實踐十號返回衛星時間同步系統設計與驗證

王文平，元 勇，王 穎， 趙會光

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

實踐十號返回衛星時間同步系統設計與驗證

王文平，元 勇，王 穎， 趙會光

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

根據返回式衛星的特點，衛星在軌飛行包括兩個階段的時間同步工作模式：1)“返回艙和儀器艙在軌段組合體”時間模式；2)兩艙分離后，“儀器艙留軌段”時間模式;因此，如何設計返回式衛星的時間系統，并進行優化使其在不同階段完成不同任務，是返回式衛星時間系統設計的關鍵點;返回式衛星時間包括時間產生、時間維護、時間發布及時間傳輸;返回式衛星時間系統設計就是為了滿足時間用戶對時間同步精度的需求，通過特定方法和必要手段對星上時間產生、維護和發布機制進行相應的系統設計;針對實踐十號返回式科學實驗衛星時間同步需求、時間管理模型、時間系統架構以及時間系統的設計進行了說明，并對衛星在整星電測以及在軌運行的驗證情況進行說明。

返回衛星;時間系統;設計與驗證

0 引言

實踐十號衛星于2016年4月6日在酒泉衛星發射中心發射，并于2016年4月18日在內蒙古四子王旗回收場安全回收。衛星為多艙段結構，分為儀器艙和返回艙兩個艙段，其中儀器艙包括服務艙和密封艙，返回艙包括回收艙和制動艙。衛星在軌運行期間是以返回艙和儀器艙組合體的模式飛行，在軌運行一段時間后返回艙獨立返回地面，儀器艙繼續進行留軌段飛行任務。時間同步就是為分布式系統提供一個共同的時間基準，衛星需要具備兩種獨立的時間工作模式：1)在軌運行段，返回艙和儀器艙以組合體的時間同步模式；2)留軌飛行段，儀器艙獨立時間同步模式。

針對實踐十號返回式衛星分離組合體的特點，提出了一種返回式衛星分離組合體的時間系統設計方法，使得返回式衛星在不同階段完成不同的時間任務，并兼顧了衛星數管時間基準(在軌飛行段使用回收艙管理單元Reentry Management Unit(RMU)時間、留軌段使用中央處理單元Central Terminal Unit (CTU)時間)的變化，能夠滿足衛星各時間用戶的星時需求。本方法在滿足返回式衛星任務的同時，有效地降低了衛星研制成本。

1 時間系統架構

1.1 時間管理模型

為了滿足用戶對時間精度和同步精度的需求，通過特定方法和必要手段對衛星的星上時間產生、維護和發布機制進行相應的約束和規定，并實現用戶對時間要求的完整過程稱為衛星時間管理[1]。依據時間管理的定義，可建立衛星星上時間管理模型，并將其分為4個組成部分，如圖1所示。

圖1 時間管理模型圖

實踐十號衛星時間管理模型由時間源、時間維護、時間用戶及時間傳輸通道組成。其中，時間源、時間維護和時間用戶為邏輯關系層面，它涵蓋了星上時間同步的基本流程，并直接揭示了衛星時間系統的功能實質；時間傳輸通道則承載了邏輯關系的傳遞。

1) 時間源用于星上時間的產生并提供時間基準[2]，它的執行設備為數據管理系統工作時鐘；衛星時間包括CTU時間和RMU時間。

2) 時間維護提供了時間修正的手段與方法，包括集中校時、均勻校時[3]，它的執行設備為數據管理系統CTU和RMU，并以CTU廣播方式實現時間發布；

3) 時間用戶則是時間維護和時間發布的對象，整個系統的最終目標即是為用戶提供能夠滿足任務需求的星上時間，控制分系統、載荷、工程測量分系統均可認為是時間用戶，它們是時間管理的受益者；

4) 時間傳輸通道提供時間信息流的傳輸路徑，它的執行設備為串行1553B總線通道。

1.2 運行機制

實踐十號衛星將數管晶振產生的工作時鐘作為星上時間源。衛星時間包括CTU時間和RMU時間。

衛星時間維護方法具體分類方法如圖2所示。

圖2 時間維護方法分類

當存在較大星地時差時，衛星采用CTU、RMU集中校時方式分別進行星上CTU和RMU時間維護。即按地面校時指令要求，在衛星當前星上時間的基礎上，將星上時間增減一個要求的值，以校正星地時間的較小絕對誤差。

