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)驗室，北京 100094）

目前衛(wèi)星的絕對時間由GPS提供，并通過總線廣播的方式將時間信息碼發(fā)送給各衛(wèi)星載荷分系統(tǒng)，但各載荷收到時間信息進(jìn)行相應(yīng)的處理后都會有一定的延時，所以需要對衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行時間同步。衛(wèi)星通常使用的星上時間同步方式為GPS秒脈沖和時間信息廣播相結(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)星星時同步的精度，文章提出基于1553B總線衛(wèi)星星時同步的方法，使用同步方式字命令和時間信息廣播相配合，衛(wèi)星載荷利用1553B總線控制芯片內(nèi)部時間標(biāo)記寄存器計時，計算軟件處理延時，降低系統(tǒng)隨機(jī)誤差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)星時同步。經(jīng)過仿真和測試驗證，表明該方法可以將系統(tǒng)時間同步隨機(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，適用于時間同步要求精度高、未對載荷分系統(tǒng)提供GPS秒脈沖的衛(wèi)星系統(tǒng)。

時間標(biāo)記寄存器 1553B總線 時間同步 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)確的時間同步。文獻(xiàn)[1]提出星務(wù)校時，控制系統(tǒng)依據(jù)星務(wù)主機(jī)的時間進(jìn)行校時，從而實(shí)現(xiàn)時間同步，由于沒有兩者的時間基準(zhǔn)，單純依靠軟件進(jìn)行校時，因此精度較低。文獻(xiàn)[2]中提出全量校時和增量校時，均采用地面數(shù)據(jù)注入方式。全量校時用于有較大星時偏差時地面對控制系統(tǒng)時間進(jìn)行重新設(shè)定；增量校時是對分系統(tǒng)載荷進(jìn)行星時補(bǔ)償，適用于地面對星時偏差的校正。文獻(xiàn)[3]中提出均勻校時，也是采用地面注入校時間隔和補(bǔ)償量，控制計算機(jī)每隔相應(yīng)時間，自動將星時進(jìn)行一定補(bǔ)償，此方法校時精度較低。

近幾年來，隨著衛(wèi)星系統(tǒng)性能的不斷提高，對時間精度的要求也越來越高，從毫秒級的要求提高到微秒級，甚至納秒級要求，單純依賴地面時間注入或星上時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方式，既能脫離地面，又能保證時間精度的方法，滿足有效載荷設(shè)備的高精度時間需要。即采用GPS秒脈沖和時間信息廣播相結(jié)合的方式，一般從GPS接收機(jī)引出秒脈沖信號供各分系統(tǒng)使用，此信號在整秒時刻產(chǎn)生，載荷分系統(tǒng)利用GPS秒脈沖對接收到的時間信息進(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，通過總線接收星務(wù)計算機(jī)發(fā)送的該時刻對應(yīng)的時間廣播數(shù)據(jù)，管理單元通過秒脈沖接口電路將秒脈沖信號轉(zhuǎn)發(fā)給信息處理單元，時間信息廣播經(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開啟內(nèi)部計時，結(jié)合收到的時間信息，進(jìn)行星時校正，產(chǎn)生自身時間系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時間同步。該同步方式精度高，但需要設(shè)計專門的秒脈沖接口電路，增加了硬件設(shè)計復(fù)雜性[10-11]。秒脈沖時間同步方式示意圖如圖1。

圖1 秒脈沖時間同步方式示意圖

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總線的時間同步方法。相機(jī)分系統(tǒng)配置1553B控制器芯片，星務(wù)計算機(jī)幾毫秒間隔內(nèi)先后發(fā)送同步方式命令字和時間信息廣播信息，開啟總線控制器內(nèi)部時間標(biāo)記寄存器計時，計時不占用軟件資源，不受軟件時序調(diào)度影響。管理器軟件接收時間信息廣播并根據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)組包，組包完成后讀取1553B總線控制器中時間標(biāo)記寄存器的值，將時間信息和時間標(biāo)記寄存器的計時數(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)部計時，結(jié)合時間標(biāo)記寄存器計數(shù)和時間信息，產(chǎn)生分系統(tǒng)自身時間，實(shí)現(xiàn)時間同步。該方法可校正絕對時間信息在遙感相機(jī)分系統(tǒng)內(nèi)處理及傳輸?shù)难訒r，降低隨機(jī)誤差，校正后本地時間的準(zhǔn)確度為微秒級，可滿足目前所有遙感相機(jī)對校時精度的要求。

