楊安洪，卜鮑強(qiáng)，姜忠武

(63816部隊(duì)，貴陽 550025)

雙模授時(shí)技術(shù)在航天測(cè)控設(shè)備中的應(yīng)用

楊安洪，卜鮑強(qiáng)，姜忠武

(63816部隊(duì)，貴陽 550025)

針對(duì)目前航天測(cè)控設(shè)備時(shí)間同步系統(tǒng)的授時(shí)來源單一、可靠性不夠高、安全性差的問題，應(yīng)用基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的雙模授時(shí)技術(shù)，升級(jí)了某型測(cè)控設(shè)備的時(shí)間同步系統(tǒng)，實(shí)踐證明新的時(shí)間同步系統(tǒng)滿足設(shè)備的應(yīng)用需求，明顯提高了測(cè)控設(shè)備的可靠性與安全性。

雙模授時(shí)；全球定位系統(tǒng)；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

1 引言

在航天發(fā)射任務(wù)中，全航區(qū)的測(cè)控設(shè)備必須在統(tǒng)一的、高精度的時(shí)間基準(zhǔn)下運(yùn)行，時(shí)間同步系統(tǒng)扮演著重要的角色[1]。當(dāng)前測(cè)控設(shè)備的時(shí)間同步系統(tǒng)普遍使用高精度的衛(wèi)星授時(shí)，其中美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)因起步較早，覆蓋面廣，技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，占據(jù)了衛(wèi)星授時(shí)終端絕大部分市場(chǎng)[2]，也導(dǎo)致目前航天測(cè)控設(shè)備的時(shí)間同步系統(tǒng)大多采用GPS單一授時(shí)。美國(guó)軍方實(shí)際控制GPS，免費(fèi)提供使用，但不對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量和免費(fèi)使用期限任何承諾和保證，并且曾經(jīng)實(shí)施過用于降低用戶使用精度的選擇可用性政策，還具有隨時(shí)關(guān)閉任何地區(qū)GPS衛(wèi)星信號(hào)的能力[3]，所以，雖然使用GPS免費(fèi)，但可靠性不夠高、安全性差。因此，我國(guó)在航天發(fā)射任務(wù)中使用GPS存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患?？上驳氖牵覈?guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)近年來加速衛(wèi)星組網(wǎng)，實(shí)用性不斷增強(qiáng)，于2012-12-27起正式向亞太大部分地區(qū)提供區(qū)域連續(xù)無源定位、授時(shí)、導(dǎo)航等服務(wù)[4]，為基于BDS授時(shí)的時(shí)間同步系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。據(jù)近年來的相關(guān)文獻(xiàn)論述和雙模授時(shí)產(chǎn)品介紹，推出的國(guó)產(chǎn)BDS/GPS雙模授時(shí)終端產(chǎn)品可提供高精度的時(shí)碼信號(hào)、脈沖信號(hào)、串行時(shí)間信息以及網(wǎng)絡(luò)授時(shí)等服務(wù)，能使時(shí)間同步系統(tǒng)的精度和可靠性達(dá)到各領(lǐng)域所需的要求，并已經(jīng)在電力[2，5]、通信[6-7]等行業(yè)有了一定應(yīng)用，但未發(fā)現(xiàn)其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。航天事業(yè)關(guān)系到國(guó)防安危，為了提高航天發(fā)射任務(wù)的可靠性與安全性，本文提出在航天測(cè)控設(shè)備中應(yīng)用基于BDS/GPS雙模授時(shí)的國(guó)產(chǎn)時(shí)間同步系統(tǒng)。

2 BDS/GPS雙模授時(shí)

2.1 雙模授時(shí)

BDS/GPS雙模授時(shí)是指同時(shí)具有BDS與GPS兩種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)的功能。BDS是我國(guó)自主研發(fā)的，繼美國(guó)GPS和俄羅格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后的全球第三個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能提供定位、測(cè)速、單雙向授時(shí)、短報(bào)文通信服務(wù)[8]。如果應(yīng)用BDS/GPS授雙模授時(shí)技術(shù)將拓寬授時(shí)來源，明顯提高授時(shí)設(shè)備的可靠性。

2.1.1 衛(wèi)星授時(shí)

