HXMT衛星時間同步系統設計

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(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引言

硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星[1]是我國第一顆空間天文衛星，用于實現寬波段、大視場X射線探測，衛星有效載荷分為高能X射線探測器(HE)、中能X射線探測器(ME)[2]、低能X射線探測器(LE)和空間環境監測器(SEM)，通過載荷光軸(星體+X軸)對天指向實現對目標的觀測。衛星于2017年6月15日11時在酒泉衛星發射中心成功發射。

HXMT衛星通過巡天觀測、定點觀測、小天區掃描等多種方式實現寬波段X射線(1～250 keV)高靈敏度和高分辨率觀測，為滿足衛星控制系統和有效載荷設備對衛星時間高精度同步的需求(≤10 μs)，本文設計了適用于空間科學試驗衛星的時間同步系統，通過GPS校時[3]、星時總線廣播、硬件秒脈沖輸出等多種方式實現了一般精度時間同步系統和高精度時間同步系統，用于滿足衛星不同的用戶需求。

1 時間同步系統方案

衛星時間同步系統是向衛星各個終端用戶提供標準時間信號和標準頻率信號以實現整個衛星的時間統一，由各種電子設備及相關協議算法組成的完整系統，如圖1所示。衛星時間系統需要根據衛星任務需求如目標定位精度、事后處理需求等進行合理設計。

圖1 時間同步系統示意圖

衛星時間同步系統主要包括授時部分和守時部分：

1)授時部分包括時鐘源、時間傳遞和保持設備等。時鐘源的作用是使時間碼產生器對頻標源輸出的頻率信號進行計數產生本地時間，與外部輸入的時間基準進行比對后，按照一定的時間編碼格式輸出參考時間。時間傳遞與保持設備將這一參考時間傳送給守時部分；

2)守時部分通常由時間信息接收部分、本地時間碼生成器及用戶等組成，主要完成對授時部分發送時間信息的接收、對本地時間校正及時間應用等。目前衛星設計方法中守時部分常存在于星上各個終端用戶中。

HXMT衛星時間同步系統由四部分組成：衛星中央處理單元(CTU)時間初始化及恢復系統、衛星校時系統、一般精度時間系統和高精度時間系統。HXMT衛星時間同步系統如圖 2所示。

圖2 HXMT衛星時間同步系統框圖

HXMT衛星時間同步系統說明如下：

1)頻率基準

(1)頻率基準可以為數管CTU、有效載荷設備(高能、中能、低能電控箱和綜合控制器)提供時鐘驅動信號。HXMT衛星的頻率基準由高穩時間單元提供，分為40 kHz方波信號和5 MHz正弦信號；

(2)高穩時間單元輸出1路40 kHz方波信號，作為數管CTU的驅動信號，當該路信號失效時，CTU會自動切換到內部40 kHz晶振；

(3)高穩時間單元輸出2路5 MHz正弦信號，經時鐘分路器分路后，輸出6路5 MHz的高穩定時鐘信號(高能、中能、低能電控箱各兩路)，作為有效載荷的時鐘信號。

2)校時

(1)衛星在軌主要使用GPS校時，正常工作時由數管CTU和GPS接收機共同完成GPS自主校時和GPS強制校時功能；

(2)當GPS接收機出現故障或者不需要GPS校時時，地面還可以使用集中校時和均勻校時等地面遙控校時方式對衛星進行校時操作。

3)時間廣播和發送

(1)CTU通過總線廣播衛星CTU時間，1秒1次，A、B總線交替廣播；

(2)CTU周期性查詢由GPS接收機發出的“請求總線控制器索取GPS秒脈沖對應整秒時刻”服務請求，每125 ms查詢一次；查詢到服務請求時，CTU通過總線取回GPS秒脈沖對應整秒時刻[4]，并在0.5 s之內通過總線廣播，由高、中、低能載荷以及綜合控制器對該信號進行接收和使用；CTU獲取整秒時刻數據失敗時，把有效標識置為無效后廣播；

