白崇延 邢卓異 張伍 黃昊 朱舜杰

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

深空探測(cè)器飛行距離遙遠(yuǎn)，地面測(cè)控困難、通信延遲大，尤其在探測(cè)器著陸、再入返回、交會(huì)接近目標(biāo)天體等關(guān)鍵任務(wù)環(huán)節(jié)，不能像近地航天器那樣依賴于地面測(cè)控，且無GPS衛(wèi)星進(jìn)行任務(wù)支持，需要由探測(cè)器自主確定探測(cè)器的位置和姿態(tài)。在這些任務(wù)環(huán)節(jié)需要探測(cè)器時(shí)間系統(tǒng)保持較高的精度，才能使探測(cè)器保持較高的導(dǎo)航精度，因此在沒有GPS衛(wèi)星支持條件下如何保證航天器時(shí)間精度已成為時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)問題[1]。

常規(guī)航天器采用單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在整個(gè)任務(wù)期間只有一種時(shí)間同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。目前國內(nèi)外航天器采用的時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是器上配置高精度計(jì)時(shí)器，通過器上數(shù)管或星務(wù)系統(tǒng)對(duì)整器的時(shí)間進(jìn)行維護(hù)和發(fā)布[2-3]，近地航天器還可以通過接收GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步，從而滿足航天器各個(gè)設(shè)備儀器的時(shí)間需求。

不同于常規(guī)航天器單一時(shí)統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多艙段多子網(wǎng)深空探測(cè)器在執(zhí)行任務(wù)過程中將會(huì)存在艙段之間的多次分離或?qū)?，每次分離或?qū)佣紝?huì)改變或影響航天器的時(shí)統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。航天器在不同的組合狀態(tài)，不同的飛行時(shí)刻以及不同的任務(wù)執(zhí)行階段均有可能通過不同的方法和方式進(jìn)行整器的時(shí)間維護(hù)和發(fā)布[4]。文獻(xiàn)[5]提出了一種雙子網(wǎng)深空探測(cè)器時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過在軌飛行過程驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)方法的有效性，但對(duì)多子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)沒有提出解決方案；國外在這方面的研究鮮見于公開發(fā)表的文獻(xiàn)中。

針對(duì)多子網(wǎng)深空探測(cè)器任務(wù)特點(diǎn)及時(shí)間精度要求，本文結(jié)合航天器廣泛采用的時(shí)間同步系統(tǒng)組網(wǎng)方式，提出了一種對(duì)等子網(wǎng)和上下級(jí)子網(wǎng)相結(jié)合的多子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了時(shí)間誤差分析，開展了地面試驗(yàn)驗(yàn)證。該時(shí)間維護(hù)系統(tǒng)適用于子網(wǎng)間多次對(duì)接或者分離的深空探測(cè)任務(wù)，在無GPS衛(wèi)星支持下能夠滿足多子網(wǎng)深空探測(cè)任務(wù)時(shí)間精度要求。

1 多子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)分析

1.1 多子網(wǎng)系統(tǒng)的組網(wǎng)方式

目前國內(nèi)航天器廣泛采用1553B總線連接各智能單元組成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在多子網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在2種較為常見的子網(wǎng)互聯(lián)組網(wǎng)方式，分別為上下級(jí)子網(wǎng)和對(duì)等子網(wǎng)[6-7]。這2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的區(qū)別為，作為網(wǎng)關(guān)的公共終端在兩個(gè)子網(wǎng)中或者都是作為遠(yuǎn)置終端，或者在其中一個(gè)子網(wǎng)中作為總線控制器，在另一個(gè)子網(wǎng)中作為遠(yuǎn)置終端。時(shí)間同步方案設(shè)計(jì)就是基于上述兩種組網(wǎng)方式的系統(tǒng)。

上下級(jí)子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示，其中子網(wǎng)1是上級(jí)子網(wǎng)，子網(wǎng)2是下級(jí)子網(wǎng)，公共終端 (遠(yuǎn)置終端n+1、總線控制器2)作為總線1的遠(yuǎn)程終端，同時(shí)又作為總線2的總線控制器。對(duì)等子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。2個(gè)子網(wǎng)分別配置子網(wǎng)獨(dú)立的總線控制器，2個(gè)子網(wǎng)間設(shè)置網(wǎng)關(guān)(子網(wǎng)1遠(yuǎn)置終端p+1、子網(wǎng)2遠(yuǎn)置終端q+1)，分別作為2個(gè)子網(wǎng)的遠(yuǎn)置終端。

