星地时间同步系统和方法
【专利摘要】本发明提供了一种星地时间同步系统和方法，基于通信卫星测控通道实现高精度的星地时间同步。该系统包括：星时管理及测控应答模块，其作为核心经由上下行链路实现与地面系统的时间信息交互；高稳频率源，提供高稳频率；中心遥测模块，发送整星遥测数据流并采集模块的遥测量；中心遥控模块，接收整星遥控指令并发送数管指令；中心计算机，经由RS422总线与模块之间进行星时广播。本发明充分利用了同步轨道通信卫星测控通道资源，避免了通道上其他误差的引入，实现了星地时间同步功能与传统测量功能的有机统一，系统改动小，资源占用少，可实现性强，使得卫星系统拥有了更高精度和稳定度的卫星时间，拓展了我国通信卫星传统测控分系统的功能范畴。
【专利说明】
星地时间同步系统和方法
技术领域
[0001] 本发明属于卫星通信领域，涉及通信卫星测控通道的星地时间同步技术，具体涉 及一种适用于地球同步轨道通信卫星的高精度的星地时间同步系统和方法，其能够实现卫 星时间的高精度维护、卫星时间校准、授时及星时广播等功能。
【背景技术】
[0002] 通信卫星测控分系统是卫星系统的重要组成部分，在卫星发射、定点及交付使用 后的长管过程中，其均须与地面测控网紧密配合，提供完整的遥测、遥控及跟踪服务，完成 对卫星的测控任务。随着同步轨道通信卫星业务的不断拓展，卫星用户逐步对卫星时间的 精确度和稳定度等内容提出了新的需求，例如，某些卫星用户需要确切掌握卫星载荷转发 下传数据时的精确时间信息，而传统同步轨道通信卫星尚不具备对卫星时间的精准维护、 校准、授时及星时广播等功能，无法满足对应需求。
[0003] 结合国内外星地时间同步技术的研究发展现状，其实现过程从总体上可分为三 步：
[0004] 首先，卫星须具有星时的持续维护功能并将星时以一定的方式下传地面测控站；
[0005] 随后，地面测控站将获得的星时数据与地面基准时间数据比对得出星地时差，将 此时差以特定的数据形式上注至卫星系统；
[0006] 最后，卫星系统响应上注数据并执行星上时间的修正，完成星地时间的同步。
[0007] 然而，上述实现过程首先要求具备上行和下行的数据通道，此外要求星上具备专 门的模块完成星时的维护及对校时及授时等一系列命令的响应。由于地球同步轨道通信卫 星相对地面测控站全天候可见，故可将星地测控通道作为星地时间同步的上、下行通道。
[0008] 本发明设计并采用了具有星时管理功能的测控应答模块，提出了一种适用于地球 同步轨道通信卫星测控通道的星地时间同步方法。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术中存在的同步轨道通信卫星无法完成星地时间精确同步的现状，为 了能够充分利用现有通信卫星测控通道技术状态，本发明提出了一种可实现性强、适用于 同步轨道通信卫星测控通道的高精度、高稳定度的星地时间同步方案，其设计并采用了星 时管理及测控应答模块（简称为"模块"），星上系统改动小、星时校准链路短。
[0010] 本发明的一个方面提供了一种星地时间同步系统，用于基于通信卫星测控通道， 实现高精度的星地时间同步。该系统包括：星时管理及测控应答模块，作为核心部件，用于 经由卫星上下行测控链路实现与地面测控系统之间的时间信息交互；高稳频率源，用于为 星时管理及测控应答模块提供高稳频率；中心遥测模块，用于向星时管理及测控应答模块 发送整星遥测数据流并接收其返回的自身遥测量；中心遥控模块，用于接收来自星时管理 及测控应答模块的整星遥控指令并向中心计算机发送数管指令；以及中心计算机，用于经 由RS422总线与星时管理及测控应答模块之间进行星时广播。
[0011] 具体地，中心遥测模块还可以用于与中心计算机之间的整星遥测信息和数管遥测 信息的交互，以及星时管理及测控应答模块还可以用于接收来自数管分系统的模块自身指 令。
[0012] 优选地，星时管理及测控应答模块至少包括：卫星时间维护功能单元，用于通过高 稳频率源提供的高稳频率完成星上时间的维护，并可于采样点时刻完成星时数据的读取； 校时功能单元，在设定地面测控系统的时间为标准时间的情况下，通过所获得的星地时差， 采用上行注入的方式对星上时间进行校正；授时功能单元，地面测控系统通过授时命令的 方式来实现对卫星系统的授时；星时广播功能单元，用于以固定时间间隔对星上时间进行 广播；以及测控应答功能单元，用于卫星测控及测距。
