張鳳 張東浩 李寅龍 李坤

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基于1553B總線的衛(wèi)星星時(shí)同步方法

張鳳1,2張東浩1李寅龍1李坤1

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

目前衛(wèi)星的絕對(duì)時(shí)間由GPS提供，并通過總線廣播的方式將時(shí)間信息碼發(fā)送給各衛(wèi)星載荷分系統(tǒng)，但各載荷收到時(shí)間信息進(jìn)行相應(yīng)的處理后都會(huì)有一定的延時(shí)，所以需要對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步。衛(wèi)星通常使用的星上時(shí)間同步方式為GPS秒脈沖和時(shí)間信息廣播相結(jié)合的方法，但此方法需要占用一定的硬件資源。為了節(jié)省硬件資源，并保證衛(wèi)星星時(shí)同步的精度，文章提出基于1553B總線衛(wèi)星星時(shí)同步的方法，使用同步方式字命令和時(shí)間信息廣播相配合，衛(wèi)星載荷利用1553B總線控制芯片內(nèi)部時(shí)間標(biāo)記寄存器計(jì)時(shí)，計(jì)算軟件處理延時(shí)，降低系統(tǒng)隨機(jī)誤差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)星時(shí)同步。經(jīng)過仿真和測試驗(yàn)證，表明該方法可以將系統(tǒng)時(shí)間同步隨機(jī)誤差降低到100ms。該方法采用軟件實(shí)現(xiàn)，衛(wèi)星無需提供GPS秒脈沖，節(jié)省硬件資源，降低成本，適用于時(shí)間同步要求精度高、未對(duì)載荷分系統(tǒng)提供GPS秒脈沖的衛(wèi)星系統(tǒng)。

時(shí)間標(biāo)記寄存器 1553B總線 時(shí)間同步 全球定位系統(tǒng)秒脈沖 光學(xué)遙感器

0 引言

衛(wèi)星系統(tǒng)中，為了保證星務(wù)計(jì)算機(jī)與各分系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作，需要各分系統(tǒng)之間進(jìn)行準(zhǔn)確的時(shí)間同步。文獻(xiàn)[1]提出星務(wù)校時(shí)，控制系統(tǒng)依據(jù)星務(wù)主機(jī)的時(shí)間進(jìn)行校時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，由于沒有兩者的時(shí)間基準(zhǔn)，單純依靠軟件進(jìn)行校時(shí)，因此精度較低。文獻(xiàn)[2]中提出全量校時(shí)和增量校時(shí)，均采用地面數(shù)據(jù)注入方式。全量校時(shí)用于有較大星時(shí)偏差時(shí)地面對(duì)控制系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行重新設(shè)定；增量校時(shí)是對(duì)分系統(tǒng)載荷進(jìn)行星時(shí)補(bǔ)償，適用于地面對(duì)星時(shí)偏差的校正。文獻(xiàn)[3]中提出均勻校時(shí)，也是采用地面注入校時(shí)間隔和補(bǔ)償量，控制計(jì)算機(jī)每隔相應(yīng)時(shí)間，自動(dòng)將星時(shí)進(jìn)行一定補(bǔ)償，此方法校時(shí)精度較低。