1.2 多子網(wǎng)時(shí)間同步機(jī)制分析

多子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于建立子網(wǎng)間的時(shí)間信息傳輸機(jī)制，針對(duì)不同的時(shí)間同步信息傳輸需求設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)及傳輸協(xié)議。需要考慮如下問題[8-9]：

(1)當(dāng)時(shí)間信息跨越多級(jí)子網(wǎng)時(shí)，必須考慮兩個(gè)子網(wǎng)的傳輸延遲等問題。如果傳輸絕對(duì)時(shí)間，且傳輸?shù)难舆t大于精度指標(biāo)要求，顯然難以滿足設(shè)計(jì)需求；如果傳輸2個(gè)子網(wǎng)間的相對(duì)時(shí)間，傳輸延遲將不引入誤差。

(2)總線數(shù)據(jù)傳輸一般有2種形式：由總線控制器發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸和由遠(yuǎn)置終端發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸。如果由總線控制器發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，無需等待可以立刻執(zhí)行，時(shí)間同步信息到達(dá)遠(yuǎn)置終端的延時(shí)包括總線控制器內(nèi)部及設(shè)備之間的軟硬件延時(shí)和通信延時(shí)，引入誤差數(shù)量級(jí)為百微妙量級(jí)，可能引入的誤差滿足設(shè)計(jì)精度要求。如果由遠(yuǎn)置終端發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸，需要總線控制器在時(shí)間片內(nèi)某個(gè)時(shí)刻執(zhí)行，根據(jù)國內(nèi)航天器常規(guī)設(shè)計(jì)，最大的執(zhí)行延時(shí)可達(dá)125 ms，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)精度要求。

(3)子網(wǎng)間傳輸相對(duì)時(shí)間，需要同一設(shè)備在不引入其他誤差的基礎(chǔ)上，獲取2個(gè)子網(wǎng)的時(shí)間，獲取差值，用于校正被授時(shí)設(shè)備所在子網(wǎng)的守時(shí)設(shè)備。

綜上所述，為滿足時(shí)間精度要求，對(duì)2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時(shí)間傳輸機(jī)制解決思路如下：

在上下級(jí)子網(wǎng)中，總線控制器1作為整個(gè)系統(tǒng)的守時(shí)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)總線控制器2作為子網(wǎng)2的守時(shí)設(shè)備。總線控制器1通常為子網(wǎng)1數(shù)管中心計(jì)算機(jī)，能夠與地面進(jìn)行通信，獲取地面校時(shí)信息，并利用子網(wǎng)1配置的高穩(wěn)時(shí)鐘源進(jìn)行守時(shí)，并通過主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸將絕對(duì)時(shí)間傳輸給網(wǎng)關(guān)設(shè)備；網(wǎng)關(guān)獲取時(shí)間信息進(jìn)行自身時(shí)間同步后，主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸將絕對(duì)時(shí)間傳輸給子網(wǎng)2的時(shí)間接收設(shè)備。上下級(jí)子網(wǎng)時(shí)間傳輸過程示意圖如圖3所示。

在對(duì)等子網(wǎng)中，總線控制器1作為子網(wǎng)1的守時(shí)設(shè)備，總線控制器2作為子網(wǎng)2的守時(shí)設(shè)備?？偩€控制器1/2通常為子網(wǎng)1/2數(shù)管中心計(jì)算機(jī)，均能夠與地面進(jìn)行通信，獲取地面校時(shí)信息。由于存在的設(shè)計(jì)約束，在對(duì)等子網(wǎng)組網(wǎng)狀態(tài)，僅在子網(wǎng)1中配置高穩(wěn)時(shí)鐘源，子網(wǎng)1總線控制器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的守時(shí)設(shè)備。子網(wǎng)1/2總線控制器均通過主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸將絕對(duì)時(shí)間傳輸給網(wǎng)關(guān)設(shè)備及子網(wǎng)1其他時(shí)間接收設(shè)備；網(wǎng)關(guān)獲取兩個(gè)子網(wǎng)的時(shí)間信息后計(jì)算2個(gè)子網(wǎng)的時(shí)間差值，子網(wǎng)2總線控制器主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸獲取網(wǎng)關(guān)中的兩子網(wǎng)時(shí)間差值，用于自身時(shí)間校正，與子網(wǎng)1時(shí)間建立同步。子網(wǎng)2總線控制器通過主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸將時(shí)間同步信息傳輸給子網(wǎng)2時(shí)間接收設(shè)備。對(duì)等子網(wǎng)時(shí)間傳輸過程示意圖如圖4所示。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例及時(shí)間誤差分析

