邱愛(ài)華，喬曠怡，陳寅元，張 濤

(中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，中國(guó)科學(xué)院太空應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

當(dāng)前衛(wèi)星或航天器中應(yīng)用載荷的時(shí)間校準(zhǔn)最直接的方式，是通過(guò)載荷設(shè)備接收飛行器主設(shè)備(例如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收機(jī))的時(shí)間碼數(shù)據(jù)和秒脈沖信號(hào)對(duì)齊來(lái)解決[1]，GNSS接收機(jī)可提供定位信息(含協(xié)調(diào)世界時(shí)(Universal Time Coordinated，UTC))，各載荷通過(guò)在軌解算時(shí)間和獲取準(zhǔn)確位置來(lái)開(kāi)展高精度的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這種方法中，當(dāng)航天器中載荷數(shù)量較多、布局廣、滾動(dòng)更換時(shí)，單個(gè)GNSS設(shè)備可能無(wú)法提供更多的硬件接口支持載荷連接，尤其是大型航天器的電纜設(shè)計(jì)將非常復(fù)雜，急需尋找一種不過(guò)度依賴(lài)航天器平臺(tái)GNSS設(shè)備接口的更適合載荷間使用的高精度時(shí)間系統(tǒng)和時(shí)間同步方式。

一般情況下，航天器軌道、姿態(tài)、位置等公共信息的傳輸，是平臺(tái)采用總線(xiàn)廣播方式逐級(jí)發(fā)送給各載荷的。實(shí)際運(yùn)控中，因載荷本地采用的時(shí)間系統(tǒng)與軌道數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)中的時(shí)間系統(tǒng)并不完全是一個(gè)體系，各載荷收到后，往往需要進(jìn)行多次時(shí)間系統(tǒng)的變換和計(jì)算。加之廣播數(shù)據(jù)到達(dá)載荷需經(jīng)歷多級(jí)總線(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)，會(huì)產(chǎn)生較大延遲，載荷終端需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值推算才能利用。綜合上述因素后，直接使用平臺(tái)軌道和姿態(tài)等數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)任務(wù)參考數(shù)據(jù)的實(shí)際效果會(huì)大大降低。一些對(duì)姿態(tài)和軌道等數(shù)據(jù)敏感的載荷為了完成高精度的觀(guān)測(cè)任務(wù)，往往需要自身再攜帶功能較強(qiáng)的GNSS接收機(jī)和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，研制成本會(huì)很高。因此，需要考慮載荷在公共信息利用中的時(shí)間系統(tǒng)匹配和解決成本問(wèn)題。

1 時(shí)間基準(zhǔn)技術(shù)途徑

1.1 時(shí)間需求分類(lèi)

航天應(yīng)用有效載荷的時(shí)間基準(zhǔn)[2]是指載荷獲取的精確絕對(duì)時(shí)間，一般采用UTC時(shí)間系統(tǒng)，并以此為刻度安排載荷任務(wù)，時(shí)間基準(zhǔn)的精度被定義為載荷時(shí)間與UTC之差的統(tǒng)計(jì)特征。

各應(yīng)用載荷與時(shí)間基準(zhǔn)相關(guān)的需求主要分為四類(lèi)(見(jiàn)表1)：

表1 應(yīng)用載荷時(shí)間基準(zhǔn)需求分類(lèi)Tab.1 Payload timing requirements classification

第一類(lèi)為高精度時(shí)間需求載荷，即時(shí)間精度需求優(yōu)于100 ns的載荷，主要為天文載荷或載荷設(shè)備與地面具有精確配合試驗(yàn)類(lèi)的載荷，獲取高精度時(shí)間以及當(dāng)前時(shí)間下的準(zhǔn)確空間位置信息。

第二類(lèi)為較高精度時(shí)間需求載荷，即時(shí)間精度需求優(yōu)于1 μs的載荷，常見(jiàn)的有觀(guān)測(cè)類(lèi)和天文類(lèi)載荷，通過(guò)獲取較高精度時(shí)間信息和位置信息，根據(jù)軌道、姿態(tài)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)間，解算對(duì)天和對(duì)地的位置和觀(guān)測(cè)視場(chǎng)。

第三類(lèi)為一般精度時(shí)間需求載荷，即時(shí)間精度需求在毫秒級(jí)的載荷，如軌道控制類(lèi)載荷，主要為獲取時(shí)間信息和位置信息，用于根據(jù)軌道、姿態(tài)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)間解算相對(duì)位置關(guān)系。

第四類(lèi)為粗精度時(shí)間需求載荷，即時(shí)間精度需求在10 ms量級(jí)的載荷，如生命科學(xué)類(lèi)載荷，其任務(wù)對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)不敏感，通常直接利用航天器平臺(tái)提供的位置和時(shí)間信息就可以完成載荷的任務(wù)。

