曾巍 劉航 王淼 韓冬

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

一種有效載荷地面測試系統(tǒng)星地時間的同步方法

曾巍 劉航 王淼 韓冬

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

針對有效載荷地面測試系統(tǒng)難以適應(yīng)衛(wèi)星有效載荷工作模式快速切換的問題，文章提出了一種有效載荷地面測試系統(tǒng)星地時間的同步方法。該方法利用測試局域網(wǎng)中衛(wèi)星遙測幀廣播的頻率實現(xiàn)了星地時間的同步，根據(jù)遙控指令使地面測試系統(tǒng)準確切換狀態(tài)以配合有效載荷的測試。星地時間的同步為地面測試系統(tǒng)的狀態(tài)記錄提供了時間標志，可作為有效載荷數(shù)據(jù)判讀的輸入條件。此方法易于實現(xiàn)，通用性強，可為有星地時間同步需求的地面測試系統(tǒng)提供設(shè)計參考。

有效載荷；星地時間同步；地面測試

1 引言

綜合測試是保證航天器可靠性的必要手段[1]，而衛(wèi)星的有效載荷地面測試是綜合測試的重要組成部分[2]。隨著衛(wèi)星有效載荷的需求與功能日趨復(fù)雜化，有效載荷從單個工作模式到多個工作模式復(fù)用，并且在有效載荷的工作模式中也會存在多個工作狀態(tài)切換的情況。當有效載荷按星上時間快速切換工作模式時，為確保有效載荷地面測試的準確和全面，要求有效載荷地面測試系統(tǒng)準確快速切換狀態(tài)設(shè)置。目前，常規(guī)的人工設(shè)置狀態(tài)已無法滿足快速切換的要求，并且存在人為誤操作的風險。地面測試系統(tǒng)狀態(tài)的設(shè)置錯誤或切換時間不準確，會對有效載荷輸出數(shù)據(jù)造成誤判。特別是在地面測試系統(tǒng)狀態(tài)記錄不準確的情況下，可能會造成利用星上設(shè)備驗證地面測試設(shè)備狀態(tài)的情況。因此，地面測試系統(tǒng)的狀態(tài)如何快速切換、何時切換和準確記錄成為有效載荷測試的關(guān)鍵需求之一。

地面測試系統(tǒng)的快速切換主要采用局域網(wǎng)的儀器擴展(LXI)接口技術(shù)進行遠程網(wǎng)絡(luò)控制[3-6]，而地面測試系統(tǒng)狀態(tài)何時切換則須及時獲取有效載荷的工作狀態(tài)。受衛(wèi)星資源的限制和設(shè)計等因素影響，有效載荷遙測狀態(tài)的更新存在延遲和頻率低的情況[7]，這導(dǎo)致地面測試系統(tǒng)無法第一時間獲知有效載荷的工作狀態(tài)，也無法及時準確切換工作狀態(tài)。地面測試系統(tǒng)狀態(tài)的準確記錄是判斷有效載荷數(shù)據(jù)的依據(jù)。人工記錄已無法適應(yīng)地面測試系統(tǒng)快速切換狀態(tài)的測試環(huán)境。即使采用計算機記錄地面測試系統(tǒng)狀態(tài)，也很難將地面測試系統(tǒng)狀態(tài)與有效載荷狀態(tài)一一對應(yīng)。因此，需要采取措施將地面測試系統(tǒng)狀態(tài)與星上狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來，而地面測試系統(tǒng)與星上時間同步正好滿足這樣的需求。根據(jù)星上時間和有效載荷的工作模式準確獲得有效載荷的當前工作狀態(tài)，并按星上狀態(tài)及時切換和準確記錄地面測試系統(tǒng)狀態(tài)?，F(xiàn)有地面測試系統(tǒng)與星上時間主要依靠GPS和北斗時間系統(tǒng)[6，8]進行同步，這不僅增加了地面測試系統(tǒng)對GPS或北斗信號的依賴，也增加了衛(wèi)星和地面測試系統(tǒng)的成本。

