溫 淵，張苗苗，張丹丹，李迎杰，王鳳陽，李云端

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

高光譜遙感技術(shù)具有觀測通道多、光譜分辨率高等特點(diǎn)，是遙感技術(shù)的重要發(fā)展方向[1-2]。高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境綜合監(jiān)測、地礦調(diào)查、大氣成分探測等諸多領(lǐng)域[3-10]。高光譜觀測衛(wèi)星（GF-5）衛(wèi)星是我國第1 顆高光譜綜合觀測衛(wèi)星，設(shè)計(jì)運(yùn)行于太陽同步軌道，軌道高度705 km，主要用于獲取從紫外到長波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，是我國高分專項(xiàng)的重要組成部分，是體現(xiàn)國家高光譜分辨率對(duì)地觀測能力的重要標(biāo)志[11-12]。

GF-5配置了可見短波紅外高光譜相機(jī)、全譜段光譜成像儀、大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀、大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀和大氣氣溶膠多角度偏振探測儀。這6 臺(tái)載荷，具有高光譜、太陽掩星、耀斑觀測、紅外、偏振、多角度等多種觀測手段[13]。

為滿足衛(wèi)星高精度姿態(tài)控制、有效載荷高圖像定位精度和配準(zhǔn)精度等需求，要求衛(wèi)星具有高精度時(shí)間同步精度[14-15]。本文設(shè)計(jì)了適用于GF-5的高精度時(shí)間同步系統(tǒng)方案，綜合通過星地時(shí)差集中校時(shí)、GPS 總線校時(shí)、GPS秒脈沖校時(shí)、校勻校時(shí)、總線廣播授時(shí)等多種校時(shí)方案，同時(shí)適應(yīng)一般精度需求和高精度時(shí)間同步應(yīng)用需求。針對(duì)星敏感器、可見短波紅外高光譜相機(jī)及全譜段光譜成像儀這3類對(duì)曝光時(shí)刻時(shí)間同步精度要求最高的遠(yuǎn)程終端，設(shè)計(jì)了3 種高精度時(shí)間同步方案，并利用在軌遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 衛(wèi)星時(shí)間同步總體方案

數(shù)管計(jì)算機(jī)（Central Terminal Unit，CTU）的時(shí)間是整星的系統(tǒng)時(shí)鐘，衛(wèi)星的姿態(tài)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、廣播消息和廣播時(shí)間等均采用系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行描述。系統(tǒng)時(shí)間采用UTC 時(shí)間基準(zhǔn)，以48 位0.1 ms 累計(jì)數(shù)作為星上的計(jì)時(shí)方式，數(shù)管周期性通過1553B總線將當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘廣播給各終端（Remote Terminal，RT）用戶使用。

為了獲得高精度的秒內(nèi)時(shí)間精度和高穩(wěn)定的時(shí)鐘周期，數(shù)管計(jì)算機(jī)采用高穩(wěn)恒溫晶振觸發(fā)產(chǎn)生16位長度、分辨率為0.1 ms的時(shí)鐘計(jì)數(shù)供軟件讀取。數(shù)管每一節(jié)拍開始時(shí)，通過讀取該時(shí)鐘計(jì)數(shù)，與上一節(jié)拍讀取的計(jì)數(shù)值獲取差值ΔT，累加到系統(tǒng)軟件時(shí)鐘上。數(shù)管通過1553B總線進(jìn)行廣播的頻率為1 Hz，在廣播前，提前把廣播產(chǎn)生的時(shí)延量進(jìn)行扣除。1553B總線時(shí)間廣播的準(zhǔn)確度受軟件處理時(shí)延和總線通信傳輸時(shí)延估算精度和穩(wěn)定度的影響，僅用廣播時(shí)間進(jìn)行校時(shí)的用戶存在ms級(jí)的誤差。

時(shí)間誤差將會(huì)對(duì)星敏感器的姿態(tài)測量和高分辨率相機(jī)的圖像定位帶來影響。表1給出不同時(shí)間精度對(duì)星敏感器及高分辨率相機(jī)的影響分析?？煽闯觯簩?duì)于星敏感器，當(dāng)時(shí)間誤差在5 ms 以內(nèi)時(shí)，星敏的指向誤差約小于1″，可以滿足姿態(tài)解算需求；對(duì)于高分辨率相機(jī)，當(dāng)時(shí)間誤差在5 ms 左右時(shí)，對(duì)定位造成的誤差就達(dá)37.5 m，遠(yuǎn)不能滿足高分辨率圖像定位的要求。