1.2 時(shí)間基準(zhǔn)解決途徑

根據(jù)在軌實(shí)驗(yàn)任務(wù)的需求，應(yīng)用載荷需要外部實(shí)時(shí)提供較為準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)，以及精確的位置、軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)作為載荷觀(guān)測(cè)、測(cè)量和位置解算的依據(jù)。其中，對(duì)載荷任務(wù)成敗影響較大的主要因素是載荷獲取的時(shí)間基準(zhǔn)精度以及在該時(shí)間基準(zhǔn)下的當(dāng)前位置、軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性能。在載荷實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，為了和定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、星下點(diǎn)位置準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)，就需要這些數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)，以便獲取準(zhǔn)確視場(chǎng)指向，所有的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間與UTC對(duì)齊，便于規(guī)劃高精度的載荷實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

時(shí)間同步是通過(guò)對(duì)本地時(shí)鐘的操作，利用處于異地的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)間對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)并形成統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)的過(guò)程[2]。一般需要在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)立高精度的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，通過(guò)軟件或硬件設(shè)計(jì)將系統(tǒng)其他時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和修正。

解決載荷高精度時(shí)間基準(zhǔn)需求問(wèn)題的主要技術(shù)途徑有：

1)將載荷時(shí)間基準(zhǔn)、時(shí)間同步和共用信息的硬軟件體系從航天器平臺(tái)提供的時(shí)間、廣播信息體系中獨(dú)立開(kāi)來(lái)。在航天器中單獨(dú)建立一套為高精度時(shí)間和共用信息需求的載荷提供服務(wù)的信息系統(tǒng)。

2)尋找更高精度的功能載荷時(shí)間源和共用信息。航天器中布置的平臺(tái)GNSS接收機(jī)僅作為輔助手段，開(kāi)發(fā)具備全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)或北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite System,BDS)功能的載荷專(zhuān)門(mén)提供高精度時(shí)間和共用信息的能力。這些功能載荷能提供姿態(tài)、軌道、位置等高精度測(cè)量信息，數(shù)據(jù)精度較航天器平臺(tái)要高，比較符合其他載荷的任務(wù)需求。

3)設(shè)計(jì)新的時(shí)間同步機(jī)制，解決時(shí)鐘源硬件設(shè)備接口資源瓶頸。在時(shí)鐘源設(shè)備秒脈沖接口資源有限的情況下，可以利用信息組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)軟件時(shí)間同步協(xié)議，傳輸介質(zhì)上采用光纖通道，減少長(zhǎng)距離電纜信號(hào)傳輸?shù)膿p失。

4)在時(shí)間同步的基礎(chǔ)上，將定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)、軌道等共用信息與時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行融合傳輸，便于載荷解算和高效利用。

我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始在航天器中大規(guī)模應(yīng)用FC-AE-1553總線(xiàn)，作為支持載荷通信的主要通信接口，底層光纖速率采用4.25 Gbit/s[3]。載荷信息網(wǎng)絡(luò)將采用自主開(kāi)發(fā)的FC-AE-1553交換式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(支持主從式架構(gòu))，基礎(chǔ)協(xié)議中并不支持時(shí)間同步協(xié)議。在FC-AE-1553光纖網(wǎng)絡(luò)中，利用光纖網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸優(yōu)勢(shì)，首次設(shè)計(jì)疊加IEEE 1588v2時(shí)間同步協(xié)議，并采用同步數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制，設(shè)計(jì)時(shí)采用兩種時(shí)鐘輸入源進(jìn)行比較：一種是輸入平臺(tái)秒脈沖和平臺(tái)共用信息，另一種是輸入功能載荷的精確時(shí)間基準(zhǔn)和共用信息。然后分別同步給有需求的載荷進(jìn)行精度比較，并給出不同時(shí)間精度需求載荷的解決方案。

1.3 利用平臺(tái)信息的缺陷

1.3.1 平臺(tái)共用信息與秒脈沖

航天器平臺(tái)定期只向載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)發(fā)送平臺(tái)制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(Guidance,Navigation and Control system，GNC)測(cè)量的姿態(tài)信息、GPS數(shù)據(jù)(含UTC時(shí)間碼)、數(shù)管系統(tǒng)相對(duì)時(shí)間碼等信息。然后由載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)向各載荷通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)發(fā)。由于數(shù)據(jù)產(chǎn)生和發(fā)送的延遲，以及經(jīng)過(guò)多級(jí)總線(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)，航天器平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)這些共用信息到達(dá)載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的總延遲性能如表2所示，載荷在使用這些信息時(shí)，往往需要適當(dāng)處理后才能使用。

表2 航天器平臺(tái)向載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的共同信息Tab.2 Shared information of spacecraft to payload network host

航天器平臺(tái)通過(guò)GNSS單機(jī)只提供載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)秒脈沖接口，脈沖寬度 1±0.2 ms，發(fā)送周期1 s±2 μs，下降沿精度≤40 ns。定位數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)的秒脈沖信號(hào)輸出后的1～1.1 s輸出，包含絕對(duì)定位時(shí)間。秒脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)間與GNSS單機(jī)定位數(shù)據(jù)中的絕對(duì)定位時(shí)間表示的時(shí)間相同。