[0013] 在测距上行的情况下，星时管理及测控应答模块经由卫星测控天线接收来自地面 测控系统的上行测距信息，其中，上行测距信息中至少包含标识校时和授时命令的字段。而 在测距下行的情况下，星时管理及测控应答模块经由卫星测控天线向地面测控系统发送下 行测距信息，其中，下行测距信息中至少包含星时数据字段。
[0014] 本发明的另一个方面还提供了一种星地时间同步方法，其包括以下步骤：步骤一， 地面测控系统对测量用的上行测距信息进行组帧，对上行测距信息进行第一预定处理以获 得上行测量信号帧，并经由上行通道将其发送至卫星；步骤二，卫星上的星时管理及测控 应答模块对所接收的上行测量信号帧执行第二预定处理以提取出测量伪码信息，并读取此 时其自身维护的星时数据；步骤三，星时管理及测控应答模块将测量伪码信息和所读取的 星时数据封装到下行测量信号帧的对应字段，并在执行第三预定处理后下传至地面测控系 统；步骤四，地面测控系统在接收到下行测量信号帧后，对其进行第四预定处理，以获取星 时数据和测量伪码信息；以及步骤五，在计入卫星与地面测控系统之间的距离零值后，计算 测量信号在星地距离间传输所用的时间，从而计算出星上采样时刻的星地时差。
[0015] 具体地，上行测距信息帧中至少包括：通用测量功能字段、命令标识字段和星时校 准/授时数据字段，第一预定处理至少包括：基于地面既定模式的调制处理，第二预定处理 至少包括：星上解调和帧同步处理，第三预定处理至少包括：基于星上既定模式的调制处 理，以及第四预定处理至少包括：地面解调和帧同步处理。
[0016] 在步骤二和三中执行：星时管理及测控应答模块接收到上行测量信号帧后，对其 执行星上解调和帧同步处理；通过星时管理及测控应答模块的工作频率形成的下行测量信 号帧对上行测量信号帧进行采样，从而提取出测量伪码信息；同时，星时管理及测控应答模 块对自身维护的、于采样点时刻的星时数据进行读取；将测量伪码信息和所读取的星时数 据封装到下行测量信号帧的对应字段中；以及星时管理及测控应答模块将经由基于星上既 定模式的调制处理后的下行测量信号帧下传至地面测控系统。
[0017] 在步骤四中包括：地面测控系统接收下行测量信号帧并对其进行地面解调和帧同 步处理，从而获取星时数据；同时，利用下行测量信号帧的同步信号对地面测控系统自身产 生的上行测量信号帧进行采样，从而提取出此时的测量伪码信息。
[0018] 在步骤五中包括：计入卫星与地面测控系统之间的距离零值；准确计算测量信号 在星地距离间传输所用的时间；经过多次测量和修正，精确计算出星上采样时刻的星地时 差D
[0019] 额外地，根据本发明的星地时间同步方法还包括：设定地面测控系统的时间为标 准时并设定星上时间存在计时误差；在获得星地时差后，地面测控系统通过上行注入的方 式对星上时间进行修正；或相对于星地时差，通过授时命令实现地面测控系统对卫星的授 时，其中，上行注入的方式是在上行测量信号帧中装入集中校时或均匀校时命令。
[0020] 因此，采用本发明，可以实现以下的有益效果：
[0021] (1)设计并采用了具有星时管理功能的测控应答模块，使测控分系统具备了星时 维护、星地时间校准、授时及星时广播等星地时间同步管理功能，拓展了我国通信卫星传统 测控分系统的功能范畴；
[0022] (2)星时管理及测控应答模块具有外部频率源接口，由外部高稳频率源提供工作 频率。若不考虑设备老化，通常情况下高稳频率源精度可达5X 10 8、稳定度可达±2X 10 7 天，使得模块拥有了更高精度和稳定度的工作频率；
[0023] (3)将校时命令（及其星时校准数据）和授时命令（及其星时授时数据）集成于 上行测量帧中，将模块维护的星时数据打包于下行测量帧中，实现了星地时间同步功能与 传统测量功能的有机统一；
[0024] (4)星时同步功能仅涉及卫星测控分系统上行、下行通道，不涉及与卫星其他分系 统间的交互，星时校准链路短，避免了通道上其他误差的引入；以及
[0025] (5)充分利用了同步轨道通信卫星测控通道资源，系统改动小，资源占用少，可实 现性强。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明【具体实施方式】所涉及的星地时间同步系统的组成示意图；以及
