王文平，元 勇，王 穎， 趙會光

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

實踐十號返回衛(wèi)星時間同步系統(tǒng)設(shè)計與驗證

王文平，元 勇，王 穎， 趙會光

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

根據(jù)返回式衛(wèi)星的特點，衛(wèi)星在軌飛行包括兩個階段的時間同步工作模式：1)“返回艙和儀器艙在軌段組合體”時間模式；2)兩艙分離后，“儀器艙留軌段”時間模式;因此，如何設(shè)計返回式衛(wèi)星的時間系統(tǒng)，并進行優(yōu)化使其在不同階段完成不同任務(wù)，是返回式衛(wèi)星時間系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點;返回式衛(wèi)星時間包括時間產(chǎn)生、時間維護、時間發(fā)布及時間傳輸;返回式衛(wèi)星時間系統(tǒng)設(shè)計就是為了滿足時間用戶對時間同步精度的需求，通過特定方法和必要手段對星上時間產(chǎn)生、維護和發(fā)布機制進行相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計;針對實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星時間同步需求、時間管理模型、時間系統(tǒng)架構(gòu)以及時間系統(tǒng)的設(shè)計進行了說明，并對衛(wèi)星在整星電測以及在軌運行的驗證情況進行說明。

返回衛(wèi)星;時間系統(tǒng);設(shè)計與驗證

0 引言

實踐十號衛(wèi)星于2016年4月6日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，并于2016年4月18日在內(nèi)蒙古四子王旗回收場安全回收。衛(wèi)星為多艙段結(jié)構(gòu)，分為儀器艙和返回艙兩個艙段，其中儀器艙包括服務(wù)艙和密封艙，返回艙包括回收艙和制動艙。衛(wèi)星在軌運行期間是以返回艙和儀器艙組合體的模式飛行，在軌運行一段時間后返回艙獨立返回地面，儀器艙繼續(xù)進行留軌段飛行任務(wù)。時間同步就是為分布式系統(tǒng)提供一個共同的時間基準(zhǔn)，衛(wèi)星需要具備兩種獨立的時間工作模式：1)在軌運行段，返回艙和儀器艙以組合體的時間同步模式；2)留軌飛行段，儀器艙獨立時間同步模式。

針對實踐十號返回式衛(wèi)星分離組合體的特點，提出了一種返回式衛(wèi)星分離組合體的時間系統(tǒng)設(shè)計方法，使得返回式衛(wèi)星在不同階段完成不同的時間任務(wù)，并兼顧了衛(wèi)星數(shù)管時間基準(zhǔn)(在軌飛行段使用回收艙管理單元Reentry Management Unit(RMU)時間、留軌段使用中央處理單元Central Terminal Unit (CTU)時間)的變化，能夠滿足衛(wèi)星各時間用戶的星時需求。本方法在滿足返回式衛(wèi)星任務(wù)的同時，有效地降低了衛(wèi)星研制成本。

1 時間系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 時間管理模型

為了滿足用戶對時間精度和同步精度的需求，通過特定方法和必要手段對衛(wèi)星的星上時間產(chǎn)生、維護和發(fā)布機制進行相應(yīng)的約束和規(guī)定，并實現(xiàn)用戶對時間要求的完整過程稱為衛(wèi)星時間管理[1]。依據(jù)時間管理的定義，可建立衛(wèi)星星上時間管理模型，并將其分為4個組成部分，如圖1所示。

圖1 時間管理模型圖

實踐十號衛(wèi)星時間管理模型由時間源、時間維護、時間用戶及時間傳輸通道組成。其中，時間源、時間維護和時間用戶為邏輯關(guān)系層面，它涵蓋了星上時間同步的基本流程，并直接揭示了衛(wèi)星時間系統(tǒng)的功能實質(zhì)；時間傳輸通道則承載了邏輯關(guān)系的傳遞。

1) 時間源用于星上時間的產(chǎn)生并提供時間基準(zhǔn)[2]，它的執(zhí)行設(shè)備為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)工作時鐘；衛(wèi)星時間包括CTU時間和RMU時間。

2) 時間維護提供了時間修正的手段與方法，包括集中校時、均勻校時[3]，它的執(zhí)行設(shè)備為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)CTU和RMU，并以CTU廣播方式實現(xiàn)時間發(fā)布；

