CN107065688B - 一种高品质卫星平台时间同步误差的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高品质卫星平台时间同步误差的控制方法，其包含：步骤1，卫星平台上电，授时单元处于等待模式；步骤2，在卫星平台状态稳定后，授时单元向各单机发送脉冲波，各单机进行滤波处理，当低脉冲脉宽达到2us时，触发中断，各单机切换为时钟同步模式，通过自设的时间模块计算当前时间；步骤3，将单机测量信号发送至星载计算机。本发明通过硬钟同步的方式将对所有星上单机进行授时，单机通过脉冲计数来推算当前星上时刻，配合各单机高精度自计时模块确定信号产生时刻，在星载计算机进行单机数据采集时一并将时间信号取回，作为姿态确定依据，能有效消除因各单机之间时间不同步带来的控制误差，适用于所有卫星姿态轨道控制系统。

Description

一种高品质卫星平台时间同步误差的控制方法

技术领域

本发明涉及一种高品质卫星平台时间同步误差控制技术，用于削弱因微量时间误差引起的系统控制误差。

背景技术

随着卫星平台技术的不断进步，卫星所具备的功能越来越强大，卫星平台的控制精度和稳定度要求越来越高，在现有技术条件下，星上单机的测量精度已经无法大幅度提升,因此提升卫星平台的控制精度需要从单机测量值的使用方面着手。在目前的研究模式下，经过分析研究，发现各单机之间的时统误差会在进行姿态解算时合并放大，对卫星平台的控制精度带来影响。

在现有研制模式下，星载软件在每周期开始时刻对各单机进行数据采集，在验证无误后将有效数据传递至算法模块。作为测量机构，星敏感器会将T1时刻采集到的姿态信息发送至星上，同时陀螺组合会将T2时刻采集到的姿态信息发送至星上。星上软件继续运行，在经过模式判断、模式切换、当前状态判断、遥测量发送、遥控注数接收等一系列运算后，软件流程走到姿态确定模块。姿态确定模块需要将周期开始时刻采集到的星敏感器姿态信息和陀螺组合测量数据进行数据融合，通过滤波算法解算得出当前的卫星姿态(T3时刻)。由于卫星姿态在连续发生变化，T1时刻的星敏感器姿态信息和T2时刻的陀螺组合信息会存在相对误差，在T3时刻对两者进行融合滤波时会产生系统定差。在高精确度高稳定度的控制要求下，必须将这一系统定差减小到一定范围内。

因此，有必要设计一种高品质平台时间同步误差控制技术，能够一定程度上消除因时间误差引起的系统误差，进而达到高精度高稳定度的卫星平台控制要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种高精度时间基准同步技术，能够在一定程度上消除因时间误差引起的系统误差，提升卫星平台姿态控制精度。

基于上述目的，本发明公开了一种高品质卫星平台时间同步误差的控制方法，该控制方法包含如下步骤：

步骤1，卫星平台上电，授时单元处于等待模式，星载计算机每周期（该周期为星载软件控制周期，周期长度为0.5s）与授时单元进行通讯握手，建立并保持工作状态，在等待模式下授时单元不发送时间同步脉冲，此时各单机的时钟切换为单机自身时钟；

步骤2，在卫星平台状态稳定，开始进行姿态数据采集后，星载计算机向授时单元发送授时指令，授时单元在收到授时指令后，开始向各单机发送脉冲波（校时脉冲信号）；各单机在收到校时脉冲信号后进行滤波处理：低脉冲脉宽小于2us时，当做杂波滤除；低脉冲脉宽达到2us时，触发中断，各单机由单机时钟模式切换为时钟同步模式；在时钟同步模式下，授时单元每100ms向各单机发送脉冲同步信号，保证各单机的时间零位一致；其中，各单机均设有一个时间模块，该时间模块对接收到的脉冲同步信号进行个数计数为m；在收到第一条脉冲同步信号后，开始以20us为一个时间单位进行个数累加为n，在收到下一条脉冲同步信号后将累加个数清零，在T时刻单机输出姿态信息，此时时间模块收到m个脉冲同步信号，20us时间单位累加个数为n，则T时刻各单机的星上时间为T = 0.1*m + 0.00002*n，单位为秒；