我國現(xiàn)有的常規(guī)遙感衛(wèi)星校時(shí)方案中：針對(duì)時(shí)間精度需求在ms 級(jí)的一般精度需求的終端，通過數(shù)管1553B 廣播等手段進(jìn)行時(shí)間同步[16]；針對(duì)時(shí)間精度需求在μs 級(jí)的終端（如高分辨率相機(jī)），可通過高精度時(shí)間基準(zhǔn)單元進(jìn)行高精度時(shí)間同步[17]。GF-5 同時(shí)存在了多種一般精度需求的終端及多種高精度需求的終端，為了簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，區(qū)別于其他高分辨率遙感衛(wèi)星，在不引入額外的時(shí)間基準(zhǔn)單元的情況下：對(duì)于一般精度需求的終端，僅采用1553B廣播同步的時(shí)統(tǒng)方案；對(duì)于高精度需求的終端，設(shè)計(jì)通過數(shù)管廣播結(jié)合GPS秒脈沖的時(shí)統(tǒng)方案，以滿足高精度時(shí)間同步需求[18]。GF-5時(shí)間同步架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 GF-5時(shí)間同步架構(gòu)示意圖Fig.1 Time synchronization framework of GF-5

各終端用戶根據(jù)自身需求，通過數(shù)管廣播獲取1553B接收時(shí)刻的時(shí)間，根據(jù)不同的精度需求，通過內(nèi)部的計(jì)數(shù)器等獲取進(jìn)一步細(xì)化終端時(shí)間。對(duì)于終端分系統(tǒng)下位機(jī)以外的其他單機(jī)，可以采用內(nèi)部秒脈沖等校時(shí)方式，如星敏感器由于沒有直接連接到1553B總線上，設(shè)計(jì)通過內(nèi)部秒脈沖與姿軌控計(jì)算機(jī)進(jìn)行時(shí)間同步，以避免姿軌控計(jì)算機(jī)至星敏感器之間再引入更大的時(shí)間誤差。已知秒脈沖本身的時(shí)間精度優(yōu)于1 μs，對(duì)時(shí)間精度要求較高的可見短波紅外高光譜相機(jī)及全譜段光譜成像儀設(shè)計(jì)采用GPS 秒脈沖進(jìn)行時(shí)間同步，通過1553B 獲取整秒時(shí)間，通過內(nèi)部計(jì)數(shù)器結(jié)合秒脈沖信號(hào)獲取秒內(nèi)時(shí)間。

2 具有多級(jí)故障重構(gòu)功能的系統(tǒng)校時(shí)方案

數(shù)管計(jì)算機(jī)時(shí)間是整星時(shí)間的基準(zhǔn)，其時(shí)間精度直接影響整星各終端的時(shí)間。數(shù)管計(jì)算機(jī)雖然采用了高穩(wěn)恒溫晶振，但其精度和穩(wěn)定度仍有限，長期積累也會(huì)發(fā)生時(shí)鐘漂移。為此，衛(wèi)星設(shè)計(jì)采用軟件時(shí)鐘，通過具有多級(jí)故障重構(gòu)功能的校時(shí)方案進(jìn)行校時(shí)，優(yōu)先級(jí)從高到低依次為GPS 秒脈沖校時(shí)、GPS 總線校時(shí)、高穩(wěn)晶振均勻校時(shí)、CPU 計(jì)時(shí)器均勻校時(shí)及軟鐘校時(shí)等，確保在GPS秒脈沖故障、GPS通信故障、高穩(wěn)晶振故障、CPU 計(jì)時(shí)器故障等情況下，衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)鐘誤差仍可控。為了進(jìn)一步提高可靠性，系統(tǒng)時(shí)鐘在內(nèi)存中同時(shí)維護(hù)3份。