針對以上情況，在現(xiàn)有小衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)[9-12]的基礎(chǔ)上，本文提出了一種有效載荷地面測試系統(tǒng)星地時間的同步方法。利用測試局域網(wǎng)中衛(wèi)星遙測幀的廣播頻率實現(xiàn)了星地時間同步[1-2]，將遙控指令和星上指定時間作為地面測試系統(tǒng)測試啟動信號，并根據(jù)同步信號記錄地面測試系統(tǒng)狀態(tài)，為有效載荷數(shù)據(jù)的判斷提供條件。

2 星地時間同步原理

2.1 時鐘同步信號

衛(wèi)星遙測內(nèi)容和下傳是由星務(wù)主機、各分系統(tǒng)下位機和測控應(yīng)答機共同完成[13]。星務(wù)主機通過星上CAN總線定時向各分系統(tǒng)下位機輪詢并接收應(yīng)答數(shù)據(jù)，再將應(yīng)答數(shù)據(jù)組成遙測幀，最后發(fā)送給測控應(yīng)答機。測控應(yīng)答機按照固定碼速率將遙測幀調(diào)制到射頻信號上下傳。時間系統(tǒng)負責向星務(wù)主機和各分系統(tǒng)提供時間基準，確保遙測幀的周期性和與星上時間的同步性。地面測控系統(tǒng)接收衛(wèi)星遙測的射頻信號，在譯碼后將遙測幀發(fā)送給主測試計算機。主測試計算機將接收到的遙測幀在測試局域網(wǎng)中進行廣播。遙測顯示計算機接收并解析遙測幀。衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)接收衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)的過程如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)接收遙測數(shù)據(jù)過程Fig.1 Telemetry recieving of the satellite ground test system

目前，我國衛(wèi)星遙測基本上實施PCM遙測標準，并且PCM遙測有固定的幀長度[13]。衛(wèi)星遙測幀由測控應(yīng)答機以固定碼速率下傳，在地面測控系統(tǒng)中譯碼和傳輸延遲時間固定不變，在測試局域網(wǎng)中由主測試計算機到遙測顯示計算機的衛(wèi)星遙測幀廣播路徑固定不變。星務(wù)主機按照星上時間系統(tǒng)的同步信號輪詢、接收并傳送遙測幀。因此，衛(wèi)星遙測幀在測試局域網(wǎng)中的廣播就具備了與星上時鐘頻率相同且同步的特性。根據(jù)衛(wèi)星遙測幀的數(shù)據(jù)約定，還可以從衛(wèi)星遙測幀中解析出星上時間信息。衛(wèi)星遙測幀的頻率特性以及包含的星上時間信息，使測試局域網(wǎng)中廣播的遙測幀具備了作為地面測試系統(tǒng)的時鐘同步信號的條件。需要指出的是，由于衛(wèi)星遙測幀從星務(wù)主機傳輸?shù)降孛鏈y試系統(tǒng)存在固定的延遲時間，還要對地面測試系統(tǒng)的時間進行修正。

2.2 測試啟動信號

要準確配合有效載荷的地面測試，除了在時間上與星上時間保持同步外，有效載荷地面測試系統(tǒng)還需要準確獲取有效載荷工作模式的啟動和工作狀態(tài)的切換時刻。有效載荷工作狀態(tài)的切換時刻是基于其工作模式的啟動時刻和星地時間同步信號來獲知的。而有效載荷工作模式的啟動取決于衛(wèi)星遙控指令的接收時刻。有效載荷測試所涉及衛(wèi)星遙控指令主要是通過星上CAN總線發(fā)送給有效載荷下位機，其發(fā)送方式主要分為兩種：程控指令和間接指令。前者是由星務(wù)主機在事先設(shè)定的時刻將遙控指令發(fā)送給有效載荷，即預(yù)先設(shè)定的時刻就是有效載荷工作模式啟動時刻。而后者是由星務(wù)主機接收到遙控指令后即時發(fā)給有效載荷，故間接指令接收時刻需要根據(jù)測試局域網(wǎng)中的衛(wèi)星遙控指令的廣播時刻來確定。衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)發(fā)送衛(wèi)星遙控指令的過程如圖2所示。