[0027] 图2为本发明【具体实施方式】所涉及的星地时差获取过程的示意图。
【具体实施方式】
[0028] 应了解，本发明的基于通信卫星测控通道的星地时间同步方法能够完成星地时间 同步的关键技术是同一时刻下星地时差的获取。通常情况下均设定地面测控系统时间为标 准时间，认定星上时间存在计时误差。在获得星地时差后，可通过上行注入的方式完成对星 上时间的修正。
[0029] 在星地时间同步过程中，首先地面测控系统将完成上行测量帧的组帧：该帧中除 了包含通用测量功能所须字段外，还包含"命令标识"及"星时校准（授时）数据"两个字 段；此后地面系统按照既定的模式完成测量帧的调制等处理，经上行通道向卫星发送测量 帧。
[0030] 卫星星时管理及测控应答模块在接收到上行信号后完成对其的解调、帧同步等处 理，之后通过模块的工作频率形成的下行测量帧同步信号对上行测量帧进行采样进而提取 测量伪码信息，与此同时模块须完成对自身维护的、于采样点时刻的星时数据的读取工作， 此后将伪码信息以及星时数据封装至下行测量帧的对应字段中，再经星上既定的模式完成 调制等处理后下传至地面测控系统。
[0031] 地面测控系统接收到下行测量信号后对其进行解调、帧同步等处理，从中获取星 上时间数据，与此同时利用下行测量帧同步信号对其自身产生的上行测量信号采样，提取 此时的测量伪码信息。
[0032] 在计入卫星系统及地面系统的距离零值后，可准确的计算出测量信号在星地距离 间传输所用的时间，再经多次测量并修正后可精确计算出星上采样时刻的星地时差。
[0033] 另外，应了解，针对得出的星地时差可通过上注带有集中校时或均匀校时命令的 测量帧完成星上时间的校准，亦可通过授时命令完成地面系统对卫星系统的授时。
[0034] 下面结合附图1和2及【具体实施方式】对本发明进行详细说明。具体地，图1为星 地时间同步系统的组成示意图，图2为星地时差获取过程的示意图。
[0035] 如图1所示，星时管理及测控应答模块作为本发明系统的核心设备，其与测控分 系统中心遥测、中心遥控、数管分系统中心计算机以及卫星载荷系统高稳频率源等的交互 关系。应了解，图1也示出了卫星系统与地面测控系统的具体信息交互。
[0036] 另外，本发明所涉及的基于通信卫星测控通道的星地时间同步方法，其主要可以 实现的功能包括：卫星时间的维护功能、校时功能、授时功能以及星时广播功能。接下来，将 以这四个功能模块为基础分别进行展开描述。
[0037] 卫星时间维护功能
[0038] 模块通过外部高稳频率源提供的高稳频率完成自身常规测控工作，与此同时模块 也通过此频率完成对卫星时间的持续维护功能，模块的工作频率设计为10MHz，由卫星载荷 标准频率源提供。可通过设置模块中星时管理的计时逻辑来满足卫星用户提出的不同的计 时单位要求。通常外部高稳频率精度可以达到5 X 10 8,设定10MHz可提供的最小计数周期 为0. lus，若此时需要10us作为计时单位，则可在100个计数周期后执行一次星上时间的增 加操作，如下公式一给出了计算方法：
[0039] lOus + O. lus = 100 公式一
[0040] 通常，我国同步轨道通信卫星星上时间由数管分系统中心计算机完成基本维护， 以毫秒作为计时单位，精度为毫秒级，因此，本发明在很大程度上提高了星时的计时精度。
[0041] 柃时功能
[0042] 当星上模块维护的卫星时间与地面测控系统标准时间之差超过用户需求中的允 许范围后，需要进行卫星时间的校准工作。例如，卫星用户提出的星地时差要求为彡5ms， 星上模块维护的星时稳定度依照外部高稳频率源稳定度±2X 10 7天计算，可计算出达到 5ms的时间，如下公式二给出了计算方法：
[0043] (5 X 10 3) + (2 X 10 9) = 2. 5 X 106秒 公式二
[0044] 将上述时间转换为按天计算，可得出以下的公式三：
[0045] (2. 5 X 106) + (3600 X 24)~28. 9 天 公式三
[0046] 因此，在采用外部高稳频率源的情况下，模块维护的星时在星地校时结束后须经 过约28. 9天才能达到5ms的星地时差，即，校时后约28. 9天需要进行下一次卫星时间校时 工作。
