張滬玲,李群續(xù),趙景磊

(中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇 江陰 214431)

衛(wèi)星雙向?qū)r應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

張滬玲,李群續(xù),趙景磊

(中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇 江陰 214431)

設(shè)計了一種用于海上活動站通過衛(wèi)星信道進行時間比對的應(yīng)用系統(tǒng)。結(jié)合目前活動站通信現(xiàn)狀,選擇衛(wèi)星雙向時間比對作為對時手段,綜合分析了影響對時精度的主要因素,并在系統(tǒng)的設(shè)計過程中加以克服,使系統(tǒng)精度達到設(shè)計要求。實際衛(wèi)星信道測試數(shù)據(jù)表明,衛(wèi)星雙向?qū)r應(yīng)用系統(tǒng)對時精度達到微秒級,滿足海上活動站使用要求。

測控通信系統(tǒng);時間統(tǒng)一系統(tǒng);雙向時間比對;衛(wèi)星信道;IRIG-B碼;同步誤差

1 引 言

時間統(tǒng)一分系統(tǒng)是海上活動測控站測控通信系統(tǒng)的重要組成部分,其時間精度將直接影響航天測控精度。目前,活動站采用主要的對時方式為GPS對時,具有使用方便、定時精度高的優(yōu)點,但該系統(tǒng)的使用受美國全球戰(zhàn)略的影響,使用受制于人,在過去的工作中曾發(fā)現(xiàn)GPS對時有慢秒現(xiàn)象。我國“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)計劃2020年實現(xiàn)全球覆蓋,目前依然不能覆蓋海上活動測控站海域,因此研究高精度的對時方法并開發(fā)相應(yīng)產(chǎn)品具有十分重要的現(xiàn)實意義。

目前,遠距離時間比對和校準(zhǔn)的方式很多,主要有多臺站衛(wèi)星雙向時間比對、單通道衛(wèi)星雙向時間比對、衛(wèi)星共視法、載波相位法、搬運鐘和廣播電視信號對時等。多臺站衛(wèi)星雙向時間比對精度最高,但其要求多個臺站共用一顆衛(wèi)星。在重大試驗任務(wù)中,幾個海上活動測控站分布于三大洋,為了保障通信質(zhì)量,可能租用不同的國際通信衛(wèi)星,而多臺站衛(wèi)星雙向時間比對要求多個臺站共用同一顆衛(wèi)星,因此多臺站衛(wèi)星雙向時間比對與實際情況不符。單通道衛(wèi)星雙向時間比對要求兩個站共用一顆衛(wèi)星,通常海上活動測控站岸船間共用一顆通信衛(wèi)星,采用衛(wèi)星雙向時間比對方法可以有效利用現(xiàn)有通信設(shè)備,同時它的時間比對精度較高,僅次于多臺站衛(wèi)星雙向時間比對,設(shè)備和方法相對簡單。衛(wèi)星共視法和載波相位法實際為單收單發(fā)系統(tǒng),該方法無法擺脫國外全球定位系統(tǒng)的限制。搬運鐘和廣播電視信號對時適合陸地和近海情況,對于海上活動站所在海域無法提供技術(shù)支持。

對時的基本思想是把岸站的標(biāo)準(zhǔn)時間準(zhǔn)確無誤的傳遞到海上活動測控站,即把攜帶岸站標(biāo)準(zhǔn)時間信息的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳遞到海上活動測控站,同步海上活動測控站本地時統(tǒng)。目前,海上活動站岸船通信方式主要是衛(wèi)星通信,利用現(xiàn)有衛(wèi)星通信手段實現(xiàn)時間信息的傳遞和校準(zhǔn)具備一定的基礎(chǔ),因此,選擇衛(wèi)星雙向時間比對作為對時應(yīng)用系統(tǒng)的對時方法。

2 衛(wèi)星雙向?qū)r應(yīng)用原理及主要誤差源

2.1 衛(wèi)星雙向時間比對誤差數(shù)學(xué)模型

雙向時間比對的原理為:A站和B站“同時”發(fā)送各自的時間基準(zhǔn)信號,經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā),兩站分別接收對方的時基信號。兩站的同步誤差為