由圖2可知，總控計算機是衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)的人機交互接口，負責向地面測控系統(tǒng)和主測試計算機發(fā)送衛(wèi)星遙控指令。主測試計算機接收遙控指令并在測試局域網(wǎng)中進行廣播。遙測顯示計算機接收并解譯遙控指令。衛(wèi)星的遙控指令分別傳輸?shù)叫l(wèi)星和遙測顯示計算機的傳輸路徑和延遲時間是固定的。因此，地面測試系統(tǒng)可以通過接收測試局域網(wǎng)中廣播的遙控指令來獲得有效載荷工作模式啟動的時刻。另外，由于遙控指令分別傳輸至衛(wèi)星和遙測顯示計算機的路徑存在差異，導(dǎo)致兩者的到達時間存在差異，影響地面測試系統(tǒng)啟動信號的準確性。為確保測試啟動信號的準確性，需要對測試啟動信號的時刻進行修正。

圖2 衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)發(fā)送遙控指令示意圖Fig.2 Telecommand sending of the satellite ground test system

3 有效載荷地面測試系統(tǒng)構(gòu)成

有效載荷的地面測試主要工作原理是有效載荷信號模擬源向星載有效載荷發(fā)送模擬信號，地面有效載荷測試計算機判讀有效載荷數(shù)據(jù)，從而完成對有效載荷的功能、性能的測試。有效載荷地面測試系統(tǒng)是由測試控制計算機和有效載荷信號模擬源兩部分組成，在圖3中被標記為紅色。

由圖3可知，測試控制計算機負責接收在測試局域網(wǎng)中廣播的衛(wèi)星遙測和遙控指令，通過網(wǎng)絡(luò)控制有效載荷信號模擬源的狀態(tài)，也通過網(wǎng)絡(luò)查詢并記錄有效載荷信號模擬源的狀態(tài)，上述控制與查詢是兩個獨立的過程，以復(fù)核測試控制計算機對有效載荷信號模擬源的控制有效性。目前有效載荷信號模擬源大多具備LXI技術(shù)接口，能夠很好地滿足有效載荷地面測試的控制要求[3-4]。

圖3 有效載荷地面測試系統(tǒng)構(gòu)成圖
Fig.3 Structure of the payload ground test system

4 星地時間同步的軟件實現(xiàn)

測試控制計算機是地面測試系統(tǒng)的控制核心，實現(xiàn)星地時間的同步以及對有效載荷信號模擬源的

狀態(tài)控制與記錄。地面測試系統(tǒng)的軟件分為6個功能模塊，分別是遙測遙控模塊、綜合處理模塊、控制模塊、查詢模塊、記錄模塊和自檢模塊。軟件模塊的相互關(guān)系如圖4所示。

圖4 軟件模塊流程示意圖Fig.4 Flow of software modules

4.1 同步信號和啟動信號的生成

地面測試系統(tǒng)與星上時鐘頻率的同步信號主要由遙測遙控模塊產(chǎn)生。遙測遙控模塊監(jiān)測并接收衛(wèi)星遙測幀廣播，利用衛(wèi)星遙測幀的廣播，觸發(fā)時鐘同步信號，為其它軟件模塊提供驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)星地時間同步。在測試局域網(wǎng)中，衛(wèi)星遙測一般采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)的廣播方式。遙測遙控模塊綁定測試局域網(wǎng)中的接收端口，以VB語言描述如下：

With Winsock1: Rem接收端：衛(wèi)星遙測廣播

.Bind 2005(綁定遙測廣播端口)

End With(定義結(jié)束)

Winsock1_DataArrival函數(shù)在遙測遙控模塊中是接收衛(wèi)星遙測幀的，每接收到一幀衛(wèi)星遙測，就調(diào)用一次Winsock1_DataArrival函數(shù)，使得Winsock1_DataArrival函數(shù)的調(diào)用頻率與衛(wèi)星遙測幀的廣播頻率一致，從而使得地面測試系統(tǒng)與星上時間的頻率相同。同時，Winsock1_DataArrival函數(shù)還從衛(wèi)星遙測幀中提取星上時間，為每個驅(qū)動信號提供時間標簽。VB語言描述如下：

Private Sub Winsock1_DataArrival(ByVal bytesTotal As Long)

Dim str() As Byte(定義接收遙測廣播數(shù)據(jù)參數(shù))

Dim U0 As Long(定義星上時間)

Winsock1.GetData str,vbArray+vbByte(獲取遙測廣播內(nèi)容)

U0=CLng(str(4))*256+CLng(str(5))(提取星上時間)