1.3.2 平臺(tái)共用信息缺陷

由于相對(duì)時(shí)間碼無(wú)法作為載荷實(shí)驗(yàn)任務(wù)使用，除了用于運(yùn)控任務(wù)之外，實(shí)驗(yàn)任務(wù)基本不采用平臺(tái)數(shù)管系統(tǒng)的相對(duì)時(shí)間碼。根據(jù)平臺(tái)提供的秒脈沖能力和GPS定位數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)序，平臺(tái)定位數(shù)據(jù)到達(dá)載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的時(shí)延范圍為1 100～2 700 ms。平臺(tái)提供的秒脈沖能力和GPS定位數(shù)據(jù)發(fā)送至載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)后，由載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)將時(shí)間基準(zhǔn)和定位數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同步給各載荷終端。預(yù)計(jì)各載荷終端的時(shí)間基準(zhǔn)誤差可達(dá)幾十毫秒，平臺(tái)定位數(shù)據(jù)到達(dá)載荷終端的總延遲預(yù)計(jì)則在1 100～2 700 ms范圍內(nèi)(FC-AE-1553光纖傳輸性能為納秒量級(jí)，可以忽略不計(jì))。

平臺(tái)共用信息還包括GNC姿態(tài)信息和軌道數(shù)據(jù)等，這些參數(shù)信息都是通過(guò)航天器平臺(tái)1553B總線(xiàn)廣播給載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的。由于數(shù)據(jù)源是經(jīng)過(guò)從別的平臺(tái)分系統(tǒng)遙測(cè)數(shù)據(jù)中提取、處理、轉(zhuǎn)發(fā)，存在較大的時(shí)間延遲，且平臺(tái)GNC姿態(tài)數(shù)據(jù)包含的時(shí)間碼與數(shù)管分系統(tǒng)時(shí)間碼的換算差值較大，對(duì)直接利用也有較大影響。

通過(guò)以上分析，直接利用平臺(tái)的時(shí)間基準(zhǔn)和共用信息只能解決一小部分對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)要求不高(粗精度)和共用信息要求不精確載荷的間接需求。

1.4 功能載荷時(shí)間信息優(yōu)勢(shì)

有幾類(lèi)功能載荷在任務(wù)期可以專(zhuān)門(mén)對(duì)外提供精確時(shí)間源和位置信息。例如，開(kāi)展在軌高精度時(shí)間與頻率系統(tǒng)試驗(yàn)的應(yīng)用載荷自身就安裝有精密定軌裝置GNSS設(shè)備，可對(duì)外提供秒脈沖信號(hào)、UTC絕對(duì)時(shí)間信息和GPS/BD位置信息。另外，該載荷配置有氫原子和微波鐘等不同精度的頻率源，可供GNSS設(shè)備切換不同精度的頻率源。

載荷內(nèi)部GNSS設(shè)備的功能定位為提供航天器的精密參考軌道，可為其他應(yīng)用載荷提供時(shí)間源、絕對(duì)時(shí)間、定位數(shù)據(jù)、原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)以及軌道預(yù)報(bào)的信息公共服務(wù)。其中：

1)秒脈沖(Pulse Per Second,PPS)秒脈沖精度為30 ns，頻率為1 Hz，寬度為1 ms，如圖1所示。相較平臺(tái)的秒脈沖，該載荷的GNSS提供PPS秒脈沖精度和性能較高。

圖1 載荷GNSS設(shè)備PPS秒脈沖信號(hào)Fig.1 PPS second pulse signal of GNSS payload

2)時(shí)間碼信息為與PPS對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)間：年月日時(shí)分秒。

3)100 MHz頻率參考由高精度的原子鐘/微波鐘提供。

4)直接測(cè)量的位置和速度，共6個(gè)分量(x,y,x,Vx,Vy,Vz)，單位分別為m和m/s，位置精度為10 m。

5)原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)包括偽距、載波、信噪比、多普勒以及觀(guān)測(cè)碼相位等信息。

6)軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)包括：軌道坐標(biāo)(x,y,x,Vx,Vy,Vz)，以及位置預(yù)報(bào)精度和速度預(yù)報(bào)的精度等信息。

此外，還利用一些天文載荷的星敏感器數(shù)據(jù)作為姿態(tài)共用信息提供給其他載荷使用，提供載荷布局就近位置處的姿態(tài)測(cè)量。這些功能載荷一般設(shè)置為長(zhǎng)期工作載荷，能提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源和共用信息資源，向其他載荷提供服務(wù)。

