摘要:應(yīng)用載荷直接獲取航天器平臺(tái)的時(shí)間和公共測(cè)量信息，并不能完全滿足載荷的高精度時(shí)間基準(zhǔn)和共用信息使用需求。一些功能載荷具備向外輸出高精度時(shí)間和狀態(tài)測(cè)量信息的能力，但硬件接口資源有限。將功能載荷作為FC-AE-1553光纖網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在FC-AE-1553光纖網(wǎng)絡(luò)中疊加IEEE1588v2時(shí)間同步協(xié)議，功能載荷的高精度時(shí)鐘源能同步給有需求的其他載荷。并在時(shí)間同步的前提下，將功能載荷的測(cè)量數(shù)據(jù)如定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)和軌道數(shù)據(jù)等共用信息同步發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)上的其他載荷節(jié)點(diǎn)。通過時(shí)間同步與同步發(fā)送機(jī)制，解決了各載荷對(duì)高精度時(shí)間和共用信息的需求，彌補(bǔ)了專用信息硬件接口資源的不足。結(jié)果表明，與直接利用航天器平臺(tái)的信息源相比較，當(dāng)時(shí)鐘源和共用信息來自功能載荷時(shí)，F(xiàn)C-AE-1553網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步之后的時(shí)間基準(zhǔn)精度和共用信息利用性能高出3個(gè)數(shù)量級(jí)，載荷獲取的UTC時(shí)間精度達(dá)到百納秒量級(jí)。

　　關(guān)鍵詞:時(shí)間同步;FC-AE-1553;應(yīng)用載荷;共用信息;定位數(shù)據(jù);姿態(tài)數(shù)據(jù)

　　當(dāng)前衛(wèi)星或航天器中應(yīng)用載荷的時(shí)間校準(zhǔn)最直接的方式，是通過載荷設(shè)備接收飛行器主設(shè)備(例如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)接收機(jī))的時(shí)間碼數(shù)據(jù)和秒脈沖信號(hào)對(duì)齊來解決[1]，GNSS接收機(jī)可提供定位信息(含協(xié)調(diào)世界時(shí)(UniversalTimeCoordinated，UTC))，各載荷通過在軌解算時(shí)間和獲取準(zhǔn)確位置來開展高精度的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這種方法中，當(dāng)航天器中載荷數(shù)量較多、布局廣、滾動(dòng)更 換時(shí)，單個(gè)GNSS設(shè)備可能無法提供更多的硬件接口支持載荷連接，尤其是大型航天器的電纜設(shè)計(jì)將非常復(fù)雜，急需尋找一種不過度依賴航天器平臺(tái)GNSS設(shè)備接口的更適合載荷間使用的高精度時(shí)間系統(tǒng)和時(shí)間同步方式。一般情況下，航天器軌道、姿態(tài)、位置等公共信息的傳輸，是平臺(tái)采用總線廣播方式逐級(jí)發(fā)送給各載荷的。

　　航天技術(shù)論文投稿刊物：《載人航天》由中國載人航天工程辦公室主管、主辦，是國內(nèi)唯一以載人航天工程為背景的綜合性學(xué)術(shù)期刊，雙月刊，大16開，國內(nèi)公開發(fā)行。本刊現(xiàn)為中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(CSCD)來源期刊。

　　實(shí)際運(yùn)控中，因載荷本地采用的時(shí)間系統(tǒng)與軌道數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)中的時(shí)間系統(tǒng)并不完全是一個(gè)體系，各載荷收到后，往往需要進(jìn)行多次時(shí)間系統(tǒng)的變換和計(jì)算。加之廣播數(shù)據(jù)到達(dá)載荷需經(jīng)歷多級(jí)總線轉(zhuǎn)發(fā)，會(huì)產(chǎn)生較大延遲，載荷終端需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值推算才能利用。綜合上述因素后，直接使用平臺(tái)軌道和姿態(tài)等數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)任務(wù)參考數(shù)據(jù)的實(shí)際效果會(huì)大大降低。一些對(duì)姿態(tài)和軌道等數(shù)據(jù)敏感的載荷為了完成高精度的觀測(cè)任務(wù)，往往需要自身再攜帶功能較強(qiáng)的GNSS接收機(jī)和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，研制成本會(huì)很高。因此，需要考慮載荷在公共信息利用中的時(shí)間系統(tǒng)匹配和解決成本問題。

