高光譜觀測衛星高精時間同步方案設計與應用

溫 淵，張苗苗，張丹丹，李迎杰，王鳳陽，李云端

（上海衛星工程研究所，上海 201109）

0 引言

高光譜遙感技術具有觀測通道多、光譜分辨率高等特點，是遙感技術的重要發展方向[1-2]。高光譜遙感技術已經被廣泛應用于環境綜合監測、地礦調查、大氣成分探測等諸多領域[3-10]。高光譜觀測衛星（GF-5）衛星是我國第1 顆高光譜綜合觀測衛星，設計運行于太陽同步軌道，軌道高度705 km，主要用于獲取從紫外到長波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數據產品，是我國高分專項的重要組成部分，是體現國家高光譜分辨率對地觀測能力的重要標志[11-12]。

GF-5配置了可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀、大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀、大氣主要溫室氣體監測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀和大氣氣溶膠多角度偏振探測儀。這6 臺載荷，具有高光譜、太陽掩星、耀斑觀測、紅外、偏振、多角度等多種觀測手段[13]。

為滿足衛星高精度姿態控制、有效載荷高圖像定位精度和配準精度等需求，要求衛星具有高精度時間同步精度[14-15]。本文設計了適用于GF-5的高精度時間同步系統方案，綜合通過星地時差集中校時、GPS 總線校時、GPS秒脈沖校時、校勻校時、總線廣播授時等多種校時方案，同時適應一般精度需求和高精度時間同步應用需求。針對星敏感器、可見短波紅外高光譜相機及全譜段光譜成像儀這3類對曝光時刻時間同步精度要求最高的遠程終端，設計了3 種高精度時間同步方案，并利用在軌遙測數據進行驗證。

1 衛星時間同步總體方案

數管計算機（Central Terminal Unit，CTU）的時間是整星的系統時鐘，衛星的姿態數據、遙感數據、廣播消息和廣播時間等均采用系統時間進行描述。系統時間采用UTC 時間基準，以48 位0.1 ms 累計數作為星上的計時方式，數管周期性通過1553B總線將當前系統時鐘廣播給各終端（Remote Terminal，RT）用戶使用。

為了獲得高精度的秒內時間精度和高穩定的時鐘周期，數管計算機采用高穩恒溫晶振觸發產生16位長度、分辨率為0.1 ms的時鐘計數供軟件讀取。數管每一節拍開始時，通過讀取該時鐘計數，與上一節拍讀取的計數值獲取差值ΔT，累加到系統軟件時鐘上。數管通過1553B總線進行廣播的頻率為1 Hz，在廣播前，提前把廣播產生的時延量進行扣除。1553B總線時間廣播的準確度受軟件處理時延和總線通信傳輸時延估算精度和穩定度的影響，僅用廣播時間進行校時的用戶存在ms級的誤差。

時間誤差將會對星敏感器的姿態測量和高分辨率相機的圖像定位帶來影響。表1給出不同時間精度對星敏感器及高分辨率相機的影響分析。可看出：對于星敏感器，當時間誤差在5 ms 以內時，星敏的指向誤差約小于1″，可以滿足姿態解算需求；對于高分辨率相機，當時間誤差在5 ms 左右時，對定位造成的誤差就達37.5 m，遠不能滿足高分辨率圖像定位的要求。

我國現有的常規遙感衛星校時方案中：針對時間精度需求在ms 級的一般精度需求的終端，通過數管1553B 廣播等手段進行時間同步[16]；針對時間精度需求在μs 級的終端（如高分辨率相機），可通過高精度時間基準單元進行高精度時間同步[17]。GF-5 同時存在了多種一般精度需求的終端及多種高精度需求的終端，為了簡化系統的設計，區別于其他高分辨率遙感衛星，在不引入額外的時間基準單元的情況下：對于一般精度需求的終端，僅采用1553B廣播同步的時統方案；對于高精度需求的終端，設計通過數管廣播結合GPS秒脈沖的時統方案，以滿足高精度時間同步需求[18]。GF-5時間同步架構示意圖如圖1所示。