近幾年來，隨著衛(wèi)星系統(tǒng)性能的不斷提高，對(duì)時(shí)間精度的要求也越來越高，從毫秒級(jí)的要求提高到微秒級(jí)，甚至納秒級(jí)要求，單純依賴地面時(shí)間注入或星上時(shí)間自校正已無法滿足有效載荷設(shè)備要求[4]。因此，目前衛(wèi)星主要采用一種高精度校時(shí)方式，既能脫離地面，又能保證時(shí)間精度的方法，滿足有效載荷設(shè)備的高精度時(shí)間需要。即采用GPS秒脈沖和時(shí)間信息廣播相結(jié)合的方式，一般從GPS接收機(jī)引出秒脈沖信號(hào)供各分系統(tǒng)使用，此信號(hào)在整秒時(shí)刻產(chǎn)生，載荷分系統(tǒng)利用GPS秒脈沖對(duì)接收到的時(shí)間信息進(jìn)行校正[5-7]。以遙感相機(jī)分系統(tǒng)為例，管理單元接收GPS產(chǎn)生秒脈沖的同時(shí)，通過總線接收星務(wù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的時(shí)間廣播數(shù)據(jù)，管理單元通過秒脈沖接口電路將秒脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給信息處理單元，時(shí)間信息廣播經(jīng)軟件處理后通過內(nèi)部通訊接口發(fā)送給信息處理單元[6-9]。信息處理單元收到秒脈沖信號(hào)開啟內(nèi)部計(jì)時(shí)，結(jié)合收到的時(shí)間信息，進(jìn)行星時(shí)校正，產(chǎn)生自身時(shí)間系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。該同步方式精度高，但需要設(shè)計(jì)專門的秒脈沖接口電路，增加了硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜性[10-11]。秒脈沖時(shí)間同步方式示意圖如圖1。

圖1 秒脈沖時(shí)間同步方式示意圖

目前有衛(wèi)星不提供GPS秒脈沖，因此，本文提出沒有GPS秒脈沖的情況下，基于1553B總線的時(shí)間同步方法。相機(jī)分系統(tǒng)配置1553B控制器芯片，星務(wù)計(jì)算機(jī)幾毫秒間隔內(nèi)先后發(fā)送同步方式命令字和時(shí)間信息廣播信息，開啟總線控制器內(nèi)部時(shí)間標(biāo)記寄存器計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)不占用軟件資源，不受軟件時(shí)序調(diào)度影響。管理器軟件接收時(shí)間信息廣播并根據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)組包，組包完成后讀取1553B總線控制器中時(shí)間標(biāo)記寄存器的值，將時(shí)間信息和時(shí)間標(biāo)記寄存器的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)一起發(fā)送給信息處理單元。信息處理單元開啟內(nèi)部計(jì)時(shí)，結(jié)合時(shí)間標(biāo)記寄存器計(jì)數(shù)和時(shí)間信息，產(chǎn)生分系統(tǒng)自身時(shí)間，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。該方法可校正絕對(duì)時(shí)間信息在遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)處理及傳輸?shù)难訒r(shí)，降低隨機(jī)誤差，校正后本地時(shí)間的準(zhǔn)確度為微秒級(jí)，可滿足目前所有遙感相機(jī)對(duì)校時(shí)精度的要求。

1 基于1553B總線時(shí)間同步設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)時(shí)間誤差分析

造成遙感相機(jī)分系統(tǒng)時(shí)間誤差的因素包括硬件和軟件兩方面。時(shí)間信息廣播總線數(shù)據(jù)傳輸過程由硬件完成，系統(tǒng)延時(shí)固定，可通過測試得到具體延時(shí)時(shí)間，地面處理時(shí)對(duì)系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行校正。軟件對(duì)時(shí)間信息廣播數(shù)據(jù)的處理包括管理單元軟件接收讀取時(shí)間信息廣播、根據(jù)與信息處理單元通訊協(xié)議對(duì)時(shí)間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行組包和信息處理單元收到時(shí)間信息后軟件處理。由于管理單元CPU為單片機(jī)，受當(dāng)時(shí)軟件時(shí)序調(diào)度影響，軟件處理延時(shí)存在不確定性，會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差，內(nèi)部計(jì)時(shí)受軟件調(diào)度影響無法準(zhǔn)確得出延時(shí)時(shí)間，無法進(jìn)行時(shí)間校正；信息處理單元CPU為FPGA，其內(nèi)部計(jì)時(shí)為獨(dú)立模塊，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，可精確得出軟件處理延時(shí)。在衛(wèi)星未提供GPS秒脈沖的情況下，信息處理單元只能在收到管理單元發(fā)送的時(shí)間信息后開啟內(nèi)部計(jì)時(shí)，產(chǎn)生系統(tǒng)自身時(shí)間時(shí)受管理軟件處理延時(shí)隨機(jī)影響，進(jìn)而使系統(tǒng)延時(shí)存在5ms～8ms隨機(jī)誤差，影響成像品質(zhì)[12-13]。通過上述分析，降低系統(tǒng)隨機(jī)延時(shí)誤差，主要降低管理單元隨機(jī)誤差，在不更改硬件設(shè)計(jì)的情況下，需利用獨(dú)立于管理軟件的計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)軟件處理延時(shí)計(jì)時(shí)。本文提出了利用1553B總線控制器時(shí)間標(biāo)記寄存器計(jì)時(shí)。該計(jì)時(shí)器為總線控制芯片內(nèi)部計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)過程不受外界干擾，計(jì)時(shí)精度取決于芯片設(shè)置時(shí)選擇的分辨率，能夠準(zhǔn)確得出管理軟件收到時(shí)間信息廣播后的處理時(shí)間。