　　1時(shí)間基準(zhǔn)技術(shù)途徑

　　1.1時(shí)間需求分類

　　航天應(yīng)用有效載荷的時(shí)間基準(zhǔn)[2]是指載荷獲取的精確絕對(duì)時(shí)間，一般采用UTC時(shí)間系統(tǒng)，并以此為刻度安排載荷任務(wù)，時(shí)間基準(zhǔn)的精度被定義為載荷時(shí)間與UTC之差的統(tǒng)計(jì)特征。各應(yīng)用載荷與時(shí)間基準(zhǔn)相關(guān)的需求主要分為四類(見表1):第一類為高精度時(shí)間需求載荷，即時(shí)間精度需求優(yōu)于100ns的載荷，主要為天文載荷或載荷設(shè)備與地面具有精確配合試驗(yàn)類的載荷，獲取高精度時(shí)間以及當(dāng)前時(shí)間下的準(zhǔn)確空間位置信息。

　　第二類為較高精度時(shí)間需求載荷，即時(shí)間精度需求優(yōu)于1μs的載荷，常見的有觀測(cè)類和天文類載荷，通過獲取較高精度時(shí)間信息和位置信息，根據(jù)軌道、姿態(tài)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)間，解算對(duì)天和對(duì)地的位置和觀測(cè)視場(chǎng)。第三類為一般精度時(shí)間需求載荷，即時(shí)間精度需求在毫秒級(jí)的載荷，如軌道控制類載荷，主要為獲取時(shí)間信息和位置信息，用于根據(jù)軌道、姿態(tài)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)間解算相對(duì)位置關(guān)系。 第四類為粗精度時(shí)間需求載荷，即時(shí)間精度需求在10ms量級(jí)的載荷，如生命科學(xué)類載荷，其任務(wù)對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)不敏感，通常直接利用航天器平臺(tái)提供的位置和時(shí)間信息就可以完成載荷的任務(wù)。

　　1.2時(shí)間基準(zhǔn)解決途徑

　　根據(jù)在軌實(shí)驗(yàn)任務(wù)的需求，應(yīng)用載荷需要外部實(shí)時(shí)提供較為準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)，以及精確的位置、軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)作為載荷觀測(cè)、測(cè)量和位置解算的依據(jù)。其中，對(duì)載荷任務(wù)成敗影響較大的主要因素是載荷獲取的時(shí)間基準(zhǔn)精度以及在該時(shí)間基準(zhǔn)下的當(dāng)前位置、軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性能。在載荷實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，為了和定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、星下點(diǎn)位置準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)，就需要這些數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)，以便獲取準(zhǔn)確視場(chǎng)指向，所有的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間與UTC對(duì)齊，便于規(guī)劃高精度的載荷實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

　　1.3利用平臺(tái)信息的缺陷

　　1.3.1平臺(tái)共用信息與秒脈沖航天器平臺(tái)定期只向載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)發(fā)送平臺(tái)制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(Guidance，NavigationandControlsystem，GNC)測(cè)量的姿態(tài)信息、GPS數(shù)據(jù)(含UTC時(shí)間碼)、數(shù)管系統(tǒng)相對(duì)時(shí)間碼等信息。然后由載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)向各載荷通過網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)發(fā)。由于數(shù)據(jù)產(chǎn)生和發(fā)送的延遲，以及經(jīng)過多級(jí)總線轉(zhuǎn)發(fā)，航天器平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)這些共用信息到達(dá)載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的總延遲性能如表2所示，載荷在使用這些信息時(shí)，往往需要適當(dāng)處理后才能使用。

　　1.4功能載荷時(shí)間信息優(yōu)勢(shì)

　　有幾類功能載荷在任務(wù)期可以專門對(duì)外提供精確時(shí)間源和位置信息。例如，開展在軌高精度時(shí)間與頻率系統(tǒng)試驗(yàn)的應(yīng)用載荷自身就安裝有精密定軌裝置GNSS設(shè)備，可對(duì)外提供秒脈沖信號(hào)、UTC絕對(duì)時(shí)間信息和GPS/BD位置信息。另外，該載荷配置有氫原子和微波鐘等不同精度的頻率源，可供GNSS設(shè)備切換不同精度的頻率源。載荷內(nèi)部GNSS設(shè)備的功能定位為提供航天器的精密參考軌道，可為其他應(yīng)用載荷提供時(shí)間源、絕對(duì)時(shí)間、定位數(shù)據(jù)、原始觀測(cè)數(shù)據(jù)以及軌道預(yù)報(bào)的信息公共服務(wù)。