2.1 多子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

某多艙段深空探測(cè)器的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)劃分為3個(gè)子網(wǎng)，且子網(wǎng)1、2、3分別位于不同的艙段中。以對(duì)等子網(wǎng)和上下級(jí)子網(wǎng)的時(shí)間傳輸機(jī)制相結(jié)合的解決思路為基礎(chǔ)，文章設(shè)計(jì)了一種多子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)，見圖5。子網(wǎng)1和子網(wǎng)2組成上下級(jí)子網(wǎng)，其中子網(wǎng)1為上級(jí)子網(wǎng)，子網(wǎng)2為下級(jí)子網(wǎng)，通過網(wǎng)關(guān)A連接；子網(wǎng)1和子網(wǎng)3組成對(duì)等子網(wǎng)，通過網(wǎng)關(guān)B連接。

定義TD為地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，TG為子網(wǎng)1下行遙測(cè)時(shí)間，TS為子網(wǎng)3下行遙測(cè)時(shí)間，ΔTD-G為地面上注的校時(shí)數(shù)據(jù)，TF1為子網(wǎng)2總線控制器自身時(shí)間，TG1為子網(wǎng)1總線控制器自身時(shí)間，TS1為子網(wǎng)3總線控制器自身時(shí)間，TF2為子網(wǎng)2總線控制器總線廣播時(shí)間，TG2為子網(wǎng)1總線控制器總線廣播時(shí)間，TS2為子網(wǎng)3總線控制器總線廣播時(shí)間，ΔTGS為網(wǎng)關(guān)B計(jì)算子網(wǎng)1廣播校時(shí)TG2與子網(wǎng)3廣播校時(shí)TS2之間的時(shí)間差。

為了滿足艙段分離的需求，子網(wǎng)1、子網(wǎng)2和子網(wǎng)3均可獨(dú)立工作，配置獨(dú)立的守時(shí)設(shè)備，且子網(wǎng)1、2、3所在艙段中都配備了獨(dú)立的對(duì)地上下行測(cè)控通道，可各自獨(dú)立地獲取地面校時(shí)。在獨(dú)立工作狀態(tài)下，各子網(wǎng)總線控制器為守時(shí)設(shè)備，與常規(guī)近地航天器時(shí)間同步體制相同；子網(wǎng)3與子網(wǎng)1+子網(wǎng)2組合體分離后，子網(wǎng)3作為單子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)工作，子網(wǎng)1+子網(wǎng)2組合體作為上下級(jí)子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)工作；在多艙段組合體工作狀態(tài)，子網(wǎng)1總線控制器作為整個(gè)時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)備，為其他子網(wǎng)提供時(shí)間同步信息。子網(wǎng)1+子網(wǎng)2組合體、子網(wǎng)1、子網(wǎng)2、子網(wǎng)3工作模式下時(shí)間維護(hù)過程的鏈路均可視為其子集。因此，下文僅對(duì)通過子網(wǎng)3測(cè)控信道上行對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間維護(hù)進(jìn)行說明。