1.2 時(shí)間同步方案設(shè)計(jì)

遙感相機(jī)管理單元首先完成對(duì)1553B總線控制芯片配置。1553B總線控制器高級(jí)通訊引擎（Advanced Communication Engine，ACE）其中包含一個(gè)內(nèi)部可讀/可寫時(shí)間標(biāo)記寄存器（地址05H）。該寄存器是一個(gè)CPU可讀/寫的16位計(jì)數(shù)器，具有2ms、4ms、8ms、16ms、32ms或64ms最低有效位（Least Significant Bit，LSB）的可編程分辨率選擇方案；在同步（無數(shù)據(jù)）模式方式命令下時(shí)間標(biāo)記寄存器清零，或在同步（有數(shù)據(jù)）模式方式命令下裝載時(shí)間標(biāo)記寄存器，可通過配置1553B總線控制器配置寄存器#2進(jìn)行選擇，如表1，其中15位為最高有效位（Most Significant Bit，MSB），0位為最低有效位。當(dāng)時(shí)間標(biāo)記寄存器從FFFF卷回到0000時(shí)，產(chǎn)生中斷請求，并有一位在中斷狀態(tài)寄存器置位。假定時(shí)間標(biāo)記寄存器未被加載或復(fù)位，對(duì)于64ms/LSB分辨率大約在4s時(shí)間內(nèi)，對(duì)于2ms/LSB分辨率大約在131ms時(shí)間內(nèi)發(fā)生?？紤]到計(jì)時(shí)長度和計(jì)時(shí)精度，本設(shè)計(jì)選用4ms/LSB分辨率計(jì)時(shí)，選用同步（無數(shù)據(jù)）模式方式命令[14]。

表1 配置寄存器#2（讀/寫02H）

Tab.1 Configuration register #2（Read/Write 02H）

本文介紹的衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間同步流程如下：

1）星務(wù)計(jì)算機(jī)向管理單元發(fā)送同步方式字命令（方式碼為00001），100ms后發(fā)送時(shí)間信息廣播數(shù)據(jù)；

2）管理單元收到同步方式字命令后，1553B總線控制器自動(dòng)返回應(yīng)答，同時(shí)芯片內(nèi)部時(shí)間標(biāo)記寄存器清零，重新計(jì)數(shù)；

3）管理單元收到時(shí)間信息廣播，軟件根據(jù)自身時(shí)序調(diào)度處理時(shí)間信息廣播，提取時(shí)間信息按照內(nèi)部通訊協(xié)議完成數(shù)據(jù)組包；

4）管理軟件讀取時(shí)間標(biāo)記寄存器數(shù)據(jù)，按照內(nèi)部通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)組包；

