CN112698360A - 一种提高导航卫星平台时间精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星导航技术领域，提出一种提高导航卫星平台时间精度的方法，包括：由导航任务处理机产生包含载荷时间信息的1PPS信号；由星载计算机使用导航任务处理机产生的1PPS信号实时校正平台时间；由星载计算机以导航任务处理机产生的1PPS信号为基准统计127秒时间内平台时间与载荷时间的总误差Δt_总；以及由星载计算机使用Δt_总标定和校正平台时间。至少部分解决了现有技术中导航卫星平台时间精度不高，无法达到载荷时间系统中时频系统恢复所允许的时间误差范围的问题，可以维持导航卫星平台时间的高精度，在载荷时间系统故障时反向授时，保持导航卫星的时间系统的稳定性和准确度。

Description

一种提高导航卫星平台时间精度的方法

技术领域

本发明总的来说涉及卫星导航技术领域，具体而言涉及一种提高导航卫星平台时间精度的方法。

背景技术

卫星导航系统基于卫星的时间和位置信息实现精密授时、测距并提供导航定位服务。新一代北斗导航系统实现了基于星间链路的自主定轨与时间同步功能的自主运行。但长时间的自主运行要求导航卫星能够保持时间系统的高稳定性和高准确度，导航卫星运行期间一旦发生时频系统异常，卫星将无法自主获得时间信息，导致服务中断。

导航卫星的时间系统包括载荷时间系统和平台时间系统。载荷时间系统以卫星时频系统为基准，以星载原子钟为时间源，产生载荷时间；平台时间系统以星载计算机中的实时时钟单元晶振为时间源，产生平台时间。导航卫星的时间系统如图1所示。

导航卫星的时间系统的建立和维持除了时间源还包括时间起点、时间间隔以及时间信息。导航卫星以导航任务处理机自主维持的北斗时作为载荷时间起点，时间间隔为1秒(1PPS、1Pulse Per Second)。导航卫星以载荷时间作为卫星时间，卫星时间是实现导航服务的基础。

一般情况下，载荷时间与地面运控系统时间的星地时间同步是通过发送指令和上注钟差参数来实现的。平台时间与地面测控系统的星地时间同步是通过地面测控系统上注实现。在导航卫星获得初始时间后，时频系统产生时间基准，导航任务处理机以此为时间基准来产生1PPS，导航卫星载荷单机均以此为时间基准来进行校正。平台时间系统以星载计算机实时时钟单元实现自主守时。

在时频系统故障时，可以由星载计算机利用平台时间对时频系统进行授时，载荷时间系统获得时间基准后，利用星间链路进行卫星时间恢复。但现有技术中通常利用钟差调整压控晶振电压以调节时钟频率，存在导航卫星平台时间精度不高，无法达到载荷时间系统中时频系统恢复所允许的时间误差范围的问题。

发明内容

针对现有技术中导航卫星平台时间精度不高，无法达到载荷时间系统中时频系统恢复所允许的时间误差范围的问题，本发明提出一种提高导航卫星平台时间精度的方法，采用了软硬件相结合的方法对平台时间误差进行调整校正，以至少部分解决上述问题。

具体而言，本发明提出了一种提高导航卫星平台时间精度的方法，导航卫星的时间系统包括载荷时间系统和平台时间系统，载荷时间系统包括时频系统和导航任务处理机，平台时间系统包括星载计算机和平台单机，星载计算机中包括恒温晶振、时钟芯片、FPGA计数器和处理器，由时频系统中的原子钟产生载荷时间，由恒温晶振产生平台时间，由导航任务处理机产生在载荷时间系统和平台时间系统之间传输时间信息的1PPS信号，该方法包括下列步骤：