根據(jù)第1.3節(jié)分析，理論上對(duì)于時(shí)間基準(zhǔn)性能精度優(yōu)于10 ms的載荷，采用載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)航天器平臺(tái)發(fā)送的時(shí)間碼信息和位置信息給載荷，載荷再通過(guò)差值解算，已無(wú)法得到任務(wù)實(shí)施所需的位置和姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)的精度。如果這些有需求的載荷能直接接入秒脈沖硬件接口，并通過(guò)接收的時(shí)間碼信息與秒脈沖信號(hào)進(jìn)行對(duì)齊解算，按道理是可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)載荷的時(shí)間基準(zhǔn)需求的。但由于航天器有這類(lèi)需求的載荷數(shù)量較多，且布局的位置不集中，大多數(shù)載荷安裝位置需要開(kāi)展維修和更換。通過(guò)集中設(shè)備給有需求的載荷提供秒脈沖硬接口，會(huì)增加系統(tǒng)級(jí)電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，各載荷均要增加秒脈沖接口和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)專(zhuān)用信息接口設(shè)計(jì)，載荷設(shè)備將增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度，這個(gè)在工程研制中較難實(shí)現(xiàn)。由于線(xiàn)損的原因，一些距離遠(yuǎn)的載荷時(shí)間精度也并不一定能滿(mǎn)足。

如果將功能載荷當(dāng)作載荷信息網(wǎng)絡(luò)FC-AE-1553接口的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其他有需求的載荷都掛接在FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)上，則可利用光纖通信的優(yōu)勢(shì)，將時(shí)鐘信息和共用信息通過(guò)同步協(xié)議，快速提供給有需求的載荷進(jìn)行解算，可以解決大部分載荷的高精度時(shí)間和高精度共用信息需求。

2 高精度時(shí)間同步與共用信息分發(fā)

2.1 總體方案

2.1.1 接口設(shè)計(jì)

基于載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)提供的FC-AE-1553光纖網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)疊加時(shí)間同步協(xié)議的方式，將高精度的時(shí)間基準(zhǔn)信息通過(guò)底層同步協(xié)議同步到網(wǎng)絡(luò)終端，同時(shí)將姿態(tài)、位置信息等共用數(shù)據(jù)同步分發(fā)給各終端，供各終端進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，則可大大節(jié)省設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)充分利用了光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸優(yōu)勢(shì)。

GNSS自身輸入的時(shí)間信號(hào)和接收的原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)可來(lái)自?xún)蓚€(gè)源：其一是接收艙外BD/GPS的天線(xiàn)信號(hào)和觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)后進(jìn)行本地解算和校準(zhǔn)；其二是地面系統(tǒng)會(huì)開(kāi)展天地時(shí)頻比對(duì)，定期對(duì)在軌GNSS進(jìn)行時(shí)頻校準(zhǔn)。通過(guò)這兩種方式，GNSS輸入時(shí)間源的隨機(jī)誤差和不確定度，已經(jīng)事先在GNSS單機(jī)本地消除或被校準(zhǔn)，然后再輸出標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信息給載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)，秒脈沖精度穩(wěn)定在30 ns量級(jí)。

在功能載荷GNSS設(shè)備上設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)終端(Network Terminal,NT)節(jié)點(diǎn)，將GNSS設(shè)備接入FC-AE-1553主干網(wǎng)中，將該NT作為時(shí)間基準(zhǔn)、定位數(shù)據(jù)等的信息輸入源。由載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)通過(guò)光纖接口接收GNSS設(shè)備的時(shí)間碼信息、直接測(cè)量的位置速度以及原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。GNSS的原始測(cè)量數(shù)據(jù)包括測(cè)量時(shí)間碼、偽距和載波相位，通過(guò)NT節(jié)點(diǎn)發(fā)送給FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)主機(jī)，F(xiàn)C-AE-1553網(wǎng)絡(luò)主機(jī)解算出精確的位置和速度信息、軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，同步向各應(yīng)用載荷發(fā)送。各載荷接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)在軌實(shí)時(shí)解算，定位精度可以達(dá)到1 m，若事后進(jìn)行解算，精度可達(dá)到厘米量級(jí)。另外，一些天文載荷也設(shè)計(jì)通過(guò)NT節(jié)點(diǎn)連接至FC-AE-1553的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)，提供姿態(tài)原始數(shù)據(jù)源。利用光纖網(wǎng)絡(luò)同步發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，將這些數(shù)據(jù)通過(guò)載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)同步發(fā)送到各網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，提供給有需求的載荷任務(wù)使用。

GNSS、天文載荷與載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)，以及各載荷用戶(hù)的信息接口連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 GNSS、天文載荷與載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的數(shù)據(jù)流Fig.2 Data flow between GNSS、astronomical payload and network host

2.1.2 時(shí)間同步與同步數(shù)據(jù)發(fā)送

由于GNSS定位數(shù)據(jù)中的時(shí)間信息與秒脈沖基本保持同步，與UTC絕對(duì)時(shí)間相差量級(jí)在納秒量級(jí)。載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)采集GNSS的精確時(shí)間后，再將時(shí)間信息通過(guò)FC-AE-1553光纖同步協(xié)議同步至各終端節(jié)點(diǎn)。各終端通過(guò)時(shí)間同步服務(wù)，本地絕對(duì)時(shí)間與UTC時(shí)間差的性能可達(dá)到理想范圍以?xún)?nèi)。