圖1 GF-5時間同步架構示意圖Fig.1 Time synchronization framework of GF-5

各終端用戶根據自身需求，通過數管廣播獲取1553B接收時刻的時間，根據不同的精度需求，通過內部的計數器等獲取進一步細化終端時間。對于終端分系統下位機以外的其他單機，可以采用內部秒脈沖等校時方式，如星敏感器由于沒有直接連接到1553B總線上，設計通過內部秒脈沖與姿軌控計算機進行時間同步，以避免姿軌控計算機至星敏感器之間再引入更大的時間誤差。已知秒脈沖本身的時間精度優于1 μs，對時間精度要求較高的可見短波紅外高光譜相機及全譜段光譜成像儀設計采用GPS 秒脈沖進行時間同步，通過1553B 獲取整秒時間，通過內部計數器結合秒脈沖信號獲取秒內時間。

2 具有多級故障重構功能的系統校時方案

數管計算機時間是整星時間的基準，其時間精度直接影響整星各終端的時間。數管計算機雖然采用了高穩恒溫晶振，但其精度和穩定度仍有限，長期積累也會發生時鐘漂移。為此，衛星設計采用軟件時鐘，通過具有多級故障重構功能的校時方案進行校時，優先級從高到低依次為GPS 秒脈沖校時、GPS 總線校時、高穩晶振均勻校時、CPU 計時器均勻校時及軟鐘校時等，確保在GPS秒脈沖故障、GPS通信故障、高穩晶振故障、CPU 計時器故障等情況下，衛星系統時鐘誤差仍可控。為了進一步提高可靠性，系統時鐘在內存中同時維護3份。

2.1 GPS秒脈沖校時

GPS 接收機每1 s 通過RS422 輸出脈沖寬度為1 ms 的秒脈沖信號，信號形式為寬度1 ms 的負脈沖，時間精度可達1 μs。CTU 在接收到GPS 秒脈沖信號后，自動鎖存時鐘計數器的值，軟件周期性計算對應GPS 秒脈沖時刻的數管系統時間，通過取模運算（Mod）獲取整秒的余數，即與整秒的偏差值，用其修正本地時鐘。數管GPS秒脈沖校時的流程如圖2所示。

圖2 CTU秒脈沖校時流程圖Fig.2 CTU pulse per second time adjusting scheme

實際應用中，需要考慮到16 位內部計數器的進位，采用規范化處理的公式計算數管時間到秒脈沖時刻的間隔dT，計算公式如式（1）所示：

式（1）中：TPulse為秒脈沖時刻鎖存計數值；TLast為上一次數管時間；mod(?)為求余運算。

數管遞推到秒脈沖時刻在秒內的偏差TMod可由mod(T+dT,10 000 )計算。但由于MOD 公式的特性，計算得到的TMod結果在數值上可能為靠近0 的正數（圖2 所示的TMod1），或者為在數值上接近但小于10 000的數（圖2所示的TMod2），須對2種情況進行規范化處理，計算公式如式（2）所示：

結合式（1）（2），得到有修正系統時間T的計算公式：

圖2 中：dT為數管時間到秒脈沖時刻的間隔；TPulse為秒脈沖時刻鎖存計數值；TLast為上一次數管時間；TMod為數管遞推到秒脈沖時刻的整秒偏差，修正后系統時間T=T-TMod。

通過對在軌的遙測數據進行分析可知，在軌秒脈沖時差測量受限于時鐘量化精度為0.1 ms，誤差穩定在±0.1 ms 以內，如圖3所示。

圖3 CTU在軌GPS秒脈沖時差測量（校正）值Fig.3 CTU in-orbit GPS pulse per second time adjusting scheme