3) 時間用戶則是時間維護和時間發(fā)布的對象，整個系統(tǒng)的最終目標(biāo)即是為用戶提供能夠滿足任務(wù)需求的星上時間，控制分系統(tǒng)、載荷、工程測量分系統(tǒng)均可認為是時間用戶，它們是時間管理的受益者；

4) 時間傳輸通道提供時間信息流的傳輸路徑，它的執(zhí)行設(shè)備為串行1553B總線通道。

1.2 運行機制

實踐十號衛(wèi)星將數(shù)管晶振產(chǎn)生的工作時鐘作為星上時間源。衛(wèi)星時間包括CTU時間和RMU時間。

衛(wèi)星時間維護方法具體分類方法如圖2所示。

圖2 時間維護方法分類

當(dāng)存在較大星地時差時，衛(wèi)星采用CTU、RMU集中校時方式分別進行星上CTU和RMU時間維護。即按地面校時指令要求，在衛(wèi)星當(dāng)前星上時間的基礎(chǔ)上，將星上時間增減一個要求的值，以校正星地時間的較小絕對誤差。

衛(wèi)星在軌運行段，以RMU時間為整星時間，星時穩(wěn)定度為±5×10-6s/d，每天的最大偏差為±0.432 s，地面通過RMU集中校時實現(xiàn)星地時間同步，星地時差超過1 s后，地面進行校時；通過RMU自主校時，實現(xiàn)CTU與RMU時間的同步, CTU時間與RMU時間差絕對值小于1 ms；再通過CTU廣播的方式，實現(xiàn)各分系統(tǒng)與CTU時間的同步。

衛(wèi)星留軌運行段，以CTU時間為整星時間，星時穩(wěn)定度為±1×10-5s/d，每天的最大偏差為±0.864 s，地面通過CTU集中校時實現(xiàn)星地時間同步，星地時差超過1 s后，地面進行校時；通過CTU廣播的方式，實現(xiàn)各分系統(tǒng)與CTU時間的同步。

圖3 在軌段組合體時間工作模式

1.3 在軌段組合體工作模式

1)地面站測量衛(wèi)星RMU時間與地面時間的時差Δ；

2)當(dāng)星地時差Δ大于地面設(shè)定的閾值后，地面通過上注遙控指令，通過RMU集中校時方法對RMU進行校時，校時量為Δ，使RMU時間與地面時間保持一致；

3)衛(wèi)星RMU每分鐘自主對CTU進行一次校時，使CTU時間與RMU時間保持一致；

4)衛(wèi)星CTU通過串行數(shù)據(jù)總線，使用廣播的方法，將CTU時間發(fā)布到各個總線終端設(shè)備(見圖3)。

1.4 留軌段儀器艙工作模式

1)地面站測量衛(wèi)星CTU時間與地面時間的時差Δ；

2)當(dāng)星地時差Δ大于地面設(shè)定的閾值后，地面通過上注遙控指令，通過CTU集中校時方法對CTU進行校時，校時量為Δ，使CTU時間與地面時間保持一致；

3)衛(wèi)星CTU通過串行數(shù)據(jù)總線，使用廣播的方法，將CTU時間發(fā)布到各個總線終端設(shè)備(見圖4)。

圖4 留軌段儀器艙時間工作模式

2 時間系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 初始時間

2.1.1 CTU時間初始化策略

數(shù)管CTU加電、軟件復(fù)位或切機時，CTU時間為默認初始值0，立即執(zhí)行CTU時間恢復(fù)程序。

數(shù)管CTU時間恢復(fù)時，首先從AOCC中恢復(fù)；如果失敗，則從RMU中恢復(fù)；如果再次失敗，則恢復(fù)為默認初始值0。

2.1.2 CTU時間初始化方法

當(dāng)CTU初始上電、軟件復(fù)位或者切機時，通過總線從姿態(tài)和軌道控制計算機Attitude and Orbit Control Computer(AOCC)和RMU恢復(fù)重要數(shù)據(jù)和衛(wèi)星時間。具體步驟如下：

1)CTU通過總線給AOCC發(fā)送用于計算時間差Δ(|AOCC-CTU|)的CTU時間碼。

2)CTU等待1 s(±125 ms)后，通過總線從AOCC獲取時差Δ(|AOCC-CTU|)，CTU將時差增加到當(dāng)前衛(wèi)星時間上作為恢復(fù)后的CTU衛(wèi)星時間。