根據(jù)圖2，應(yīng)用載荷的時(shí)間基準(zhǔn)源來(lái)自功能載荷GNSS設(shè)備，通過(guò)載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的精確時(shí)間同步機(jī)制，向各個(gè)載荷網(wǎng)絡(luò)NT節(jié)點(diǎn)實(shí)施同步服務(wù)。各載荷NT終端節(jié)點(diǎn)的時(shí)標(biāo)信息與UTC的差值可達(dá)到100 ns～1 μs以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足絕大部分載荷的高精度時(shí)統(tǒng)需求。其中，通過(guò)設(shè)置時(shí)間同步周期，可在100 ns～1 μs之間調(diào)整時(shí)間同步精度。載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)接收到GNSS設(shè)備的定位數(shù)據(jù)、觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和天文載荷的姿態(tài)原始數(shù)據(jù)后，通過(guò)FC-AE-1553底層協(xié)議，向應(yīng)用載荷同步發(fā)送這些共用信息，共用信息的時(shí)間基準(zhǔn)誤差僅為納秒量級(jí)。于是各載荷接收到的共用信息(含時(shí)間碼)與時(shí)間基準(zhǔn)能按秒對(duì)齊進(jìn)行使用和解算，進(jìn)而能開(kāi)展任務(wù)所需的對(duì)地指向和各種視場(chǎng)的實(shí)時(shí)確定。

2.2 FC-AE-1553時(shí)間同步

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

典型的航天器FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，F(xiàn)C-AE-1553網(wǎng)絡(luò)支持交換式和總線(xiàn)式兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)形式[4-5]。載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)作為FC-AE-1553的網(wǎng)絡(luò)控制器(Network Control,NC),管理交換式FC-AE-1553主干網(wǎng)。主干網(wǎng)上連接各個(gè)載荷網(wǎng)絡(luò)終端。通過(guò)NT-NC的橋接設(shè)備，可支持總線(xiàn)型FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)上連接的NT，通過(guò)分時(shí)復(fù)用通信最終與主干網(wǎng)的NC通信[6-7]。

圖3 航天器中典型的FC-AE-1553 網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Typical FC-AE-1553 network in spacecraft

通過(guò)在FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)的底層疊加IEEE 1588v2時(shí)間同步協(xié)議，可借助光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)和FC-AE-1553協(xié)議的優(yōu)勢(shì)，將網(wǎng)絡(luò)外部引入的秒脈沖硬接口通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞至各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)維持網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，來(lái)達(dá)到網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)和外部秒脈沖時(shí)間基準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)的目的。

2.2.2 時(shí)間同步機(jī)制

FC-AE-1553的交換式和總線(xiàn)式兩種架構(gòu)均可實(shí)施時(shí)間同步服務(wù)。航天器采用交換式網(wǎng)絡(luò)作為載荷信息管理的主干網(wǎng)，可采用總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò)作為局域網(wǎng)，局域網(wǎng)接受主干網(wǎng)的管理。時(shí)間同步算法是在FC-2層之上執(zhí)行的，F(xiàn)C-2層為標(biāo)準(zhǔn)的Fibre Channel協(xié)議，并不受FC-4層是否為交換式和總線(xiàn)式的影響。

(1)交換式網(wǎng)絡(luò)

交換式網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步模型如圖4所示，以GNSS輸入時(shí)鐘源為例，F(xiàn)C-AE-1553交換式主干網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步過(guò)程如下：

圖4 FC-AE-1553主干網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步模型Fig.4 Time synchronization model of FC-AE-1553 backbone network

1)GNSS設(shè)備的NT接收GPS/BD秒脈沖和定位數(shù)據(jù)中的UTC時(shí)間信息，然后與UTC時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行同步。

2)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與GNSS設(shè)備的NT進(jìn)行同步。

3)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)上的各載荷終端NT進(jìn)行同步。

(2)總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò)

總線(xiàn)式FC-AE-1553局域網(wǎng)絡(luò)的核心為NT-NC網(wǎng)橋單元，網(wǎng)橋單元作為主干網(wǎng)絡(luò)的NT和局域網(wǎng)絡(luò)的NC，通過(guò)與主干網(wǎng)絡(luò)同步后，再對(duì)局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)載荷NT進(jìn)行同步?？偩€(xiàn)式網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步模型如圖5所示。

圖5 FC-AE-1553總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步模型Fig.5 Time synchronization model of FC-AE-1553 bus network

總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步與主干網(wǎng)絡(luò)同步方式類(lèi)似，但由于該網(wǎng)絡(luò)為共享帶寬網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行時(shí)間同步的載荷個(gè)數(shù)與精度需要與帶寬進(jìn)行折中。

2.2.3 相鄰節(jié)點(diǎn)同步

載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)對(duì)各個(gè)NT節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步機(jī)制中，F(xiàn)C-AE-1553網(wǎng)絡(luò)中相鄰的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為主從節(jié)點(diǎn)，主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)之間的同步過(guò)程如圖6所示。

