陳曦 李文東 姜東升
(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)
衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估方法研究及應(yīng)用
陳曦 李文東 姜東升
(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)
針對(duì)傳統(tǒng)評(píng)價(jià)衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率特性方法,在實(shí)際應(yīng)用中存在占用地面測(cè)控資源、自主性較低及評(píng)估精確性受限的問(wèn)題,提出以星載高穩(wěn)鐘源作為參考頻率源,基于遙測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)衛(wèi)星時(shí)鐘源頻率特性的方法,并詳細(xì)介紹了其方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理流程以及在軌實(shí)際應(yīng)用的情況。該方法具有原理簡(jiǎn)單、算法簡(jiǎn)便、資源占用少、應(yīng)用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),可有效解決傳統(tǒng)方法在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題。
衛(wèi)星時(shí)間;準(zhǔn)確度;穩(wěn)定度
衛(wèi)星時(shí)間一般指星務(wù)管理分系統(tǒng)或數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)提供的時(shí)間,是衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)采集、下傳以及程控指令執(zhí)行的基準(zhǔn),也是衛(wèi)星確定自身所處空間位置所依據(jù)的重要信息。若衛(wèi)星時(shí)間出現(xiàn)較大偏差,則會(huì)影響衛(wèi)星載荷預(yù)期偵測(cè)的范圍、姿態(tài)控制的精度以及地面監(jiān)測(cè)判讀的準(zhǔn)確性。監(jiān)測(cè)分析衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度,對(duì)保障衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行和有效載荷正常應(yīng)用具有重要意義。
衛(wèi)星時(shí)間是由星載晶體振蕩器輸出的高穩(wěn)頻率作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn),以某特定時(shí)間作為計(jì)時(shí)零點(diǎn)累加形成的時(shí)間[1],在地面試驗(yàn)測(cè)試時(shí)會(huì)對(duì)星載晶體振蕩器的頻率特性,包括準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)量考核,但由于衛(wèi)星在太空環(huán)境中,工作環(huán)境十分惡劣,真空、微重力、溫度變化、電磁場(chǎng)變化、自然輻射影響等諸多因素共同作用,會(huì)使星載晶體振蕩器輸出頻率產(chǎn)生漂移,從而導(dǎo)致衛(wèi)星時(shí)間出現(xiàn)偏差[2],因此須要對(duì)衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源的頻率特性進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)評(píng)估。首先考核衛(wèi)星時(shí)鐘源在軌的真實(shí)特性,并且當(dāng)發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星時(shí)鐘源的頻率準(zhǔn)確度或穩(wěn)定度不滿足使用要求時(shí),及時(shí)調(diào)整時(shí)間管理策略,或者啟動(dòng)備份手段進(jìn)行應(yīng)對(duì)維護(hù)。這對(duì)保障衛(wèi)星在軌安全穩(wěn)定運(yùn)行和有效載荷正常使用具有重要意義。
目前,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較普遍的在軌衛(wèi)星時(shí)鐘源頻率特性評(píng)價(jià)方法為地面鐘源比時(shí)法[3-5],其在實(shí)際應(yīng)用中存在占用資源多、受限制條件多等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題,本文提出了一種基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估方法,介紹了方法的原理、數(shù)據(jù)處理流程以及在軌實(shí)際應(yīng)用情況,可為衛(wèi)星運(yùn)行和使用過(guò)程中的時(shí)間管理提供參考。