子網(wǎng)1/2/3組成完整的多艙段深空探測(cè)器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。子網(wǎng)1總線控制器作為整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)的時(shí)間維護(hù)基準(zhǔn)設(shè)備，配置了較高穩(wěn)定度的頻率輸入信號(hào)。地面根據(jù)子網(wǎng)1下行遙測(cè)時(shí)間TG和地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間TD生成上注校時(shí)數(shù)據(jù)ΔTD-G，通過子網(wǎng)3測(cè)控信道上注，子網(wǎng)3總線控制器將ΔTD-G轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)B，網(wǎng)關(guān)B將ΔTD-G轉(zhuǎn)發(fā)給子網(wǎng)1總線控制器，由子網(wǎng)1總線控制器根據(jù)ΔTD-G完成校時(shí)，形成子網(wǎng)1總線控制器自身守時(shí)時(shí)間TG1，子網(wǎng)1總線控制器校時(shí)完成后周期性對(duì)網(wǎng)關(guān)A、網(wǎng)關(guān)B以及子網(wǎng)1中各終端設(shè)備廣播時(shí)間TG2；子網(wǎng)2總線控制器(網(wǎng)關(guān)A)完成校時(shí)形成自身守時(shí)時(shí)間TF1后，周期性對(duì)子網(wǎng)2各終端設(shè)備廣播時(shí)間TF2；子網(wǎng)1總線控制器周期性把TS2發(fā)送網(wǎng)關(guān)B，網(wǎng)關(guān)B計(jì)算子網(wǎng)1總線控制器和子網(wǎng)3總線控制器的時(shí)間差ΔTGS后發(fā)送給子網(wǎng)3總線控制器，子網(wǎng)3總線控制器得到時(shí)間差ΔTGS后完成校時(shí)，形成自身守時(shí)時(shí)間TS1，然后周期性對(duì)子網(wǎng)3各終端設(shè)備廣播時(shí)間TS2。

2.2 多子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)誤差分析

文章描述的時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，精度要求為各子網(wǎng)的器地時(shí)間誤差小于5.00 ms。定義TGD為子網(wǎng)1總線控制器守時(shí)時(shí)間，TFH為子網(wǎng)2總線控制器守時(shí)時(shí)間，TSS為子網(wǎng)3總線控制器守時(shí)時(shí)間。在圖 5所示的多艙段多子網(wǎng)深空探測(cè)器時(shí)間同步系統(tǒng)下，子網(wǎng)1總線控制器作為整個(gè)時(shí)間同步系統(tǒng)的守時(shí)設(shè)備與地面標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行時(shí)間同步，TGD與TD的關(guān)系為

TGD-TD=Tmod ulation+Tlink+Tdemod ulation+

Tint+ΔTMeature+ΔTQ

(1)

式中：Tmodulation、Tlink、Tdemodulation分別為子網(wǎng)1航天器上遙測(cè)的調(diào)制時(shí)間、與地面之間通信信號(hào)的傳輸時(shí)間和地面遙測(cè)的解調(diào)時(shí)間，其中，Tmodulation和Tdemodulation要通過地面測(cè)量獲得，Tlink可通過測(cè)定軌后或者地面驗(yàn)證過程中通過計(jì)算獲得；ΔTMeature可認(rèn)為是測(cè)量Tmodulation、Tlink、Tdemodulation時(shí)產(chǎn)生的測(cè)量誤差；Tint為當(dāng)遙測(cè)中斷被其他事件關(guān)閉(如總線廣播時(shí)間過程關(guān)閉中斷)產(chǎn)生的時(shí)間誤差。

子網(wǎng)2總線控制器守時(shí)時(shí)間TFH與子網(wǎng)1總線控制器守時(shí)時(shí)間TGD為

TFH-TGD=TG-Comdeley+TGocs-30s+TF-Comdeley

(2)

式中：TG-Comdeley為子網(wǎng)1總線控制器在向子網(wǎng)2總線控制器發(fā)起時(shí)間同步信息傳輸過程中由軟件和通信產(chǎn)生的延時(shí)；TF-Comdeley為子網(wǎng)2總線控制器內(nèi)部的軟件和中斷響應(yīng)延時(shí)；TGocs-30s為子網(wǎng)1總線控制器30 s內(nèi)守時(shí)晶振漂移導(dǎo)致的計(jì)時(shí)誤差，根據(jù)子網(wǎng)1總線控制器使用的晶振性能指標(biāo)，誤差值低于6×10-9s。

子網(wǎng)3總線控制器守時(shí)時(shí)間TSS與子網(wǎng)1總線控制器守時(shí)時(shí)間TGD關(guān)系為

TSS-TGD=TCal+TZocs-30s+TS-Comdeley

(3)