5）啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送，將時(shí)間信息和時(shí)間標(biāo)記寄存器數(shù)據(jù)發(fā)送給信息處理單元，發(fā)送過程關(guān)中斷，保證發(fā)送耗時(shí)固定；

6）信息處理單元收到時(shí)間信息，開啟內(nèi)部計(jì)時(shí)，并按照協(xié)議進(jìn)行解碼，提取絕對(duì)時(shí)間。絕對(duì)時(shí)間、時(shí)間標(biāo)記寄存器數(shù)據(jù)和其自身內(nèi)部計(jì)時(shí)相疊加，產(chǎn)生系統(tǒng)絕對(duì)時(shí)間，完成系統(tǒng)時(shí)間同步。

基于1553B總線的時(shí)間同步方式示意圖如圖2。

圖2 基于1553B總線的時(shí)間同步方式示意圖

2 基于1553B總線時(shí)間同步設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證

管理軟件在仿真模式下運(yùn)行，軟件讀取總線控制器時(shí)間標(biāo)記寄存器的值，同時(shí)在單片機(jī)管腳P1.2輸出負(fù)脈沖，設(shè)置軟件通過內(nèi)部通訊接口發(fā)送時(shí)間信息和時(shí)間標(biāo)記寄存器的值給信息處理單元后停止運(yùn)行。

使用示波器同時(shí)監(jiān)測1553B總線數(shù)據(jù)、單片機(jī)P1.2接口和內(nèi)部通訊接口，測量1553B總線控制器收到同步方式命令與內(nèi)部通訊接口開始傳輸數(shù)據(jù)間隔1、時(shí)間信息廣播傳輸時(shí)間2、單片機(jī)P1.2接口負(fù)脈沖與內(nèi)部通訊接口開始傳輸數(shù)據(jù)間隔3和內(nèi)部通訊接口傳輸時(shí)間信息及時(shí)間標(biāo)記寄存器數(shù)據(jù)使用時(shí)間4，查看時(shí)間標(biāo)記寄存器的值并得到計(jì)時(shí)時(shí)間5。

管理軟件上電開始運(yùn)行，1553B總線監(jiān)視器發(fā)送同步方式字命令（方式碼為00001），100ms后發(fā)送廣播信息，記錄示波器監(jiān)測數(shù)據(jù)1234，查看時(shí)間標(biāo)記寄存器的值。由于本設(shè)計(jì)選取的時(shí)間標(biāo)記寄存器的分辨率為4ms/LSB，所以時(shí)間標(biāo)記寄存器的值乘以4可得到實(shí)際的計(jì)時(shí)時(shí)間5。若1=3+5，則認(rèn)為時(shí)間標(biāo)記寄存器計(jì)時(shí)正確；若1≠3+5，則認(rèn)為時(shí)間標(biāo)記寄存器計(jì)時(shí)錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間軸如圖3，測試結(jié)果如表2。

從表2測試結(jié)果可以看出1=3+5，說明時(shí)間標(biāo)記寄存器計(jì)時(shí)準(zhǔn)確。時(shí)間信息廣播傳輸由硬件完成，傳輸時(shí)間固定；管理軟件讀取時(shí)間標(biāo)記寄存器、通過內(nèi)部通訊接口發(fā)送時(shí)間信息和時(shí)間標(biāo)記寄存器數(shù)據(jù)期間關(guān)中斷，使用時(shí)間固定。2、3和4測試結(jié)果可以證明該延時(shí)為系統(tǒng)固定延時(shí)，管理單元處理時(shí)間信息廣播延時(shí)為3+4+5–2–100ms，隨機(jī)誤差只受時(shí)間標(biāo)記寄存器分辨率影響，本設(shè)計(jì)選取4ms/LSB，即管理單元隨機(jī)誤差小于4ms。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間軸示意圖