圖6 FC-AE-1553主從節(jié)點(diǎn)同步過(guò)程Fig.6 Synchronization process between host and slave of FC-AE-1553 network

上述FC-AE-1553主從節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步過(guò)程中，由主時(shí)鐘先發(fā)送Sync幀，從時(shí)鐘端收到后回復(fù)Delay_Req幀，主時(shí)鐘收到后再發(fā)送Delay_Resp。發(fā)送端是在物理層發(fā)送時(shí)打上時(shí)間戳，接收端在從物理層提取數(shù)據(jù)幀后立即標(biāo)記取得幀的時(shí)間[8]。

主從端的時(shí)間同步詳細(xì)過(guò)程為：

1)Master端發(fā)Sync報(bào)文給Slave，Slave接收后記錄該報(bào)文到達(dá)時(shí)間T2，Sync報(bào)文中同時(shí)包括其離開(kāi)Master時(shí)的時(shí)間T1。

2)Slave端發(fā)Delay_Req報(bào)文給Master，Slave記錄Delay_Req報(bào)文的離開(kāi)時(shí)間T3，Master端記錄其到達(dá)時(shí)間T4。

3)Master通過(guò)Delay_Resp報(bào)文把T4發(fā)給Slave，此時(shí)Slave獲知Delay_Req報(bào)文的發(fā)送時(shí)間T3和接收時(shí)間T4，及Sync報(bào)文的發(fā)送時(shí)間T1與接收時(shí)間T2。

經(jīng)過(guò)上述報(bào)文交互過(guò)程后，在Slave端可得到如下計(jì)算式：

T2-T1=offset+MS_Delay=A

(1)

T4-T3=SM_Delay-offset=B

(2)

其中，offset為晶振偏差，MS_Delay為主節(jié)點(diǎn)到從節(jié)點(diǎn)的鏈路延遲，SM_Delay為從節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)的鏈路延遲。

設(shè)計(jì)時(shí)，時(shí)間同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式如圖7所示，在FC-2之上實(shí)施時(shí)間同步。

圖7 FC-AE-1553協(xié)議底層的時(shí)間同步實(shí)施Fig.7 Time synchronization process in protocol stack of FC-AE-1553 network

由于主從節(jié)點(diǎn)之間鏈路延遲MS_Delay等于從主節(jié)點(diǎn)之間鏈路延遲SM_Delay，則在Slave端可以得到：

(3)

(4)

Master和Slave間不斷發(fā)送PTP協(xié)議報(bào)文，Slave端根據(jù)offset修正本地時(shí)間值，使之同步Master時(shí)間。

2.2.4 同步時(shí)間標(biāo)簽

時(shí)間同步協(xié)議采用的時(shí)間標(biāo)簽共48 B，其中T1、T2、T3和T4各占12 B，時(shí)間標(biāo)簽的詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 時(shí)間同步時(shí)間標(biāo)簽Fig.8 The time stamp in time synchronization

其中，秒值為32 bit，全0代表1987年1月1日0時(shí)0分0秒，毫秒值占12位，納秒值占20位。低于納秒的值占32位，主要用于FC-AE-1553時(shí)間同步內(nèi)部計(jì)算采用。

2.2.5 同步性能測(cè)試

各網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)NC和NT的時(shí)間同步模塊在FC-AE-1553協(xié)議體系中處于2P層和2M層之間[9]，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為106.25 MHz，數(shù)據(jù)位寬設(shè)置為128 bit。各網(wǎng)絡(luò)端口的具體實(shí)現(xiàn)方式如圖9所示，通過(guò)物理層發(fā)送/接收時(shí)間戳方式避免了數(shù)據(jù)發(fā)送/接收的先入先出隊(duì)列(First Input First Output,FIFO)帶來(lái)的時(shí)間抖動(dòng)，保證MS_Delay和SM_Delay的值相同。

圖9 終端物理層發(fā)送/接收時(shí)間戳的方式Fig.9 Mode to receive time stamp in physical layer of terminal

通過(guò)搭建交換式主干網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在不接入外部秒脈沖的條件下，只對(duì)具有FC-AE-1553接口的NC和NT進(jìn)行時(shí)鐘的主從同步，如圖10所示。實(shí)際測(cè)試中，交換機(jī)的傳輸路徑延遲一致，NC和NT的光纖連接長(zhǎng)度為2 m，光纖的路徑延遲誤差測(cè)試為0 ns，示波器的測(cè)量精度為1 ns(下同)。在常溫26 ℃測(cè)試20 min，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖10 無(wú)外部時(shí)鐘源輸入的時(shí)間同步測(cè)試連接圖Fig.10 Test connection for time synchronization without external clock source

表3 主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)端之間的相對(duì)時(shí)間同步測(cè)試Tab.3 Relative time synchronization test between host clock and slave clock