式中：TCal為網(wǎng)關(guān)B同時(shí)獲取子網(wǎng)1總線控制器和子網(wǎng)3總線控制器守時(shí)的時(shí)間并計(jì)算差值后傳輸給子網(wǎng)3總線控制器，由軟件和通信產(chǎn)生的延時(shí)；TS-Comdeley為子網(wǎng)2總線控制器內(nèi)部的軟件和中斷響應(yīng)延時(shí)；TZocs-30s為網(wǎng)關(guān)B收到子網(wǎng)1總線控制器守時(shí)時(shí)間及子網(wǎng)3總線控制器守時(shí)時(shí)間計(jì)算差值，最長(zhǎng)間隔時(shí)間30 s晶振漂移導(dǎo)致的計(jì)時(shí)誤差，根據(jù)網(wǎng)關(guān)B使用的晶振性能指標(biāo)，誤差值低于10-6s，TZocs-30s最大值誤差為3×10-5s不能忽略。

式(2)+(1)，(3)+(1)，得到

TFH-TD=Tmod ulation+Tlink+Tdemod ulation+

ΔTMeasure+ΔTQ+TGocs-30s+TG-Comdeley+

TF-Comdeley+Tint

(4)

TSS-TD=Tmod ulation+Tlink+Tdemod ulation+

ΔTMeasure+TZocs-30s+TCal+TF-Comdeley+

Tint+ΔTQ

(5)

根據(jù)軟件設(shè)計(jì)分析TG-Comdeley、TF-Comdeley理論最大誤差值為5×10-4s，該誤差值不能忽略；Tint為遙測(cè)下行過程中，遇到遙測(cè)中斷被關(guān)閉導(dǎo)致的誤差，最大誤差值為5×10-4s；TGocs-30s為子網(wǎng)1總線控制器30 s內(nèi)守時(shí)晶振漂移導(dǎo)致的計(jì)時(shí)誤差，根據(jù)子網(wǎng)1總線控制器使用的晶振性能指標(biāo)，誤差值低于6×10-9s；ΔTMeature的時(shí)間誤差數(shù)量級(jí)為10-6s。ΔTMeature、TGocs-30s小于計(jì)時(shí)精度2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，均可以忽略；根據(jù)網(wǎng)關(guān)B晶振性能進(jìn)行分析，TZocs-30s為30 s內(nèi)最大值誤差為3×10-5s；根據(jù)網(wǎng)關(guān)B軟件設(shè)計(jì)情況，TCal最大誤差值為1.2×10-3s；ΔTQ為在下行遙測(cè)寫入時(shí)間碼時(shí)，由于毫秒時(shí)間量化造成的時(shí)間誤差，最大值為1.0×10-3s；器地鏈路時(shí)延C=Tmodulation+Tlink+Tdemodulation，C近似為常數(shù)，可以通過測(cè)量獲得在軌應(yīng)用中在器地校時(shí)過程中進(jìn)行補(bǔ)償。

TFH-TD≤C+2.5×10-3s

(6)

TSS-TD≤C+3.23×10-3s

(7)

TGD-TD≤C+1.5×10-3s

(8)

通過上述分析，該多艙段多子網(wǎng)深空探測(cè)器時(shí)間同步系統(tǒng)通過器地校時(shí)后，不考慮晶振長(zhǎng)漂的情況下，子網(wǎng)1守時(shí)時(shí)間與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差為1.50 ms，子網(wǎng)2守時(shí)時(shí)間與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差為2.50 ms，子網(wǎng)3守時(shí)時(shí)間與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差為3.23 ms；考慮晶振長(zhǎng)漂的情況下，子網(wǎng)1守時(shí)時(shí)間與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差為3.50 ms，子網(wǎng)2守時(shí)時(shí)間與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差為4.50 ms，子網(wǎng)3守時(shí)時(shí)間與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差為4.23 ms；各時(shí)差均滿足器地時(shí)間誤差小于5.00 ms的精度要求。

3 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

通過搭建地面試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，獲取器上時(shí)間碼，與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間碼進(jìn)行比較，分析得出各子網(wǎng)各守時(shí)設(shè)備與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的誤差，驗(yàn)證時(shí)間時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否正確[10-12]。