End Sub

U0為提取出的星上時間。DataArrival函數(shù)為接收UDP廣播的函數(shù)。另外，作為間接指令廣播的啟動信號，也是由遙測遙控模塊產(chǎn)生的。與衛(wèi)星遙測幀廣播相同，衛(wèi)星遙控指令也是采用UDP的廣播方式。遙測遙控模塊綁定相應(yīng)的接收端口，調(diào)用相應(yīng)的接收UDP廣播數(shù)據(jù)的函數(shù)，解析遙控指令的信息，在確認為有效載荷指令時，模塊發(fā)出測試啟動信號。與遙測廣播類似，VB程序不再贅述。

4.2 同步信號和啟動信號的修正

由于衛(wèi)星遙測幀傳輸?shù)降孛鏈y試系統(tǒng)存在固定延遲，以及衛(wèi)星遙控指令傳輸?shù)接行лd荷和測試控制計算機的路徑存在差異，將影響地面測試系統(tǒng)啟動和切換的準確性。因此，地面測試系統(tǒng)需要對這些影響因素進行測量并予以修正。

考慮到衛(wèi)星遙測幀導(dǎo)致的時間延遲僅涉及星地時間的時鐘同步信號，故首先對同步信號進行測量和修正。對衛(wèi)星遙測幀延遲時間的測量需要在程控指令下進行，測試流程如圖5所示。

在圖5中，標志時刻是指有效載荷信號模擬源的某次狀態(tài)切換時刻。該標志在有效載荷數(shù)據(jù)中記錄的時刻為t1，在地面測試系統(tǒng)中記錄的時刻為t1′，則同步信號的延遲時間為x秒，即x=t1′-t1。

同步信號的修正是通過調(diào)快有效載荷地面測試系統(tǒng)時間實現(xiàn)的。根據(jù)星地時間精度要求的不同，修正方法也有所不同。衛(wèi)星遙測幀的廣播頻率決定了星地時間同步的時間基準精度。星地時間同步精度要求低于遙測幀廣播周期的，以遙測幀廣播周期為單位調(diào)快有效載荷地面測試系統(tǒng)時間。若星地時間同步精度高于遙測幀廣播時間，在上述調(diào)整方法基礎(chǔ)上，對相鄰遙測幀之間采用測試控制計算機的時鐘進行計時，并按計時周期調(diào)快地面測試系統(tǒng)時間。

在完成同步信號修正的基礎(chǔ)上，再對衛(wèi)星遙控指令的啟動信號誤差進行測量和修正。如前所述，啟動信號的誤差只在間接指令測試的情況下存在，測試流程如圖6所示。

圖5 衛(wèi)星遙測幀延遲時間的測量流程Fig.5 Measure flow of the time-delay of satellite telemetry frame

在圖6中，標志時刻是指有效載荷信號模擬源第一次啟動輸出信號的時刻，該時刻是在地面測試系統(tǒng)接收間接指令廣播后的第n秒(n即為延遲時間)。該標志在有效載荷數(shù)據(jù)中記錄的時刻為t2，從有效載荷數(shù)據(jù)中可知有效載荷收到遙控指令的時刻為t3，則啟動信號的誤差為y秒，即y = n-(t2-t3)。當y<0時，有效載荷先于地面測試系統(tǒng)接收到衛(wèi)星測控指令。反之，有效載荷晚于地面測試系統(tǒng)接收到衛(wèi)星測控指令。其中，延遲時間第n秒的取值應(yīng)確保有效載荷數(shù)據(jù)能夠反映出模擬信號狀態(tài)切換的過程。

啟動信號的修正是通過對測試用例啟動時刻進行調(diào)整。當y>0時，則將測試用例的時間延遲y秒；當y<0時，則立即開始測試用例，并縮短第1個測試用例的測試時長y秒，當再次循環(huán)測試到第1個用例時，按照正常時長執(zhí)行，直至測試完畢。啟動信號的時間調(diào)整精度參照同步信號調(diào)整的方法。