2.2 GPS總線校時

當GPS秒脈沖信號故障時，數管計算機自動降級到GPS 總線校時。數管計算機每秒通過1553B 總線向各終端用戶廣播已修正軟件時延和通信時延的當前系統時鐘。GPS接收機收到數管廣播時鐘后，在接收機內部進行GPS-CTU 時差的計算，把計算差值通過總線消息返回給數管計算機。數管計算機收到該消息后，在判斷正確與否及地面授權的情況下，將該時差修正到當前系統時間中。GPS 總線校時的優先級僅次于GPS秒脈沖校時，GPS總線時差在軌實測精度接近時間量化精度，在-0.1～0.2 ms，如圖4所示。

圖4 CTU在軌GPS總線時差測量精度Fig.4 CTU in-orbit GPS bus timing gap measuring accuracy

2.3 高穩晶振均勻校時

在默認的情況下，數管計算機采用精度達10-8、穩定度達10-9的高穩恒溫晶振產生的100 μs的時鐘計數作為星上時間的基準。地面根據星上下傳的遙測幀中的數管時鐘與地面時鐘進行比對，扣除設備固定時延和軌道空間時延，可計算星地時差。

地面根據一段時間的星地時差變化情況，評估生成集中校時注數對星上時鐘進行整體修正.對時差的線性變化部分，生成均勻校時注數，即周期性地進行時鐘撥快或撥慢1 個時間單位，從而實現對星上時鐘的漂移情況修正。

根據時鐘的精度和穩定度，使用該方法，每天1次星地時差測量與校正，可以保證衛星星地時差優于5 ms 的要求。利用高穩晶振進行星地時差測量后，進行集中及均勻校時的校時流程如圖5所示。

圖5 高穩晶振均勻校時流程Fig.5 Time Synchronization scheme of high stability crystal homogeneous adjustment

2.4 CPU計時器均勻校時

星上設計了計時器切換的硬件結構，可通過地面遙控注數選擇采用高穩晶振計時器或CPU 晶振計時器。CPU 自帶的晶振計時器精度不如高穩晶振計時器，默認選擇高穩晶振計時器。通過更頻繁地星地時差測量分析及集中校時，在高穩晶振失效后，也可以保證衛星的星地時差優于5 ms。星上高穩晶振和CPU晶振的硬件切換結構，如圖6所示。

2.5 軟鐘校對

星上設計是在硬件計數器均不可用的情況下，采用的1種軟件節拍累加計時手段，即每個0.5 s軟件周期，直接給系統時間加上0.5 s，再結合均勻校時手段，實現具有一定精度的最小配置、最簡時間生成手段。

3 適應不同精度需求的終端時間同步方案

GF-5 的終端時間同步方案基于1553B 廣播及GPS秒脈沖，不采用時間基準單元。一般精度需求下直接采用1553B 總線時間廣播結合內部計數器獲得本地時間，終端內部的其他單機再設計內部秒脈沖等方式進行時間同步；高精度需求下，設計通過1553B廣播結合GPS 秒脈沖進行時間獲取。下面分別給出星上4種典型的時間獲取方式。

3.1 基于1553B中斷的時間同步方案

姿軌控計算機、低分辨率觀測載荷等終端用戶設計采用基于1553B 中斷的時間同步方案。終端在本地維護1個本地時間，收到1553B廣播中斷后，對本地時間的偏差進行計算，以便進行時間誤差修正。終端本地具有1個時鐘計數器，當終端下位機軟件每收到1次數管廣播（中斷）時，可先通過判斷前后2 次數管廣播時鐘的差值等狀態，判斷數管時鐘是否在正常范圍。如果正常，在1553B 時鐘廣播觸發的中斷內，計算終端系統時鐘與1553B 廣播時鐘的鐘差ΔT，作為校時量使用。在終端下位機軟件的時間周期任務開始時，將終端系統鐘加上鐘差ΔT獲得校正后的時間。基于1553B中斷的時間同步方案如圖7所示。

圖7 基于1553B中斷的終端時鐘方案Fig.7 Time synchronization scheme based on 1553B interruption

圖7 中：TRT為終端上一拍的時間；為終端收到的數管時間，在廣播時已經對運算及總線傳輸時延進行了修正；Nlast為終端上一拍的內部計數值；Nint為收到數管時刻的內部計數值。