步骤3，将单机测量信号发送至星载计算机，该单机测量信号还包括采集时刻时间戳，该采集时刻时间戳是指各单机在测量采集完成时刻的当前单机时间。

较佳地，步骤2中，授时单元以脉冲波的形式向各单机发送授时脉冲，各单机收到脉冲波的时间误差在1us以内。

较佳地，步骤2中的脉冲波为脉冲方波，FPGA通过监测下降沿来判断是否接收到授时脉冲，故方波最简单可靠。

较佳地，步骤2中的授时指令包括脉冲方向、脉宽长度、占空比及触发方式信息。

较佳地，步骤2中，所述的授时指令为32位无符号整数，所述的授时指令为16#AA0A2706#，其中，0~15位16#2706#代表9990个刻度为0.1ms的时间长度，16~23位16#0A#代表10个刻度为0.1ms的时间长度，24~27位16#A#位代表脉冲发生方向为由正变负，28~31位16#A#代表启动脉冲发送。

较佳地，在集中校时前，星载计算机每周期和授时单元进行通讯握手，以确保授时单元处于可工作状态，在开始集中校时后，各单机在20us内响应授时命令，单机由自身时钟模式切换到授时模式。

较佳地，所述的集中校时是指星载计算机根据其接收的单机测量信号及来自授时单元的授时脉冲信息后，调整授时指令，并将调整后的授时指令发送到授时单元，授时单元接收该授时指令后，发送时钟同步脉冲至各单机。

本发明提供了一种高品质平台时间同步误差控制技术，分别在硬件层面和软件层面进行系统时统的控制。

在系统硬件层面，时钟同步模块每100ms向系统各单机发送脉冲同步信号，保证各单机的时间零位一致。各单机加装一个时间模块，该模块具有两项功能：第一，对接收到的脉冲同步信号进行个数计数；第二，在收到第一条脉冲同步信号后，开始以20us为一个时间单位进行个数累加，在收到下一条脉冲同步信号后将累加个数清零。以星敏感器为例，在卫星系统加电后，时钟同步模块开始往各单机发送脉冲同步信号，星敏感器自带的时间模块以20us为一个时间单位进行个数累加，在T时刻星敏感器输出姿态信息，此时时间模块收到m个脉冲同步信号，20us时间单位累加个数为n，则T时刻星上系统时间为T = 0.1*m +0.00002*n（单位：秒）。

在系统软件层面，系统采用时间补偿控制技术进行时差同步，确保控制时刻敏感器测量数据（卫星真实指向状态）准确性。各单机在输出测量信息时增加测量时刻的星上系统时间，系统在接收到各单机测量数据后，通过融合算法，结合相对时间误差量完成数据滤波，提升数据精度。

本发明通过硬钟同步（硬钟同步是指通过硬线传递高低电平来实现时间同步指令信号的发送；其与软时钟同步的区别在于，软时钟通过软件内部标志位的置位与复位来完成校时工作，与硬线时钟相比较而言，误差相对较大）的方式将对所有星上单机进行授时，单机通过脉冲计数来推算当前星上时刻，配合各单机高精度自计时模块确定信号产生时刻，在星载计算机进行单机数据采集时一并将时间信号取回，作为姿态确定依据。该方法适用于所有卫星姿态轨道控制系统，能有效消除因各单机之间时间不同步带来的控制误差。