(3)CTU通過總線向控制計算機(AOCC)發送CTU時間，1分鐘1次。

4)GPS秒脈沖與GPS秒脈沖對應整秒時刻

(1)GPS接收機在每個協調世界時(UTC)整秒時刻通過RS422接口分別為高、中、低能有效載荷和綜合控制器提供兩路整秒脈沖信號，兩臺GPS接收機在提供整秒脈沖信號方面互為冷備份；

(2)GPS接收機在為有效載荷提供UTC整秒脈沖的同時，還將該脈沖對應的整秒時刻信息通過1553B總線發送至數管CTU，并由CTU再通過1553B總線向有效載荷設備進行廣播。

5)時間恢復

CTU加電、復位或切機時，首先從AOCC恢復CTU時間；若恢復失敗，則從GPS恢復CTU時間；若再次恢復失敗，則設置CTU時間為默認值0。

2 CTU時間初始化及恢復

2.1 初始化策略

星上CTU加電、復位或切機時，CTU時間首先設置為初始值0，然后立即執行CTU時間恢復程序。CTU時間恢復過程中，CTU按照初始值0對衛星時間進行守時。如果時間最終恢復失敗，CTU繼續衛星時間守時。

2.2 星時恢復策略

CTU時間恢復程序執行過程為：CTU首先從AOCC恢復時間；若恢復失敗，則從GPS接收機恢復時間；若再次恢復失敗，則設置CTU時間為默認值0。

1)CTU從AOCC恢復時間流程如下：

CTU從AOCC恢復星上時間碼時，進行兩次操作：首先通過星上總線向AOCC發送用于作時間差值的時間碼，等待1s后，向AOCC索取時間差。AOCC在接收到CTU傳送的星上時間碼后，應鎖定本終端此刻的時間，進行相關誤差消除和兩者時間差值運算。CTU收到時差后，立即將該時差和本地守時時間進行相加。

數管CTU向AOCC發送的時間碼格式如表 1所示。

表1 AOCC/GPS校時用時間數據結構

注：1)亞秒部為每單位25微妙的計數；

2)秒部、亞秒部均為正值。

AOCC向CTU發送的時間差格式如表 2所示。

表2 CTU-AOCC時間差數據格式

注：1)25微秒計數始終為正值；

2)秒部為有符號數(二進制補碼)。

2)CTU從GPS恢復時間流程如下：

CTU從GPS恢復星上時間碼時，進行兩次操作：首先向GPS發送用于作時間差值的時間碼(時間碼格式見表 1)，等待1 s后，向GPS索取時間差。GPS在接收到CTU傳送的星上時間碼后，應鎖定本終端此刻的時間，進行相關誤差消除和兩者時間差值運算。CTU收到時差后，立即將該時差和本地守時時間進行相加。

數管CTU向GPS發送的時間碼格式如表 1所示，GPS返回的時差格式如表 3所示。

表3 GPS-CTU時間差格式

注：1)25微秒計數始終為正值；

2)秒部為有符號數。(二進制補碼)；

3)數據有效標志：0000H—有效，FFFFH—無效。

3 衛星校時

CTU在星上高穩時間單元40 kHz時鐘的驅動下產生衛星CTU時間，并對產生的衛星CTU時間進行校準。衛星校時有兩種方式：1)GPS校時[5]；2)地面遙控校時。GPS校時包括GPS自主校時和GPS強制校時；地面遙控校時包括地面集中校時和均勻校時。

衛星校時系統由數管CTU、控制AOCC、測控GPS接收機和星上1553B總線組成。衛星兩種校時方式間的切換由地面控制，通過上行注入“衛星自主GPS校時使能”、“衛星自主GPS校時禁止”兩條命令實現兩種校時方式之間的切換。

3.1 GPS校時

3.1.1 GPS自主校時

衛星在軌主要使用GPS自主校時來保證衛星CTU時間的準確。

CTU以1 min(±1 s)周期與GPS接收機進行1次計算時差操作，首先CTU向GPS發送“用于作時間差值的時間碼”(時間碼格式見表 1)，延時1 s后向GPS索取時間差(時差格式見表 3)。

在自主GPS校時使能模式下，CTU對時間差進行判斷。若時間差絕對值小于20 ms，則CTU以GPS時間為基準對衛星時間進行校準。GPS自主校時誤差小于1 ms。每正確進行1次自主GPS校時，遙測“GPS校時計數”加1；若時間差絕對值大于20 ms，則放棄本次自主校時操作。

