CN117097638A - 一种时间同步精度测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种时间同步精度测试方法，包括以下步骤：S1：进行测试状态设置；S2：卫星进行时间同步操作；S3：进行时间同步后的同步精度测量；S4：进行数据计算，得出时间同步精度的测试结果。本方法利用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器进行时间同步精度测量。测试状态设置为星地同源，使用卫星原子钟产生的10MHz信号作为GNSS信号模拟源的外参考，使用卫星原子钟产生的10MHz信号作为高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的外参考。

Description

一种时间同步精度测试方法
技术领域
本发明涉及一种星座组网卫星的时间同步精度测试方法，适用于星座组网卫星的时间同步精度测试，属于航天器测试技术领域。
背景技术
目前很多卫星系统是由多颗卫星组成星座来完成任务，例如北斗导航系统、铱星系统、某全球通信卫星系统、低轨互联网卫星系统等。星座系统空间段与地面段的时间统一、星座系统内卫星间的时间统一均是通过时间同步技术来完成，全网时间同步技术是卫星星座系统的核心技术之一。卫星系统通过地面授时、GNSS(Global NavigationSatellite System)授时、星间链路授时等多手段实现系统的绝对时间同步和相对时间同步。其中，地面授时、GNSS授时为绝对时间同步手段，星间链路为相对时间同步手段。
卫星的时频子系统具备为本星、星座提供连续、稳定、统一的时频基准信号的能力。时频子系统实现卫星时频基准信号的生成、保持、分发，并通过星间链路实现星座系统时间的同步与保持。系统时间同步采用主从式模式，在星间链路正常情况下，从星通过星间链路将时间同步到主星；系统时间的保持功能通过主星时频子系统实现，主星通过星地链路或GNS S接收机，获得主星时间与地面时间或北斗时的偏差并进行时间调整，实现系统时间的保持。卫星的时间信息包括时标信息和1pps(one pulse per second)脉冲信号，时标信号提供周计数和周内秒。时间同步精度决定了整个星座的时间统一程度，时间同步精度是指时间同步精确度，即同步1pps与被同步1pps的相位差。
由于卫星原子钟存在漂移，卫星时频子系统产生的1pps也会存在漂移，并且随着时间的累计，误差不断增加，会影响时间同步精度测量的准确度。地面授时系统或者GNSS接收机授时系统存在误差，地面测量设备也存在误差。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种适用于星座组网卫星的时间同步精度测试方法，卫星系统通过GNSS授时实现绝对时间同步，本方法利用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器进行时间同步精度测量。测试状态设置为星地同源，使用卫星原子钟产生的10MHz信号作为GNSS信号模拟源的外参考，使用卫星原子钟产生的10MHz信号作为高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的外参考。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
本发明提供一种时间同步精度测试方法，包括以下步骤：
S1：进行测试状态设置；
S2：卫星进行时间同步操作；
S3：进行时间同步后的同步精度测量；
S4：进行数据计算，得出时间同步精度的测试结果。
在一些实施例中，本发明还包括以下技术特征：
步骤S3中，使用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器进行时间同步后的同步精度测量。
步骤S1具体为，在卫星断电的状态下进行测试状态设置，包括以下步骤：
S1-1：GNSS信号模拟源通过射频电缆将GNSS模拟信号接入卫星GN SS接收机；
S1-2：时间管理单元产生的1pps信号通过电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的端口1；
S1-3：GNSS模拟源产生的1pps信号通过电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的端口2；
S1-4：将卫星原子钟产生的10MHz信号通过电缆接入GNSS信号模拟源的外参考；
S1-5：将卫星原子钟产生的10MHz信号通过电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的外参考。
步骤S2具体为，卫星加电，卫星原子钟、时频子系统、GNSS接收机等设备开机，待GNSS接收机定位定轨以后，进行GNSS接收机给时间管理单元授时操作。
