航天应用载荷的高精度时间同步与共用信息分发

　　摘要:应用载荷直接获取航天器平台的时间和公共测量信息，并不能完全满足载荷的高精度时间基准和共用信息使用需求。一些功能载荷具备向外输出高精度时间和状态测量信息的能力，但硬件接口资源有限。将功能载荷作为FC-AE-1553光纤网络的一个节点，在FC-AE-1553光纤网络中叠加IEEE1588v2时间同步协议，功能载荷的高精度时钟源能同步给有需求的其他载荷。并在时间同步的前提下，将功能载荷的测量数据如定位数据、姿态数据和轨道数据等共用信息同步发送至网络上的其他载荷节点。通过时间同步与同步发送机制，解决了各载荷对高精度时间和共用信息的需求，弥补了专用信息硬件接口资源的不足。结果表明，与直接利用航天器平台的信息源相比较，当时钟源和共用信息来自功能载荷时，FC-AE-1553网络时间同步之后的时间基准精度和共用信息利用性能高出3个数量级，载荷获取的UTC时间精度达到百纳秒量级。

　　关键词:时间同步;FC-AE-1553;应用载荷;共用信息;定位数据;姿态数据

　　当前卫星或航天器中应用载荷的时间校准最直接的方式，是通过载荷设备接收飞行器主设备(例如全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)接收机)的时间码数据和秒脉冲信号对齐来解决[1]，GNSS接收机可提供定位信息(含协调世界时(UniversalTimeCoordinated，UTC))，各载荷通过在轨解算时间和获取准确位置来开展高精度的实验任务。这种方法中，当航天器中载荷数量较多、布局广、滚动更 换时，单个GNSS设备可能无法提供更多的硬件接口支持载荷连接，尤其是大型航天器的电缆设计将非常复杂，急需寻找一种不过度依赖航天器平台GNSS设备接口的更适合载荷间使用的高精度时间系统和时间同步方式。一般情况下，航天器轨道、姿态、位置等公共信息的传输，是平台采用总线广播方式逐级发送给各载荷的。

　　航天技术论文投稿刊物：《载人航天》由中国载人航天工程办公室主管、主办，是国内唯一以载人航天工程为背景的综合性学术期刊，双月刊，大16开，国内公开发行。本刊现为中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊。

　　实际运控中，因载荷本地采用的时间系统与轨道数据和姿态数据中的时间系统并不完全是一个体系，各载荷收到后，往往需要进行多次时间系统的变换和计算。加之广播数据到达载荷需经历多级总线转发，会产生较大延迟，载荷终端需要对接收到的数据进行差值推算才能利用。综合上述因素后，直接使用平台轨道和姿态等数据作为实验任务参考数据的实际效果会大大降低。一些对姿态和轨道等数据敏感的载荷为了完成高精度的观测任务，往往需要自身再携带功能较强的GNSS接收机和姿态测量系统，研制成本会很高。因此，需要考虑载荷在公共信息利用中的时间系统匹配和解决成本问题。

　　1时间基准技术途径

　　1.1时间需求分类

　　航天应用有效载荷的时间基准[2]是指载荷获取的精确绝对时间，一般采用UTC时间系统，并以此为刻度安排载荷任务，时间基准的精度被定义为载荷时间与UTC之差的统计特征。各应用载荷与时间基准相关的需求主要分为四类(见表1):第一类为高精度时间需求载荷，即时间精度需求优于100ns的载荷，主要为天文载荷或载荷设备与地面具有精确配合试验类的载荷，获取高精度时间以及当前时间下的准确空间位置信息。

　　第二类为较高精度时间需求载荷，即时间精度需求优于1μs的载荷，常见的有观测类和天文类载荷，通过获取较高精度时间信息和位置信息，根据轨道、姿态数据和对应的UTC时间，解算对天和对地的位置和观测视场。第三类为一般精度时间需求载荷，即时间精度需求在毫秒级的载荷，如轨道控制类载荷，主要为获取时间信息和位置信息，用于根据轨道、姿态数据和对应的UTC时间解算相对位置关系。 第四类为粗精度时间需求载荷，即时间精度需求在10ms量级的载荷，如生命科学类载荷，其任务对时空基准不敏感，通常直接利用航天器平台提供的位置和时间信息就可以完成载荷的任务。

　　1.2时间基准解决途径

　　根据在轨实验任务的需求，应用载荷需要外部实时提供较为准确的时间基准，以及精确的位置、轨道和姿态数据作为载荷观测、测量和位置解算的依据。其中，对载荷任务成败影响较大的主要因素是载荷获取的时间基准精度以及在该时间基准下的当前位置、轨道和姿态数据的实时性能。在载荷实验任务中，为了和定位数据、姿态数据、星下点位置准确关联，就需要这些数据采用统一的时间系统，以便获取准确视场指向，所有的实验任务和测量数据的时间与UTC对齐，便于规划高精度的载荷实验任务。