衛星在軌運行段，以RMU時間為整星時間，星時穩定度為±5×10-6s/d，每天的最大偏差為±0.432 s，地面通過RMU集中校時實現星地時間同步，星地時差超過1 s后，地面進行校時；通過RMU自主校時，實現CTU與RMU時間的同步, CTU時間與RMU時間差絕對值小于1 ms；再通過CTU廣播的方式，實現各分系統與CTU時間的同步。

衛星留軌運行段，以CTU時間為整星時間，星時穩定度為±1×10-5s/d，每天的最大偏差為±0.864 s，地面通過CTU集中校時實現星地時間同步，星地時差超過1 s后，地面進行校時；通過CTU廣播的方式，實現各分系統與CTU時間的同步。

圖3 在軌段組合體時間工作模式

1.3 在軌段組合體工作模式

1)地面站測量衛星RMU時間與地面時間的時差Δ；

2)當星地時差Δ大于地面設定的閾值后，地面通過上注遙控指令，通過RMU集中校時方法對RMU進行校時，校時量為Δ，使RMU時間與地面時間保持一致；

3)衛星RMU每分鐘自主對CTU進行一次校時，使CTU時間與RMU時間保持一致；

4)衛星CTU通過串行數據總線，使用廣播的方法，將CTU時間發布到各個總線終端設備(見圖3)。

1.4 留軌段儀器艙工作模式

1)地面站測量衛星CTU時間與地面時間的時差Δ；

2)當星地時差Δ大于地面設定的閾值后，地面通過上注遙控指令，通過CTU集中校時方法對CTU進行校時，校時量為Δ，使CTU時間與地面時間保持一致；

3)衛星CTU通過串行數據總線，使用廣播的方法，將CTU時間發布到各個總線終端設備(見圖4)。

圖4 留軌段儀器艙時間工作模式

2 時間系統詳細設計

2.1 初始時間

2.1.1 CTU時間初始化策略

數管CTU加電、軟件復位或切機時，CTU時間為默認初始值0，立即執行CTU時間恢復程序。

數管CTU時間恢復時，首先從AOCC中恢復；如果失敗，則從RMU中恢復；如果再次失敗，則恢復為默認初始值0。

2.1.2 CTU時間初始化方法

當CTU初始上電、軟件復位或者切機時，通過總線從姿態和軌道控制計算機Attitude and Orbit Control Computer(AOCC)和RMU恢復重要數據和衛星時間。具體步驟如下：

1)CTU通過總線給AOCC發送用于計算時間差Δ(|AOCC-CTU|)的CTU時間碼。

2)CTU等待1 s(±125 ms)后，通過總線從AOCC獲取時差Δ(|AOCC-CTU|)，CTU將時差增加到當前衛星時間上作為恢復后的CTU衛星時間。

3)如果從AOCC恢復衛星時間成功，那么本次恢復CTU衛星時間的操作過程結束；如果從AOCC恢復衛星時間失敗，則轉步驟4)，繼續從RMU恢復衛星時間。

4)CTU通過總線給RMU發送用于計算時間差Δ(|RMU-CTU|)的CTU時間碼。

5)CTU等待1 s(±125 ms)后，通過總線從RMU獲取時差Δ(|RMU-CTU|)，CTU將時差增加到當前衛星時間上作為恢復后的CTU衛星時間。

6)如果從RMU恢復衛星時間成功，那么本次恢復CTU衛星時間的操作過程結束；如果從RMU恢復衛星時間失敗，星上時間恢復失敗，則CTU衛星時間從零開始計時。

2.1.3 RMU時間初始化策略

數管RMU加電復位時，RMU時間為默認初始值0，立即執行RMU時間恢復程序。數管RMU時間恢復時，首先給CTU提服務請求，請求恢復RMU重要數據和CTU時間；CTU查詢到RMU服務請求后，將RMU重要數據以及CTU時間反饋給RMU；RMU從CTU接收RMU重要數據，根據重要數據中的CTU時間來恢復RMU時間；如果恢復失敗，則根據CTU廣播的CTU時間來恢復RMU時間。

2.1.4 RMU時間初始化方法

當RMU初始上電、軟件復位或者切機時，通過總線從CTU恢復重要數據和星時。具體步驟如下：

1)RMU從CTU恢復重要數據時需要提出服務請求(該服務請求同時也是恢復星時的服務請求)。

2)如果CTU響應了RMU的服務請求，即RMU在總線中斷中檢測到接收RMU重要數據指針復位同步字，則RMU立即清除該服務請求。

3)如果時間超過3個時間片(100 ms/時間片)，CTU仍未響應該服務請求，則RMU終止從服務艙CTU恢復重要數據，表明從CTU恢復重要數據失敗，則RMU時間從零開始計時。