3.1 各子網(wǎng)GPS時(shí)間戳與對(duì)應(yīng)時(shí)間碼關(guān)系分析

定義ΔTGD為子網(wǎng)1器地鏈路時(shí)延；ΔTFH為子網(wǎng)2器地鏈路時(shí)延；ΔTSS為子網(wǎng)3器地鏈路時(shí)延。

1)子網(wǎng)1的GPS時(shí)間戳與器上時(shí)間碼關(guān)系

地面驗(yàn)證中器地校時(shí)未補(bǔ)償子網(wǎng)1的器地鏈路時(shí)延C，子網(wǎng)1總線控制器守時(shí)時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間TD快ΔTGD，存在等式

TGD-ΔTGD=TD

(9)

定義子網(wǎng)1遙測(cè)幀中插入的時(shí)間碼TGD產(chǎn)生時(shí)刻為TGPS1，該遙測(cè)幀下傳到子網(wǎng)1地面調(diào)制/解調(diào)設(shè)備中插入GPS時(shí)間戳TGPS2

TGD-ΔTGD=TGPS1

(10)

TGPS2-TGPS1=ΔTGD

(11)

得TGPS2=TGD，則：對(duì)子網(wǎng)1總線控制器進(jìn)行GPS校時(shí)后，子網(wǎng)1地面MTP測(cè)試數(shù)據(jù)庫中查詢得到的同一遙測(cè)幀內(nèi)的器上時(shí)間碼與對(duì)應(yīng)的GPS時(shí)間戳近似相等，即TGPS2-TGD=0(器地鏈路時(shí)延可認(rèn)為是常數(shù)予以扣除)。子網(wǎng)2守時(shí)與子網(wǎng)1守時(shí)最大偏移不能超過5.00 ms，|TGPS2-TGD|≤5.00 ms。

2)子網(wǎng)2GPS時(shí)間戳與器上時(shí)間碼關(guān)系

根據(jù)第2章分析，子網(wǎng)1守時(shí)時(shí)間與子網(wǎng)2時(shí)間誤差TGW∈[0.00，3.50] ms，存在

TGD-ΔTGD=TD

(12)

TGD-TFH=TGW

(13)

得TFH-(ΔTGD-TGW)=TD，可以得出子網(wǎng)2總線控制器守時(shí)的時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間快(ΔTGD-TGW)，(ΔTGD-TGW)∈[996.50，1 000.00] ms。

定義子網(wǎng)2遙測(cè)幀中插入的時(shí)間碼TFH產(chǎn)生時(shí)刻為TGPS3，該遙測(cè)幀下傳到子網(wǎng)2地面調(diào)制/解調(diào)設(shè)備中插入GPS時(shí)間戳TGPS4

TFH-(ΔTGD-TGW)=TGPS3

(14)

TGPS4-TGPS3=ΔTFH

(15)

得TGPS4-TFH=ΔTFH-ΔTGD+TGW，其中ΔTFH測(cè)量值為1 161.00 ms，(TGPS4-TFH)∈[161.00，164.50] ms。GPS校時(shí)后，地面MTP測(cè)試數(shù)據(jù)庫中查詢得到的同一遙測(cè)幀內(nèi)的器上時(shí)間碼與對(duì)應(yīng)的GPS時(shí)間戳，相差的最大值為164.50 ms，最小值為161.00 ms。

若子網(wǎng)2與子網(wǎng)1守時(shí)時(shí)間完全同步，TGPS4-TFH=161.00 ms。子網(wǎng)2守時(shí)與子網(wǎng)1守時(shí)最大偏移不能超過5.00 ms，(TGPS4-TFH)∈[156.00,166.00] ms，其中161.00 ms表示子網(wǎng)1守時(shí)時(shí)間與子網(wǎng)2守時(shí)時(shí)間完全同步。上述推論(TGPS4-TFH)∈[161.00，164.50] ms滿足時(shí)間設(shè)計(jì)精度要求。

3)子網(wǎng)3GPS時(shí)間戳與器上時(shí)間碼關(guān)系分析

子網(wǎng)3守時(shí)時(shí)間與子網(wǎng)1守時(shí)時(shí)間誤差TSP∈[0.00，1.73] ms，存在

TGD-ΔTGD=TD

(16)

TGD-TSS=TSP

(17)

