楊安洪，卜鮑強，姜忠武

(63816部隊，貴陽 550025)

雙模授時技術(shù)在航天測控設(shè)備中的應用

楊安洪，卜鮑強，姜忠武

(63816部隊，貴陽 550025)

針對目前航天測控設(shè)備時間同步系統(tǒng)的授時來源單一、可靠性不夠高、安全性差的問題，應用基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的雙模授時技術(shù)，升級了某型測控設(shè)備的時間同步系統(tǒng)，實踐證明新的時間同步系統(tǒng)滿足設(shè)備的應用需求，明顯提高了測控設(shè)備的可靠性與安全性。

雙模授時；全球定位系統(tǒng)；北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

1 引言

在航天發(fā)射任務中，全航區(qū)的測控設(shè)備必須在統(tǒng)一的、高精度的時間基準下運行，時間同步系統(tǒng)扮演著重要的角色[1]。當前測控設(shè)備的時間同步系統(tǒng)普遍使用高精度的衛(wèi)星授時，其中美國的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)因起步較早，覆蓋面廣，技術(shù)成熟，價格低廉，占據(jù)了衛(wèi)星授時終端絕大部分市場[2]，也導致目前航天測控設(shè)備的時間同步系統(tǒng)大多采用GPS單一授時。美國軍方實際控制GPS，免費提供使用，但不對GPS衛(wèi)星信號的質(zhì)量和免費使用期限任何承諾和保證，并且曾經(jīng)實施過用于降低用戶使用精度的選擇可用性政策，還具有隨時關(guān)閉任何地區(qū)GPS衛(wèi)星信號的能力[3]，所以，雖然使用GPS免費，但可靠性不夠高、安全性差。因此，我國在航天發(fā)射任務中使用GPS存在巨大的安全風險和隱患。可喜的是，我國北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)近年來加速衛(wèi)星組網(wǎng)，實用性不斷增強，于2012-12-27起正式向亞太大部分地區(qū)提供區(qū)域連續(xù)無源定位、授時、導航等服務[4]，為基于BDS授時的時間同步系統(tǒng)的廣泛應用奠定了堅實基礎(chǔ)。據(jù)近年來的相關(guān)文獻論述和雙模授時產(chǎn)品介紹，推出的國產(chǎn)BDS/GPS雙模授時終端產(chǎn)品可提供高精度的時碼信號、脈沖信號、串行時間信息以及網(wǎng)絡授時等服務，能使時間同步系統(tǒng)的精度和可靠性達到各領(lǐng)域所需的要求，并已經(jīng)在電力[2，5]、通信[6-7]等行業(yè)有了一定應用，但未發(fā)現(xiàn)其在航天領(lǐng)域的應用。航天事業(yè)關(guān)系到國防安危，為了提高航天發(fā)射任務的可靠性與安全性，本文提出在航天測控設(shè)備中應用基于BDS/GPS雙模授時的國產(chǎn)時間同步系統(tǒng)。

2 BDS/GPS雙模授時

2.1 雙模授時

BDS/GPS雙模授時是指同時具有BDS與GPS兩種衛(wèi)星導航系統(tǒng)授時的功能。BDS是我國自主研發(fā)的，繼美國GPS和俄羅格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)之后的全球第三個衛(wèi)星導航系統(tǒng)，能提供定位、測速、單雙向授時、短報文通信服務[8]。如果應用BDS/GPS授雙模授時技術(shù)將拓寬授時來源，明顯提高授時設(shè)備的可靠性。

2.1.1 衛(wèi)星授時

衛(wèi)星授時主要是用來提供精確的時間信息[1]，每個授時接收機均輸出秒脈沖信號(1 pulse per second，1PPS)，接收機計算出對應秒脈沖的準確時間，將兩臺接收機的秒脈沖信號送給計數(shù)器，計數(shù)器測出兩個接收機秒脈沖之間的時間間隔，再與接收機計算出的兩個秒脈沖間隔比較，便可得到時間同步精度，實現(xiàn)精確的授時。目前，國內(nèi)各應用領(lǐng)域的衛(wèi)星授時產(chǎn)品主要有GPS和BDS兩類。GPS授時有單站法和共視法兩種，單站授時精確度約為20～500 ns，共視授時精確度能達到5～20 ns[6]。BDS授時有無線電定位業(yè)務(radio determination satellite system，RDSS)單向授時、RDSS雙向授時和無線電導航業(yè)務(radio navigation satellite system，RNSS)授時三種方法，RDSS單向授時精度100 ns，RDSS雙向授時精度20 ns[7]，RNSS授時精度為50 ns[9]。從實際應用需求來看，單臺航天測控設(shè)備的時間同步要求一般為400 ns以內(nèi)，所以GPS采用單站法授時，BDS采用RDSS單向法授時即可滿足航天測控設(shè)備的使用需求。