由导航任务处理机产生包含载荷时间信息的1PPS信号；

由星载计算机使用导航任务处理机产生的1PPS信号实时校正平台时间；

由星载计算机以导航任务处理机产生的1PPS信号为基准统计127秒时间内平台时间与载荷时间的总误差Δt_总；以及

由星载计算机使用Δt_总标定和校正平台时间。

由星载计算机使用导航任务处理机产生的1PPS信号实时校正平台时间包括下列步骤：

由星载计算机使用授时指令保持平台时间与导航任务处理机产生的1PPS信号时间在整数秒级一致；以及

由星载计算机将平台时间信号在每一秒与导航任务处理机产生的1PPS信号的上升沿对齐，舍弃误差Δt。

由星载计算机以导航任务处理机产生的1PPS信号为基准统计127秒时间内平台时间与载荷时间的总误差Δt_总包括下列步骤：

由时钟芯片产生包含平台时间信息的10MHz时钟信号；

由FPGA计数器以导航任务处理机产生的1PPS信号为基准，统计127秒时间内10MHz时钟信号晶振脉冲的个数；

由FPGA计数器将统计的127秒时间内10MHz时钟信号晶振脉冲的个数结果输出给处理器；以及

由星载计算机根据127秒时间内10MHz时钟信号晶振脉冲的个数计算127秒时间内平台时间与载荷时间的总误差Δt_总。

在处理器接口增加寄存器，寄存器包括计数使能寄存器、赋初值寄存器、计数寄存器和统计次数寄存器；和

当导航任务处理机产生的1PPS信号为正脉冲时，由星载计算机向寄存器写入‘0’，将内部信号初值配置为低电平；以及

当导航任务处理机产生的1PPS信号为负脉冲时，由星载计算机向配置寄存器写入‘1’，将内部信号初值配置为低电平。

由星载计算机使用Δt_总标定和校正平台时间包括下列步骤：

由星载计算机计算第1秒平台时间需要标定和校正的误差值Δt₁，表示为下式：

Δt₁＝(1×Δt_总)/127；

由星载计算机计算第1秒平台时间实际标定和校正的误差值Δt″₁，表示为下式：

Δt″₁＝[Δt₁+0.2]us，

其中[.]us表示取整，0.2us表示计算机操作需要消耗的时间；

由星载计算机计算前2秒平台时间需要标定和校正的总误差值Δt₂，表示为下式：

Δt₂＝(2×Δt_总)/127；

由星载计算机计算第2秒平台时间实际标定和校正的误差值Δt″₂，表示为下式：

Δt″₁＝[Δt₂-Δt″₁+0.2]us；

由星载计算机计算前n秒平台时间需要标定和校正的总误差值Δt_n，表示为下式：

Δt_n＝(n×Δt_总)/127；

由星载计算机计算第n秒平台时间实际标定和校正的误差值Δt″_n，表示为下式：

Δt″_n＝[Δt_n-Δt″_n-1+0.2]us；以及

由星载计算机按照上述步骤逐秒标定和校正平台时间至第127秒，将剩余的误差值(Δt_总-Δt″₁₂₇)累积到下一个127秒1PPS总误差中标定和校正。

导航卫星的时间系统，包括：

载荷时间系统，包括：

时频系统，其被配置为由其原子钟产生载荷时间；以及

导航任务处理机，其被配置为产生包含载荷时间信息的1PPS信号；

平台时间系统，包括：

星载计算机和平台单机，其中星载计算机包括恒温晶振、时钟芯片、FPGA计数器和处理器，其中由恒温晶振产生平台时间，所述星载计算机被配置为执行下列动作：

使用导航任务处理机产生的1PPS信号实时校正平台时间；

以导航任务处理机产生的1PPS信号为基准统计127秒时间内平台时间与载荷时间的总误差Δt_总；以及

使用Δt_总标定和校正平台时间。

导航卫星时间系统的星载计算机被配置为产生包含平台时间信息的1PPS信号，当星载计算机连续3秒采集不到导航任务处理机产生的1PPS信号时，由星载计算机将标定和校正过的平台时间通过星载计算机产生的1PPS信号输出给导航任务处理机。