2.1 傳統(tǒng)方案及存在問(wèn)題
利用地面鐘源比時(shí)法評(píng)估在軌衛(wèi)星時(shí)鐘源頻率特性,選用地面測(cè)控站時(shí)間作為參考時(shí)間源,具體方案是利用衛(wèi)星測(cè)控的上下行信道,在地面測(cè)控站定時(shí)控制下,衛(wèi)星傳送時(shí)間信號(hào)至地面測(cè)控站,實(shí)現(xiàn)星地時(shí)間差的比對(duì),然后根據(jù)比時(shí)法測(cè)量頻率特性的原理[6],獲得在軌衛(wèi)星時(shí)鐘源的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。
圖1 采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行在軌衛(wèi)星時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估的系統(tǒng)框圖Fig.1 System of the traditional evaluation method for frequency stability and accuracy of on-orbit satellite
利用此方法評(píng)價(jià)在軌衛(wèi)星時(shí)鐘源頻率特性,在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到以下3個(gè)問(wèn)題:
(1)隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量快速增長(zhǎng),使得地面測(cè)控資源越發(fā)緊張,不可避免地需要較長(zhǎng)時(shí)間占用有限的地面資源;
(2)衛(wèi)星須要接受地面測(cè)控站的干預(yù)與操控,一定程度上降低了衛(wèi)星在軌運(yùn)行的自主性和可靠性;
(3)對(duì)于近地軌道衛(wèi)星,同一地面測(cè)控站每日對(duì)指定衛(wèi)星僅能跟蹤2~4個(gè)圈次,每個(gè)跟蹤圈次的可測(cè)控弧段僅十余分鐘,因此很難保證在任意時(shí)段,長(zhǎng)時(shí)間等間隔取樣測(cè)量星地時(shí)差,也就很難得到衛(wèi)星在軌任意時(shí)間段或任意測(cè)量周期的時(shí)鐘源頻率特性。較為普遍的做法是,連續(xù)多個(gè)圈次分別測(cè)算各弧段衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率特性,然后取均值作為該時(shí)段內(nèi)的衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率特性,這也就降低了評(píng)估結(jié)果的精確性。
2.2 基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估方法
2.2.1 方案設(shè)計(jì)
針對(duì)傳統(tǒng)方法遇到的問(wèn)題,依據(jù)在軌運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn),本文總結(jié)了基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率特性評(píng)價(jià)方法。
目前,我國(guó)在軌衛(wèi)星普遍裝配有GPS接收機(jī)或銣鐘,能夠提供高精度的計(jì)時(shí)基準(zhǔn),可以為衛(wèi)星載荷設(shè)備及其余分系統(tǒng)設(shè)備提供高精度的時(shí)間,并且星載GPS接收機(jī)及銣鐘的時(shí)間精度均要優(yōu)于以星載晶體振蕩器作為鐘源的衛(wèi)星時(shí)間至少3個(gè)量級(jí)[7],因此,根據(jù)頻率特性測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn),在星載GPS接收機(jī)和銣鐘工作正常的情況下,可以將GPS接收機(jī)或銣鐘時(shí)間作為參考時(shí)間源,利用比時(shí)法測(cè)量評(píng)估衛(wèi)星時(shí)鐘源的頻率準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度。