式中,δt為兩站的同步誤差,TA、TB分別為A、B兩站測得的時間間隔,TAB、TBA分別為A站到B站的傳輸時延和B站到A站的傳輸時延,從雙向比對原理可以看出,影響雙向時間比對精度的因素有兩項:一是TA和TB的測量精度,二是雙向比對鏈當(dāng)中的不一致性。TA和TB的測量精度可以通過提高測量手段加以實現(xiàn)。

而雙向比對鏈中的不一致性涉及因素很多[1]。進一步細化 TAB和TBA,如圖1所示。圖中:A站的發(fā)射、接收設(shè)備的時延分別用 τTA和τRA表示,上行到達衛(wèi)星的時延為 τ1、下行從衛(wèi)星到達B站的時延為τ4;B站的發(fā)射、接收設(shè)備的時延分別用 τTB和τRB表示,上行到達衛(wèi)星的時延為 τ3、下行從衛(wèi)星到達 B站的時延為τ2。A、B站都通過衛(wèi)星中繼,由衛(wèi)星上所配置的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備對信號進行轉(zhuǎn)發(fā),其時延也包括接收和發(fā)射兩部分,嚴(yán)格來講應(yīng)有所區(qū)別,分別用τs1、τs2表示 。

圖1 雙向法站間信號流程圖Fig.1 Flowchart of two way satellite time transfer method

理想情況下,τ1=τ2,τ3=τ4。但實際上由于衛(wèi)星收、發(fā)頻率不相同,受大氣附加延遲的影響(分別記為 Δτ1、Δτ2、Δτ3、Δτ4)也不同,衛(wèi)星的上 、下行傳播時延(τ1、τ2)、(τ3、τ4)會有差異。

可以看出:

將式(2)、(3)代入式(1)有

式(6)就是衛(wèi)星雙向時間比對誤差源數(shù)學(xué)模型。

DDN端口速率為9.6 kbit/s時,表1列出了上述各誤差源對雙向時間比對的影響[2]。

表1 各誤差源對岸船時間比對的影響Table 1 The effect of errors on ship-shore time synchronization

2.2 誤差修正方法

2.2.1 測量誤差修正

在對時應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)中,為達到技術(shù)指標(biāo)要求,就必須盡量克服系統(tǒng)誤差中較大的誤差環(huán)節(jié),從而保證對時應(yīng)用系統(tǒng)的對時精度。從表1可見,在整個系統(tǒng)誤差中,由時鐘不同源帶來的DDN端口采樣誤差最大,達到104 μ s,必須采取相應(yīng)的措施加以克服。

通常采用時間間隔計數(shù)器精確測量時差。在對時應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計中,選擇IRIG-B的1 PPS的上升沿作計數(shù)器的開門開關(guān),DDN端口采樣時鐘上升沿作關(guān)門開關(guān),IRIG-B中的5 MHz高頻信號作為采樣脈沖,實現(xiàn)采樣誤差測量。經(jīng)過采樣誤差測量,就使DDN端口采樣誤差變?yōu)闀r間間隔計數(shù)器測量誤差。當(dāng)采用5 MHz頻率作為填充脈沖時,在開門和關(guān)門處產(chǎn)生的誤差理論上不大于0.1 μ s,即計數(shù)器脈沖不對齊引起的誤差理論上不大于0.2 μ s。