需要考慮到內部計數器的溢出影響，廣播接收時刻的時差ΔT由式（4）計算：

式（4）中：n為內部計數器時間量化精度；M為內部計數器發生進位的數值。

在每個終端時間周期的開始，進行新終端時間的維護，由式（5）計算：

該方案允許終端進行整體校時，以修正與1553B廣播的時間延遲。可以對數管時間進行合法性、均勻性判斷，增加可靠性措施。

3.2 基于1553B及內部秒脈沖的時間同步方案

衛星星敏感器采用基于1553B 及內部秒脈沖的時間同步方案。姿軌控計算機通過1553B進行校時，與星敏感器通過RS422 進行連接，采用內部秒脈沖（Pulse Per Second，PPS）信號進行時間同步，采用RTS（Request to Send，RTS）信號提出數據獲取請求。當姿軌控計算機發送PPS信號時，星敏感器鎖存對應時刻的本地鐘TPPS，單位ms。當姿軌控計算機置低RTS信號時，星敏感器將鎖存該時刻的本地鐘TRTS，單位ms，并發送最新解算姿態數據包，在數據包中給出曝光時刻TExp至最近1 次PPS 之間的曝光時差ΔTEP。由于RTS 為0.25 s 一次，PPS 為1 s 一次，兩者的周期不一致，有可能存在RTS 信號與曝光時刻TExp之間有PPS信號更新的情況。在計算曝光時刻TExp時間時，需要根據TRTS與TPPS的時差()ΔTRP=TRTS-TPPS進行判斷。基于內部秒脈沖的星敏感器各類時間示意圖，如圖8所示。

圖8 基于內部秒脈沖的星敏感器各類時間示意圖Fig.8 Time schematic of star sensor based on internal PPS

根據邏輯關系有星敏感器曝光時刻TExp由式（6）計算：

3.3 可見短波紅外高光譜相機高可靠時間同步方案

可見短波紅外高光譜相機空間分辨率為30 m。為了滿足圖像定位精度和配準精度的需求，設計采用GPS 秒脈沖進行校時，當接收到秒脈沖時，載荷微秒計數器清零。

為了適應發生秒脈沖異常、廣播異常等可能性，設計有由電控箱維護的內部100 μs 計數和頭部電路維護的內部μs計數，分別由時間廣播和GPS秒脈沖觸發清零操作。另設計“本地緩存時鐘1”和“本地緩存時鐘2”對時間進行緩存，進一步提高可靠性。

可見短波紅外高光譜相機的時間碼的傳遞流程如圖9所示。

圖9 可見短波紅外高光譜相機時間傳遞流程Fig.9 AHSⅠtiming flow diagram

其中，“本地緩存時鐘1”“本地緩存時鐘2”和“本地時鐘”的定義如下。

1）本地緩存時鐘1：在可見短波相機內部維護的1 個載荷實時鐘，用于緩存最新獲取的星上時間。在與“本地緩存時鐘2”比較后，判斷是否需要更新本地時鐘，若需要，則可將“本地緩存時鐘1”賦值給“本地緩存時鐘2”。

2）本地緩存時鐘2：在可見短波相機內部維護的1個載荷實時鐘，用于緩存即將需要更新的本地時鐘，“本地緩存時鐘2”在成像脈沖觸發后延遲賦值到本地時鐘。

3）本地時鐘：可見短波相機內部維護的1個載荷實時鐘，在成像脈沖觸發時將每幀的成像時刻打入輔助數據包。

為了適應數管廣播及秒脈沖可能存在故障后的應用，對數管廣播及秒脈沖的計數值進行邏輯判斷，根據正常范圍進行處理。星上GPS 秒脈沖設計的精度為1 μs。當GPS 秒脈沖正常時，微秒計數器計數值范圍在1 000 000±1 以內，超出則認為GPS 秒脈沖失效；若星上100 μs計數廣播正確，則本地緩存時鐘1和2 中的時間之差在[-5 ms,5 ms] 內，若監測到超出范圍，則可認為星上100 μs計數廣播失效。