步骤S3包括以下步骤：设置高采样率示波器为下降沿触发，触发电平为1V，读取高采样率示波器两个通道1pps秒沿的时间间隔为Δt；将高采样率示波器更换时间间隔频率计数器，设置时间间隔频率计数器为下降沿触发，触发电平为1V，读取时间间隔频率计数器两个通道的时间间隔为Δt1，由于使用同一套电缆，比较Δt1与Δt在2ns误差范围内，认为使用高采样率示波器和时间间隔频率计数器的测量结果一致。
步骤S4包括以下步骤：
假设GNSS信号模拟源秒脉冲发出的时刻为T，则用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器测量的时间间隔Δt1或Δt为：
Δt(Δt1)＝(T+t0)-(T+t1+t2+t3+t4+t5)
Δt(Δt1)＝t0-t1-t2-t3-t4-t5
时间管理单元的同步误差t4为：
t4＝t0-t1-t2-t3-t5-Δt(Δt1)
由于GNSS接收机产生的时延t2和GNSS接收机至时间管理单元的电缆时延t3为卫星星载设备产生的时延，实际在轨使用时，该时延是一直真实存在且不可剔除的，属于系统级误差，本测试方法不进行扣除，所以卫星通过GNSS授时的时间同步精度为：
t4＝t0-t1-t5-Δt(Δt1)；
其中，GNSS信号模拟源至高采样率示波器或者时间间隔频率计数器端口1的电缆时延为t0；GNSS信号模拟源至卫星GNSS接收机的电缆时延为t1；GNSS接收机产生的时延为t2；GNSS接收机至时间管理单元的电缆时延为t3；时间管理单元至高采样率示波器或者时间间隔频率计数器端口2的电缆时延为t5。
本发明的有益效果是：
本发明利用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器对同步后的1pps进行测量，可以直观快速测量时间同步精确度，该测试方法通过统一频率源来消除星地两个系统间频率源的漂移问题，减小测量误差，从而准确测量时间同步精度。
附图说明
图1为本发明实施例中时间同步精度测试原理框图；
图2为本发明实施例中时间同步精度测试基本流程。
具体实施方式
为使本发明技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图对本发明实施例的技术方案进行完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如何准确测量百纳秒级甚至几十纳秒的时间同步精度，降低测量不确定是本测试方法的重点。
根据目前现有专利与文献，国外对于时间同步精度一般以分析为主，主要研究如何提升时间同步精度方法，研究同步策略的可行性和可靠性。GNSS接收机内授时芯片产生的1pps信号存在着十几纳秒的抖动，卫星原子钟的漂移使得时频系统产生的1pps也在以几纳秒至十几纳秒每秒的速率在漂移，地面验证系统在进行时间同步精度测试时应当尽量减少星地频率源的漂移，将星地和测试设备的频率源进行统一，使测试系统内设备的频率源漂移在同一个方向，从而减少测试误差，准确测量时间同步精度。
时间同步精度测量分为4个步骤，首先进行测试状态设置，然后卫星进行时间同步操作，再利用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器进行时间同步后的同步精度测量；最后进行数据计算，从而得出时间同步精度的测试结果。
时间同步精度测试原理框图如图1所示，其中：
GNSS信号模拟源：模拟GNSS星座产生的GNSS信号，优势为模拟卫星实际在轨收到的GEO轨道GNSS信号；
GNSS接收机：根据收到的GNSS信号解算北斗时间和导航电文；
时间管理单元：根据GNSS接收机或者它星传递的时间码和1pps生成本星的卫星时间，从而使整个星座的时间统一；
高速示波器或者时间间隔频率计数器：对两个端口间的1pps的秒沿时间间隔进行测量；
铷钟：提供高精度的频率源，是卫星守时的基础。
其中GNSS信号模拟源和高速示波器或者时间间隔频率计数器为地面测试设备，GNSS接收机、时间管理单元和铷钟为星载设备。卫星与地面的连接电缆、地面设备间的电缆为该测试方法引入的地面测试设备，卫星之间的电缆为星载设备，后续随卫星在轨飞行。
图2为本发明测量时间同步精度的基本工作流程，主要包括4个步骤：
步骤一：卫星在断电的状态下进行测试状态设置：
1)GNSS信号模拟源通过射频电缆将GNSS模拟信号接入卫星GNSS接收机；
2)时间管理单元产生的1pps信号通过电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的端口1；
3)GNSS模拟源产生的1pps信号通过电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的端口2；
4)将卫星原子钟产生的10MHz信号通过电缆接入GNSS信号模拟源的外参考；
5)将卫星原子钟产生的10MHz信号通过电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的外参考。
步骤二：卫星加电，卫星原子钟、时频子系统、GNSS接收机等设备开机，待GNSS接收机定位定轨以后，进行GNSS接收机给时间管理单元授时操作。