3.1.2 GPS強制校時

在某些特殊情況下，衛星以GPS強制校時的方式，來保證衛星CTU時間的準確。

CTU接收到上行GPS強制校時命令后，首先CTU向GPS發送“用于作時間差值的時間碼”(時間碼格式見表 1)，延時1 s后向GPS索取時間差(時差格式見表 3)，并無條件以時間差為基準對衛星時間進行校準。GPS強制校時誤差小于1 ms。每正確進行1次強制GPS校時，遙測“GPS校時計數”加1。

GPS自主校時使能情況下，不影響GPS強制校時。

3.2 地面遙控校時

當GPS接收機出現故障，使得整星的GPS系統無法正常工作時，衛星會采用地面集中校時或地面均勻校時的方式，來保證衛星時間的準確。

3.2.1 地面集中校時

CTU接收到上行集中校時命令后，把地-星時間和星上時間做加法運算，使星上時間對準地面時間。CTU在星上時間整秒時刻時進行校時。地面集中校時誤差小于5 ms。

地面集中校時時間格式如表 4所示。

表4 地面集中校時時間格式

其中：

1)t0、t1為地-星時間25微秒計數差值，無符號整數，差值的低字節在前，高字節在后。

2)T0～T3表示地-星時間秒差值，有符號數，補碼表示，T0為秒差值的最低字節，T3是秒差值的最高字節。

3.2.2 均勻校時

數管CTU接收到上行均勻校時命令后，根據指令內容，按照規定的時間間隔周期性的對星上時間撥快/撥慢1 ms，該操作必須在整秒時刻進行，執行時間間隔為1～65535 s。

均勻校時的執行時間間隔及均勻校時方式字作為CTU重要數據保存，且作為遙測參數下傳。

CTU均勻校時指令時間格式如表 5所示。

表5 CTU均勻校時時間格式

其中：

1)執行時間間隔：取值范圍1～65535 s；

2)均勻校時方式字：55H表示“停止均勻校時”，此時執行時間間隔為0；AAH表示“在執行時間間隔規定的時間撥快1 ms；FFH時表示在執行時間間隔規定的時間撥慢1 ms”。

4 一般精度時間系統

HXMT衛星一般精度時間系統[6]由CTU通過整星一級1553B總線發布時間碼完成授時，各時間用戶接收時間碼完成守時。一般精度時間精確至秒級即可，由于需要和控制計算機、GPS接收機進行時差計算，因此對其精度要求為25 μs。

數管CTU以廣播方式向遠程終端傳輸星上時間碼，周期為1 s。CTU應用軟件從秒中斷中獲取星上時間，對取得的時間進行延時補償處理后，發起通信，發送傳輸給各時間用戶。廣播中的時間為時間碼最后1比特通過總線傳輸至各用戶的時刻。經測試，軟件處理延時補償為41 μs，傳輸時延補償為82 μs。

一般精度時間系統組成如圖 3所示。

圖3 一般精度時間系統組成框圖

數管CTU在高穩時間單元提供的40kHz基準頻率的驅動下產生衛星時間，并對產生的衛星時間進行校正，校正方式分為地面集中校時、均勻校時、GPS強制校時、GPS自主校時，其中GPS自主校時作為衛星在軌工作常態。

數管CTU通過1553B總線以廣播的方式向所有遠程終端發送經校正后及誤差補償后的衛星時間碼，周期為1 s(±125 ms)。

授時部分為中央處理單元(CTU)、高穩定時間單元、整星一級1553B總線和相關硬件接口。高穩時間單元提供頻標源(40 kHz)，CTU通過定時器獲得衛星時間微秒計數，生成一定格式的衛星時間，再經過總線傳輸給各個時間用戶。

