王 躍，戰(zhàn) 毅，陳 超

(1.中國空間技術研究院，北京100094;2.北京控制工程研究所，北京100190)

0 引言

衛(wèi)星控制系統(tǒng)主要完成衛(wèi)星姿態(tài)及軌道控制任務，但對于測繪衛(wèi)星而言，控制分系統(tǒng)除完成常規(guī)控制任務外，還需要配合有效載荷提供帶有時標的姿態(tài)測量數(shù)據(jù).隨著測繪任務對姿態(tài)測量精度要求的不斷提升，而且有效載荷需要控制分系統(tǒng)提供帶有高精度時標信息的姿態(tài)數(shù)據(jù)，對控制分系統(tǒng)時間處理的精度要求也不斷提高［1］.

為確保衛(wèi)星載荷、控制等相關系統(tǒng)使用統(tǒng)一的時間基礎，衛(wèi)星必須設計高精度且可靠的時統(tǒng)系統(tǒng)，同時，各個分系統(tǒng)也要配合整星時統(tǒng)設計內(nèi)部的時間系統(tǒng)，以保證時間系統(tǒng)的精確和可靠［2］.

本文回顧了中國測繪衛(wèi)星發(fā)展過程中控制系統(tǒng)幾種時統(tǒng)方案，同時給出了一種基于硬件鎖存GPS秒脈沖的高精度時統(tǒng)方案，并對誤差進行了分析.

1 遙感衛(wèi)星時統(tǒng)方案介紹

1.1 自守時方案

早期遙感衛(wèi)星的時統(tǒng)主要采用自守時方案，依靠自身晶振的穩(wěn)定性保證控制分系統(tǒng)的時統(tǒng)精度，一般晶振的穩(wěn)定度是10-5，長時間運行時，隨著時間的加長，累計誤差越來越大，必然出現(xiàn)較大時間偏差，無法滿足控制分系統(tǒng)時標精度要求.通過軟件均勻校時的方法可在一定程度上進行誤差補償，即在軟件計時中根據(jù)實測的時鐘穩(wěn)定性進行偏差補償，一定程度上能夠補償晶振穩(wěn)定度的偏差，但是由于晶振穩(wěn)定度的變化與溫度、器件等級、運行時間等多種因素有關，特別是衛(wèi)星在軌長時間運行后，晶振穩(wěn)定度將會發(fā)生較大變化，影響計時精度，因此只能作為粗校時方案，很難實現(xiàn)高精度校時［3］.

1.2 軟件校時方案

為確保衛(wèi)星幾個有計時精度要求的分系統(tǒng)之間具有統(tǒng)一且精確的時間系統(tǒng)，某些衛(wèi)星采用頻繁集中校時的方案，通過總線在一定時間內(nèi)對載荷、控制等重要分系統(tǒng)進行一次校時，由于總線容量有限，不可能頻繁校時，一般校時頻率為分鐘級，這樣在校時期間就需要分系統(tǒng)進行自守時，由于重量功耗限制，控制分系統(tǒng)一般不采用高精度時鐘(帶有溫控的時鐘或原子鐘)，因此守時相對精度一般在10 μs/s左右(時鐘穩(wěn)定度穩(wěn)定度是10-5)，這樣1分鐘內(nèi)累計時鐘偏差已經(jīng)接近1 ms.

1.3 統(tǒng)一時鐘方案

采用整星統(tǒng)一晶振時鐘的方案，整星時統(tǒng)系統(tǒng)為幾個有時間精度要求的分系統(tǒng)統(tǒng)一提供高精度晶振時鐘，控制系統(tǒng)接收該時鐘作為系統(tǒng)時鐘，引入AOCC時鐘系統(tǒng)，作為CPU時鐘.這種方法從理論上是一種高精度時統(tǒng)，但存在不同系統(tǒng)分頻誤差，而且整星統(tǒng)一時鐘如發(fā)生故障，將直接導致AOCC無法工作，同時高頻時鐘信號的傳輸也會存在較多EMC問題，這種方案對于實現(xiàn)幾個分系統(tǒng)同步具有一定的作用，但在可靠性、實用性等方面存在一定缺陷.