得TSS-(ΔTGD-TSP)=TD，可以得出子網(wǎng)3守時(shí)時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間快(ΔTGD-TSP)，(ΔTGD-TSP)∈[998.27，1 000.00] ms。

定義子網(wǎng)3遙測(cè)幀中插入的時(shí)間碼TSS產(chǎn)生時(shí)刻為TGPS5，該遙測(cè)幀下傳到子網(wǎng)3地面調(diào)制/解調(diào)設(shè)備中插入GPS時(shí)間戳TGPS6

TSS-(ΔTGD-TSP)=TGPS5

(18)

TGPS6-TGPS5=ΔTSS

(19)

得TGPS6-TSS=ΔTSS-ΔTGD+TSP，其中ΔTSS測(cè)量值為2 205.00 ms，(TGPS6-TSS)∈[1 205.00，1 206.73] ms。GPS校時(shí)后，地面MTP測(cè)試數(shù)據(jù)庫中查詢得到的同一遙測(cè)幀內(nèi)的器上時(shí)間碼與對(duì)應(yīng)的GPS時(shí)間戳，相差的最大值為1 206.73 ms，最小值為1 205.00 ms。

若子網(wǎng)3與子網(wǎng)1守時(shí)時(shí)間完全同步，TGPS6-TSS=1 205.00 ms。子網(wǎng)3與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間最大偏移不能超過5.00 ms，在這種條件下(TGPS6-TSS)∈[1 200.00，1 210.00] ms，其中1 205.00 ms表示子網(wǎng)3守時(shí)時(shí)間與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間完全同步。上述推論(TGPS6-TSS)∈[1 205.00，1 206.73] ms滿足時(shí)間設(shè)計(jì)精度要求。

3.2 各子網(wǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)分析

本節(jié)對(duì)多子網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)聯(lián)合工作狀態(tài)下，子網(wǎng)1、2、3遙測(cè)信道下行的遙測(cè)幀中的時(shí)間碼及對(duì)應(yīng)的GPS時(shí)間碼進(jìn)行分析。

1)子網(wǎng)1時(shí)間數(shù)據(jù)

查詢TGPS2和TGD數(shù)據(jù)，繪制(TGPS2-TGD)曲線如圖6和圖7所示，圖6持續(xù)約為180 s，誤差區(qū)間為[-0.42，0.59] ms，圖7持續(xù)時(shí)間約為130 min，誤差區(qū)間為[-0.36，1.03] ms。

通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，子網(wǎng)1守時(shí)時(shí)間滿足在地面連續(xù)2 h不對(duì)探測(cè)器注入校時(shí)指令條件下，器地時(shí)差不大于5.00 ms，滿足在軌時(shí)間精度要求。

2)子網(wǎng)2時(shí)間數(shù)據(jù)

查詢TGPS4和TFH數(shù)據(jù)，繪制(TGPS4-TFH)曲線如圖8和圖9所示。圖8持續(xù)約為180 s，誤差區(qū)間為[161.00，163.00] ms，圖9持續(xù)時(shí)間約為130 min，誤差區(qū)間為[161.00，164.00] ms。

驗(yàn)證數(shù)據(jù)得(TGPS4-TFH)∈[161.00，164.00] ms，滿足3.1節(jié)中[161.00，164.50] ms的分析結(jié)果，在2 h10 min內(nèi)，子網(wǎng)3守時(shí)時(shí)間與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏移在[0.00，3.00] ms間跳變。子網(wǎng)3器上時(shí)間滿足在地面連續(xù)2 ms不對(duì)探測(cè)器注入校時(shí)指令條件下，器地時(shí)差不大于5.00 ms的時(shí)間精度設(shè)計(jì)要求。

3)子網(wǎng)3時(shí)間數(shù)據(jù)

通過在測(cè)試計(jì)算機(jī)中查詢TGPS6和TSS數(shù)據(jù)，繪制(TGPS6-TSS)曲線如圖10所示，圖中誤差區(qū)間為[1 205.01，1 206.66] ms。

驗(yàn)證數(shù)據(jù)得(TGPS6-TSS)∈[1 205.01，1 206.66] ms，滿足3.1節(jié)中[1 205.00，1 206.73] ms的分析結(jié)果，子網(wǎng)3守時(shí)時(shí)間與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏移在[0.10，1.66] ms間跳變，滿足器上時(shí)間精度設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)束語