步骤三：设置高采样率示波器为下降沿触发，触发电平为1V，读取高采样率示波器两个通道1pps秒沿的时间间隔为Δt；将高采样率示波器更换时间间隔频率计数器，设置时间间隔频率计数器为下降沿触发，触发电平为1V，读取时间间隔频率计数器两个通道的时间间隔为Δt1，由于使用同一套电缆，比较Δt1与Δt在2ns误差范围内，认为使用高采样率示波器和时间间隔频率计数器的测量结果一致。
步骤四：通过计算获取时间同步精度；
1)GNSS信号模拟源至高采样率示波器或者时间间隔频率计数器端口1的电缆时延为t0；
2)GNSS信号模拟源至卫星GNSS接收机的电缆时延为t1；
3)GNSS接收机产生的时延为t2；
4)GNSS接收机至时间管理单元的电缆时延为t3；
5)时间管理单元的同步误差为t4
6)时间管理单元至高采样率示波器或者时间间隔频率计数器端口2的电缆时延为t5。
假设GNSS信号模拟源秒脉冲发出的时刻为T，则用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器测量的时间间隔Δt1或Δt为：
Δt(Δt1)＝(T+t0)-(T+t1+t2+t3+t4+t5)
Δt(Δt1)＝t0-t1-t2-t3-t4-t5
时间管理单元的同步误差t4为：
t4＝t0-t1-t2-t3-t5-Δt(Δt1)
由于GNSS接收机产生的时延t2和GNSS接收机至时间管理单元的电缆时延t3为卫星星载设备产生的时延，实际在轨使用时，该时延是一直真实存在且不可剔除的，属于系统级误差，本测试方法不进行扣除，所以卫星通过GNSS授时的时间同步精度为：
t4＝t0-t1-t5-Δt(Δt1)。
发明的有益效果：
1)该发明解决了通过RNSS绝对授时后卫星时间同步精度测量问题，对卫星时间同步系统进行更全面的考核，该发明可以很好的提高测试覆盖性。
2)本发明在测试条件上提出了较高的测试需求，需要将地面的GNSS信号模拟源和高采样率示波器或者时间间隔频率计数的频率参考统一至卫星原子钟产生的频率源，以此减少星地两个频率源漂移带来的不确定度，提高测量的准确度。
3)该方法通过计算扣除测试系统带来的时延误差，并不扣除卫星设备和设备间电缆时延，是为了更好复现使用状态，使测量结果最大限度反应真实使用状态场景下的数据，为在轨使用提供数据支撑。
本发明在某通信卫星中进行了试验验证，主要为了确认卫星通过GNS S授时后时间同步精度符合设计指标要求，为卫星最终在轨工作提供数据支撑。
本方法利用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器进行时间同步精度测量。测试状态设置要求为星地同源，使用卫星原子钟产生的10MHz信号作为GNSS信号模拟源的外参考，使用卫星原子钟产生的10MHz信号作为高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的外参考。消除星地两个频率源漂移带来的不确定度，提高测量的准确度。
下面以某通信卫星的卫星时间同步精度测试过程为例，说明该方法的测试步骤。
时间同步精度测量分为4个步骤，首先进行测试状态设置，然后卫星进行时间同步操作，再利用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器进行时间同步后的同步精度测量；最后进行数据计算，从而得出时间同步精度的测试结果。
步骤一：卫星在断电的状态下进行测试状态设置：
1)GNSS信号模拟源通过射频电缆将GNSS模拟信号接入卫星GNSS接收机；
2)时间管理单元产生的1pps信号通过电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的端口1；
3)GNSS模拟源产生的1pps信号通过电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的端口2；
4)将卫星原子钟产生的10MHz信号通过电缆接入GNSS信号模拟源作为外参考；
5)将卫星原子钟产生的10MHz信号通过射频电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器作为外参考。
步骤二：卫星加电，卫星原子钟、时频子系统、GNSS接收机、载荷控制器等设备开机，待GNSS接收机定位定轨以后，通过测控指令进行GNSS接收机给时间管理单元授时操作。
步骤三：设置高采样率示波器为下降沿触发，触发电平为1V，读取高采样率示波器两个通道1pps秒沿的时间间隔Δt为-78.9ns；将高采样率示波器更换时间间隔频率计数器，设置时间间隔频率计数器为下降沿触发，触发电平为1V，读取时间间隔频率计数器两个通道的时间间隔Δt1为-78ns，由于使用同一套电缆，比较Δt1与Δt在2ns误差范围内，认为使用高采样率示波器和时间间隔频率计数器的测量结果一致。
步骤四：通过计算获取时间同步精度；
1)GNSS信号模拟源至高采样率示波器或者时间间隔频率计数器端口1的电缆时延t0为6.6ns；
2)GNSS信号模拟源至卫星GNSS接收机的电缆时延t1为13.4；
3)GNSS接收机产生的时延t2为不确定项；
4)GNSS接收机至时间管理单元的电缆时延t3为不确定项；
5)时间管理单元的同步误差为t4；