2.1.2 BDS/GPS雙模授時[6]

BDS/GPS雙模授時的時間同步系統(tǒng)采用互為備份的BDS和GPS衛(wèi)星雙系統(tǒng)，可同時接收BDS和GPS衛(wèi)星兩種信號，能可靠地、持續(xù)地提供高精度的時間碼信號、脈沖信號、串行時間信息、網(wǎng)絡授時服務等，能較好地滿足航天測控設(shè)備時間同步系統(tǒng)高可靠性、高精度的需求。雙模授時的授時模式優(yōu)先采用BDS模式，詳見圖1，具體選擇何種模式，取決于以下條件：1)用戶根據(jù)實際需求，自行選擇某種模式，如該模式下接收機工作正常，則工作在該模式，否則工作在另一模式；2)若兩種模式均不正常，則工作于守時模式。接收機不正常通常有以下情況：1)衛(wèi)星信號微弱，無法捕獲；2)衛(wèi)星信號受到干擾，產(chǎn)生誤碼；3)對于GPS衛(wèi)星而言，在定位模式下收星數(shù)<4，在位置保持模式下，收星數(shù)<2；4)對于BDS衛(wèi)星而言，收星數(shù)<1。

圖1 授時模式選擇

2.2 雙模授時的優(yōu)勢

我國航天測控設(shè)備采用GPS單授時的時間同步系統(tǒng)存在如下問題[10]：(1)GPS受控于美國國防部，具有很深的軍方背景，它國使用不具有自主性，存在一些不穩(wěn)定因素，比如增加隨機擾碼，故意降低GPS精度，甚至在某時間段停止GPS在某個地區(qū)的發(fā)送信號；(2)由于戰(zhàn)爭或其它不可知因素，導致GPS在中國或其它一些國家不可用；(3)GPS在某些特殊情況下信號暫時消失，或者GPS接收機工作不正常。航天發(fā)射任務是高風險的事業(yè)，一旦在航天發(fā)射任務中發(fā)生以上的突發(fā)情況，眾多測控設(shè)備將不能實現(xiàn)精準的時間同步，會給航天發(fā)射任務帶來不可估量的損失。BDS由我國獨立自主建設(shè)，若采用BDS/GPS雙模授時，即能實現(xiàn)測控設(shè)備時間同步系統(tǒng)授時的自主性，又能在某種授時源不可授時的情況提供應急與備份，會明顯提高時間同步系統(tǒng)的可靠性。

3 雙模授時的時間同步系統(tǒng)應用

時間同步系統(tǒng)采用我國自主研發(fā)的BDS/GPS雙模式授時設(shè)備，能同時接收BDS與GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號來獲得外部時間基準，其中BDS采用RDSS單向授時。

3.1 系統(tǒng)組成[11]

雙模時間同步系統(tǒng)可分為人機交互單元、授時單元、數(shù)據(jù)處理單元、輸出單元等四單元，主要由衛(wèi)星接收天線、BDS高精度授時接收板、GPS接收模塊、時頻標數(shù)據(jù)處理單元、各應用處理單元和接口模塊、系統(tǒng)應用軟件等組成，工作原理見圖2所示。

3.1.1 人機交互單元

人機交互單元觀測設(shè)備工作狀態(tài)，設(shè)置設(shè)備工作方式、外部時間基準信號、輸出接口類型等。

圖2 基于BDS/GPS雙模授時的時間同步系統(tǒng)工作原理示意圖

3.1.2 授時單元

授時單元主要由雙模衛(wèi)星信號接收天線、高中頻信號處理、多普勒信息校正與秒脈沖信號合成等模塊組成，主要實現(xiàn)衛(wèi)星信號的接收、放大、濾波、下變頻、解擴解調(diào)、時間信息合成等功能。雙模衛(wèi)星天線采用一體化設(shè)計，應用高精度時頻時間合成與衛(wèi)星軌道預測技術(shù)，能同時接收頻率為1 575.42 MHz的L1波段GPS衛(wèi)星信號和頻率為1 561.098 MHz的B1[12]波段的BDS衛(wèi)星信號，通過饋線送至接收模塊，經(jīng)接收機下變頻得到中頻信號，經(jīng)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字下變頻得到基帶信號，經(jīng)解擴、幀同步和譯碼得到時間信息，對產(chǎn)生的1PPS進行時延補償后，將時間信息和1PPS 送數(shù)據(jù)處理單元。

3.1.3 處理單元

時間處理單元是設(shè)備的重要組成部分。衛(wèi)星信號正常時，BDS/GPS雙模時間同步系統(tǒng)依據(jù)衛(wèi)星接收模塊提供的授時信息，維持高精度的時間信息，輸出到應用接口單元產(chǎn)生時間同步信號。衛(wèi)星信號異常時，時間處理單元采用高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器或銣鐘作為本地高穩(wěn)定時鐘，并利用時間頻率測控技術(shù)與智能馴服算法，在一定時間段內(nèi)維持一個高精度的時間信號輸出。