數管CTU在40 kHz時鐘驅動下進行衛星時間的累積，同時輔以GPS自主校時功能完成衛星時間的守時。

5 高精度時間系統

HXMT衛星高精度時間系統通過GPS接收機的硬件統一校對時間基準，并通過1553B總線廣播整秒時間碼。工作過程如下：

1)GPS接收機開機等待定位：GPS接收機開機后立即開始輸出秒脈沖信號和時間碼數據，但此時由于GPS接收機并沒有定位，因此輸出的時間碼數據無效，秒脈沖信號也不可用。當接收機定位后，一般情況下，在15分鐘內完成調整秒功能，在調整秒期間，星上不能使用接收機授時功能；

2)秒脈沖接收端使用秒脈沖信號及整秒信息：用戶終端收到秒脈沖信號，以及CTU通過總線發送的時間碼數據后，作為時標信號，并依靠各自內部時鐘進行計數，計算得到數據采樣時對應的時間。

高精度時間系統組成如圖 4所示。

圖4 高精度時間系統組成框圖

GPS接收機輸出8路硬件秒脈沖信號，通過RS422硬件通道，分別將脈沖信號分別傳輸給高、中、低能有效載荷和綜合控制器。CTU通過1553B總線，廣播秒脈沖信號對應的整秒時間，硬件秒脈沖信號與CTU廣播出整秒時間的間隔不大于0.5 s。

5.1 高精度時間授時

高精度時統的授時部分為GPS接收機、CTU和相關硬件接口。授時的原理為：

1)硬件秒脈沖產生：GPS接收機捕獲導航星并定位后，在每個整秒時刻會輸出一個硬件秒脈沖信號(與GPS時間系統嚴格同步)以及對應的整秒時間信息；

2)硬件秒脈沖傳輸：GPS接收機秒脈沖信號通過RS422接口發送至用戶終端；

3)用戶終端設計相應的接收和處理電路，使用硬件秒脈沖信號和整秒時間信息完成本系統(設備)的時間校準。

GPS接收機是高精度時間系統的授時源，GPS接收機負責接收GPS導航信號，并從導航電文中提取時間信息，實現與GPS時間同步。GPS接收機開機后，處于非定位狀態，此時GPS輸出非整秒的硬件秒脈沖信號及時間碼數據，不能完成授時功能。一般情況下，在15分鐘內完成GPS接收機定位和調整秒功能，在GPS調整秒期間，星上不能使用GPS授時功能。GPS調完整秒后，每秒一次輸出整秒脈沖給用戶單元，并在125 ms之內將輸出秒脈沖所對應的絕對時間信息送給數管CTU，CTU通過1553B總線以廣播方式將此時間信息轉發給各分系統終端設備。

5.2 高精度時間守時

守時端的基本原理是使用硬件秒脈沖信號對內部時標信號進行校正或標定，以獲取測量數據相對于秒脈沖基準信號的偏差量。

用戶終端工作期間，將同時接收來自GPS分系統的硬件秒脈沖和CTU轉發的對應秒脈沖的整秒時刻數據。有效載荷信號處理器根據硬件秒脈沖啟動本地1 MHz計時時鐘對亞秒進行計時，同時利用本地1 MHz時鐘通過對相鄰2個秒脈沖的計時實現對時鐘頻率的標定，從而精確計算出每一行測量數據時刻，并在對應的輔助數據里標出。用戶終端在收到GPS硬件秒脈沖后250 ms內收到CTU轉發的對應秒脈沖的時間碼數據。

6 時間精度分析

6.1 10 μs守時

當GPS接收機失鎖非定位期間，整秒脈沖信號不準確，GPS秒脈沖對應整秒時刻給出無效標識。此時則需要利用守時系統保證在GPS接收機重新定位之前(HXMT衛星規定星載GPS接收機一次非定位時間不超過20分鐘)，為載荷提供的時間精度需優于10 μs。

當GPS出現非定位情況，使得GPS整秒脈沖信號和整秒脈沖對應整秒時刻信號輸出不準確，有效載荷無法用該秒脈沖比對和UTC時間的差值，因此只能使用時鐘分路器提供的5 MHz時鐘信號(由高穩時間單元分路而來)來進行維持。此時影響守時精度的關鍵是5 MHz高穩信號的穩定性(抗漂移能力)。