2.1 GPS秒脈沖校時(shí)

GPS 接收機(jī)每1 s 通過RS422 輸出脈沖寬度為1 ms 的秒脈沖信號(hào)，信號(hào)形式為寬度1 ms 的負(fù)脈沖，時(shí)間精度可達(dá)1 μs。CTU 在接收到GPS 秒脈沖信號(hào)后，自動(dòng)鎖存時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的值，軟件周期性計(jì)算對(duì)應(yīng)GPS 秒脈沖時(shí)刻的數(shù)管系統(tǒng)時(shí)間，通過取模運(yùn)算（Mod）獲取整秒的余數(shù)，即與整秒的偏差值，用其修正本地時(shí)鐘。數(shù)管GPS秒脈沖校時(shí)的流程如圖2所示。

圖2 CTU秒脈沖校時(shí)流程圖Fig.2 CTU pulse per second time adjusting scheme

實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮到16 位內(nèi)部計(jì)數(shù)器的進(jìn)位，采用規(guī)范化處理的公式計(jì)算數(shù)管時(shí)間到秒脈沖時(shí)刻的間隔dT，計(jì)算公式如式（1）所示：

式（1）中：TPulse為秒脈沖時(shí)刻鎖存計(jì)數(shù)值；TLast為上一次數(shù)管時(shí)間；mod(?)為求余運(yùn)算。

數(shù)管遞推到秒脈沖時(shí)刻在秒內(nèi)的偏差TMod可由mod(T+dT,10 000 )計(jì)算。但由于MOD 公式的特性，計(jì)算得到的TMod結(jié)果在數(shù)值上可能為靠近0 的正數(shù)（圖2 所示的TMod1），或者為在數(shù)值上接近但小于10 000的數(shù)（圖2所示的TMod2），須對(duì)2種情況進(jìn)行規(guī)范化處理，計(jì)算公式如式（2）所示：

結(jié)合式（1）（2），得到有修正系統(tǒng)時(shí)間T的計(jì)算公式：

圖2 中：dT為數(shù)管時(shí)間到秒脈沖時(shí)刻的間隔；TPulse為秒脈沖時(shí)刻鎖存計(jì)數(shù)值；TLast為上一次數(shù)管時(shí)間；TMod為數(shù)管遞推到秒脈沖時(shí)刻的整秒偏差，修正后系統(tǒng)時(shí)間T=T-TMod。

通過對(duì)在軌的遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，在軌秒脈沖時(shí)差測量受限于時(shí)鐘量化精度為0.1 ms，誤差穩(wěn)定在±0.1 ms 以內(nèi)，如圖3所示。

圖3 CTU在軌GPS秒脈沖時(shí)差測量（校正）值Fig.3 CTU in-orbit GPS pulse per second time adjusting scheme

2.2 GPS總線校時(shí)

當(dāng)GPS秒脈沖信號(hào)故障時(shí)，數(shù)管計(jì)算機(jī)自動(dòng)降級(jí)到GPS 總線校時(shí)。數(shù)管計(jì)算機(jī)每秒通過1553B 總線向各終端用戶廣播已修正軟件時(shí)延和通信時(shí)延的當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘。GPS接收機(jī)收到數(shù)管廣播時(shí)鐘后，在接收機(jī)內(nèi)部進(jìn)行GPS-CTU 時(shí)差的計(jì)算，把計(jì)算差值通過總線消息返回給數(shù)管計(jì)算機(jī)。數(shù)管計(jì)算機(jī)收到該消息后，在判斷正確與否及地面授權(quán)的情況下，將該時(shí)差修正到當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間中。GPS 總線校時(shí)的優(yōu)先級(jí)僅次于GPS秒脈沖校時(shí)，GPS總線時(shí)差在軌實(shí)測精度接近時(shí)間量化精度，在-0.1～0.2 ms，如圖4所示。

圖4 CTU在軌GPS總線時(shí)差測量精度Fig.4 CTU in-orbit GPS bus timing gap measuring accuracy

2.3 高穩(wěn)晶振均勻校時(shí)

在默認(rèn)的情況下，數(shù)管計(jì)算機(jī)采用精度達(dá)10-8、穩(wěn)定度達(dá)10-9的高穩(wěn)恒溫晶振產(chǎn)生的100 μs的時(shí)鐘計(jì)數(shù)作為星上時(shí)間的基準(zhǔn)。地面根據(jù)星上下傳的遙測幀中的數(shù)管時(shí)鐘與地面時(shí)鐘進(jìn)行比對(duì)，扣除設(shè)備固定時(shí)延和軌道空間時(shí)延，可計(jì)算星地時(shí)差。