3.4 全譜段光譜成像儀簡化的時間同步方案

全譜段光譜成像儀最高空間分辨率為20 m。為了滿足圖像定位和通道配準的需求，引入了GPS秒脈沖進行高精度校時。全譜段光譜成像儀管理控制盒通過1553B總線接收數管廣播時間碼，通過RS-422接口接收GPS 接收機發送的秒脈沖。管理控制盒在收到時間碼和秒脈沖后不做處理，直接向信號處理盒轉發時間碼和秒脈沖信號。信號處理盒完成圖像輔助數據的編碼，包括廣播時間碼、行同步對應內部計時鎖存值、秒脈沖對應內部計時鎖存值的記錄和打包。全譜段光譜成像儀數管廣播時間碼和GPS 秒脈沖的傳遞流程如圖10所示。

圖10 全譜段光譜成像儀時間傳遞流程Fig.10 VⅠMⅠtiming flow diagram

基于該硬件方案，原設計入軌后，采用直接時間碼重建方法，即使用廣播時間的整秒，加上成像時內部計數器與秒脈沖時刻的差值對應的秒內時差，

式（7）中：Tn+1為上一個整秒計數；NH為行同步計數器數值；Nn+1為上一個秒脈沖對應計數器數值；M為計數器的計數數量。

實際上，由于廣播更新時刻與秒脈沖下降沿更新時刻完全不相關，二者的秒長存在差異，如果直接采用廣播時鐘的整秒，不管是直接取整數部分還是通過四舍五入取整數，均有可能產生整秒值的1 s模糊。為了解決該問題，利用數管廣播時間更新時的成像行對應的內部計數，以及秒脈沖更新時刻的內部計數之間的關系，嚴格重新計算數管廣播時刻的精確時間，四舍五入計算秒脈沖更新時刻的準確整秒時間。全譜段光譜成像儀秒脈沖校時實現方案中各計數之間的時序關系，如圖11所示。

圖11 全譜段光譜成像儀秒脈沖校時實現方案原理圖Fig.11 Schematic diagram of realization scheme of VⅠMⅠpulse per second time correction

4 時間精度分析

下面分別給出各時間重建算法的地面重建的精度分析結果。

4.1 數管高穩晶振在GPS失效后的時間精度分析

已知高穩晶振的時鐘頻率f為5 MHz。經測試，數管計算機A 機的高穩晶振的穩定度Δf為1.2×10-9，用t表示待求的漂移時間（守時誤差）。t時間內，總晶振脈沖個數為ft，當存在頻率偏差時，根據脈沖個數一致，有時鐘的漂移方程如下：

兩邊約去f，則上式可展開為：

忽略二階小量Δf×Δt，漂移時間（守時誤差）可簡化為：

當門限 Δt取0.1 ms 時，可計算出t為8.33×104s，約等于0.965 d，即當GPS 秒脈沖失效時，時鐘誤差在1 d左右才漂移出1個時間碼字0.1 ms。

4.2 星敏感器時間精度分析

衛星姿態測量誤差包括失重后的重力釋放誤差、在軌熱變化誤差、測量低頻誤差、測量噪聲等，在入軌后難以直接評價，地面多通過高分辨率載荷的地標匹配等對姿態絕對測量誤差進行評價，通過星敏的夾角法等對姿態的測量噪聲進行評價。圖12 給出進行時間碼重建后，在軌星敏感器連續3軌的夾角噪聲情況。

圖12 2臺星敏感器的夾角噪聲情況Fig.12 Noise of the included angle of two star sensors

對該星敏的測量噪聲求3 倍標準差有3σ噪聲為5.2″，而1 ms的時間誤差就達到3.6″，由此推斷出星敏感器的時間重建沒有出現跳變等錯誤。衛星地面系統的在圖像定位過程中，對星敏事后處理精度分析結果如表2所示。