圖6 星上時間校準流程Fig.6 Flow of synchronization between satellite and ground

5 運行效果

以某型號衛(wèi)星有效載荷的測試為例。有效載荷接收機有5個工作頻段(分為A～E)。在其工作模式中，可以選擇工作頻段和時長，按照星上時間進行工作頻段的切換。有效載荷接收機當前工作頻段的遙測狀態(tài)更新速率為4 s/次。該有效載荷在星時(4N+0)秒(N為正整數(shù))到(4N+3)秒之間接收衛(wèi)星遙控指令，在(4N+4)秒開始執(zhí)行接收機的工作模式。在一次有效載荷測試中，設(shè)置接收機在4個頻段(A～D)循環(huán)工作，各頻段工作時長依次為5 s、10 s、15 s、5 s，每個頻段須設(shè)置2個頻率的有效載荷模擬信號。該有效載荷接收機的工作模式是在特定時間開始執(zhí)行，因此僅需要修正星地時間。經(jīng)過延遲時間的測試，地面時間比星上時間晚1 s，則調(diào)快地面測試系統(tǒng)時間1 s。

有效載荷地面測試系統(tǒng)接收到遙控指令廣播后，根據(jù)(4N+4)秒的執(zhí)行規(guī)則開始執(zhí)行有效載荷測試用例。所用測試用例是按照有效載荷頻段切換順序設(shè)置的信號，并規(guī)定了模擬信號的相關(guān)參數(shù)，具體如表1所示。

表1 測試用例列表

在現(xiàn)有測試條件下，為保證設(shè)置的模擬信號被有效載荷接收，需要在4個頻段循環(huán)一圈只設(shè)置一個模擬信號，完成該項測試共需280 s。而采用星地時間同步的地面測試系統(tǒng)，能準確的針對每個工作頻段設(shè)置一個模擬信號，整個測試過程只需要70 s，并且地面測試系統(tǒng)還可進一步提高模擬信號的設(shè)置強度，例如5 s的頻段駐留時間可以設(shè)置3個模擬信號，每個模擬信號分別設(shè)置為1 s,2 s,2 s。

在整個測試過程中，有效載荷信號模擬源的狀態(tài)按照星上時間被完整地記錄了下來。狀態(tài)記錄可以作為有效載荷數(shù)據(jù)判讀的輸入條件，在時間上對有效載荷數(shù)據(jù)進行精確判讀。在該型號衛(wèi)星測試中，利用狀態(tài)記錄，及時發(fā)現(xiàn)兩個有效載荷的偶發(fā)故障，避免了將隱患“帶上天”。

6 結(jié)束語

針對地面測試系統(tǒng)難以適應(yīng)有效載荷工作模式快速變化的問題，本文提出了一種星地時間的同步方法，使有效載荷地面測試系統(tǒng)能準確快速地配合有效載荷地面測試。此方法已經(jīng)成功應(yīng)用于多顆小衛(wèi)星的有效載荷地面測試任務(wù)，及時發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量問題，取得了良好的應(yīng)用效果。

本文所述的方法簡單，易于實現(xiàn)，不依賴于其它時間系統(tǒng)，避免了人為錯誤，提高了有效載荷地面測試的效率，為有效載荷數(shù)據(jù)從時間上進行精確判讀提供了輸入條件，可為有星地時間同步需求的地面測試系統(tǒng)提供設(shè)計參考。后續(xù)將在本系統(tǒng)基礎(chǔ)上開展有效載荷地面測試的全閉環(huán)自動化研究。

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(編輯：李多)

A Method of Time Synchronization Between Satellite and Ground for Payload Ground Test System

ZENG Wei LIU Hang WANG Miao HAN Dong

(DFH Satellite Co.,Ltd.,Beijing 100094,China)

In view of the fact that the payload ground test system is too difficult to support the test of the rapid mode-switch payload,this paper proposes a method of time synchronization between satellite and ground for the payload ground test system. This method synchronizes the time between the ground test system and the satellite with the frequency of the telemetry which is broadcasted in the test local area network，and makes the state of the ground test system match precisely with the payload work-mode according to the telecommand. The synchronization provides the state records of the ground test system with the time labels，and the records are the input conditions for the check of the payload data. The method can be realized easily and applied widely,which provides reference for the design of the ground test system which demands the synchronization between satellite and ground test system.

payload；time synchronization between satellite and ground；ground test

2016-05-03；

2016-06-27

曾巍，男，工程師，從事小衛(wèi)星有效載荷總體設(shè)計工作。Email：zengwei_1982@sina.com。

TP274

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.020