3)如果從AOCC恢復(fù)衛(wèi)星時間成功，那么本次恢復(fù)CTU衛(wèi)星時間的操作過程結(jié)束；如果從AOCC恢復(fù)衛(wèi)星時間失敗，則轉(zhuǎn)步驟4)，繼續(xù)從RMU恢復(fù)衛(wèi)星時間。

4)CTU通過總線給RMU發(fā)送用于計算時間差Δ(|RMU-CTU|)的CTU時間碼。

5)CTU等待1 s(±125 ms)后，通過總線從RMU獲取時差Δ(|RMU-CTU|)，CTU將時差增加到當(dāng)前衛(wèi)星時間上作為恢復(fù)后的CTU衛(wèi)星時間。

6)如果從RMU恢復(fù)衛(wèi)星時間成功，那么本次恢復(fù)CTU衛(wèi)星時間的操作過程結(jié)束；如果從RMU恢復(fù)衛(wèi)星時間失敗，星上時間恢復(fù)失敗，則CTU衛(wèi)星時間從零開始計時。

2.1.3 RMU時間初始化策略

數(shù)管RMU加電復(fù)位時，RMU時間為默認初始值0，立即執(zhí)行RMU時間恢復(fù)程序。數(shù)管RMU時間恢復(fù)時，首先給CTU提服務(wù)請求，請求恢復(fù)RMU重要數(shù)據(jù)和CTU時間；CTU查詢到RMU服務(wù)請求后，將RMU重要數(shù)據(jù)以及CTU時間反饋給RMU；RMU從CTU接收RMU重要數(shù)據(jù)，根據(jù)重要數(shù)據(jù)中的CTU時間來恢復(fù)RMU時間；如果恢復(fù)失敗，則根據(jù)CTU廣播的CTU時間來恢復(fù)RMU時間。

2.1.4 RMU時間初始化方法

當(dāng)RMU初始上電、軟件復(fù)位或者切機時，通過總線從CTU恢復(fù)重要數(shù)據(jù)和星時。具體步驟如下：

1)RMU從CTU恢復(fù)重要數(shù)據(jù)時需要提出服務(wù)請求(該服務(wù)請求同時也是恢復(fù)星時的服務(wù)請求)。

2)如果CTU響應(yīng)了RMU的服務(wù)請求，即RMU在總線中斷中檢測到接收RMU重要數(shù)據(jù)指針復(fù)位同步字，則RMU立即清除該服務(wù)請求。

3)如果時間超過3個時間片(100 ms/時間片)，CTU仍未響應(yīng)該服務(wù)請求，則RMU終止從服務(wù)艙CTU恢復(fù)重要數(shù)據(jù)，表明從CTU恢復(fù)重要數(shù)據(jù)失敗，則RMU時間從零開始計時。

4)如果在3個時間片內(nèi)，CTU響應(yīng)了服務(wù)請求，RMU從總線相應(yīng)子地址取得重要數(shù)據(jù)，對重要數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾進行校驗。

2.2 在軌段組合體工作模式

2.2.1 時間產(chǎn)生

返回式衛(wèi)星將數(shù)管晶振產(chǎn)生的工作時鐘作為星上時間源，包括CTU時間和RMU時間。返回式衛(wèi)星從發(fā)射到在軌運行段，數(shù)管CTU和RMU的工作時鐘都可以作為星上時間源，但由于RMU晶振穩(wěn)定性優(yōu)于CTU，因此在軌運行段使用RMU內(nèi)部時鐘作為整星時間基準(zhǔn)，星時穩(wěn)定度為±5×10-6s/d，每天的最大偏差為±0.432 s。

2.2.2 時間維護

2.2.2.1 RMU自主校時

返回式衛(wèi)星的時間由數(shù)管CTU進行統(tǒng)一管理。衛(wèi)星在軌運行段，設(shè)計了RMU自主校時方法，實現(xiàn)RMU對CTU的周期性校時。RMU自主校時實現(xiàn)星上CTU時間與RMU時間的同步。當(dāng)自主校時使能時，數(shù)管CTU周期性(1分鐘1次)向RMU發(fā)送CTU時間，發(fā)送結(jié)束1 s之后從RMU獲取時間差，將差值和CTU時間做加法運算，結(jié)果作為新的CTU時間。每完成一次RMU自主校時后，CTU時間與RMU時間差絕對值小于1 ms。

地面可以根據(jù)需要上注數(shù)管CTU內(nèi)務(wù)指令，設(shè)置RMU自主校時使能禁止?fàn)顟B(tài)。初始為禁止?fàn)顟B(tài)。