3.1.4 輸出單元

為滿足不同行業(yè)與領(lǐng)域設(shè)備對不同時間同步信號的需求，串行時間碼(IRIG-B碼)生成單元輸出交流(alternating current，AC)碼和直流(direct current，DC)碼時間同步信號；脈沖生成單元輸出不同接口類型的1PPS、分脈沖(1pulse per minute，1PPM)、時脈沖(1pulse per hour，1PPH)時間同步信號；網(wǎng)絡授時單元采用網(wǎng)絡時間控制協(xié)議(network time protocol，NTP)通過網(wǎng)口對外授時。

3.2 技術(shù)指標

BDS/GPS雙模授時時間同步系統(tǒng)指標性能優(yōu)良，具有高精度、高可靠的特性，可完全替代GPS單授時時間同步系統(tǒng)，其主要技術(shù)指標為

(1)NTP網(wǎng)口輸出端口特性

授時精度：局域網(wǎng)<10 ms；廣域網(wǎng)為10～100 ms。

(2)脈沖輸出端口特性

脈沖端口：1PPS/1PPM/lPPH各2路。

(3)IRIG-B碼輸出端口特性

AC碼、DC碼各12路，DC碼精度優(yōu)于200 ns。

(4)串行報文輸出端口特性

4路RS232/RS485，波特率1200、2400、4800、9600可選擇。

(5)DCF77信號

12路DCF77信號，準確度：≤1 μs。

3.3 系統(tǒng)應用

新系統(tǒng)采用上海某公司生產(chǎn)的BDS/GPS雙模授時時間同步系統(tǒng)，在某型號航天測控設(shè)備上進行了試驗與應用。原時間同步系統(tǒng)由GPS授時儀和時碼器兩個單獨硬件設(shè)備組成。其中GPS授時儀為時碼器提供外部時間標準，時碼器輸出的IRIG-B(DC)碼為測控設(shè)備各計算機實時接收、處理、傳輸數(shù)據(jù)的同步提供支持。根據(jù)使用說明書，其內(nèi)部晶振穩(wěn)定度為1×10-7，GPS授時儀精度指標約為100 ns，時碼器解碼同步誤差約為250 ns(DC碼)，由此原系統(tǒng)的理論同步精度優(yōu)于400 ns。

新系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路技術(shù)，將除天線外的授時單元、處理單元、輸出單元等全部集成到一個機箱內(nèi)，在尺寸上比原設(shè)備小一倍。由于應用了先進的時間頻率測控技術(shù)來馴服晶振，即使在外部時間基準失效的情況下，也能使輸出的時間同步信號精密同步在BDS/GPS時間基準上。根據(jù)使用說明資料，其內(nèi)部晶振穩(wěn)定度為7×10-9，BDS(單向授時)或GPS授時精度指標優(yōu)于80 ns，時碼器解碼同步誤差小于100 ns(DC碼)，所以其理論同步精度優(yōu)于200 ns。廠家采用精度為70 ps的多通道時間間隔計數(shù)器對系統(tǒng)進行了測試，測試結(jié)果表明新系統(tǒng)的實際精度約為190 ns。從某型號航天測控設(shè)備實際應用效果來，新設(shè)備輸出的DC碼滿足測控設(shè)備實時接收、處理、傳輸數(shù)據(jù)的要求。

表1 設(shè)備性能比較

4 結(jié)束語

本文分析了目前基于衛(wèi)星授時的時間同步系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀及存在的問題，介紹了雙模授時和時間同步系統(tǒng)的基本原理，提出在航天測控設(shè)備上應用基于BDS/GPS雙模授時的時間同步系統(tǒng)，并在某型測控設(shè)備上進行了試驗。試驗結(jié)果表明，新的時間同步系統(tǒng)完全滿足測控設(shè)備的需求，消除了GPS單授時時間同步系統(tǒng)存在的安全隱患，明顯提升了設(shè)備的自主性與可靠性。隨著BDS的加速組網(wǎng)和授時產(chǎn)品的日益成熟，為了提高航天發(fā)射任務的可靠性與安全性，建議在航天領(lǐng)域推廣基于BDS/GPS雙模授時的時間同步系統(tǒng)。

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Application of Dual-mode Timing Technology in Aerospace TT&C Equipment

YANG An-hong，BU Bao-qiang，JIANG Zhong-wu

(Troops 63816，Guiyang 550025，China)

Considering the situation that time synchronization system of the aerospace tracking，telemetry and command(TT&C) equipment timed by only one source would reduce its reliability and safety，a newly technology called dual-mode timing based on both beidou navigation satellite system(BDS) and global positioning system(GPS) is applied to an old aerospace TT&C equipment’s time synchronization system.It’s proved that the new time synchronization system meets its requirements fully in practice，and improves its reliability and safety obviously.

dual-mode timing；GPS；BDS

P127.1

A

2095-4999(2015)-01-0088-04