附图说明

图1为本发明的一种高品质卫星平台时间同步误差的控制方法的数据流程图。

图2为本发明的一种高品质卫星平台时间同步误差的控制方法的软件流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，为本发明的一种高品质卫星平台时间同步误差的控制方法的数据流程图，其中，该高品质卫星平台包含：星载计算机、授时单元及若干单机（包含单机A、单机B、单机C、单机D、单机E、单机F等）。星载计算机通过向授时单元发送授时指令控制授时单元发出的授时脉冲，该授时单元发出的授时脉冲信号反馈至星载计算机，以防止授时脉冲信号误触发，在星载计算机未发送授时脉冲启动命令时，若接收到授时脉冲，则判定为误触发，由星载计算机控制脉冲发生器停止发送或进行异常报告；各单机接收授时单元同步发送的授时脉冲信号，先进行滤波处理，该滤波处理是指滤除脉宽小于2us低脉冲杂波，当低脉冲脉宽达到2us时，触发中断。在收到中断信号后，各单机立即由单机时钟模式切换为时钟同步模式。此时，各单机的时间模块会计算各单机的星上时间，各单机将单机测量信号（其测量的信息及当前的星上时间）发送至星载计算机。星载计算机根据该单机测量信号及授时单元反馈的授时脉冲信息，判断并决定是否需要进行集中校时。

本发明的控制方法采用的步骤包含：第一步授时单元授时精准；第二步授时脉冲信号可调；第三步单机响应灵敏；第四步时钟计算方法准确；第五步单机测量信号包含时间戳。具体为：

（1）授时单元授时精准

授时单元以脉冲方波的形式向各单机发送授时指令，各单机收到脉冲方波的时间误差在1us以内。

（2）授时脉冲信号可调

授时单元由星载计算机控制，需要校时时，由星载计算机向授时单元发送授时指令，该指令包括脉冲方向、脉宽长度、占空比等信息。授时单元在收到授时指令后，开始向各单机发送时钟同步脉冲。授时指令为32位无符号整数，具体指令解析如下：

写入数据为：16#AA0A2706#。

其中0~15位16#2706#表示空闲脉冲长度为9990*0.1ms=0.999s ；

其中16~23位16#0A #表示授时脉冲长度为10*0.1ms=0.001s ；

其中24~27位16#A #表示授时脉冲电平为低，空闲脉冲电平为高；若需要调整授时脉冲电平为高，改为16#5#即可 ；

其中28~31位16#A #表示开始发送授时脉冲；若需要停止发送，改为16#5#即可。

（3）单机响应灵敏

在卫星平台上电后，若不需要进行集中校时，授时单元处于等待模式，星载计算机每周期与授时单元进行通讯握手，建立并保持工作状态，在等待模式下授时单元不发送时间同步脉冲，此时各单机的时钟为单机自身时钟。在卫星平台状态稳定，开始进行姿态数据采集后，星载计算机向授时单元发送授时指令。授时单元在收到授时指令后，开始向外发送脉冲方波。各单机在收到校时脉冲后进行滤波处理，低脉冲脉宽小于2us时，当做杂波滤除，低脉冲脉宽达到2us时，触发中断。在收到中断信号后，各单机立即由单机时钟模式切换为时钟同步模式。

（4）时钟计算方法准确

授时单元每100ms向系统各单机发送脉冲同步信号，保证各单机的时间零位一致。各单机增加一个时间模块，该模块具有两项功能：第一，对接收到的脉冲同步信号进行个数计数；第二，在收到第一条脉冲同步信号后，开始以20us为一个时间单位进行个数累加，在收到下一条脉冲同步信号后将累加个数清零。以单机A为例，在卫星系统加电后，授时单元开始往各单机发送脉冲同步信号，单机A自带的时间模块以20us为一个时间单位进行个数累加，在T时刻单机A输出姿态信息，此时时间模块收到m个脉冲同步信号，20us时间单位累加个数为n，则T时刻星上系统时间为T = 0.1*m + 0.00002*n（单位：秒）。