當(dāng)輸入外部時(shí)鐘源時(shí)，搭建測(cè)試環(huán)境如圖11所示，在FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上，連接高精度時(shí)鐘源NT節(jié)點(diǎn)，外部高精度秒脈沖和時(shí)間信息最先進(jìn)入該NT節(jié)點(diǎn)。NC和NT的光纖連接長(zhǎng)度為2 m，光纖的路徑延遲誤差測(cè)試為0 ns。通過(guò)交換機(jī)的時(shí)間同步服務(wù)對(duì)載荷NT進(jìn)行時(shí)間同步。測(cè)試驗(yàn)證時(shí)，分別從時(shí)鐘源NT節(jié)點(diǎn)和載荷NT節(jié)點(diǎn)上輸出測(cè)試秒脈沖，測(cè)量二者之間的時(shí)間同步誤差。通過(guò)軟件查看時(shí)鐘源NT的秒值與載荷NT的秒值及秒以上時(shí)間一致后，觀(guān)測(cè)示波器上的兩個(gè)輸入時(shí)鐘源的誤差。

圖11 FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)高精度時(shí)鐘同步測(cè)試連接圖Fig.11 Test connection for time synchronization of FC-AE-1553 network

當(dāng)設(shè)置同步周期為1 ms時(shí)，時(shí)間同步幀占用鏈路通信帶寬小于0.8%；單級(jí)同步精度不超過(guò)±50 ns(常溫26 ℃下，測(cè)試20 min)。實(shí)測(cè)結(jié)果如圖12所示，通過(guò)示波器上的余暉，記錄下長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)鐘抖動(dòng)情況，同步源和被同步源的時(shí)間誤差保持在50 ns以?xún)?nèi)。

(a) 同步源時(shí)鐘同步精度(a) Clock synchronization accuracy of synchronization source

當(dāng)設(shè)置同步周期為500 ms時(shí)，時(shí)間同步幀占用鏈路通信帶寬小于0.001 6%；單級(jí)同步精度不超過(guò)±100 ns(常溫26 ℃下，測(cè)試20 min)，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖13所示。通過(guò)示波器上的余暉，記錄下長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)鐘抖動(dòng)情況，同步源和被同步源的時(shí)間誤差保持在100 ns以?xún)?nèi)。

(a) 同步源時(shí)鐘同步精度(a) Clock synchronization accuracy of synchronization source

同步周期與同步精度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示(常溫26 ℃下，測(cè)試20 min)。

表4表明，同步周期越小，提供的時(shí)間精度越高，同步協(xié)議的通信占用總帶寬資源越多，反之，同步周期越大，占用帶寬資源越小，時(shí)間精度會(huì)下降。在交換式網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間同步協(xié)議占用網(wǎng)絡(luò)帶寬的設(shè)計(jì)采用“并發(fā)交換式”動(dòng)態(tài)帶寬調(diào)度機(jī)制[10]，占用靜態(tài)分配帶寬，以保證穩(wěn)定帶寬。測(cè)試中，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)均能達(dá)到穩(wěn)定的同步效果。而總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間同步協(xié)議占用網(wǎng)絡(luò)帶寬的設(shè)計(jì)采用“一對(duì)多”和“多對(duì)一”的動(dòng)態(tài)分配機(jī)制[11]，合理解決了帶寬分配問(wèn)題。

表4 同步周期與同步精度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.4 Corresponding relationship between synchronization cycle and synchronization accuracy

另外，時(shí)間同步指標(biāo)精度測(cè)試中，主從節(jié)點(diǎn)之間的光纖路徑延時(shí)誤差為0 ns。當(dāng)光纖距離更長(zhǎng)時(shí)，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中可能存在一定的路徑延遲時(shí)。當(dāng)單端(主時(shí)鐘或從時(shí)鐘端)的接收延時(shí)和發(fā)送延時(shí)誤差在20 ns左右時(shí)，主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)之間的誤差最大為40 ns，理論上可造成的同步誤差為20 ns。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)人為注入路徑延時(shí)誤差20 ns后，可增加同步精度誤差20～30 ns。由于選用的電子學(xué)器件等級(jí)均為普軍級(jí)或宇航級(jí)，符合艙內(nèi)使用溫度，預(yù)計(jì)環(huán)境溫度對(duì)同步測(cè)試結(jié)果基本無(wú)影響，后續(xù)測(cè)試中將進(jìn)一步考慮測(cè)試環(huán)境溫度的實(shí)際影響程度。

2.3 共用信息分發(fā)

由于功能載荷的公共測(cè)量數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)傳輸給有需求的載荷，而FC-2層的傳輸實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)于FC-4層，不使用FC-AE-1553主從式交換數(shù)據(jù)方式，直接通過(guò)FC-AE協(xié)議通信，通信效率更高。因而，共用信息通過(guò)FC-AE-1553的FC-2層協(xié)議進(jìn)行采集和發(fā)送，通過(guò)FC-AE-1553分層傳輸不同精度等級(jí)的時(shí)間基準(zhǔn)和共用信息，載荷根據(jù)信息源來(lái)選擇所需的數(shù)據(jù)，開(kāi)展任務(wù)試驗(yàn)。共用信息在FC-AE-1553協(xié)議棧中的收發(fā)形式如圖14所示。