1.4 基于GPS秒脈沖的軟件中斷校時方案

隨著GPS技術在衛(wèi)星上的應用，通過GPS接收機獲取精確絕對時間，并以此為時鐘源對控制系統(tǒng)進行校時成為可能.目前普遍采用的是GPS秒脈沖+整秒信息的方式進行校時，即整星通過發(fā)送固定間隔的脈沖信號(一般每秒一次)作為分系統(tǒng)高精度校時的基準點，并通過數(shù)字總線等形式發(fā)送秒脈沖所對應時刻的絕對星時，這樣，控制系統(tǒng)可依據(jù)此信息進行高精度校時.GPS秒脈沖精度能夠達到20 ns［4］，考慮線路處理誤差，GPS 秒脈沖到達接收端時延誤差優(yōu)于1 μs.對于控制分系統(tǒng)，此方法能夠為分系統(tǒng)提供高精度的時鐘基準，且由于校時間隔小，對控制分系統(tǒng)自守時精度要求不高.

對于秒脈沖的使用，可采用軟件中斷的方式進行校時，將秒脈沖作為控制計算機的一級中斷，當有秒脈沖時，產(chǎn)生中斷，軟件讀取當前計時器星時(相對星時)，再根據(jù)總線發(fā)送的秒脈沖所對應的絕對星時計算出當前的絕對星時.采用此方式，優(yōu)點是簡單可靠，缺點是由于軟件中斷存在時間延遲，導致從秒脈沖上升沿到軟件讀取GPT星時會產(chǎn)生時間延遲，導致時統(tǒng)計時不準確.如果中斷種類較多，發(fā)生中斷嵌套，將會增大計時誤差.

對于測繪衛(wèi)星，要求姿態(tài)時標具有較高的精度，因此需采用更加準確的控制分系統(tǒng)時統(tǒng)設計.

2 基于硬件的控制分系統(tǒng)時統(tǒng)設計

2.1 時統(tǒng)精度需求

星敏和陀螺作為目前遙感衛(wèi)星主要的高精度敏感器，因此測繪衛(wèi)星控制系統(tǒng)除滿足常規(guī)控制任務外，還需為有效載荷提供帶有高精度時標的星敏感器和陀螺的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)測繪精度的要求，星敏感器和陀螺測量數(shù)據(jù)相應時標精度應優(yōu)于70 μs.

2.2 硬件系統(tǒng)設計

為確保滿足測繪衛(wèi)星控制系統(tǒng)時統(tǒng)精度要求，經(jīng)分析，設計了一種基于硬件鎖存技術的時統(tǒng)方案.

控制系統(tǒng)AOCC與星敏感器和陀螺之間、AOCC與外部分系統(tǒng)之間涉及時統(tǒng)的信號流如圖1所示:對于星敏感器，AOCC提供每個星敏一路獨立的同步信號(PPS1/PPS2/PPS3)，同時提供一路通訊通道，用于數(shù)據(jù)及指令傳輸;對于陀螺，AOCC輸出一路陀螺同步信號(PPS4)，同時提供一路通訊通道，用于采集陀螺數(shù)據(jù);AOCC接收外部輸入的GPS秒脈沖信號，同時通過OBDH總線接收GPS秒脈沖對應的整秒時間數(shù)據(jù).

針對星敏感器和陀螺高精度時標要求，需要在控制系統(tǒng)內(nèi)部設計硬件同步信號(PPS)，通過硬件同步信號，對時間進行鎖存.涉及到的硬件同步信號包括:GPS秒脈沖信號、星敏感器同步信號(PPS1/PPS2/PPS3)、陀螺同步信號(PPS4)、控制周期信號，其中GPS秒脈沖信號為外部輸入，其余均由AOCC內(nèi)部的ASIC/FPGA產(chǎn)生，輸出給其他部分，并進行時間鎖存.ASIC/FPGA內(nèi)部設計一個高精度時鐘鎖存模塊，根據(jù)硬件時鐘進行高精度星時計數(shù)，并分別鎖存控制周期上升沿、GPS秒脈沖下降沿、星敏感器同步下降沿、陀螺同步信號下降沿，分別存入相應寄存器，供CPU讀取.

圖1 時統(tǒng)系統(tǒng)信號流圖Fig.1 Diagram of timing system

如圖2所示，根據(jù)AOCC任務要求，選擇不同長度的控制周期;根據(jù)星敏感器自身時序特點，選擇星敏感器同步信號合適的頻率以及相對于AOCC控制周期的合適相位，以滿足星敏感器同步曝光以及數(shù)據(jù)更新的需求;陀螺信號處理一般可按照控制周期時序，因此陀螺PPS信號可以與控制周期同頻率，相位可根據(jù)系統(tǒng)時序靈活設置.以上參數(shù)可通過CPU進行設置，以滿足不同時序要求.