（5）单机测量信号包含时间戳

单机测量值包含采集时刻时间戳。各单机在测量采集完成时刻，取当前单机时间，作为测量值的一部分发送至星载计算机。

在系统软件层面，系统采用时间补偿控制技术进行时差同步，确保控制时刻敏感器测量数据（卫星真实指向状态）准确性。各单机在输出测量信息时增加测量时刻的星上系统时间，系统在接收到各单机测量数据后，通过融合算法，结合相对时间误差量完成数据滤波，提升数据精度。如图2所示，与单机A、单机B信号连接的融合滤波算法模块仅针对特定单机使用，作为星载软件算法的一部分，用于提升精度。与单机C、单机D信号连接的同步时差消除算法也是性在软件算法的一部分，用于减少误差。单机X代表单机E，单机F等单机，其测量信号可直接给出，相对测量要求没有前面四个单机高，不用通过算法处理。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种高品质卫星平台时间同步误差的控制方法，其特征在于，该控制方法包含如下步骤：

步骤1，卫星平台上电，授时单元处于等待模式，星载计算机在每个星载软件控制周期与授时单元进行通讯握手，建立并保持工作状态，在等待模式下授时单元不发送时间同步脉冲，此时各单机的时钟切换为单机自身时钟；

步骤2，在卫星平台状态稳定，开始进行姿态数据采集后，星载计算机向授时单元发送授时指令，授时单元在收到授时指令后，开始向各单机发送校时脉冲信号；各单机在收到校时脉冲信号后进行滤波处理：低脉冲脉宽小于2us时，当做杂波滤除；低脉冲脉宽达到2us时，触发中断，各单机由单机时钟模式切换为时钟同步模式；在时钟同步模式下，授时单元每100ms向各单机发送脉冲同步信号，保证各单机的时间零位一致；其中，各单机均设有一个时间模块，该时间模块对接收到的脉冲同步信号进行个数计数为m；在收到第一条脉冲同步信号后，开始以20us为一个时间单位进行个数累加为n，在收到下一条脉冲同步信号后将累加个数清零，在T时刻单机输出姿态信息，此时时间模块收到m个脉冲同步信号，20us时间单位累加个数为n，则T时刻各单机的星上时间为T＝0.1*m+0.00002*n，单位为秒；

步骤3，将单机测量信号发送至星载计算机，该单机测量信号还包括采集时刻时间戳，该采集时刻时间戳是指各单机在测量采集完成时刻的当前单机时间。

2.如权利要求1所述的高品质卫星平台时间同步误差的控制方法，其特征在于，步骤2中，授时单元以脉冲波的形式向各单机发送授时脉冲，各单机收到脉冲波的时间误差在1us以内。

3.如权利要求2所述的高品质卫星平台时间同步误差的控制方法，其特征在于，步骤2中的脉冲波为脉冲方波。

4.如权利要求1所述的高品质卫星平台时间同步误差的控制方法，其特征在于，步骤2中的授时指令包括脉冲方向、脉宽长度、占空比及触发方式信息。

5.如权利要求1所述的高品质卫星平台时间同步误差的控制方法，其特征在于，步骤2中，所述的授时指令为32位无符号整数，所述的授时指令为16#AA0A2706#，其中，0～15位16#2706#代表9990个刻度为0.1ms的时间长度，16～23位16#0A#代表10个刻度为0.1ms的时间长度，24～27位16#A#位代表脉冲发生方向为由正变负，28～31位16#A#代表启动脉冲发送。

6.如权利要求1所述的高品质卫星平台时间同步误差的控制方法，其特征在于，在集中校时前，星载计算机每周期和授时单元进行通讯握手，以确保授时单元处于可工作状态，在开始集中校时后，各单机在20us内响应授时命令，单机由自身时钟模式切换到授时模式。

7.如权利要求6所述的高品质卫星平台时间同步误差的控制方法，其特征在于，所述的集中校时是指星载计算机根据其接收的单机测量信号及来自授时单元的授时脉冲信息后，调整授时指令，并将调整后的授时指令发送到授时单元，授时单元接收该授时指令后，发送时钟同步脉冲至各单机。