4)如果在3個時間片內，CTU響應了服務請求，RMU從總線相應子地址取得重要數據，對重要數據的數據頭和數據尾進行校驗。

2.2 在軌段組合體工作模式

2.2.1 時間產生

返回式衛星將數管晶振產生的工作時鐘作為星上時間源，包括CTU時間和RMU時間。返回式衛星從發射到在軌運行段，數管CTU和RMU的工作時鐘都可以作為星上時間源，但由于RMU晶振穩定性優于CTU，因此在軌運行段使用RMU內部時鐘作為整星時間基準，星時穩定度為±5×10-6s/d，每天的最大偏差為±0.432 s。

2.2.2 時間維護

2.2.2.1 RMU自主校時

返回式衛星的時間由數管CTU進行統一管理。衛星在軌運行段，設計了RMU自主校時方法，實現RMU對CTU的周期性校時。RMU自主校時實現星上CTU時間與RMU時間的同步。當自主校時使能時，數管CTU周期性(1分鐘1次)向RMU發送CTU時間，發送結束1 s之后從RMU獲取時間差，將差值和CTU時間做加法運算，結果作為新的CTU時間。每完成一次RMU自主校時后，CTU時間與RMU時間差絕對值小于1 ms。

地面可以根據需要上注數管CTU內務指令，設置RMU自主校時使能禁止狀態。初始為禁止狀態。

2.2.2.2 RMU集中校時和均勻校時

當存在星地時差時，返回式衛星采用集中校時、均勻校時的方式進行星上時間維護。即按地面校時指令要求，在衛星當前星上時間的基礎上，將星上時間增減一個要求的值，以校正星地時間的絕對誤差。

1)返回式衛星在軌運行段，當星地時差絕對值為ΔT秒時，可以通過地面上注指令對RMU集中校時進行時差修正，實現星上RMU時間與地面UTC時間的同步，集中校時隨機誤差為微秒量級。在進行集中校時時差修正過程中，還要考慮星地鏈路時延。

2)當星地時差由于RMU時間晶振偏移導致周期性出現累計值ΔT1毫秒時，可以通過地面上注指令對RMU均勻校時進行累計時差修正。RMU在一定的時間間隔ΔT2秒內，周期性地對RMU時間增加或減少一個最小時間間隔ΔT3毫秒，達到提高星上時間累計準確計時目的。

2.2.3 時間發布

通過CTU廣播的方式，實現各分系統與CTU時間的同步。CTU將時間碼發送到總線的軟件時延以及總線傳輸時延進行補償；時間用戶對取到時間碼后的軟件時延進行時間補償。CTU通過總線向遠程終端設備廣播CTU時間，每秒一次，A/B總線交替。

2.3 留軌段儀器艙工作模式

2.3.1 時間產生

返回式衛星將數管晶振產生的工作時鐘作為星上時間源，包括CTU時間和RMU時間。返回式衛星留軌運行段，由于RMU已隨返回艙著陸地面，因此衛星留軌段只能使用數管CTU內部時鐘作為整星時間基準，星時穩定度為±1×10-5s/d，每天的最大偏差為±0.864 s。

2.3.2 時間維護

衛星留軌段時間維護方式為CTU集中校時和均勻校時。當存在星地時差時，返回式衛星采用集中校時、均勻校時的方式進行星上時間維護。即按地面校時指令要求，在衛星當前星上時間的基礎上，將星上時間增減一個要求的值，以校正星地時間的絕對誤差。

1)返回式衛星留軌運行段，當星地時差絕對值為ΔT秒時，可以通過地面上注指令對CTU集中校時進行時差修正，實現星上CTU時間與地面UTC時間的同步，集中校時隨機誤差為微秒量級。在進行時差修正過程中，還要考慮星地鏈路時延。

2)當星地時差由于CTU時間晶振偏移導致周期性出現累計值ΔT1毫秒時，可以通過地面上注指令對CTU均勻校時進行累計時差修正。CTU在一定的時間間隔ΔT2 s內，周期性地對CTU時間增加或減少一個最小時間間隔ΔT3 ms，達到提高星上時間累計準確計時目的。

2.3.3 時間發布

通過CTU廣播的方式，實現各分系統與CTU時間的同步。CTU將時間碼發送到總線的軟件時延以及總線傳輸時延進行補償；時間用戶對取到時間碼后的軟件時延進行時間補償。CTU通過總線向遠程終端設備廣播CTU時間，每秒一次，A/B總線交替。