　　2高精度時(shí)間同步與共用信息分發(fā)

　　2.1總體方案

　　2.1.1接口設(shè)計(jì)

　　基于載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)提供的FC-AE-1553光纖網(wǎng)絡(luò)，通過疊加時(shí)間同步協(xié)議的方式，將高精度的時(shí)間基準(zhǔn)信息通過底層同步協(xié)議同步到網(wǎng)絡(luò)終端，同時(shí)將姿態(tài)、位置信息等共用數(shù)據(jù)同步分發(fā)給各終端，供各終端進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，則可大大節(jié)省設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)充分利用了光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸優(yōu)勢(shì)。GNSS自身輸入的時(shí)間信號(hào)和接收的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)可來自兩個(gè)源:其一是接收艙外BD/GPS的天線信號(hào)和觀測(cè)數(shù)據(jù)后進(jìn)行本地解算和校準(zhǔn);其二是地面系統(tǒng)會(huì)開展天地時(shí)頻比對(duì)，定期對(duì)在軌GNSS進(jìn)行時(shí)頻校準(zhǔn)。通過這兩種方式，GNSS輸入時(shí)間源的隨機(jī)誤差和不確定度，已經(jīng)事先在GNSS單機(jī)本地消除或被校準(zhǔn)，然后再輸出標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信息給載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)，秒脈沖精度穩(wěn)定在30ns量級(jí)。

　　3時(shí)間基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)分類

　　通過利用航天器平臺(tái)提供的廣播信息和秒脈沖硬接口，綜合利用功能載荷GNSS設(shè)備的秒脈沖硬接口和定位信息，以及天文載荷的姿態(tài)原始數(shù)據(jù)等共用信息。在FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)第2、3層之間實(shí)施時(shí)間同步，同時(shí)在第2層完成同步信息發(fā)送的功能，可支持應(yīng)用載荷不同等級(jí)需求的時(shí)間基準(zhǔn)和共用信息需求。

　　4結(jié)論

　　通過分析和試驗(yàn)，可以采用不同的手段滿足應(yīng)用載荷的高精度時(shí)間同步和共用信息的多種需求。利用航天器秒脈沖和平臺(tái)參數(shù)信息，可以解決對(duì)時(shí)間和姿軌數(shù)據(jù)等共用信息性能要求不高的載荷信息需求。統(tǒng)籌使用功能載荷GNSS設(shè)備的高精度時(shí)鐘源和定位信息以及天文載荷的姿態(tài)原始信息，并通過FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制，可以解決絕大部分載荷的高精度時(shí)間基準(zhǔn)和位置解算需求。利用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)勢(shì)，在FC-AE-1553協(xié)議底層，通過協(xié)議疊加的方式實(shí)現(xiàn)了IEEE1588v2時(shí)間同步協(xié)議和同步數(shù)據(jù)發(fā)送功能，高效利用了高精度的時(shí)間基準(zhǔn)和共用信息資源，彌補(bǔ)了專用信息接口資源設(shè)計(jì)的不足。

　　設(shè)計(jì)驗(yàn)證表明，F(xiàn)C-AE-1553網(wǎng)絡(luò)實(shí)施時(shí)間同步機(jī)制時(shí)，時(shí)鐘源和共用信息來自功能載荷與來自航天器平臺(tái)的信息源相比較，從功能載荷獲得的時(shí)間基準(zhǔn)精度和共用信息利用性能將高出3個(gè)數(shù)量級(jí)，載荷獲取的UTC時(shí)間精度達(dá)到百納秒量級(jí)。在光纖網(wǎng)絡(luò)上疊加時(shí)間同步協(xié)議不僅提高了時(shí)間精度利用量級(jí)，還大大減少了秒脈沖和數(shù)據(jù)交換硬件接口的數(shù)量、減輕了載荷設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和線纜設(shè)計(jì)的難度，為航天器設(shè)計(jì)節(jié)約了質(zhì)量資源。

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　　作者：邱愛華，喬曠怡，陳寅元，張濤