圖2 同步信號示意圖Fig.2 Sketch of the Synchronous Pulses

2.3 時統(tǒng)計算方法

時統(tǒng)設計的原則是AOCC通過ASIC/FPGA星時鎖存模塊自主進行計時，當滿足GPS秒脈沖校時條件時，用GPS秒脈沖信息對AOCC使用的星時進行校正.

(1)AOCC自主進行星時計算

在每個控制周期的上升沿(觸發(fā)控制周期中斷程序)鎖存當前的星時計數(shù)器數(shù)值，用以計算對應的絕對星時.假定AOCC的控制周期為tCON，如圖3所示，第1個周期的上升沿記錄的星時為T1CON，對應的絕對星時為t1CON，則在第2個周期的上升沿記錄的星時為T2CON，對應的絕對星時為:

以此類推:

圖3 控制分系統(tǒng)高精度校時時序圖Fig.3 Timing diagram of AOCS

星時計數(shù)器溢出時，軟件可判斷并校正.

(2)采用GPS秒脈沖進行高精度校時

當采用GPS秒脈沖校時時，AOCC對GPS秒脈沖下降沿進行鎖存，并記錄對應的當前星時計數(shù)器數(shù)值，OBDH總線向AOCC發(fā)送GPS秒脈沖對應的整秒數(shù)據(jù)，通過軟件對秒脈沖以及整秒數(shù)據(jù)進行正確性判別，確認正確后建立GPS秒脈沖校時標志有效;應用軟件在每個控制周期開始時，對GPS秒脈沖校時標志有效性進行判斷，如果滿足條件，即可在本周期進行GPS秒脈沖校時，具體算法如下:

如圖3所示，在第1個控制周期(例如250 ms)中，收到GPS秒脈沖，通過下降沿鎖存對應的星時計數(shù)器數(shù)值T1mmc.在第2個和第3個控制周期之間通過OBDH總線接收到對應的整秒數(shù)據(jù)tmmc，此時第3個控制周期已完成絕對星時計算.在最近的第4個控制周期中采用GPS秒脈沖數(shù)據(jù)進行絕對星時計算.

相比于t4CON=t3CON+|T4CON-T3CON|，以上絕對星時的計算具有更高的精度，通過以上方式，實現(xiàn)整星對控制分系統(tǒng)的高精度校時.

(3)星敏感器及陀螺時標推導算法

星敏感器曝光與控制周期時序圖見圖4所示，其中dt為星敏感器輸出的曝光周期相對時標，即曝光周期中心點距離星敏同步信號的相對時間差.根據(jù)該時序關系可知，其星敏感器數(shù)據(jù)時標的星時計算方法為:

圖4 星敏感器及陀螺時序圖Fig.4 Timing diagram of star sensors and gyros

陀螺線路根據(jù)陀螺同步信號，對陀螺數(shù)據(jù)進行積分處理，給出處理數(shù)據(jù)，因此，AOCC軟件能夠根據(jù)硬件鎖存的陀螺同步信號時標推算出陀螺數(shù)據(jù)所對應的高精度時標，具體算法如下:

3 時統(tǒng)誤差分析

采用基于硬件鎖存的秒脈沖校時方法，校時流程中可能造成時間延誤的環(huán)節(jié)及延遲量如下:

(1)GPS秒脈沖自身時延誤差:Tpd1＜1 μs;

(2)接口電路時延誤差:Tpd2＜22 ns;

(3)ASIC/FPGA星時計數(shù)器鎖存時延:Tpd3＜900 ns;

(4)ASIC/FPGA星時計數(shù)器自守時誤差:晶振穩(wěn)定度4.0×10-5(考慮初始精度誤差及壽命末期老化誤差)，校時周期不超過1 s，則自守時誤差Tpd＜40 μs.

從上可以分析得出AOCC采用GPS秒脈沖進行高精度校時的在軌實時誤差

4 試驗結果

該時統(tǒng)方案應用于某測繪衛(wèi)星控制分系統(tǒng)技術設計中，在地面試驗系統(tǒng)中對AOCC時統(tǒng)精度進行了測試，通過測試，該控制系統(tǒng)時統(tǒng)精度35 μs，滿足測繪衛(wèi)星對控制系統(tǒng)時統(tǒng)精度的要求.

5 結論

本文介紹了一種基于硬件鎖存的衛(wèi)星控制系統(tǒng)時統(tǒng)設計，能夠有效提高控制系統(tǒng)的時統(tǒng)精度，從而提高姿態(tài)測量數(shù)據(jù)時標的精度，對于提高衛(wèi)星定姿精度以及衛(wèi)星對地測繪精度具有明顯的作用.該方案具有較好的實用性和可靠性，并取得了較好的使用效果.

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