以GPS接收機(jī)時(shí)間作為參考時(shí)間源為例,現(xiàn)對(duì)該方法的系統(tǒng)方案進(jìn)行說(shuō)明。星載GPS接收機(jī)能夠?yàn)樾l(wèi)星有效載荷等設(shè)備提供高精度的計(jì)時(shí)基準(zhǔn),累計(jì)得到GPS高精度時(shí)間TR。衛(wèi)星設(shè)置有時(shí)間管理單元,在高精度鐘源控制下按照等時(shí)間間隔τ同時(shí)向GPS高精度時(shí)間的計(jì)時(shí)鐘及衛(wèi)星時(shí)間TS的計(jì)時(shí)鐘發(fā)送取時(shí)控制指令,計(jì)時(shí)鐘收到取時(shí)控制指令后讀取該時(shí)刻各自鐘面時(shí)間碼TRi(i=1,2,…)及TSi(i=1,2,…),并回傳至?xí)r間管理單元,衛(wèi)星將每組兩個(gè)時(shí)間碼打入同一遙測(cè)幀中下傳,從而可通過(guò)遙測(cè)數(shù)據(jù)直接獲得同一時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的GPS高精度時(shí)間數(shù)據(jù)和衛(wèi)星時(shí)間數(shù)據(jù)。計(jì)算兩者差值,然后根據(jù)比時(shí)法測(cè)量頻率特性的原理,可以獲得在軌衛(wèi)星時(shí)鐘源的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。
利用此方法評(píng)估時(shí)鐘源頻率特性,時(shí)間管理單元每個(gè)周期通過(guò)總線分別采集兩鐘源時(shí)間,取時(shí)指令發(fā)出與鐘源時(shí)間傳輸間隔很小,在測(cè)量計(jì)算時(shí)忽略兩鐘源的差別,近似認(rèn)為兩者相等,這也是該評(píng)估方法的主要誤差來(lái)源,而傳統(tǒng)方法的主要誤差來(lái)源是在測(cè)量計(jì)算時(shí)認(rèn)為衛(wèi)星上下行鏈路的總時(shí)延近似相等。兩種方法測(cè)量誤差是同一個(gè)量級(jí),其評(píng)估結(jié)果精度基本相同。
圖2 星載高穩(wěn)鐘源比時(shí)法系統(tǒng)框圖Fig.2 System of the method of comparison time base on spacecraft high stability time resource
2.2.2 數(shù)據(jù)處理方法及流程
衛(wèi)星實(shí)際在軌運(yùn)行時(shí),星載晶體振蕩器受空間多種因素影響,其頻率會(huì)發(fā)生漂移,導(dǎo)致衛(wèi)星時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生偏差,累計(jì)一段時(shí)間后偏差過(guò)大會(huì)影響衛(wèi)星在軌正常運(yùn)行與有效載荷的正常應(yīng)用[7],因此,衛(wèi)星在軌運(yùn)行管理要求衛(wèi)星時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差不能超過(guò)一定閾值(一般為±10ms)。為保證該要求,衛(wèi)星會(huì)選用適當(dāng)?shù)牟呗赃M(jìn)行時(shí)間管理,主要有以下2種方式:均勻校時(shí)結(jié)合集中校時(shí)法和引入GPS時(shí)間法。針對(duì)以上兩種不同時(shí)間管理策略,進(jìn)行衛(wèi)星時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估時(shí),在得到GPS高精度時(shí)間數(shù)據(jù)和衛(wèi)星時(shí)間數(shù)據(jù)后,數(shù)據(jù)處理方法有所不同。
1)均勻校時(shí)結(jié)合集中校時(shí)法數(shù)據(jù)處理方法[8-9]
均勻校時(shí)結(jié)合集中校時(shí)法進(jìn)行時(shí)間管理的具體策略為:衛(wèi)星根據(jù)設(shè)置的均勻校時(shí)周期H,以此為周期,將衛(wèi)星時(shí)間調(diào)整一個(gè)固定時(shí)間量X(一般為±1ms);當(dāng)衛(wèi)星時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之差累計(jì)達(dá)到閾值時(shí),衛(wèi)星接收到地面發(fā)送的集中校時(shí)指令,將衛(wèi)星時(shí)間直接加上集中校時(shí)量Y。
在此種情況進(jìn)行衛(wèi)星時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估時(shí),首先計(jì)算衛(wèi)星時(shí)間與GPS高精度時(shí)間的時(shí)差ΔTi,具體公式如下。
式中:TJZk(k=1,2,…)為每一個(gè)取樣周期τ內(nèi)的集中校時(shí)量;TJYk(k=1,2,…)為每一個(gè)取樣周期τ內(nèi)的均勻校時(shí)量,其可由均勻校時(shí)周期推算得到,TJYk=X·τ/H,其中H為均勻校時(shí)周期;GPS高精度時(shí)間TRi、衛(wèi)星時(shí)間TSi可以通過(guò)遙測(cè)數(shù)據(jù)直接獲得。
然后可計(jì)算出衛(wèi)星時(shí)間與GPS高精度時(shí)間之間相鄰兩次時(shí)差的變化量Δi,Δi=ΔTi+1-ΔTi;最后依據(jù)比時(shí)法測(cè)量頻率特性的原理,按照式(2)計(jì)算得到衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率準(zhǔn)確度A,按照式(3)計(jì)算得到頻率穩(wěn)定度σ,其中采樣漢數(shù)m>100。