表2 在軌星敏感器隨機誤差情況統計Tab.2 Random error statistics of star sensors in orbit

從表2 的結果可知，衛星星敏感器的夾角中誤差優于3.2"，星敏時間重建方法可滿足使用的要求。經過熱變形標定，圖像定位精度從約200 m 提升至優于45 m。

4.3 可見短波紅外高光譜相機時間精度分析

利用文中給出的可見短波紅外高光譜相機高可靠時間同步方法，任意取1 天（2018 年11 月9 日）的光照期遙感數據進行處理，得到成像幀間時差曲線如圖13所示。

圖13 可見短波紅外高光譜相機成像幀間時差Fig.13 AHSⅠtiming gaps of adjacent frame

從圖13可看出，可見短波紅外高光譜相機的相鄰成像幀間時差的波動值小于6 μs，沒有出現整秒的不確定情況，時間碼的重建精度可滿足圖像定位及配準要求。

4.4 全譜段光譜成像儀時間精度分析

利用全譜段光譜成像儀時間同步方法，對衛星第3 505 圈（2019 年1 月4 日）的全譜段光譜成像儀遙感數據進行分析，從廣播時間遞推至下一秒脈沖時間的修正量及秒脈沖時刻數管時間的小數部分，如圖14所示。

圖14 從廣播時間遞推的秒脈沖時刻的修正值及秒內余數Fig.14 Broadcast-derived PPS modified time and fractional part

全譜段光譜成像儀時間碼重建后，相鄰成像幀間的時差如圖15所示。可見，不會出現原直接時間碼重建方法出現的整秒跳動情況。從圖15可看出，全譜段光譜成像儀的相鄰成像幀間時差的波動值小于3 μs，時間碼的重建精度可滿足圖像定位及配準要求。

圖15 全譜段光譜成像儀相鄰成像幀間時差Fig.15 VⅠMⅠtiming gaps of adjacent frame

圖16 給出采用本文提出時間碼重建方法的2019年2月25日第4 263圈及2019年5月1日第5 209圈前后幀幀間時差分析結果。可以看出：采用本文的時間碼重建方法，時間碼不存在跳變；而采用最早提出的基于廣播時間整秒+秒脈沖秒內計數的直接時間碼重建方法，存在時間碼跳變。

圖16 全譜段光譜成像儀不同時間的相鄰成像幀間時差Fig.16 VⅠMⅠtiming gaps of adjacent frame in different imaging times

圖17 給出采用直接時間碼重建方法的2019 年2月25 日第4 263 圈及2019 年5 月1 日第5 209 圈前后幀幀間時差分析結果。

圖17 全譜段光譜成像儀不同時間的相鄰成像幀間時差（直接法）Fig.17 VⅠMⅠtiming gaps of adjacent frame in different imaging times by direct timing method

可以看出，采用原來的直接秒脈沖加秒內計數法，在第4 263 圈的成像中，時間碼存在來回跳變，在第5 209圈的成像中，第1幀時間偏差1 s，后續時間整體偏差1 s。

5 結論

本文設計了適用于GF-5 的高精度時間同步系統方案，對于系統時間，綜合采用集中校時、GPS總線校時、GPS 秒脈沖校時、校勻校時等多種校時方案。對于終端用戶，給出適應一般精度需求的基于1553B中斷的時間同步方案、基于1553B及內部秒脈沖的時間同步方案、適應高精度應用需求的可見短波紅外高光譜相機高可靠時間同步方案、全譜段光譜成像儀簡化的時間同步方案以及推薦的標準秒脈沖應用時間同步方案，可用作遙感衛星時統方案設計的參考。經過評估，在GPS 秒脈沖失效后，數管計算機的高穩晶振可以使系統時鐘誤差在1 d 左右漂移出0.1 ms。利用在軌遙感下傳數據對星敏感器、可見短波紅外高光譜相機及全譜段光譜成像儀曝光時刻的時間重建精度進行了評估。分析表明：星敏感器、可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀這3 臺儀器的時統方案可滿足高精度圖像定位及配準的要求。