2.2.2 異常數(shù)據(jù)的識別與估計

在衛(wèi)星雙向?qū)r應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計中,雙向比對是雙方經(jīng)過N次雙向測量后,雙方對測量數(shù)據(jù)進行解算得出雙向測量時延。測量數(shù)據(jù)往往帶有誤差偏大的異常值,產(chǎn)生異常值(野值)的原因有多種。測量數(shù)據(jù)含有的異常值,使測量值嚴(yán)重失真,降低了測量數(shù)據(jù)的置信度,嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。因此,在應(yīng)用系統(tǒng)的控制處理器對雙向測量數(shù)據(jù)進行處理時,必須首先對測量數(shù)據(jù)異常值進行判別和處理,以合理、可信的測量數(shù)據(jù)替代它,保證測試數(shù)據(jù)處理結(jié)果的質(zhì)量。實際工程中不可能采用無限次測量,數(shù)據(jù)量多少將直接影響最后的誤差修正精度。數(shù)據(jù)量越大,誤差修正越精確,但數(shù)據(jù)量越大,對時時間越長。在應(yīng)用系統(tǒng)誤差處理模型設(shè)計中,綜合考慮精度和對時時間,取N=100。

在衛(wèi)星雙向?qū)r應(yīng)用系統(tǒng)誤差處理模型設(shè)計中,應(yīng)用最小二乘估計和時間多項式外推后一時刻的觀測數(shù)據(jù)估計值,對雙向測量數(shù)據(jù)進行野值識別和估計后,對重新排序的測量數(shù)據(jù)取均值后輸出雙向測量時延。

3 衛(wèi)星雙向?qū)r應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

衛(wèi)星雙向?qū)r應(yīng)用系統(tǒng)采用衛(wèi)通信道雙向時間比對的方式,時間基準(zhǔn)為岸站,通過測量和修正岸船傳輸時延,使時間同步精度達到設(shè)計要求。在系統(tǒng)的設(shè)計中,采用DDN采樣誤差測量和非相干誤差數(shù)理統(tǒng)計等方法克服各種固定和抖動誤差,從而實現(xiàn)時間信息同步。時間比對應(yīng)用系統(tǒng)主要完成衛(wèi)通信道時延雙向測量、DDN設(shè)備采樣誤差測量、本地IRIG-B碼時間信息解調(diào)、產(chǎn)生攜帶雙向測量時間差、采樣時延誤差、控制信息和本地時間信息的IRIG-B碼等功能。

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 硬件組成

從原理和功能方面講,岸船時間比對應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計對于岸站和海上活動測控站稍有不同。岸站和海上活動站都是由數(shù)據(jù)接口單元、IRIG-B時碼產(chǎn)生單元、IRIG-B時碼解調(diào)單元、控制處理器單元、時間間隔計數(shù)器單元、DDN采樣誤差測量單元以及數(shù)據(jù)顯示和功能設(shè)置單元組成,但是岸站在解調(diào)單元當(dāng)中不需要重新產(chǎn)生IRIG-B碼,而海上活動站站則必須產(chǎn)生新的與岸站同步的IRIG-B碼來同步船上的時統(tǒng)。在系統(tǒng)的設(shè)計上,兩者設(shè)計一致,只是岸站部分功能不使用。

海上活動(岸)站系統(tǒng)的具體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成圖Fig.2 Block diagram of time synchronization application system

3.1.2 主要功能

(1)產(chǎn)生與本地時統(tǒng)同步且攜帶信息的IRIG-B碼,并將其通過數(shù)據(jù)接口設(shè)備送到衛(wèi)通設(shè)備向?qū)Ψ桨l(fā)送;

(2)接收對方發(fā)來的IRIG-B碼,并解算其攜帶的各種信息;

(3)通過時間間隔計數(shù)器獲取本地秒脈沖與對方發(fā)送的秒脈沖的時間差;

(4)通過采樣誤差測量獲取DDN設(shè)備采樣時延誤差;

(5)根據(jù)岸船誤差模型解算岸船時間比對誤差,并進行統(tǒng)計;

(6)將修正過的時間信息以IRIG-B碼的形式送海上活動站時統(tǒng)進行同步;

(7)提供與衛(wèi)通設(shè)備的接口轉(zhuǎn)換功能;

(8)實時顯示系統(tǒng)工作狀態(tài),提供人機交互功能。

3.2 軟件流程

應(yīng)用系統(tǒng)軟件主要完成的功能是控制各個硬件單元協(xié)調(diào)工作,正確接收、發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù),統(tǒng)計、解算時延誤差等。