地面根據(jù)一段時(shí)間的星地時(shí)差變化情況，評(píng)估生成集中校時(shí)注數(shù)對(duì)星上時(shí)鐘進(jìn)行整體修正.對(duì)時(shí)差的線性變化部分，生成均勻校時(shí)注數(shù)，即周期性地進(jìn)行時(shí)鐘撥快或撥慢1 個(gè)時(shí)間單位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)星上時(shí)鐘的漂移情況修正。

根據(jù)時(shí)鐘的精度和穩(wěn)定度，使用該方法，每天1次星地時(shí)差測量與校正，可以保證衛(wèi)星星地時(shí)差優(yōu)于5 ms 的要求。利用高穩(wěn)晶振進(jìn)行星地時(shí)差測量后，進(jìn)行集中及均勻校時(shí)的校時(shí)流程如圖5所示。

圖5 高穩(wěn)晶振均勻校時(shí)流程Fig.5 Time Synchronization scheme of high stability crystal homogeneous adjustment

2.4 CPU計(jì)時(shí)器均勻校時(shí)

星上設(shè)計(jì)了計(jì)時(shí)器切換的硬件結(jié)構(gòu)，可通過地面遙控注數(shù)選擇采用高穩(wěn)晶振計(jì)時(shí)器或CPU 晶振計(jì)時(shí)器。CPU 自帶的晶振計(jì)時(shí)器精度不如高穩(wěn)晶振計(jì)時(shí)器，默認(rèn)選擇高穩(wěn)晶振計(jì)時(shí)器。通過更頻繁地星地時(shí)差測量分析及集中校時(shí)，在高穩(wěn)晶振失效后，也可以保證衛(wèi)星的星地時(shí)差優(yōu)于5 ms。星上高穩(wěn)晶振和CPU晶振的硬件切換結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

2.5 軟鐘校對(duì)

星上設(shè)計(jì)是在硬件計(jì)數(shù)器均不可用的情況下，采用的1種軟件節(jié)拍累加計(jì)時(shí)手段，即每個(gè)0.5 s軟件周期，直接給系統(tǒng)時(shí)間加上0.5 s，再結(jié)合均勻校時(shí)手段，實(shí)現(xiàn)具有一定精度的最小配置、最簡時(shí)間生成手段。

3 適應(yīng)不同精度需求的終端時(shí)間同步方案

GF-5 的終端時(shí)間同步方案基于1553B 廣播及GPS秒脈沖，不采用時(shí)間基準(zhǔn)單元。一般精度需求下直接采用1553B 總線時(shí)間廣播結(jié)合內(nèi)部計(jì)數(shù)器獲得本地時(shí)間，終端內(nèi)部的其他單機(jī)再設(shè)計(jì)內(nèi)部秒脈沖等方式進(jìn)行時(shí)間同步；高精度需求下，設(shè)計(jì)通過1553B廣播結(jié)合GPS 秒脈沖進(jìn)行時(shí)間獲取。下面分別給出星上4種典型的時(shí)間獲取方式。

3.1 基于1553B中斷的時(shí)間同步方案

姿軌控計(jì)算機(jī)、低分辨率觀測載荷等終端用戶設(shè)計(jì)采用基于1553B 中斷的時(shí)間同步方案。終端在本地維護(hù)1個(gè)本地時(shí)間，收到1553B廣播中斷后，對(duì)本地時(shí)間的偏差進(jìn)行計(jì)算，以便進(jìn)行時(shí)間誤差修正。終端本地具有1個(gè)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，當(dāng)終端下位機(jī)軟件每收到1次數(shù)管廣播（中斷）時(shí)，可先通過判斷前后2 次數(shù)管廣播時(shí)鐘的差值等狀態(tài)，判斷數(shù)管時(shí)鐘是否在正常范圍。如果正常，在1553B 時(shí)鐘廣播觸發(fā)的中斷內(nèi)，計(jì)算終端系統(tǒng)時(shí)鐘與1553B 廣播時(shí)鐘的鐘差ΔT，作為校時(shí)量使用。在終端下位機(jī)軟件的時(shí)間周期任務(wù)開始時(shí)，將終端系統(tǒng)鐘加上鐘差ΔT獲得校正后的時(shí)間?；?553B中斷的時(shí)間同步方案如圖7所示。