表2 測試結(jié)果

Tab.2 Test result

1553B總線控制器內(nèi)部時(shí)間標(biāo)記寄存器計(jì)時(shí)時(shí)長由選取的最低有效位分辨率決定，考慮到衛(wèi)星系統(tǒng)本身對(duì)時(shí)間同步精度的要求，一般選擇較高的計(jì)時(shí)分辨率，提高計(jì)時(shí)的精度，因此，計(jì)時(shí)長度就會(huì)較短。由于，計(jì)時(shí)長度較短，對(duì)星務(wù)計(jì)算機(jī)發(fā)送同步方式命令和時(shí)間信息廣播間隔有一定要求，星務(wù)計(jì)算機(jī)必須保證該間隔時(shí)間固定，且不能太長；同步方式命令和廣播需在同一總線發(fā)送，且不插入其他總線數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

本文介紹的基于1553B總線控制器內(nèi)部時(shí)間標(biāo)記寄存器的衛(wèi)星時(shí)間同步方法，是利用其計(jì)時(shí)由總線控制芯片內(nèi)部自動(dòng)進(jìn)行，具有不占用軟件資源、不受軟件時(shí)序調(diào)度影響、計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。在不增加星務(wù)及相機(jī)分系統(tǒng)硬件資源的情況下，將相機(jī)分系統(tǒng)時(shí)間同步隨機(jī)誤差由5ms～8ms，降低到100ms，低成本、高效率地解決了相機(jī)分系統(tǒng)成像時(shí)間隨機(jī)誤差太大的問題，實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)與衛(wèi)星的時(shí)間同步。本設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于某衛(wèi)星系統(tǒng)。

載荷分系統(tǒng)收到衛(wèi)星時(shí)間信息后采用計(jì)時(shí)方式進(jìn)行時(shí)間校正，使用的計(jì)時(shí)器必須是獨(dú)立的，保證計(jì)時(shí)精度。由于單片機(jī)內(nèi)部計(jì)時(shí)器不具備這種能力，軟件時(shí)序調(diào)度或響應(yīng)其它中斷會(huì)影響計(jì)時(shí)精度，所以，本設(shè)計(jì)中計(jì)時(shí)器使用的是1553B總線控制芯片的內(nèi)部時(shí)間標(biāo)記寄存器，計(jì)時(shí)獨(dú)立且精度高。因此，該設(shè)計(jì)僅限于以1553B總線通訊的衛(wèi)星系統(tǒng)，使用其它總線通信的衛(wèi)星系統(tǒng)，在不依賴硬件情況下實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方法還有待進(jìn)一步研究。

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（編輯：龐冰）

Method of Satellite Time Synchronization Based on 1553B Bus

ZHANG Feng1,2ZHANG Donghao1LI Yinlong1LI Kun1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100094, China）（2Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）

Presently, the absolute time of satellite is supplied by the Global Position System (GPS), and the time information is sent to the payload subsystem through the bus in broadcast. Due to the time delay for the payloads to process the time information received, time synchronization is needed for satellite systems. The method combining the GPS second pulse with the time broadcast is widely used in time synchronization. However, this method needs to consume hardware resources. In order to save the hardware resources and ensure the accuracy of satellite time synchronization, a method is proposed for time synchronization on board, which is based on 1553B bus synchronize mode code and time broadcast. Using the time tag register in 1553B bus controller chip as payload time, the time delay is calculated by the software to reduce the random error and then to realize the time synchronization. The simulation and test results show that the system random error of time synchronization can be reduced to 100ms. As the method is realized by software without GPS second pulse, it is very suitable for the high-precision time system and the system without GPS pulse.

time tag register; 1553B bus; time synchronization; GPS pulse per second; optical remote sensor

TP79

A

1009-8518(2017)06-0092-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.06.011

張鳳，女，1985年生，2006年獲北京理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)檫b感相機(jī)管理控制、機(jī)構(gòu)控制軟件設(shè)計(jì)及測試。E-mail：zff_2013@sina.com。

2017-03-02