　　1.3利用平台信息的缺陷

　　1.3.1平台共用信息与秒脉冲航天器平台定期只向载荷网络主机发送平台制导、导航与控制系统(Guidance，NavigationandControlsystem，GNC)测量的姿态信息、GPS数据(含UTC时间码)、数管系统相对时间码等信息。然后由载荷网络主机向各载荷通过网络接口转发。由于数据产生和发送的延迟，以及经过多级总线转发，航天器平台转发这些共用信息到达载荷网络主机的总延迟性能如表2所示，载荷在使用这些信息时，往往需要适当处理后才能使用。

　　1.4功能载荷时间信息优势

　　有几类功能载荷在任务期可以专门对外提供精确时间源和位置信息。例如，开展在轨高精度时间与频率系统试验的应用载荷自身就安装有精密定轨装置GNSS设备，可对外提供秒脉冲信号、UTC绝对时间信息和GPS/BD位置信息。另外，该载荷配置有氢原子和微波钟等不同精度的频率源，可供GNSS设备切换不同精度的频率源。载荷内部GNSS设备的功能定位为提供航天器的精密参考轨道，可为其他应用载荷提供时间源、绝对时间、定位数据、原始观测数据以及轨道预报的信息公共服务。

　　2高精度时间同步与共用信息分发

　　2.1总体方案

　　2.1.1接口设计

　　基于载荷网络主机提供的FC-AE-1553光纤网络，通过叠加时间同步协议的方式，将高精度的时间基准信息通过底层同步协议同步到网络终端，同时将姿态、位置信息等共用数据同步分发给各终端，供各终端进行实时解算，则可大大节省设计复杂度，同时充分利用了光纤网络的传输优势。GNSS自身输入的时间信号和接收的原始观测数据可来自两个源:其一是接收舱外BD/GPS的天线信号和观测数据后进行本地解算和校准;其二是地面系统会开展天地时频比对，定期对在轨GNSS进行时频校准。通过这两种方式，GNSS输入时间源的随机误差和不确定度，已经事先在GNSS单机本地消除或被校准，然后再输出标准的时间脉冲信息给载荷网络主机，秒脉冲精度稳定在30ns量级。

　　3时间基准实现分类

　　通过利用航天器平台提供的广播信息和秒脉冲硬接口，综合利用功能载荷GNSS设备的秒脉冲硬接口和定位信息，以及天文载荷的姿态原始数据等共用信息。在FC-AE-1553网络第2、3层之间实施时间同步，同时在第2层完成同步信息发送的功能，可支持应用载荷不同等级需求的时间基准和共用信息需求。

　　4结论

　　通过分析和试验，可以采用不同的手段满足应用载荷的高精度时间同步和共用信息的多种需求。利用航天器秒脉冲和平台参数信息，可以解决对时间和姿轨数据等共用信息性能要求不高的载荷信息需求。统筹使用功能载荷GNSS设备的高精度时钟源和定位信息以及天文载荷的姿态原始信息，并通过FC-AE-1553网络时间同步机制，可以解决绝大部分载荷的高精度时间基准和位置解算需求。利用光纤网络传输优势，在FC-AE-1553协议底层，通过协议叠加的方式实现了IEEE1588v2时间同步协议和同步数据发送功能，高效利用了高精度的时间基准和共用信息资源，弥补了专用信息接口资源设计的不足。

　　设计验证表明，FC-AE-1553网络实施时间同步机制时，时钟源和共用信息来自功能载荷与来自航天器平台的信息源相比较，从功能载荷获得的时间基准精度和共用信息利用性能将高出3个数量级，载荷获取的UTC时间精度达到百纳秒量级。在光纤网络上叠加时间同步协议不仅提高了时间精度利用量级，还大大减少了秒脉冲和数据交换硬件接口的数量、减轻了载荷设计的复杂度和线缆设计的难度，为航天器设计节约了质量资源。

　　参考文献(References)

　　[1]元勇，王文平，潘腾.HXMT卫星时间同步系统设计[J].计算机测量与控制，2018，26(10):160-164，215.YUANYong，WANGWenping，PANTeng.DesignoftimesynchronizationsystemforhardX-raymodulationtelescope[J].ComputerMeasurement&Control，2018，26(10):160-164，215.(inChinese)

　　[2]梁益丰，许江宁，吴苗，等.高精度授时技术发展现状分析[J].现代导航，2008，9(5):331-334，347.LIANGYifeng，XUJiangning，WUMiao，etal.Analysisofdevelopmentofhigh-precisiontimeservicetechnology[J].ModernNavigation，2008，9(5):331-334，347.(inChinese)

　　作者：邱爱华，乔旷怡，陈寅元，张涛