(来自GPS接收机的数据)，该秒脉冲到达时锁存的星上控制计算机运行时间(星时)为T1，则校时后需满足的时间特性为UTC0+T1值等于T，记△
t＝T-(UTC0+T1)，则对星时可采用TS＝TS+△t的方式校正。通过该校正可保证星时与GPS动态仿真模拟器时间同步，由于GPS动态仿真模拟器与动力学仿真计算机时钟同源，GPS动态仿真模拟器又是由动力学仿真计算机激励的，所以两者时间同步，因此可保证星上时与动力学仿真计算机时间同步。
(8)重复步骤(7)。
对于整个地面闭环测试系统而言，步骤(3)中动力学计算结果同时用于激励敏感器模拟器和执行机构模拟器，敏感器模拟器和执行机构模拟器在激励数据的作用下，生成激励信号输出给敏感器和执行机构，用于闭环控制。
本发明所述的时间系统建立方法将时间基准建立在动力学仿真计算机上，使得时间系统状态与在轨运行时保持一致。且依照通常设计，配备有GPS接收机的航天器，星上控制计算机均可接收到GPS秒脉冲及秒脉冲对应的UTC时间，因此本发明所述的时间系统建立方法无需对现有的星上产品进行任何硬件修改。
本发明不限于使用GPS动态仿真模拟器和GPS接收机产生秒脉冲信号，也可利用其它与卫星导航相应的接收机和仿真模拟器实现。
本发明如果不采用连续校时方式，则可以对星上时钟的漂移，及该漂移对控制系统的影响进行测试。采用连续校时方式，可以实现星地时间同步。
本发明解决了现有校时策略中当星上时间发生改变时，亦会对动力学时间产生影响的问题，且无需星地之间的校时串口，可以更为真实的反映出星上时间系统的在轨状态，保证了地面测试的真实性和有效性，提高了地面测试系统的精确程度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.用于航天器快速交会对接的地面测试时间系统建立方法，其特征在于步骤如下：
(1)搭建包括GPS动态仿真模拟器、时钟板卡、动力学仿真计算机、GPS接收机和星上控制计算机的地面闭环测试时间系统；
(2)根据GPS动态仿真模拟器时钟源需求，利用时钟板卡输出同源、不同频率的时钟信号，分别作为动力学仿真计算机和GPS动态仿真模拟器的仿真时钟基准；
(3)在动力学仿真计算机上设置地面动力学仿真程序的测试轨道参数及时间，在地面GPS动态仿真模拟器上设置仿真开始时刻；
(4)同时触发星上控制计算机和地面动力学仿真计算机，星上控制计算机被触发后星时清零，地面动力学仿真计算机被触发后开始运行动力学仿真计算，并利用动力学计算结果激励GPS动态仿真模拟器；
(5)GPS动态仿真模拟器接收到激励数据后，向星上GPS接收机输出导航卫星信号；
(6)星上GPS接收机根据接收的导航卫星信号进行定位，正常定位后向星上控制计算机输出GPS秒脉冲信号、秒脉冲对应的整秒UTC时间和GPS定位数据，从而将地面测试时间系统的基准建立在动力学仿真计算机上，完成地面测试时间系统的建立。
2.根据权利要求1所述的用于航天器快速交会对接的地面测试时间系统建立方法，其特征在于，在地面测试时间系统建立完成后，为使星上时间与地面测试时间系统同步，则需采用连续校时方式实现，步骤如下：
(2.1)向星上控制计算机发送GPS时间信息校时指令；
(2.2)星上控制计算机以GPS接收机输出的GPS秒脉冲信号、秒脉冲对应的整秒UTC时间为基准对自身星时TS进行校正；
(2.3)重复(2.2)。
3.根据权利要求2所述的用于航天器快速交会对接的地面测试时间系统建立方法，其特征在于，步骤(2.2)中的实现方法如下：
(3.1)利用公式△t＝T-(UTC0+T1)计算星时偏差△t，其中T为GPS接收机输出的秒脉冲信号对应的整秒UTC时间，UTC0为星箭分离时刻的UTC时间，T1为该GPS秒脉冲信号到达时锁存的星上控制计算机运行时间；
(3.2)星上控制计算机利用公式TS＝TS+△t对自身星时TS进行校正。
4.根据权利要求1所述的用于航天器快速交会对接的地面测试时间系统建立方法，其特征在于，所述步骤(4)中利用星箭分离开关同时触发星上控制计算机和地面动力学仿真计算机。
5.根据权利要求1所述的用于航天器快速交会对接的地面测试时间系统建立方法，其特征在于，所述步骤(3)中，设置地面动力学仿真程序的时间时，要求设置的动力学仿真开始时刻与GPS动态仿真模拟器仿真开始时刻的UTC时间一致。
6.根据权利要求1所述的用于航天器快速交会对接的地面测试时间系统建立方法，其特征在于，所述步骤(2)中，时钟板卡输出时钟信号的稳定度高于星上控制计算机时钟。
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