衛(wèi)星授時(shí)主要是用來提供精確的時(shí)間信息[1]，每個(gè)授時(shí)接收機(jī)均輸出秒脈沖信號(hào)(1 pulse per second，1PPS)，接收機(jī)計(jì)算出對(duì)應(yīng)秒脈沖的準(zhǔn)確時(shí)間，將兩臺(tái)接收機(jī)的秒脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器測(cè)出兩個(gè)接收機(jī)秒脈沖之間的時(shí)間間隔，再與接收機(jī)計(jì)算出的兩個(gè)秒脈沖間隔比較，便可得到時(shí)間同步精度，實(shí)現(xiàn)精確的授時(shí)。目前，國(guó)內(nèi)各應(yīng)用領(lǐng)域的衛(wèi)星授時(shí)產(chǎn)品主要有GPS和BDS兩類。GPS授時(shí)有單站法和共視法兩種，單站授時(shí)精確度約為20～500 ns，共視授時(shí)精確度能達(dá)到5～20 ns[6]。BDS授時(shí)有無線電定位業(yè)務(wù)(radio determination satellite system，RDSS)單向授時(shí)、RDSS雙向授時(shí)和無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(radio navigation satellite system，RNSS)授時(shí)三種方法，RDSS單向授時(shí)精度100 ns，RDSS雙向授時(shí)精度20 ns[7]，RNSS授時(shí)精度為50 ns[9]。從實(shí)際應(yīng)用需求來看，單臺(tái)航天測(cè)控設(shè)備的時(shí)間同步要求一般為400 ns以內(nèi)，所以GPS采用單站法授時(shí)，BDS采用RDSS單向法授時(shí)即可滿足航天測(cè)控設(shè)備的使用需求。

2.1.2 BDS/GPS雙模授時(shí)[6]

BDS/GPS雙模授時(shí)的時(shí)間同步系統(tǒng)采用互為備份的BDS和GPS衛(wèi)星雙系統(tǒng)，可同時(shí)接收BDS和GPS衛(wèi)星兩種信號(hào)，能可靠地、持續(xù)地提供高精度的時(shí)間碼信號(hào)、脈沖信號(hào)、串行時(shí)間信息、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)等，能較好地滿足航天測(cè)控設(shè)備時(shí)間同步系統(tǒng)高可靠性、高精度的需求。雙模授時(shí)的授時(shí)模式優(yōu)先采用BDS模式，詳見圖1，具體選擇何種模式，取決于以下條件：1)用戶根據(jù)實(shí)際需求，自行選擇某種模式，如該模式下接收機(jī)工作正常，則工作在該模式，否則工作在另一模式；2)若兩種模式均不正常，則工作于守時(shí)模式。接收機(jī)不正常通常有以下情況：1)衛(wèi)星信號(hào)微弱，無法捕獲；2)衛(wèi)星信號(hào)受到干擾，產(chǎn)生誤碼；3)對(duì)于GPS衛(wèi)星而言，在定位模式下收星數(shù)<4，在位置保持模式下，收星數(shù)<2；4)對(duì)于BDS衛(wèi)星而言，收星數(shù)<1。

圖1 授時(shí)模式選擇

2.2 雙模授時(shí)的優(yōu)勢(shì)

我國(guó)航天測(cè)控設(shè)備采用GPS單授時(shí)的時(shí)間同步系統(tǒng)存在如下問題[10]：(1)GPS受控于美國(guó)國(guó)防部，具有很深的軍方背景，它國(guó)使用不具有自主性，存在一些不穩(wěn)定因素，比如增加隨機(jī)擾碼，故意降低GPS精度，甚至在某時(shí)間段停止GPS在某個(gè)地區(qū)的發(fā)送信號(hào)；(2)由于戰(zhàn)爭(zhēng)或其它不可知因素，導(dǎo)致GPS在中國(guó)或其它一些國(guó)家不可用；(3)GPS在某些特殊情況下信號(hào)暫時(shí)消失，或者GPS接收機(jī)工作不正常。航天發(fā)射任務(wù)是高風(fēng)險(xiǎn)的事業(yè)，一旦在航天發(fā)射任務(wù)中發(fā)生以上的突發(fā)情況，眾多測(cè)控設(shè)備將不能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的時(shí)間同步，會(huì)給航天發(fā)射任務(wù)帶來不可估量的損失。BDS由我國(guó)獨(dú)立自主建設(shè)，若采用BDS/GPS雙模授時(shí)，即能實(shí)現(xiàn)測(cè)控設(shè)備時(shí)間同步系統(tǒng)授時(shí)的自主性，又能在某種授時(shí)源不可授時(shí)的情況提供應(yīng)急與備份，會(huì)明顯提高時(shí)間同步系統(tǒng)的可靠性。