2.2.2.2 RMU集中校時和均勻校時

當(dāng)存在星地時差時，返回式衛(wèi)星采用集中校時、均勻校時的方式進行星上時間維護。即按地面校時指令要求，在衛(wèi)星當(dāng)前星上時間的基礎(chǔ)上，將星上時間增減一個要求的值，以校正星地時間的絕對誤差。

1)返回式衛(wèi)星在軌運行段，當(dāng)星地時差絕對值為ΔT秒時，可以通過地面上注指令對RMU集中校時進行時差修正，實現(xiàn)星上RMU時間與地面UTC時間的同步，集中校時隨機誤差為微秒量級。在進行集中校時時差修正過程中，還要考慮星地鏈路時延。

2)當(dāng)星地時差由于RMU時間晶振偏移導(dǎo)致周期性出現(xiàn)累計值ΔT1毫秒時，可以通過地面上注指令對RMU均勻校時進行累計時差修正。RMU在一定的時間間隔ΔT2秒內(nèi)，周期性地對RMU時間增加或減少一個最小時間間隔ΔT3毫秒，達到提高星上時間累計準(zhǔn)確計時目的。

2.2.3 時間發(fā)布

通過CTU廣播的方式，實現(xiàn)各分系統(tǒng)與CTU時間的同步。CTU將時間碼發(fā)送到總線的軟件時延以及總線傳輸時延進行補償；時間用戶對取到時間碼后的軟件時延進行時間補償。CTU通過總線向遠程終端設(shè)備廣播CTU時間，每秒一次，A/B總線交替。

2.3 留軌段儀器艙工作模式

2.3.1 時間產(chǎn)生

返回式衛(wèi)星將數(shù)管晶振產(chǎn)生的工作時鐘作為星上時間源，包括CTU時間和RMU時間。返回式衛(wèi)星留軌運行段，由于RMU已隨返回艙著陸地面，因此衛(wèi)星留軌段只能使用數(shù)管CTU內(nèi)部時鐘作為整星時間基準(zhǔn)，星時穩(wěn)定度為±1×10-5s/d，每天的最大偏差為±0.864 s。

2.3.2 時間維護

衛(wèi)星留軌段時間維護方式為CTU集中校時和均勻校時。當(dāng)存在星地時差時，返回式衛(wèi)星采用集中校時、均勻校時的方式進行星上時間維護。即按地面校時指令要求，在衛(wèi)星當(dāng)前星上時間的基礎(chǔ)上，將星上時間增減一個要求的值，以校正星地時間的絕對誤差。

1)返回式衛(wèi)星留軌運行段，當(dāng)星地時差絕對值為ΔT秒時，可以通過地面上注指令對CTU集中校時進行時差修正，實現(xiàn)星上CTU時間與地面UTC時間的同步，集中校時隨機誤差為微秒量級。在進行時差修正過程中，還要考慮星地鏈路時延。

2)當(dāng)星地時差由于CTU時間晶振偏移導(dǎo)致周期性出現(xiàn)累計值ΔT1毫秒時，可以通過地面上注指令對CTU均勻校時進行累計時差修正。CTU在一定的時間間隔ΔT2 s內(nèi)，周期性地對CTU時間增加或減少一個最小時間間隔ΔT3 ms，達到提高星上時間累計準(zhǔn)確計時目的。

2.3.3 時間發(fā)布

通過CTU廣播的方式，實現(xiàn)各分系統(tǒng)與CTU時間的同步。CTU將時間碼發(fā)送到總線的軟件時延以及總線傳輸時延進行補償；時間用戶對取到時間碼后的軟件時延進行時間補償。CTU通過總線向遠程終端設(shè)備廣播CTU時間，每秒一次，A/B總線交替。

3 在軌運行驗證情況

實踐十號衛(wèi)星在軌飛行期間，時間同步系統(tǒng)工作穩(wěn)定，星地時差變化情況如圖5所示。

圖5 飛行階段星地時差變化情況

3.1 在軌運行段

衛(wèi)星在軌運行段，即衛(wèi)星從發(fā)射后飛行至190圈期間，以在軌段組合體的工作模式進行時間同步，衛(wèi)星入軌至兩艙一次分離，衛(wèi)星使用RMU時間，在此期間共進行了1次集中校時(127圈RMU集中校時)。根據(jù)星地時差測量情況可知，RMU實際晶振漂移為39 ms/d，遠優(yōu)于穩(wěn)定度指標(biāo)±5×10-6s/d(0.43 s/d)，地面通過對衛(wèi)星進行RMU集中校時，使得星地時差始終控制在±1 s以內(nèi)。