圖7 基于1553B中斷的終端時(shí)鐘方案Fig.7 Time synchronization scheme based on 1553B interruption

圖7 中：TRT為終端上一拍的時(shí)間；為終端收到的數(shù)管時(shí)間，在廣播時(shí)已經(jīng)對(duì)運(yùn)算及總線傳輸時(shí)延進(jìn)行了修正；Nlast為終端上一拍的內(nèi)部計(jì)數(shù)值；Nint為收到數(shù)管時(shí)刻的內(nèi)部計(jì)數(shù)值。

需要考慮到內(nèi)部計(jì)數(shù)器的溢出影響，廣播接收時(shí)刻的時(shí)差ΔT由式（4）計(jì)算：

式（4）中：n為內(nèi)部計(jì)數(shù)器時(shí)間量化精度；M為內(nèi)部計(jì)數(shù)器發(fā)生進(jìn)位的數(shù)值。

在每個(gè)終端時(shí)間周期的開始，進(jìn)行新終端時(shí)間的維護(hù)，由式（5）計(jì)算：

該方案允許終端進(jìn)行整體校時(shí)，以修正與1553B廣播的時(shí)間延遲。可以對(duì)數(shù)管時(shí)間進(jìn)行合法性、均勻性判斷，增加可靠性措施。

3.2 基于1553B及內(nèi)部秒脈沖的時(shí)間同步方案

衛(wèi)星星敏感器采用基于1553B 及內(nèi)部秒脈沖的時(shí)間同步方案。姿軌控計(jì)算機(jī)通過1553B進(jìn)行校時(shí)，與星敏感器通過RS422 進(jìn)行連接，采用內(nèi)部秒脈沖（Pulse Per Second，PPS）信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步，采用RTS（Request to Send，RTS）信號(hào)提出數(shù)據(jù)獲取請(qǐng)求。當(dāng)姿軌控計(jì)算機(jī)發(fā)送PPS信號(hào)時(shí)，星敏感器鎖存對(duì)應(yīng)時(shí)刻的本地鐘TPPS，單位ms。當(dāng)姿軌控計(jì)算機(jī)置低RTS信號(hào)時(shí)，星敏感器將鎖存該時(shí)刻的本地鐘TRTS，單位ms，并發(fā)送最新解算姿態(tài)數(shù)據(jù)包，在數(shù)據(jù)包中給出曝光時(shí)刻TExp至最近1 次PPS 之間的曝光時(shí)差ΔTEP。由于RTS 為0.25 s 一次，PPS 為1 s 一次，兩者的周期不一致，有可能存在RTS 信號(hào)與曝光時(shí)刻TExp之間有PPS信號(hào)更新的情況。在計(jì)算曝光時(shí)刻TExp時(shí)間時(shí)，需要根據(jù)TRTS與TPPS的時(shí)差()ΔTRP=TRTS-TPPS進(jìn)行判斷。基于內(nèi)部秒脈沖的星敏感器各類時(shí)間示意圖，如圖8所示。

圖8 基于內(nèi)部秒脈沖的星敏感器各類時(shí)間示意圖Fig.8 Time schematic of star sensor based on internal PPS

根據(jù)邏輯關(guān)系有星敏感器曝光時(shí)刻TExp由式（6）計(jì)算：

3.3 可見短波紅外高光譜相機(jī)高可靠時(shí)間同步方案

可見短波紅外高光譜相機(jī)空間分辨率為30 m。為了滿足圖像定位精度和配準(zhǔn)精度的需求，設(shè)計(jì)采用GPS 秒脈沖進(jìn)行校時(shí)，當(dāng)接收到秒脈沖時(shí)，載荷微秒計(jì)數(shù)器清零。

為了適應(yīng)發(fā)生秒脈沖異常、廣播異常等可能性，設(shè)計(jì)有由電控箱維護(hù)的內(nèi)部100 μs 計(jì)數(shù)和頭部電路維護(hù)的內(nèi)部μs計(jì)數(shù)，分別由時(shí)間廣播和GPS秒脈沖觸發(fā)清零操作。另設(shè)計(jì)“本地緩存時(shí)鐘1”和“本地緩存時(shí)鐘2”對(duì)時(shí)間進(jìn)行緩存，進(jìn)一步提高可靠性。