1 基于1553B總線時間同步設(shè)計

1.1 系統(tǒng)時間誤差分析

造成遙感相機(jī)分系統(tǒng)時間誤差的因素包括硬件和軟件兩方面。時間信息廣播總線數(shù)據(jù)傳輸過程由硬件完成，系統(tǒng)延時固定，可通過測試得到具體延時時間，地面處理時對系統(tǒng)時間進(jìn)行校正。軟件對時間信息廣播數(shù)據(jù)的處理包括管理單元軟件接收讀取時間信息廣播、根據(jù)與信息處理單元通訊協(xié)議對時間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行組包和信息處理單元收到時間信息后軟件處理。由于管理單元CPU為單片機(jī)，受當(dāng)時軟件時序調(diào)度影響，軟件處理延時存在不確定性，會產(chǎn)生隨機(jī)誤差，內(nèi)部計時受軟件調(diào)度影響無法準(zhǔn)確得出延時時間，無法進(jìn)行時間校正；信息處理單元CPU為FPGA，其內(nèi)部計時為獨(dú)立模塊，計時準(zhǔn)確，可精確得出軟件處理延時。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)送的時間信息后開啟內(nèi)部計時，產(chǎn)生系統(tǒng)自身時間時受管理軟件處理延時隨機(jī)影響，進(jìn)而使系統(tǒng)延時存在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)延時誤差，主要降低管理單元隨機(jī)誤差，在不更改硬件設(shè)計的情況下，需利用獨(dú)立于管理軟件的計時器實(shí)現(xiàn)軟件處理延時計時。本文提出了利用1553B總線控制器時間標(biāo)記寄存器計時。該計時器為總線控制芯片內(nèi)部計時器，計時過程不受外界干擾，計時精度取決于芯片設(shè)置時選擇的分辨率，能夠準(zhǔn)確得出管理軟件收到時間信息廣播后的處理時間。

1.2 時間同步方案設(shè)計

遙感相機(jī)管理單元首先完成對1553B總線控制芯片配置。1553B總線控制器高級通訊引擎（Advanced Communication Engine，ACE）其中包含一個內(nèi)部可讀/可寫時間標(biāo)記寄存器（地址05H）。該寄存器是一個CPU可讀/寫的16位計數(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)時間標(biāo)記寄存器從FFFF卷回到0000時，產(chǎn)生中斷請求，并有一位在中斷狀態(tài)寄存器置位。假定時間標(biāo)記寄存器未被加載或復(fù)位，對于64ms/LSB分辨率大約在4s時間內(nèi)，對于2ms/LSB分辨率大約在131ms時間內(nèi)發(fā)生?？紤]到計時長度和計時精度，本設(shè)計選用4ms/LSB分辨率計時，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)時間同步流程如下：

1）星務(wù)計算機(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總線控制器自動返回應(yīng)答，同時芯片內(nèi)部時間標(biāo)記寄存器清零，重新計數(shù)；

3）管理單元收到時間信息廣播，軟件根據(jù)自身時序調(diào)度處理時間信息廣播，提取時間信息按照內(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）啟動數(shù)據(jù)發(fā)送，將時間信息和時間標(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)送耗時固定；

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

基于1553B總線的時間同步方式示意圖如圖2。

圖2 基于1553B總線的時間同步方式示意圖

2 基于1553B總線時間同步設(shè)計的仿真驗證

管理軟件在仿真模式下運(yùn)行，軟件讀取總線控制器時間標(biāo)記寄存器的值，同時在單片機(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)送時間信息和時間標(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、時間信息廣播傳輸時間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)部通訊接口傳輸時間信息及時間標(biāo)記寄存器數(shù)據(jù)使用時間4，查看時間標(biāo)記寄存器的值并得到計時時間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，查看時間標(biāo)記寄存器的值。由于本設(shè)計選取的時間標(biāo)記寄存器的分辨率為4ms/LSB，所以時間標(biāo)記寄存器的值乘以4可得到實(shí)際的計時時間5。若1=3+5，則認(rèn)為時間標(biāo)記寄存器計時正確；若1≠3+5，則認(rèn)為時間標(biāo)記寄存器計時錯誤。數(shù)據(jù)傳輸時間軸如圖3，測試結(jié)果如表2。

從表2測試結(jié)果可以看出1=3+5，說明時間標(biāo)記寄存器計時準(zhǔn)確。時間信息廣播傳輸由硬件完成，傳輸時間固定；管理軟件讀取時間標(biāo)記寄存器、通過內(nèi)部通訊接口發(fā)送時間信息和時間標(biāo)記寄存器數(shù)據(jù)期間關(guān)中斷，使用時間固定。2、3和4測試結(jié)果可以證明該延時為系統(tǒng)固定延時，管理單元處理時間信息廣播延時為3+4+5–2–100ms，隨機(jī)誤差只受時間標(biāo)記寄存器分辨率影響，本設(shè)計選取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)部時間標(biāo)記寄存器計時時長由選取的最低有效位分辨率決定，考慮到衛(wèi)星系統(tǒng)本身對時間同步精度的要求，一般選擇較高的計時分辨率，提高計時的精度，因此，計時長度就會較短。由于，計時長度較短，對星務(wù)計算機(jī)發(fā)送同步方式命令和時間信息廣播間隔有一定要求，星務(wù)計算機(jī)必須保證該間隔時間固定，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)部時間標(biāo)記寄存器的衛(wèi)星時間同步方法，是利用其計時由總線控制芯片內(nèi)部自動進(jìn)行，具有不占用軟件資源、不受軟件時序調(diào)度影響、計時準(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)星的時間同步。本設(shè)計已成功應(yīng)用于某衛(wèi)星系統(tǒng)。

載荷分系統(tǒng)收到衛(wèi)星時間信息后采用計時方式進(jìn)行時間校正，使用的計時器必須是獨(dú)立的，保證計時精度。由于單片機(jī)內(nèi)部計時器不具備這種能力，軟件時序調(diào)度或響應(yīng)其它中斷會影響計時精度，所以，本設(shè)計中計時器使用的是1553B總線控制芯片的內(nèi)部時間標(biāo)記寄存器，計時獨(dú)立且精度高。因此，該設(shè)計僅限于以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，高級工程師。研究方向為遙感相機(jī)管理控制、機(jī)構(gòu)控制軟件設(shè)計及測試。E-mail：zff_2013@sina.com。

2017-03-02