本发明提出了一种提高导航卫星平台时间精度的方法，至少具有如下有益效果：至少部分解决了现有技术中导航卫星平台时间精度不高，无法达到载荷时间系统中时频系统恢复所允许的时间误差范围的问题，可以维持导航卫星平台时间的高精度，在载荷时间系统故障时反向授时，保持导航卫星的时间系统的稳定性和准确度。

附图说明

图1示出了本发明一个实施例中的导航卫星的时间系统。

图2示出了本发明一个实施例中导航卫星的时间系统的平台时间校正的硬件设计。

图3示出了本发明一个实施例中星载计算机实时校正平台时间的过程。

图4示出了本发明一个实施例中FPGA计数器的计数流程。

图5示出了本发明一个实施例中星载计算机标定和校正平台时间的流程。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明：

图1示出了导航卫星的时间系统。

星载计算机的实时时钟单元采用恒温晶振(OCXO)。晶振的实际震荡频率与标称频率发生偏移(频率漂移)的程度称为准确度。由晶振频率漂移引起的频率误差在采样间隔内的一次积分形成时钟偏置误差。准确度引起的偏差会给测量系统引入累积误差。晶振频率稳定度是指由晶振相位噪声引起的频率随机变化，会给测量系统引入随机误差。星载计算机的恒温晶振性能指标如下表所示：

星载计算机晶振频率与载荷原子钟系统时标准频率的不严格同步是产生平台时间与载荷时间时钟误差的根本原因。恒温晶振频率准确度为5×10^-6(5ppm)，频率稳定度达到3×10^-8。星载氢原子钟准确度为5×10^-12，稳定度为7×10^-15量级。导航任务处理机产生的1PPS信号准确度可达8×10^-9量级，稳定度为10^-11量级。由于晶振准确度远低于原子钟，时钟晶振无法直接作为载荷时间的备用时间基准。可以利用载荷时频系统1PPS时间信号对平台时间进行标定，用软件对钟差进行校正，提高星载计算机时间的精度，达到载荷时间系统可用的程度。

载荷时间系统产生1PPS信号，作为时间基准输入到星载计算机，星载计算机利用1PPS信号进行平台时间校准。载荷时间系统故障时，星载计算机利用产生的平台时间1PPS信号输出给载荷系统进行反向授时。平台时间校准设计如图2所示。

晶振频率信号经时钟芯片输出10MHz时钟信号。导航任务处理机1PPS信号输出到星载计算机。星载计算机利用该1PPS信号实时校正平台时钟。载荷1PPS信号实时校正平台时钟如图3所示。

导航任务处理机1PPS信号采用RS-422差分电平，周期为1秒，正脉冲形式，脉冲宽度大于20微秒。利用授时指令等操作使平台时间与卫星时间在整数秒级一致。开启PPS校时指令后，星载计算机时钟信号每秒与1PPS信号上升沿对齐，误差部分(Δt)舍弃。实际上，1PPS校正的是平台10MHz时钟的脉冲个数。例如，某个1PPS时间内对应的10MHz脉冲数是9999900，那么剩余的100个直接舍弃，重新开始计时。

以1PPS信号为时间基准，利用星载计算机内设置的FPGA计数器，统计一段时间内的时钟芯片输出的10MHz脉冲上升沿个数，统计晶振时钟的误差，用于计算生成平台1PPS信号的参数。

10MHz时钟最小时间间隔为100ns，每进行一次计数操作，引入的系统误差范围为-100到100ns，而且不可控。由于FPGA硬件接口限制，星载计算机只能进行微秒级的校时动作，星载计算机每一次动作都要消耗时间，引入了随机误差。如果利用载荷1PPS每秒校正平台时钟得到钟差Δt，用Δt作为参数生成下一秒的平台1PPS信号，则无法消除或者减小上述误差。通过选取一段较长时间统计载荷时间与平台时间的钟差的方法，可以把由时钟最小间隔带来误差平摊到更长时间，也可以减小由计算机校时操作引起的外部随机误差。导航任务处理机的1PPS信号相对于绝对时间的误差服从正态分布，选择一段时间内的1PPS信号作为基准亦可减小随机误差。综合考虑FPGA的资源开销、随时间增长而减小误差的边际递减效应，以及晶振温度稳定度和老化率等因素，选取127秒作为统计时长。