可見短波紅外高光譜相機(jī)的時(shí)間碼的傳遞流程如圖9所示。

圖9 可見短波紅外高光譜相機(jī)時(shí)間傳遞流程Fig.9 AHSⅠtiming flow diagram

其中，“本地緩存時(shí)鐘1”“本地緩存時(shí)鐘2”和“本地時(shí)鐘”的定義如下。

1）本地緩存時(shí)鐘1：在可見短波相機(jī)內(nèi)部維護(hù)的1 個(gè)載荷實(shí)時(shí)鐘，用于緩存最新獲取的星上時(shí)間。在與“本地緩存時(shí)鐘2”比較后，判斷是否需要更新本地時(shí)鐘，若需要，則可將“本地緩存時(shí)鐘1”賦值給“本地緩存時(shí)鐘2”。

2）本地緩存時(shí)鐘2：在可見短波相機(jī)內(nèi)部維護(hù)的1個(gè)載荷實(shí)時(shí)鐘，用于緩存即將需要更新的本地時(shí)鐘，“本地緩存時(shí)鐘2”在成像脈沖觸發(fā)后延遲賦值到本地時(shí)鐘。

3）本地時(shí)鐘：可見短波相機(jī)內(nèi)部維護(hù)的1個(gè)載荷實(shí)時(shí)鐘，在成像脈沖觸發(fā)時(shí)將每幀的成像時(shí)刻打入輔助數(shù)據(jù)包。

為了適應(yīng)數(shù)管廣播及秒脈沖可能存在故障后的應(yīng)用，對(duì)數(shù)管廣播及秒脈沖的計(jì)數(shù)值進(jìn)行邏輯判斷，根據(jù)正常范圍進(jìn)行處理。星上GPS 秒脈沖設(shè)計(jì)的精度為1 μs。當(dāng)GPS 秒脈沖正常時(shí)，微秒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值范圍在1 000 000±1 以內(nèi)，超出則認(rèn)為GPS 秒脈沖失效；若星上100 μs計(jì)數(shù)廣播正確，則本地緩存時(shí)鐘1和2 中的時(shí)間之差在[-5 ms,5 ms] 內(nèi)，若監(jiān)測到超出范圍，則可認(rèn)為星上100 μs計(jì)數(shù)廣播失效。

3.4 全譜段光譜成像儀簡化的時(shí)間同步方案

全譜段光譜成像儀最高空間分辨率為20 m。為了滿足圖像定位和通道配準(zhǔn)的需求，引入了GPS秒脈沖進(jìn)行高精度校時(shí)。全譜段光譜成像儀管理控制盒通過1553B總線接收數(shù)管廣播時(shí)間碼，通過RS-422接口接收GPS 接收機(jī)發(fā)送的秒脈沖。管理控制盒在收到時(shí)間碼和秒脈沖后不做處理，直接向信號(hào)處理盒轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間碼和秒脈沖信號(hào)。信號(hào)處理盒完成圖像輔助數(shù)據(jù)的編碼，包括廣播時(shí)間碼、行同步對(duì)應(yīng)內(nèi)部計(jì)時(shí)鎖存值、秒脈沖對(duì)應(yīng)內(nèi)部計(jì)時(shí)鎖存值的記錄和打包。全譜段光譜成像儀數(shù)管廣播時(shí)間碼和GPS 秒脈沖的傳遞流程如圖10所示。

圖10 全譜段光譜成像儀時(shí)間傳遞流程Fig.10 VⅠMⅠtiming flow diagram

基于該硬件方案，原設(shè)計(jì)入軌后，采用直接時(shí)間碼重建方法，即使用廣播時(shí)間的整秒，加上成像時(shí)內(nèi)部計(jì)數(shù)器與秒脈沖時(shí)刻的差值對(duì)應(yīng)的秒內(nèi)時(shí)差，

式（7）中：Tn+1為上一個(gè)整秒計(jì)數(shù)；NH為行同步計(jì)數(shù)器數(shù)值；Nn+1為上一個(gè)秒脈沖對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器數(shù)值；M為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)數(shù)量。