圖14 共用信息分發(fā)Fig.14 Public information distribution

由圖14可知，在實(shí)施時(shí)間同步的基礎(chǔ)上，通過(guò)FC-2層，同步發(fā)送網(wǎng)絡(luò)主機(jī)采集功能載荷的定位數(shù)據(jù)、原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)、原始姿態(tài)數(shù)據(jù)或解算后的姿態(tài)數(shù)據(jù)等，傳輸延遲和時(shí)間基準(zhǔn)誤差累計(jì)均不超過(guò)1 ms。各應(yīng)用載荷同時(shí)使用時(shí)間同步的時(shí)間基準(zhǔn)和共用信息，采用時(shí)間碼對(duì)齊方式，即可解析出自身所需的當(dāng)前時(shí)間基準(zhǔn)下(一般以整秒計(jì))高精度定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，為載荷任務(wù)的實(shí)施提供所需的數(shù)據(jù)輸入。共用信息分發(fā)的字節(jié)數(shù)和發(fā)送周期如表5所示。

表5 共用信息收發(fā)字節(jié)數(shù)和發(fā)送周期Tab.5 Public information bytes and sending cycle

3 時(shí)間基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)分類(lèi)

通過(guò)利用航天器平臺(tái)提供的廣播信息和秒脈沖硬接口，綜合利用功能載荷GNSS設(shè)備的秒脈沖硬接口和定位信息，以及天文載荷的姿態(tài)原始數(shù)據(jù)等共用信息。在FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)第2、3層之間實(shí)施時(shí)間同步，同時(shí)在第2層完成同步信息發(fā)送的功能，可支持應(yīng)用載荷不同等級(jí)需求的時(shí)間基準(zhǔn)和共用信息需求。

為了滿(mǎn)足不同時(shí)間基準(zhǔn)精度的需求，所采用的時(shí)間同步方式分類(lèi)如表6所示，其中絕大部分應(yīng)用載荷的時(shí)間基準(zhǔn)信息可選擇引入航天器秒脈沖、載荷GNSS秒脈沖的兩種方式，再通過(guò)FC-AE-1553時(shí)間同步機(jī)制來(lái)解決。根據(jù)載荷的時(shí)間基準(zhǔn)需求，載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)可實(shí)施兩種外部秒脈沖接口的輸入切換。而少數(shù)極高時(shí)間精度(Tb≤100 ns)需求的載荷可通過(guò)直接接入GNSS秒脈沖硬件接口并聯(lián)合FC-AE-1553同步數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制來(lái)滿(mǎn)足；粗時(shí)間基準(zhǔn)需求的載荷直接使用平臺(tái)廣播的時(shí)間信息和姿態(tài)軌道共用信息。

表6 不同時(shí)間基準(zhǔn)性能需求的載荷時(shí)間同步方式Tab.6 Time synchronization modes of the payloads with different timing requirements

4 結(jié)論

通過(guò)分析和試驗(yàn)，可以采用不同的手段滿(mǎn)足應(yīng)用載荷的高精度時(shí)間同步和共用信息的多種需求。利用航天器秒脈沖和平臺(tái)參數(shù)信息，可以解決對(duì)時(shí)間和姿軌數(shù)據(jù)等共用信息性能要求不高的載荷信息需求。統(tǒng)籌使用功能載荷GNSS設(shè)備的高精度時(shí)鐘源和定位信息以及天文載荷的姿態(tài)原始信息，并通過(guò)FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制，可以解決絕大部分載荷的高精度時(shí)間基準(zhǔn)和位置解算需求。利用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)勢(shì)，在FC-AE-1553協(xié)議底層，通過(guò)協(xié)議疊加的方式實(shí)現(xiàn)了IEEE 1588v2時(shí)間同步協(xié)議和同步數(shù)據(jù)發(fā)送功能，高效利用了高精度的時(shí)間基準(zhǔn)和共用信息資源，彌補(bǔ)了專(zhuān)用信息接口資源設(shè)計(jì)的不足。設(shè)計(jì)驗(yàn)證表明，F(xiàn)C-AE-1553網(wǎng)絡(luò)實(shí)施時(shí)間同步機(jī)制時(shí)，時(shí)鐘源和共用信息來(lái)自功能載荷與來(lái)自航天器平臺(tái)的信息源相比較，從功能載荷獲得的時(shí)間基準(zhǔn)精度和共用信息利用性能將高出3個(gè)數(shù)量級(jí)，載荷獲取的UTC時(shí)間精度達(dá)到百納秒量級(jí)。在光纖網(wǎng)絡(luò)上疊加時(shí)間同步協(xié)議不僅提高了時(shí)間精度利用量級(jí)，還大大減少了秒脈沖和數(shù)據(jù)交換硬件接口的數(shù)量、減輕了載荷設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和線(xiàn)纜設(shè)計(jì)的難度，為航天器設(shè)計(jì)節(jié)約了質(zhì)量資源。