2)引入GPS時(shí)間法數(shù)據(jù)處理方法[10]
引入GPS時(shí)間法進(jìn)行時(shí)間管理的具體策略為:衛(wèi)星每隔一個(gè)固定周期(一般為8s),將衛(wèi)星時(shí)間與GPS高精度時(shí)間進(jìn)行一次比對(duì),兩者之差的絕對(duì)值在限制范圍內(nèi)(一般為±3s),若衛(wèi)星時(shí)間比GPS高精度時(shí)間快,則衛(wèi)星時(shí)間直接減少一個(gè)固定值Z(一般為1ms);若衛(wèi)星時(shí)間比GPS高精度時(shí)間慢,則衛(wèi)星時(shí)間直接增加一個(gè)固定值。
在此種情況進(jìn)行衛(wèi)星時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估時(shí),首先計(jì)算衛(wèi)星時(shí)間與GPS高精度時(shí)間的時(shí)差
式中:TGPSk(k=1,2,…)為每一個(gè)取樣周期τ內(nèi)衛(wèi)星時(shí)間與GPS高精度時(shí)間比較后調(diào)整的時(shí)間量,可由調(diào)整次數(shù)M推算得到,TGPSk=M·Z。
之后的計(jì)算流程與均勻校時(shí)結(jié)合集中校時(shí)法數(shù)據(jù)處理方案相同,按照式(2)計(jì)算得到衛(wèi)星在軌時(shí)間準(zhǔn)確度A,按照式(3)計(jì)算得到衛(wèi)星在軌時(shí)間穩(wěn)定度σ。
2.2.3 新方法的優(yōu)勢(shì)
基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估方法,以星載高穩(wěn)鐘源作為參考時(shí)間源,解決了利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估時(shí)遇到的問(wèn)題,具有以下3個(gè)優(yōu)勢(shì):
(1)基于衛(wèi)星遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估,不須額外占用地面測(cè)控資源及星上測(cè)控信道資源;
1.1 實(shí)驗(yàn)主要試劑 Ficoll淋巴細(xì)胞分離液購(gòu)自上海試劑二廠;CD1a-PE、CD80-PE、CD83-APC、CD86-PECY5、HLA-DR-APC單克隆抗體購(gòu)自美國(guó)BD公司;RPMI1640培養(yǎng)基、胎牛血清購(gòu)自美國(guó)Gibco公司;GM-CSF購(gòu)自美國(guó)Peprototech公司;IL-4購(gòu)自德國(guó)Meltenyi公司;二乙基亞硝胺水溶液購(gòu)自美國(guó)Sigma公司;抗大鼠PE-CD4、PE-CD25、抗大鼠Foxp3單克隆抗體購(gòu)自美國(guó)Ebioscinence公司。
(2)減少了地面測(cè)控站操控帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)性,提高了衛(wèi)星在軌運(yùn)行的自主性和可靠性;
(3)可以在不降低評(píng)估精度的前提下,實(shí)現(xiàn)任意時(shí)段或較長(zhǎng)時(shí)段衛(wèi)星時(shí)鐘源頻率特性的評(píng)估。
目前,已將基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估方法應(yīng)用在小衛(wèi)星在軌運(yùn)行管理工作之中,并取得了良好的效果?,F(xiàn)以某小衛(wèi)星在軌應(yīng)用情況為例進(jìn)行說(shuō)明。
衛(wèi)星發(fā)射入軌后,根據(jù)入軌初期的遙測(cè)數(shù)據(jù),以星載GPS接收機(jī)提供的高精度時(shí)間作為參考時(shí)間源,對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘源在軌頻率準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)2.2.2節(jié)提供的數(shù)據(jù)處理方法,得到衛(wèi)星時(shí)間與GPS高精度時(shí)間之間的差值,即ΔTi,如圖3所示。再按照式(2)和式(3)計(jì)算可得到,時(shí)鐘源在軌的頻率準(zhǔn)確度為1.442×10-4,頻率穩(wěn)定度為2.12×10-5。
根據(jù)相同時(shí)段內(nèi)連續(xù)多個(gè)弧段星地時(shí)差的測(cè)量值,分別進(jìn)行各弧段衛(wèi)星時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估,再取平均值得到衛(wèi)星時(shí)鐘源的頻率準(zhǔn)確度為1.442× 10-4,頻率穩(wěn)定度為2.12×10-5,證明基于星載高穩(wěn)鐘源的衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率特性評(píng)估方法得到的數(shù)據(jù)真實(shí)可信。