實(shí)際上，由于廣播更新時(shí)刻與秒脈沖下降沿更新時(shí)刻完全不相關(guān)，二者的秒長存在差異，如果直接采用廣播時(shí)鐘的整秒，不管是直接取整數(shù)部分還是通過四舍五入取整數(shù)，均有可能產(chǎn)生整秒值的1 s模糊。為了解決該問題，利用數(shù)管廣播時(shí)間更新時(shí)的成像行對(duì)應(yīng)的內(nèi)部計(jì)數(shù)，以及秒脈沖更新時(shí)刻的內(nèi)部計(jì)數(shù)之間的關(guān)系，嚴(yán)格重新計(jì)算數(shù)管廣播時(shí)刻的精確時(shí)間，四舍五入計(jì)算秒脈沖更新時(shí)刻的準(zhǔn)確整秒時(shí)間。全譜段光譜成像儀秒脈沖校時(shí)實(shí)現(xiàn)方案中各計(jì)數(shù)之間的時(shí)序關(guān)系，如圖11所示。

圖11 全譜段光譜成像儀秒脈沖校時(shí)實(shí)現(xiàn)方案原理圖Fig.11 Schematic diagram of realization scheme of VⅠMⅠpulse per second time correction

4 時(shí)間精度分析

下面分別給出各時(shí)間重建算法的地面重建的精度分析結(jié)果。

4.1 數(shù)管高穩(wěn)晶振在GPS失效后的時(shí)間精度分析

已知高穩(wěn)晶振的時(shí)鐘頻率f為5 MHz。經(jīng)測試，數(shù)管計(jì)算機(jī)A 機(jī)的高穩(wěn)晶振的穩(wěn)定度Δf為1.2×10-9，用t表示待求的漂移時(shí)間（守時(shí)誤差）。t時(shí)間內(nèi)，總晶振脈沖個(gè)數(shù)為ft，當(dāng)存在頻率偏差時(shí)，根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)一致，有時(shí)鐘的漂移方程如下：

兩邊約去f，則上式可展開為：

忽略二階小量Δf×Δt，漂移時(shí)間（守時(shí)誤差）可簡化為：

當(dāng)門限 Δt取0.1 ms 時(shí)，可計(jì)算出t為8.33×104s，約等于0.965 d，即當(dāng)GPS 秒脈沖失效時(shí)，時(shí)鐘誤差在1 d左右才漂移出1個(gè)時(shí)間碼字0.1 ms。

4.2 星敏感器時(shí)間精度分析

衛(wèi)星姿態(tài)測量誤差包括失重后的重力釋放誤差、在軌熱變化誤差、測量低頻誤差、測量噪聲等，在入軌后難以直接評(píng)價(jià)，地面多通過高分辨率載荷的地標(biāo)匹配等對(duì)姿態(tài)絕對(duì)測量誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過星敏的夾角法等對(duì)姿態(tài)的測量噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖12 給出進(jìn)行時(shí)間碼重建后，在軌星敏感器連續(xù)3軌的夾角噪聲情況。

圖12 2臺(tái)星敏感器的夾角噪聲情況Fig.12 Noise of the included angle of two star sensors

對(duì)該星敏的測量噪聲求3 倍標(biāo)準(zhǔn)差有3σ噪聲為5.2″，而1 ms的時(shí)間誤差就達(dá)到3.6″，由此推斷出星敏感器的時(shí)間重建沒有出現(xiàn)跳變等錯(cuò)誤。衛(wèi)星地面系統(tǒng)的在圖像定位過程中，對(duì)星敏事后處理精度分析結(jié)果如表2所示。

表2 在軌星敏感器隨機(jī)誤差情況統(tǒng)計(jì)Tab.2 Random error statistics of star sensors in orbit

從表2 的結(jié)果可知，衛(wèi)星星敏感器的夾角中誤差優(yōu)于3.2"，星敏時(shí)間重建方法可滿足使用的要求。經(jīng)過熱變形標(biāo)定，圖像定位精度從約200 m 提升至優(yōu)于45 m。

4.3 可見短波紅外高光譜相機(jī)時(shí)間精度分析

利用文中給出的可見短波紅外高光譜相機(jī)高可靠時(shí)間同步方法，任意取1 天（2018 年11 月9 日）的光照期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到成像幀間時(shí)差曲線如圖13所示。

圖13 可見短波紅外高光譜相機(jī)成像幀間時(shí)差Fig.13 AHSⅠtiming gaps of adjacent frame

從圖13可看出，可見短波紅外高光譜相機(jī)的相鄰成像幀間時(shí)差的波動(dòng)值小于6 μs，沒有出現(xiàn)整秒的不確定情況，時(shí)間碼的重建精度可滿足圖像定位及配準(zhǔn)要求。