3 雙模授時(shí)的時(shí)間同步系統(tǒng)應(yīng)用

時(shí)間同步系統(tǒng)采用我國(guó)自主研發(fā)的BDS/GPS雙模式授時(shí)設(shè)備，能同時(shí)接收BDS與GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)來獲得外部時(shí)間基準(zhǔn)，其中BDS采用RDSS單向授時(shí)。

3.1 系統(tǒng)組成[11]

雙模時(shí)間同步系統(tǒng)可分為人機(jī)交互單元、授時(shí)單元、數(shù)據(jù)處理單元、輸出單元等四單元，主要由衛(wèi)星接收天線、BDS高精度授時(shí)接收板、GPS接收模塊、時(shí)頻標(biāo)數(shù)據(jù)處理單元、各應(yīng)用處理單元和接口模塊、系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成，工作原理見圖2所示。

3.1.1 人機(jī)交互單元

人機(jī)交互單元觀測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)，設(shè)置設(shè)備工作方式、外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)、輸出接口類型等。

圖2 基于BDS/GPS雙模授時(shí)的時(shí)間同步系統(tǒng)工作原理示意圖

3.1.2 授時(shí)單元

授時(shí)單元主要由雙模衛(wèi)星信號(hào)接收天線、高中頻信號(hào)處理、多普勒信息校正與秒脈沖信號(hào)合成等模塊組成，主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的接收、放大、濾波、下變頻、解擴(kuò)解調(diào)、時(shí)間信息合成等功能。雙模衛(wèi)星天線采用一體化設(shè)計(jì)，應(yīng)用高精度時(shí)頻時(shí)間合成與衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)技術(shù)，能同時(shí)接收頻率為1 575.42 MHz的L1波段GPS衛(wèi)星信號(hào)和頻率為1 561.098 MHz的B1[12]波段的BDS衛(wèi)星信號(hào)，通過饋線送至接收模塊，經(jīng)接收機(jī)下變頻得到中頻信號(hào)，經(jīng)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)字下變頻得到基帶信號(hào)，經(jīng)解擴(kuò)、幀同步和譯碼得到時(shí)間信息，對(duì)產(chǎn)生的1PPS進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償后，將時(shí)間信息和1PPS 送數(shù)據(jù)處理單元。

3.1.3 處理單元

時(shí)間處理單元是設(shè)備的重要組成部分。衛(wèi)星信號(hào)正常時(shí)，BDS/GPS雙模時(shí)間同步系統(tǒng)依據(jù)衛(wèi)星接收模塊提供的授時(shí)信息，維持高精度的時(shí)間信息，輸出到應(yīng)用接口單元產(chǎn)生時(shí)間同步信號(hào)。衛(wèi)星信號(hào)異常時(shí)，時(shí)間處理單元采用高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器或銣鐘作為本地高穩(wěn)定時(shí)鐘，并利用時(shí)間頻率測(cè)控技術(shù)與智能馴服算法，在一定時(shí)間段內(nèi)維持一個(gè)高精度的時(shí)間信號(hào)輸出。

3.1.4 輸出單元

為滿足不同行業(yè)與領(lǐng)域設(shè)備對(duì)不同時(shí)間同步信號(hào)的需求，串行時(shí)間碼(IRIG-B碼)生成單元輸出交流(alternating current，AC)碼和直流(direct current，DC)碼時(shí)間同步信號(hào)；脈沖生成單元輸出不同接口類型的1PPS、分脈沖(1pulse per minute，1PPM)、時(shí)脈沖(1pulse per hour，1PPH)時(shí)間同步信號(hào)；網(wǎng)絡(luò)授時(shí)單元采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間控制協(xié)議(network time protocol，NTP)通過網(wǎng)口對(duì)外授時(shí)。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

BDS/GPS雙模授時(shí)時(shí)間同步系統(tǒng)指標(biāo)性能優(yōu)良，具有高精度、高可靠的特性，可完全替代GPS單授時(shí)時(shí)間同步系統(tǒng)，其主要技術(shù)指標(biāo)為