本文提出了多子網(wǎng)深空探測(cè)器中對(duì)等子網(wǎng)與上下級(jí)子網(wǎng)相結(jié)合的時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)各子網(wǎng)守時(shí)時(shí)間與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差進(jìn)行了理論分析，通過地面試驗(yàn)驗(yàn)證并獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析證明：各艙段守時(shí)時(shí)間與地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差小于5.00 ms的精度設(shè)計(jì)要求，滿足任務(wù)需求。本文提出的時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已成功應(yīng)用于某月球探測(cè)器，可以為后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)參考。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 孫澤洲，孟林智.中國深空探測(cè)現(xiàn)狀及持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，47(6)：785-791

Sun Zezhou, Meng Linzhi．Current situation and sustainable development trend of deep space exploration in China[J] Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2015，47(6)：785-791 (in Chinese)

[2] Wu Haitao，Li Xiaohui，Bian Yujing．Independent UTC synchronization and time code transmission over LORAN-C data channel[C]// Proceedings of the IEEE 2002 International Frequency Control Symposium. New York：IEEE，2002：156-183

[3] 金晟毅，杜穎，黃昊. 一種多航天器組合體的時(shí)統(tǒng)結(jié)構(gòu)：中國，ZL201418006574.0[P]. 2017-04-12

Jin Shengyi，Du Ying，Huang Hao. A structure of time-synchronization system on multi-cabin spacecraft: China, ZL201418006574.0[P]. 2017-04-12

[4] 楊孟飛，張伍，杜穎. 多艙段組合式航天器的變結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)：中國, ZL201418006575.5[P]. 2017-04-12

Yang Mengfei，Zhang Wu，Du Ying. The variable structure data bus system on multi-cabin spacecraft: China, ZL201418006575.5 [P]. 2017-04-12

[5] 金晟毅，白崇延，張伍, 等. 月地高速再入返回航天器時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證[J]. 航天器工程，2016，25(1)：84-89

Jin Shengyi, Bai Chongyan, Zhang Wu, et al. Time-synchronization system design and verification for moon-earth high-speed reentry spacecraft[J]. Spacecraft Engineering，2016，25(1)：84-89 (in Chinese)

[6] 穆強(qiáng)，裴楠，郭堅(jiān)，等. 一種航天器上多子網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J]. 航天器工程，2015，24(6)：41-46

Mu Qiang, Pei Nan, Guo Jian, et al. Design of on-board multi-subnet data network of spacecraft[J] Spacecraft Engineering，2015，24(6)：41-46 (in Chinese)

[7] 周林. 國際空間站信息系統(tǒng)方案[J]. 遙測(cè)遙控，2005，26(2)：50-56

Zhou Lin．Space station information system project[J]. Journal of Telemetry，Tracking，and Command，2005，26(2)：50-56 (in Chinese)

[8] 邵金劍，邵宗良. 1553B總線拓?fù)浼巴ㄐ艆f(xié)議設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2011，37(10)：269-270

Shao Jinjian，Shao Zongliang. Design of bus topology and communication protocols on 1553B[J]. Computer Engineering, 2011，37(10)：269-270 (in Chinese)

[9] 黃波. 1553B總線控制系統(tǒng)時(shí)間同步設(shè)計(jì)[J]. 航天控制，2008，26(6)：70-73

Huang Bo. A time synchronization mechanism for 1553B data bus control system[J]. Aerospace Control，2008，26(6)：70-73 (in Chinese)

[10] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). GJB 2242-94 時(shí)統(tǒng)設(shè)備通用規(guī)范[S]. 北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1994

Commission of Science，Technology and Industry for National Defense. GJB 2242-94 General specifieation for timing equipments [S]. Beijing：Military Standard Publishing Department of Commission on Science,Technology,and Industry of National Defence，1994 (in Chinese)

[11] 章寶潤(rùn). 時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2003

Zhang Baorun. Timing system[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2003 (in Chinese)

[12] 王云楊. 時(shí)間同步技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2009，35(16)：37-40

Wang Yunyang. Time synchronization technology[J]. Computer and Network，2009，35(16)：37-40 (in Chinese)