星载计算机以载荷1PPS信号为时间基准，统计127秒时间内平台时钟的误差，作为校正的参数生成高精度的平台1PPS信号，在卫星时频系统故障时对其进行反向授时，维持卫星时间的稳定和准确度。具体操作方法是FPGA计数器以1PPS校时信号为基准，统计127个1PPS时间单元内10MHz时钟晶振脉冲的个数，并将此结果输出给处理器，作为软件计算自主校时的参数。在处理器模块接口中增加4个寄存器，分别为计数使能寄存器、赋初值寄存器、计数寄存器、统计次数寄存器。FPGA计数器计数功能流程图如图4所示。

如果1PPS校时信号为正脉冲，向配置寄存器写‘0’，将内部信号初值配置为低电平；如果1PPS校时信号为负脉冲，则向配置寄存器写‘1’，将内部信号初值配置为低电平。如果要停止统计脉冲个数，则只需向控制寄存器中写‘0’，即可停止计数，并将所有计数器清零。

平台时钟的准确度可以保证其与1PPS时钟信号的误差值始终在同方向，则统计的总钟差不会相互抵消，可以真实反映误差情况。统计T₁秒至T₁₂₇秒共127秒的平台时间总误差Δt_总。实际操作中是以统计的10MHz平台时钟脉冲数与标称频率的误差计算钟差。误差值包括了频率准确度误差、稳定度误差、计数引起的系统误差。其中稳定度误差基本呈现正态分布，统计较长一段时间可以有效减小随机误差。

开启自主校时指令后，按照上述方式每127秒统计一次误差值。把最近一次采集的误差值存储。当卫星时频系统故障时，星载计算机连续3秒采集不到导航任务处理机1PPS信号即把平台1PPS信号输出给导航任务处理机。

输出给载荷的平台1PPS需经过误差校正，需要注意：误差不能丢弃，需要完整的校正到输出的1PPS中；由于FPGA硬件接口限制，星载计算机只能进行微秒级别的校正，故需要对每次校正的时间误差参数进行调整；计算机每次进行校时动作需要消耗200ns时间，故每次校时需要将该时间开销计入时钟误差内。具体的校正策略为：把最新的总时间误差尽量完整的分摊到需要校正的127个平台1PPS上，剩余的误差累积到下一个127秒总误差中；每秒需要校正的时间参数为实际误差最靠近的微秒级整数。详细的校正步骤如下：

以载荷1PPS信号为时间基准，统计每127个1PPS信号时间内平台10MHz时钟晶振脉冲个数，依此计算平台时间与载荷时间的总误差Δt_总；

需要校正时，星载计算机利用存储的最新误差值Δt_总计算平台127个1PPS每秒需要校正的时间参数；

计算第1秒应调整的误差值Δt₁＝(1×Δt_总)/127，则取实际调整的参数Δt″₁＝[Δt₁+0.2]us，即取[Δt₁+0.2]的整数部分，其中0.2us为计算机操作需要消耗的时间。当Δt″₁为0时即不调整。前2秒应调整的总误差值Δt₂＝(2×Δt_总)/127，则取实际调整的参数Δt″₂＝[Δt₂-Δt″₁+0.2]us，即前2秒总的应调整的总误差值Δt₂减去第1秒已经调整的Δt″₁，再加上计算机操作时间0.2us，取其整数部分即为第2秒需要校正的误差值；