(1)NTP網(wǎng)口輸出端口特性

授時(shí)精度：局域網(wǎng)<10 ms；廣域網(wǎng)為10～100 ms。

(2)脈沖輸出端口特性

脈沖端口：1PPS/1PPM/lPPH各2路。

(3)IRIG-B碼輸出端口特性

AC碼、DC碼各12路，DC碼精度優(yōu)于200 ns。

(4)串行報(bào)文輸出端口特性

4路RS232/RS485，波特率1200、2400、4800、9600可選擇。

(5)DCF77信號(hào)

12路DCF77信號(hào)，準(zhǔn)確度：≤1 μs。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

新系統(tǒng)采用上海某公司生產(chǎn)的BDS/GPS雙模授時(shí)時(shí)間同步系統(tǒng)，在某型號(hào)航天測(cè)控設(shè)備上進(jìn)行了試驗(yàn)與應(yīng)用。原時(shí)間同步系統(tǒng)由GPS授時(shí)儀和時(shí)碼器兩個(gè)單獨(dú)硬件設(shè)備組成。其中GPS授時(shí)儀為時(shí)碼器提供外部時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)碼器輸出的IRIG-B(DC)碼為測(cè)控設(shè)備各計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收、處理、傳輸數(shù)據(jù)的同步提供支持。根據(jù)使用說明書，其內(nèi)部晶振穩(wěn)定度為1×10-7，GPS授時(shí)儀精度指標(biāo)約為100 ns，時(shí)碼器解碼同步誤差約為250 ns(DC碼)，由此原系統(tǒng)的理論同步精度優(yōu)于400 ns。

新系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路技術(shù)，將除天線外的授時(shí)單元、處理單元、輸出單元等全部集成到一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，在尺寸上比原設(shè)備小一倍。由于應(yīng)用了先進(jìn)的時(shí)間頻率測(cè)控技術(shù)來馴服晶振，即使在外部時(shí)間基準(zhǔn)失效的情況下，也能使輸出的時(shí)間同步信號(hào)精密同步在BDS/GPS時(shí)間基準(zhǔn)上。根據(jù)使用說明資料，其內(nèi)部晶振穩(wěn)定度為7×10-9，BDS(單向授時(shí))或GPS授時(shí)精度指標(biāo)優(yōu)于80 ns，時(shí)碼器解碼同步誤差小于100 ns(DC碼)，所以其理論同步精度優(yōu)于200 ns。廠家采用精度為70 ps的多通道時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明新系統(tǒng)的實(shí)際精度約為190 ns。從某型號(hào)航天測(cè)控設(shè)備實(shí)際應(yīng)用效果來，新設(shè)備輸出的DC碼滿足測(cè)控設(shè)備實(shí)時(shí)接收、處理、傳輸數(shù)據(jù)的要求。

表1 設(shè)備性能比較

4 結(jié)束語

本文分析了目前基于衛(wèi)星授時(shí)的時(shí)間同步系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀及存在的問題，介紹了雙模授時(shí)和時(shí)間同步系統(tǒng)的基本原理，提出在航天測(cè)控設(shè)備上應(yīng)用基于BDS/GPS雙模授時(shí)的時(shí)間同步系統(tǒng)，并在某型測(cè)控設(shè)備上進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，新的時(shí)間同步系統(tǒng)完全滿足測(cè)控設(shè)備的需求，消除了GPS單授時(shí)時(shí)間同步系統(tǒng)存在的安全隱患，明顯提升了設(shè)備的自主性與可靠性。隨著BDS的加速組網(wǎng)和授時(shí)產(chǎn)品的日益成熟，為了提高航天發(fā)射任務(wù)的可靠性與安全性，建議在航天領(lǐng)域推廣基于BDS/GPS雙模授時(shí)的時(shí)間同步系統(tǒng)。

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Application of Dual-mode Timing Technology in Aerospace TT&C Equipment

YANG An-hong，BU Bao-qiang，JIANG Zhong-wu

(Troops 63816，Guiyang 550025，China)

Considering the situation that time synchronization system of the aerospace tracking，telemetry and command(TT&C) equipment timed by only one source would reduce its reliability and safety，a newly technology called dual-mode timing based on both beidou navigation satellite system(BDS) and global positioning system(GPS) is applied to an old aerospace TT&C equipment’s time synchronization system.It’s proved that the new time synchronization system meets its requirements fully in practice，and improves its reliability and safety obviously.

dual-mode timing；GPS；BDS

P127.1

A

2095-4999(2015)-01-0088-04