有效載荷分系統(tǒng)與整星時間保持高度同步，所有在軌科學(xué)實驗都按計劃、按步驟圓滿完成，取得了預(yù)期效果。衛(wèi)星承載了19項微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)實驗項目，并按時序支持開展在軌實驗，成為國內(nèi)支持實驗載荷數(shù)量最多的衛(wèi)星，多個項目獲得了具有突破性價值的科學(xué)實驗結(jié)果。

3.2 返回段

衛(wèi)星返回段，即衛(wèi)星從191～204圈期間，通過返回前對衛(wèi)星實施的精確RMU校時，使得星地時差始終控制在±0.5秒以內(nèi)。返回衛(wèi)星首次成功實現(xiàn)長航程、彈道式安全返回四子王旗落區(qū)。突破了返回窗口精確控制、再入過程無控飛行的自穩(wěn)定、長航程多參數(shù)影響的落點散步控制等技術(shù)難題，返回平臺能力實現(xiàn)新跨越。

3.3 留軌運行段

衛(wèi)星留軌運行段，即衛(wèi)星從返回艙分離后205圈至飛行壽命結(jié)束，以留軌段儀器艙的工作模式進行時間同步，兩艙一次分離后衛(wèi)星使用CTU時間，期間共進行了1次集中校時(234圈CTU集中校時)，根據(jù)留軌段星地時差測量情況可知，CTU實際晶振漂移為743 ms/d，優(yōu)于穩(wěn)定度指標(biāo)±1×10-5s/d(0.86 s/d)，留軌段星地時差始終控制在±2 s以內(nèi)。衛(wèi)星所有留軌段載荷試驗均按計劃圓滿完成。

4 結(jié)論

返回衛(wèi)星時間基準(zhǔn)的建設(shè)方案，在軌段以RMU作為主時鐘源，CTU作為輔助時鐘源；留軌段以CTU作為主時鐘源；為衛(wèi)星不同任務(wù)階段提供了所需要的時鐘源。根據(jù)返回衛(wèi)星任務(wù)的不同階段，分別應(yīng)用不同模式的星地時間同步系統(tǒng)，解決了返回衛(wèi)星組合艙間的星地時間同步問題，減少了星地時間同步偏差，為有效載荷星地協(xié)調(diào)動作提供較為準(zhǔn)確的時間基準(zhǔn)。實踐十號衛(wèi)星的星地校時方法是一種低成本、高可靠、精度符合要求并且運行穩(wěn)定的方法[4]，滿足返回式衛(wèi)星分離組合體時間系統(tǒng)對于時間同步的要求，具有很好的應(yīng)用價值，后續(xù)返回式衛(wèi)星時間系統(tǒng)設(shè)計時可以充分借鑒。

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[3] 高建軍，蘭 天，王 斌. 一種高可靠的星載軟件時間管理方法[J]. 計算機測量與控制，2013，21(3)：806-808.

[4] 楊天社，李懷祖. 在軌衛(wèi)星與地面時鐘精確同步方法研究[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002，24(5)：102-105.

Design and Verification of Time Synchronization System of SJ-10 Reentry Satellite

Wang Wenping, Yuan Yong, Wang Ying, Zhao Huiguang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094,China)

Based on the characteristics of reentry satellite, there are two kind of time synchronization mode across the flight time. First, the combination of reentry capsule and apparatus capsule time mode. Second, apparatus capsule time mode. As a result, the key point is how to design the time system of the reentry satellite, and how to meet all the goals of the two time mode. The time system of reentry satellite includes time generation, time calibration, time broadcasting and time transmission. The design of time system aims at meeting the demand of time synchronization for the time users. This paper mainly discusses time synchronization demand, time-management model, time system architecture, the design of time system and the test verification of time system for the satellite.

reentry satellite；time system；design and verification

2017-02-28；

2017-03-13。

中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技項目(XDA04020200)。

王文平(1984-)，男，山西朔州人，碩士，工程師，主要從事航天器空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計方向的研究。趙會光(1972-)，男，博士，研究員，主要從事航天總體設(shè)計方向的研究。

1671-4598(2017)08-0237-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.061

V474.1

A