前n秒应调整的总误差值Δt_n＝(n×Δt_总)/127，则第n秒实际调整的参数Δt″_n＝[Δt_n-Δt″_n-1+0.2]us，即前n秒总的应调整的误差值Δt_n减去前n-1秒已经调整的Δt″_n-1，再加上计算机操作时间0.2us，取其整数部分即为第n秒需要校正的误差值；

逐秒调整平台1PPS至第127个，若还有剩余的的时间误差(Δt_总-Δt″₁₂₇)未调整，则累积到下一个127秒1PPS总误差中继续调整。

上述步骤中每次都要计算前n秒应调整的总误差值Δt_n＝(n×Δt_总)/127，并且不使用平均值计算的目的是为了计算中不丢失误差值，即可以把误差完整的调整到校时参数中，剩余误差累积到下一个周期中同样是为了不丢失误差。标定和校正平台时间的流程如图5所示。

进行地面试验使用氢原子钟作为时间频率基准源，使用其输出1PPS，其精度可达8×10^-9量级，与导航任务处理机一致。与星载计算机10MHz时钟晶振信号进行比对，统计一段时间后两者产生的偏差，能够计算出星载计算机每秒钟的时钟误差值。在星载计算机开启自主校时后再次进行比对试验，统计一段时间的时钟误差值，计算每秒的时钟误差值。

试验分别在低温(-25℃)、高温(60℃)、常温(25℃)条件下进行。利用频率计(SR620)记录星载计算机晶振时钟与原子钟的钟差，一段时间后再次记录结束时的钟差，计算出每秒平均钟差。未进行自主标定和纠正的试验数据如下表所示：

可以看出，未进行时钟校正平台时间误差的钟差在395到655ns/s。标定和校正后的试验数据如下表所示：

经过自主标定和校正后的时钟钟差范围在0.397到0.604ns/s，由于导航任务处理机的1PPS准确度在10^-9量级，可知平台时间相比未校正前提高了约3个数量级，满足30分钟误差小于3us的指标要求。

本发明针对导航卫星平台时间精度较低的情况，提出了一种提高导航卫星平台时间精度的方法。在卫星时间正常时利用载荷时间校正平台时间；在卫星时间故障时，利用校正后的平台时间维持卫星时间的稳定。经试验验证，采用该自主校时方法校正的平台时间精度提高了3个数量级，验证了增加统计时间、合理分摊误差值以提高时钟精度的正确性。本发明与传统的利用钟差调整压控晶振电压以调节时钟频率的方法不同，采用了软硬件相结合的方法直接对时钟误差进行调整校正。为导航卫星平台时间校正方法提供了经验。该平台时钟校正方法已经应用于北斗三号工程8颗MEO卫星，经过地面试验及在轨试验验证，该方法有效可行，有力保障了导航卫星的时间系统的稳定性和准确度。

Claims (7)

1.一种提高导航卫星平台时间精度的方法，所述导航卫星的时间系统包括载荷时间系统和平台时间系统，载荷时间系统包括时频系统和导航任务处理机，平台时间系统包括星载计算机和平台单机，星载计算机中包括恒温晶振、时钟芯片、FPGA计数器和处理器，由时频系统中的原子钟产生载荷时间，由恒温晶振产生平台时间，由导航任务处理机产生在载荷时间系统和平台时间系统之间传输信息的1PPS信号，其特征在于，该方法包括下列步骤：

由导航任务处理机产生包含载荷时间信息的1PPS信号；

由星载计算机使用导航任务处理机产生的1PPS信号实时校正平台时间；

由星载计算机以导航任务处理机产生的1PPS信号为基准统计127秒时间内平台时间与载荷时间的总误差Δt_总；以及

由星载计算机使用Δt_总标定和校正平台时间。

2.根据权利要求1所述的提高导航卫星平台时间精度的方法，其特征在于，由星载计算机使用导航任务处理机产生的1PPS信号实时校正平台时间包括下列步骤：

由星载计算机使用授时指令保持平台时间与导航任务处理机产生的1PPS信号时间在整数秒级一致；以及

由星载计算机将平台时间信号在每一秒与导航任务处理机产生的1PPS信号的上升沿对齐，舍弃误差Δt。

3.根据权利要求2所述的提高导航卫星平台时间精度的方法，其特征在于，由星载计算机以导航任务处理机产生的1PPS信号为基准统计127秒时间内平台时间与载荷时间的总误差Δt_总包括下列步骤：