6)时间管理单元至高采样率示波器或者时间间隔频率计数器端口2的电缆时延t5为30ns。
假设GNSS信号模拟源秒脉冲发出的时刻为T，则用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器测量的时间间隔Δt1或Δt为：
Δt(Δt1)＝(T+t0)-(T+t1+t2+t3+t4+t5)
Δt(Δt1)＝t0-t1-t2-t3-t4-t5
间管理单元的同步误差t4为：
t4＝t0-t1-t2-t3-t5-Δt(Δt1)
由于GNSS接收机产生的时延t2和GNSS接收机至时间管理单元的电缆时延t3为卫星星载设备产生的时延，实际在轨使用时，该时延是一直真实存在且不可剔除的，属于系统级误差，本测试方法不进行扣除，所以卫星通过GNSS授时的时间同步精度为：
t4＝t0-t1-t5-Δt(Δt1)＝6.6-13.4-30+78＝41.2ns。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”和“示例”等述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相对的实施例或示例中以合适的方式结合。
必须指出，以上实施例的说明不用于限制而只是用于帮助理解本发明的核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对本发明进行的任何改进以及与本产品等同的替代方案，也属于本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种时间同步精度测试方法，包括以下步骤：
S1：进行测试状态设置；
S2：卫星进行时间同步操作；
S3：进行时间同步后的同步精度测量；
S4：进行数据计算，得出时间同步精度的测试结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，使用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器进行时间同步后的同步精度测量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1具体为，在卫星断电的状态下进行测试状态设置，包括以下步骤：
S1-1：GNSS信号模拟源通过射频电缆将GNSS模拟信号接入卫星GNSS接收机；
S1-2：时间管理单元产生的1pps信号通过电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的端口1；
S1-3：GNSS模拟源产生的1pps信号通过电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的端口2；
S1-4：将卫星原子钟产生的10MHz信号通过电缆接入GNSS信号模拟源的外参考；
S1-5：将卫星原子钟产生的10MHz信号通过电缆接入高采样率示波器或者时间间隔频率计数器的外参考。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2具体为，卫星加电，卫星原子钟、时频子系统、GNSS接收机等设备开机，待GNSS接收机定位定轨以后，进行GNSS接收机给时间管理单元授时操作。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：设置高采样率示波器为下降沿触发，触发电平为1V，读取高采样率示波器两个通道1pps秒沿的时间间隔为Δt；将高采样率示波器更换时间间隔频率计数器，设置时间间隔频率计数器为下降沿触发，触发电平为1V，读取时间间隔频率计数器两个通道的时间间隔为Δt1，由于使用同一套电缆，比较Δt1与Δt在2ns误差范围内，认为使用高采样率示波器和时间间隔频率计数器的测量结果一致。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：
假设GNSS信号模拟源秒脉冲发出的时刻为T，则用高采样率示波器或者时间间隔频率计数器测量的时间间隔Δt1或Δt为：
Δt(Δt1)＝(T+t0)-(T+t1+t2+t3+t4+t5)
Δt(Δt1)＝t0-t1-t2-t3-t4-t5
时间管理单元的同步误差t4为：
t4＝t0-t1-t2-t3-t5-Δt(Δt1)
由于GNSS接收机产生的时延t2和GNSS接收机至时间管理单元的电缆时延t3为卫星星载设备产生的时延，实际在轨使用时，该时延是一直真实存在且不可剔除的，属于系统级误差，本测试方法不进行扣除，所以卫星通过GNSS授时的时间同步精度为：
t4＝t0-t1-t5-Δt(Δt1)；
其中，GNSS信号模拟源至高采样率示波器或者时间间隔频率计数器端口1的电缆时延为t0；GNSS信号模拟源至卫星GNSS接收机的电缆时延为t1；GNSS接收机产生的时延为t2；GNSS接收机至时间管理单元的电缆时延为t3；时间管理单元至高采样率示波器或者时间间隔频率计数器端口2的电缆时延为t5。
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