表6 高穩時間單元技術指標

高穩時間單元與時鐘分路器的技術指標如上表所示。對于守時精度分析，選擇較為惡劣的長期穩定度進行分析，即載荷收到的時鐘信號的頻率為f×(1±5×10-9)Hz，則單個波形的持續時間為1/(f×(1±5×10-9))s。

以高能載荷分析為例，設n個波形累加之后的時間誤差達到10 μs，所以有：

1/(f×(1±5×10-9))×n=t±10 μs

其中:t為守時誤差達到10 μs時所經過的時間，n為t時間內累計的波形個數，由n、t和f的定義可得n=f×t，代入上式，可得：t≈2 000 s≈33 min。即高能載荷自GPS秒脈沖失效時刻開始，33分鐘之內可以保證載荷與UTC時間的時間精度誤差不超過10 μs。

使用相同的分析方法，對中能載荷和低能載荷進行分析，得到結論為：高、中、低能載荷可保證時間精度的守時時長均為為33 min。

6.2 1 ms校時

HXMT衛星對CTU時間的GPS自主校時精度[7]指標為優于1 ms。

該校時精度的保證需要GPS接收機端、CTU端和中間總線電纜3部分共同來完成。其中，總線電纜只帶來ns級影響，可忽略不計，因此重點關注GPS接收機端和CTU端的影響之和是否超過1 ms量級。

1)GPS接收機端：HXMT衛星上使用的是GPS調整秒的方式，使得GPS校時可能會出現一個最大為505 μs的誤差(即校時誤差可能為0～505 μs的某個隨機數)。

2)CTU端：CTU軟件會在接收到“GPS-CTU”時差后，對自身軟件產生的時延進行一個自校準，使得偏差在μs量級。此外，由于CTU時間的最小分層刻度為25 μs，即在進行索取“ GPS-CTU”時差時，可能出現的最大偏差為25 μs(0或25 μs的偏差)。

綜上，由GPS和CTU共同產生的時間偏差不會超過600 μs，因此可以保證HXMT衛星OBDH時間的GPS校時精度優于1 ms。

7 星地測控對接試驗

星地測控對接試驗期間，在衛星校時測試的基礎上進行了星地時延測試。測試時地面接收機輸入信號S/Φ|c=75 dBHz，星上應答機輸入電平為-80 dBm。在進行GPS校時之后，地面接收處理遙測數據，比對星上發送星上時間與地面收到遙測幀時標的時間差，計算星地設備時差[8]。計算公式為：

ΔT=Ts+(τg+τs+τgs+7.8125)-Tg

其中：Ts為遙測幀中星上時間，即幀首前沿產生時刻的星上時間；Tg為收到幀首后沿時刻的地面標準時間；τg為地面接收解調恢復遙測幀的固定時延，由測站提供；τs為星上由產生幀首前沿到發射出去的固定時延，由衛星方提供；τgs為由衛星到地面站信道時延，忽略不計，為0；7.812 5 ms為幀同步(1ACFFC1DH)固定傳輸時延。

根據上述公式，測試了10次星地時差的測試，均為-1.026 s，結果穩定，滿足要求。

實際星地時延的計算結果為：

ΔT=Ts+(τg+τs+τgs+7.8125)-Tg=

(Ts-Tg)+τg+τs+τgs+7.8125=

-1026+2.16+1015.625+0+7.8125=-0.4025 ms

優于5 ms的星地時延要求。

8 在軌測試結果

HXMT衛星在軌運行期間，GPS自主校時功能運行正常。數管CTU與GPS校時周期為1 min(±1 s)，校時誤差約為22.5～77.5 μs之間，滿足小于1 ms的指標要求。

圖5 在軌期間GPS自主校時時差

9 結束語

本文對HXMT衛星的時間管理模型、運行機制進行了描述，對衛星時間系統的設計方法和內容進行了詳細說明，通過在星地測控對接實驗、在軌運行結果對時間系統的性能進行了實際驗證。經驗證，HXMT衛星時間系統的設計完全滿足衛星全生命周期飛行期間平臺和載荷時間用戶的使用需求，滿足星地測控時間誤差需求，滿足衛星軌道姿態機動的時間需求。后續空間科學試驗衛星時間同步系統設計時可以充分借鑒本設計方法。