圖3 某衛(wèi)星GPS時(shí)間與衛(wèi)星時(shí)間之間的差值Fig.3 D-value between satellite time and GPS time of a satellite
該衛(wèi)星在軌的時(shí)鐘源頻率準(zhǔn)確度為1.442× 10-4,即每秒鐘時(shí)間誤差約為0.144ms,雖然滿足每秒鐘時(shí)間誤差不超過(guò)5ms的技術(shù)要求,但是衛(wèi)星設(shè)計(jì)的時(shí)間管理策略中作為首選方案的“引入GPS時(shí)間”,其最小的引用周期為8s,每個(gè)引用周期的校時(shí)量為1ms,即最大的校時(shí)量為每秒糾正0.125ms的時(shí)間誤差,這就表示單獨(dú)利用該管理策略不能滿足衛(wèi)星在軌管理的要求。同時(shí)衛(wèi)星時(shí)間在軌的穩(wěn)定度為2.12×10-5,也不滿足時(shí)間穩(wěn)定度優(yōu)于1× 10-9的指標(biāo)要求。
根據(jù)事后分析及地面測(cè)試驗(yàn)證確認(rèn):作為衛(wèi)星時(shí)間鐘源的晶體振蕩器,其所選用的電容器件,在研制工程中未嚴(yán)格篩選,與標(biāo)稱值誤差較大,最終導(dǎo)致衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率準(zhǔn)確度偏差較大,穩(wěn)定度不滿足技術(shù)要求。在后續(xù)衛(wèi)星研制中,對(duì)選用的電容器件加嚴(yán)指標(biāo)要求,加強(qiáng)質(zhì)量把控,得到后續(xù)衛(wèi)星在軌時(shí)鐘源頻率準(zhǔn)確度均優(yōu)于1×10-7,穩(wěn)定度均優(yōu)于1×10-9,滿足技術(shù)指標(biāo)及實(shí)際使用要求。
隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,近年衛(wèi)星在軌實(shí)際壽命不斷增長(zhǎng),尤其是近地軌道衛(wèi)星,目前已有近六成的衛(wèi)星超過(guò)設(shè)計(jì)壽命,對(duì)于這些超壽命運(yùn)行衛(wèi)星更加須要嚴(yán)密監(jiān)測(cè)分析其時(shí)鐘源頻率特性,當(dāng)不滿足工作要求時(shí),應(yīng)盡早調(diào)整維護(hù)措施或啟用備份手段,以保障衛(wèi)星穩(wěn)定運(yùn)行和有效載荷正常應(yīng)用。除此之外,收集整理測(cè)量數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)未來(lái)航天器產(chǎn)品可靠性研究及長(zhǎng)壽命衛(wèi)星研制都具有重要的意義。
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(編輯:李多)
Research and Application on Evaluation Method for Time Stability of On-orbit Satellite
CHEN Xi LI Wendong JIANG Dongsheng
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)
The traditional evaluation method for frequency stability and accuracy of on-orbit satellite has some problems in the application,such as consume of TT&C resources,poor autonomy,and low accuracy of assessment.The paper presents an evaluation method of satellite time stability based on satellite remote sensing data,which makes use of the high stability clock in the satellite as a reference frequency source.The new evaluation method solves the problems in the application of the traditional method and has many advantages,including conciseness,convenience,being economical and promising.
satellite time;accuracy;stability
V423.41
:ADOI:10.3969/j.issn.1673-8748.2016.01.014
2015-08-13;
:2015-11-05
陳曦,男,工程師,研究方向?yàn)楹教炱髟谲夁\(yùn)行管理。Email:285973147@qq.com。