3 在軌運行驗證情況

實踐十號衛星在軌飛行期間，時間同步系統工作穩定，星地時差變化情況如圖5所示。

圖5 飛行階段星地時差變化情況

3.1 在軌運行段

衛星在軌運行段，即衛星從發射后飛行至190圈期間，以在軌段組合體的工作模式進行時間同步，衛星入軌至兩艙一次分離，衛星使用RMU時間，在此期間共進行了1次集中校時(127圈RMU集中校時)。根據星地時差測量情況可知，RMU實際晶振漂移為39 ms/d，遠優于穩定度指標±5×10-6s/d(0.43 s/d)，地面通過對衛星進行RMU集中校時，使得星地時差始終控制在±1 s以內。

有效載荷分系統與整星時間保持高度同步，所有在軌科學實驗都按計劃、按步驟圓滿完成，取得了預期效果。衛星承載了19項微重力科學和空間生命科學實驗項目，并按時序支持開展在軌實驗，成為國內支持實驗載荷數量最多的衛星，多個項目獲得了具有突破性價值的科學實驗結果。

3.2 返回段

衛星返回段，即衛星從191～204圈期間，通過返回前對衛星實施的精確RMU校時，使得星地時差始終控制在±0.5秒以內。返回衛星首次成功實現長航程、彈道式安全返回四子王旗落區。突破了返回窗口精確控制、再入過程無控飛行的自穩定、長航程多參數影響的落點散步控制等技術難題，返回平臺能力實現新跨越。

3.3 留軌運行段

衛星留軌運行段，即衛星從返回艙分離后205圈至飛行壽命結束，以留軌段儀器艙的工作模式進行時間同步，兩艙一次分離后衛星使用CTU時間，期間共進行了1次集中校時(234圈CTU集中校時)，根據留軌段星地時差測量情況可知，CTU實際晶振漂移為743 ms/d，優于穩定度指標±1×10-5s/d(0.86 s/d)，留軌段星地時差始終控制在±2 s以內。衛星所有留軌段載荷試驗均按計劃圓滿完成。

4 結論

返回衛星時間基準的建設方案，在軌段以RMU作為主時鐘源，CTU作為輔助時鐘源；留軌段以CTU作為主時鐘源；為衛星不同任務階段提供了所需要的時鐘源。根據返回衛星任務的不同階段，分別應用不同模式的星地時間同步系統，解決了返回衛星組合艙間的星地時間同步問題，減少了星地時間同步偏差，為有效載荷星地協調動作提供較為準確的時間基準。實踐十號衛星的星地校時方法是一種低成本、高可靠、精度符合要求并且運行穩定的方法[4]，滿足返回式衛星分離組合體時間系統對于時間同步的要求，具有很好的應用價值，后續返回式衛星時間系統設計時可以充分借鑒。

[1] 田賀祥，王同桓，李 璇，等. 遙感衛星星上時間管理方法[J]. 傳感器與微系統，2013，32(4)：80-82.

[2] 黃 飛，明德祥，喬純捷,等. 時間統一系統中多基準時間源的設計[J]. 兵工學報，2008，29(11)：1330-1334.

[3] 高建軍，蘭 天，王 斌. 一種高可靠的星載軟件時間管理方法[J]. 計算機測量與控制，2013，21(3)：806-808.

[4] 楊天社，李懷祖. 在軌衛星與地面時鐘精確同步方法研究[J]. 系統工程與電子技術，2002，24(5)：102-105.

Design and Verification of Time Synchronization System of SJ-10 Reentry Satellite

Wang Wenping, Yuan Yong, Wang Ying, Zhao Huiguang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094,China)

Based on the characteristics of reentry satellite, there are two kind of time synchronization mode across the flight time. First, the combination of reentry capsule and apparatus capsule time mode. Second, apparatus capsule time mode. As a result, the key point is how to design the time system of the reentry satellite, and how to meet all the goals of the two time mode. The time system of reentry satellite includes time generation, time calibration, time broadcasting and time transmission. The design of time system aims at meeting the demand of time synchronization for the time users. This paper mainly discusses time synchronization demand, time-management model, time system architecture, the design of time system and the test verification of time system for the satellite.

reentry satellite；time system；design and verification

2017-02-28；

2017-03-13。

中國科學院空間科學戰略性先導科技項目(XDA04020200)。

王文平(1984-)，男，山西朔州人，碩士，工程師，主要從事航天器空間數據系統總體設計方向的研究。趙會光(1972-)，男，博士，研究員，主要從事航天總體設計方向的研究。

1671-4598(2017)08-0237-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.061

V474.1

A