4.4 全譜段光譜成像儀時(shí)間精度分析

利用全譜段光譜成像儀時(shí)間同步方法，對(duì)衛(wèi)星第3 505 圈（2019 年1 月4 日）的全譜段光譜成像儀遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從廣播時(shí)間遞推至下一秒脈沖時(shí)間的修正量及秒脈沖時(shí)刻數(shù)管時(shí)間的小數(shù)部分，如圖14所示。

圖14 從廣播時(shí)間遞推的秒脈沖時(shí)刻的修正值及秒內(nèi)余數(shù)Fig.14 Broadcast-derived PPS modified time and fractional part

全譜段光譜成像儀時(shí)間碼重建后，相鄰成像幀間的時(shí)差如圖15所示?？梢姡粫?huì)出現(xiàn)原直接時(shí)間碼重建方法出現(xiàn)的整秒跳動(dòng)情況。從圖15可看出，全譜段光譜成像儀的相鄰成像幀間時(shí)差的波動(dòng)值小于3 μs，時(shí)間碼的重建精度可滿足圖像定位及配準(zhǔn)要求。

圖15 全譜段光譜成像儀相鄰成像幀間時(shí)差Fig.15 VⅠMⅠtiming gaps of adjacent frame

圖16 給出采用本文提出時(shí)間碼重建方法的2019年2月25日第4 263圈及2019年5月1日第5 209圈前后幀幀間時(shí)差分析結(jié)果?？梢钥闯觯翰捎帽疚牡臅r(shí)間碼重建方法，時(shí)間碼不存在跳變；而采用最早提出的基于廣播時(shí)間整秒+秒脈沖秒內(nèi)計(jì)數(shù)的直接時(shí)間碼重建方法，存在時(shí)間碼跳變。

圖16 全譜段光譜成像儀不同時(shí)間的相鄰成像幀間時(shí)差Fig.16 VⅠMⅠtiming gaps of adjacent frame in different imaging times

圖17 給出采用直接時(shí)間碼重建方法的2019 年2月25 日第4 263 圈及2019 年5 月1 日第5 209 圈前后幀幀間時(shí)差分析結(jié)果。

圖17 全譜段光譜成像儀不同時(shí)間的相鄰成像幀間時(shí)差（直接法）Fig.17 VⅠMⅠtiming gaps of adjacent frame in different imaging times by direct timing method

可以看出，采用原來的直接秒脈沖加秒內(nèi)計(jì)數(shù)法，在第4 263 圈的成像中，時(shí)間碼存在來回跳變，在第5 209圈的成像中，第1幀時(shí)間偏差1 s，后續(xù)時(shí)間整體偏差1 s。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了適用于GF-5 的高精度時(shí)間同步系統(tǒng)方案，對(duì)于系統(tǒng)時(shí)間，綜合采用集中校時(shí)、GPS總線校時(shí)、GPS 秒脈沖校時(shí)、校勻校時(shí)等多種校時(shí)方案。對(duì)于終端用戶，給出適應(yīng)一般精度需求的基于1553B中斷的時(shí)間同步方案、基于1553B及內(nèi)部秒脈沖的時(shí)間同步方案、適應(yīng)高精度應(yīng)用需求的可見短波紅外高光譜相機(jī)高可靠時(shí)間同步方案、全譜段光譜成像儀簡化的時(shí)間同步方案以及推薦的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖應(yīng)用時(shí)間同步方案，可用作遙感衛(wèi)星時(shí)統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的參考。經(jīng)過評(píng)估，在GPS 秒脈沖失效后，數(shù)管計(jì)算機(jī)的高穩(wěn)晶振可以使系統(tǒng)時(shí)鐘誤差在1 d 左右漂移出0.1 ms。利用在軌遙感下傳數(shù)據(jù)對(duì)星敏感器、可見短波紅外高光譜相機(jī)及全譜段光譜成像儀曝光時(shí)刻的時(shí)間重建精度進(jìn)行了評(píng)估。分析表明：星敏感器、可見短波紅外高光譜相機(jī)、全譜段光譜成像儀這3 臺(tái)儀器的時(shí)統(tǒng)方案可滿足高精度圖像定位及配準(zhǔn)的要求。