由时钟芯片产生包含平台时间信息的10MHz时钟信号；

由FPGA计数器以导航任务处理机产生的1PPS信号为基准，统计127秒时间内10MHz时钟信号晶振脉冲的个数；

由FPGA计数器将统计的127秒时间内10MHz时钟信号晶振脉冲的个数结果输出给处理器；以及

由星载计算机根据127秒时间内10MHz时钟信号晶振脉冲的个数计算127秒时间内平台时间与载荷时间的总误差Δt_总。

4.根据权利要求3所述的提高导航卫星平台时间精度的方法，其中在处理器接口增加寄存器，寄存器包括计数使能寄存器、赋初值寄存器、计数寄存器和统计次数寄存器；和

当导航任务处理机产生的1PPS信号为正脉冲时，由星载计算机向寄存器写入‘0’，将内部信号初值配置为低电平；以及

当导航任务处理机产生的1PPS信号为负脉冲时，由星载计算机向配置寄存器写入‘1’，将内部信号初值配置为低电平。

5.根据权利要求3和4之一所述的提高导航卫星平台时间精度的方法，其特征在于，由星载计算机使用Δt_总标定和校正平台时间包括下列步骤：

由星载计算机计算第1秒平台时间需要标定和校正的误差值Δt₁，表示为下式：

Δt₁＝(1×Δt_总)/127；

由星载计算机计算第1秒平台时间实际标定和校正的误差值Δt″₁，表示为下式：

Δt″₁＝[Δt₁+0.2]us，

其中[.]us表示取整，0.2us表示计算机操作需要消耗的时间；

由星载计算机计算前2秒平台时间需要标定和校正的总误差值Δt₂，表示为下式：

Δt₂＝(2×Δt_总)/127；

由星载计算机计算第2秒平台时间实际标定和校正的误差值Δt″₂，表示为下式：

Δt″₁＝[Δt₂-Δt₁+0.2]us；

由星载计算机计算前n秒平台时间需要标定和校正的总误差值Δt_n，表示为下式：

Δt_n＝(n×Δt_总)/127；

由星载计算机计算第n秒平台时间实际标定和校正的误差值Δt″_n，表示为下式：

Δt″_n＝[Δt_n-Δt″_n-1+0.2]us；以及

由星截计算机按照上述步骤逐秒标定和校正平台时间至第127秒，将剩余的误差值(Δt_总-Δt″₁₂₇)累积到下一个127秒1PPS总误差中标定和校正。

6.一种导航卫星时间系统，包括：

载荷时间系统，包括：

时频系统，其被配置为由其原子钟产生载荷时间；以及

导航任务处理机，其被配置为产生包含载荷时间信息的1PPS信号；

平台时间系统，包括：

星载计算机和平台单机，其中星载计算机包括恒温晶振、时钟芯片、FPGA计数器和处理器，其中由恒温晶振产生平台时间，所述星载计算机被配置为执行下列动作：

使用导航任务处理机产生的1PPS信号实时校正平台时间；

以导航任务处理机产生的1PPS信号为基准统计127秒时间内平台时间与载荷时间的总误差Δt_总；以及

使用Δt_总标定和校正平台时间。

7.根据权利要求6所述的导航卫星时间系统，其中星载计算机被配置为产生包含平台时间信息的1PPS信号，当星载计算机连续3秒采集不到导航任务处理机产生的1PPS信号时，由星载计算机将标定和校正过的平台时间通过星载计算机产生的1PPS信号输出给导航任务处理机。

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