在雙向時間比對應(yīng)用系統(tǒng)中,岸站和海上活動站站分別有一套軟件系統(tǒng),兩者的基本功能相似,都包含系統(tǒng)初始化功能、收發(fā)信息控制、解算與統(tǒng)計岸船時間誤差、進行人機交互等功能。

兩者的差別在于:由于岸站作為基準(zhǔn)站,不需要在比對結(jié)束后對本地的時統(tǒng)進行修正,而船站必須要有這項功能。

岸站、海上活動站對時應(yīng)用系統(tǒng)軟件基本流程圖如圖3所示。

圖3 應(yīng)用軟件流程圖Fig.4Software flowchart of time synchronization application system

4 系統(tǒng)測試

衛(wèi)星雙向?qū)r應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計生產(chǎn)完成后,為了驗證該系統(tǒng)的對時精度是否滿足設(shè)計要求,需要通過實際衛(wèi)通信信道進行實驗測試。測試圖如圖4所示。

圖4 對時精度測試框圖Fig.4 Architecture of the time synchronization application system

對測試數(shù)據(jù)進行誤差分析表明,在衛(wèi)星中繼速率為64 kbit/s、DDN 端口速率為9.6 kbit/s時,時間同步精度優(yōu)于15 μ s,高于航天測量任務(wù)對海上活動站的時間比對要求。

5 結(jié)束語

本文選擇衛(wèi)星雙向時間比對作為海上活動測控站對時新方法,對衛(wèi)星雙向時間比對誤差來源進行了分析,提出了消除主要誤差的方法,設(shè)計了基于海上活動測控站衛(wèi)星雙向?qū)r應(yīng)用系統(tǒng),并通過實際衛(wèi)星信道進行測試。分析測試數(shù)據(jù)表明,衛(wèi)星雙向?qū)r應(yīng)用系統(tǒng)對時精度滿足當(dāng)前及后續(xù)試驗任務(wù)對時需求。在后期的研究中,應(yīng)進一步考慮海上活動站運動對對時精度的影響,對設(shè)備誤差進行精細測量,進一步提高對時精度。

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ZHANG Hu-ling was born in Huaxian,Shaanxi Province,in 1971.She is now a senior engineer with the M.S.degree.Her research concerns ship-shore communication.

李群續(xù)(1972—),男,山東煙臺人,碩士,高級工程師,主要研究方向為航天海上測控通信;

LI Qun-xu was born in Yantai,Shandong Province,in 1972.He is now a senior engineer with the M.S degree.Hisresearch concerns spaceflight maritime tracking and controlling system and communication system.

Email:lqx100@163.com

趙景磊(1976—),男,江蘇蘇州人,2001年獲碩士學(xué)位,主要從事通信系統(tǒng)軟件方面的研究。

ZHAO Jing-lei was born in Suzhou,Jiangsu Province,in 1976.He received the M.S degree in 2001.His research concerns communication system software design.

Design of a Ship-shore Time Synchronization Application System

ZHANG Hu-ling,LI Qun-xu,ZHAO Jing-lei
(China Satellite Marine Tracking and Controlling Department,Jiangyin 214431,China)

A ship-shore time synchronization application system through satellite channel is designed for TT&C ship.According to actual TT&C ship ship-shore communication status,the Two Way Satellite Time Synchronization(TWSTS)method is chosen to minimize the time synchronization error.After analysis of major error affects in time synchronization,a ship-shore time synchronization application system is designed to minimize the time synchronization error.The test result through the actual satellite channel shows that the system′s accuracy is up to microseconds and the demand of the ship-shore communication in TT&C ship is satisfied.

TT&C and communication system;timing system;two way satellite time synchronization;satellite channel;IRIG-B code;synchronization error

TN96

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.10.026

1001-893X(2012)10-1691-05

2012-03-31;

2012-08-01

張滬玲(1971—),女,陜西華縣人,碩士,高級工程師,主要從事岸船通信方面的研究;