[0047] 卫星时间校准的关键环节是同一时刻下星地时差的获取。如图2所示，星地时差 获取过程具体如下所述：
[0048] 地面测控系统将测量帧发送至卫星，星上模块于星上时刻Tlc]di捕获到测量帧头， 经S时间后（即星上采样点时刻）开始由星上形成的下行帧同步信号对上行测量帧进行 采样，得到当前上行测量帧的伪码相位Φ_ (为地面时间!\时刻的伪码相位）；与此同时模 块须读取其自身维护的、于星上采样点时刻的星时数据，记为Tsat，之后将以及T sat打 包于下行测量帧中下传地面测控站，地面系统于τ2时刻（地面采样点时刻）利用下行测量 帧的帧同步信号完成对此时上行测量信号中伪码相位的采样，记为φψ2，地面还需提取下 行测量帧中的星时数据T sat。其中，Tlc]di、δ、?\为不参与实际运算的未知中间量，仅用于更 加明确地说明上述过程中的时间接点信息，因此，这三个参数在本发明中不做详细介绍。
[0049] 设测量伪码速率为Rpn，若忽略地面站随地球自转引起的测量信号双向传输距离不 对称因素和上下行设备信号传输时延不对称的因素，可以得出单程星地距离对应的传输时 间为：1/2(^),即得到以下的公式四：
[0050] 1/2(^) = (?up2_?upl)/2Rpn 公式四
[0051] 在图2中，与星上采样点对应的地面时刻为Tffd，其可通过以下公式五计算得到：
[0052] Tgrd= T2-(?up2-?upl)/2Rpn 公式五
[0053] 因此，星上采样点时刻下的星地时差ΔΤ可以用以下公式六表示：
[0054] Δ T = Tgrd_Tsat= T 2-(C>up2-C>upl)/2Rpn-T sat 公式六
[0055] 星地时差获取完成后，地面测控系统可发送带有校时命令的测量帧至卫星系统， 之后卫星系统完成对星时的校时。本发明所涉及的校时方式有集中校时和均匀校时两种， 其对应的上行测量帧格式如下表1所示，表1给出了校时用的上行测量帧的数据结构。
[0056] 表 1
[0057]
[0058] 应注意，在表1中，W8为命令标识，W9~W13为星时校准数据。因此，星时管理及 测控应答模块于图2中的卫星时间T lcKk时刻开始对星时校准数据进行响应并校时。在集中 校时方式下W9~W13的值等于星地时差的绝对值；在均匀校时方式下可根据实际需求设定 W9~W13的值。
[0059] 当W8为1010101010时，表示此帧包含前向集中校时命令，模块须按照W9~W13 字段中的星时校准数据完成星时的前向（增加）集中校时工作。
[0060] 当W8为1010101011时，表示此帧包含后向集中校时命令，模块须按照W9~W13 字段中的星时校准数据完成星时的后向（减少）集中校时工作。
[0061] 当W8为1010101100时，表示此帧包含前向均匀校时命令，模块须每隔默认校时间 隔（30s)按照W9~W13字段中星时校准数据完成对星时数据的一次增加。
[0062] 当W8为1010101101时，表示此帧包含后向均匀校时命令，模块须每隔默认校时间 隔（30s)按照W9~W13字段中星时校准数据完成对星时数据的一次减少。
[0063] 当W8为1010101110时，表示此帧包含停止均匀校时指令，当星地时差足够小，可 满足用户要求时发送该命令帧。
[0064] 卫星系统维护的星时数据被打包在下行测量帧中，表2给出了下行测量帧的数据 结构。
[0065] 表 2
[0066]
[0067] 应注意，在表2中，W2~W6为星上时间，格式与上行测量帧中的地面测站时间字 段相同。
[0068] 桴时功能
[0069] 模块可响应地面测控系统发送的授时命令，完成地面测控系统对星上卫星时间的 授时操作，此命令也设计于卫星上行测量帧格式中，具体如表3所示。表3给出了授时用的 上行测量帧的数据结构。
[0070] 表 3
[0071]
[0072] 应注意，在表3中，W8为命令标识，W9~W13为星时授时数据。
[0073] 当W8为0101010101时，表示此帧包含授时命令，地面系统须将其维护的标准时间 (须扣除单程星地距离对应传输时间和星上上行通道零值）打包于W9~W13字段中发送至 卫星系统，星上模块须于T lcKk时刻将其维护的卫星时间设置为W9~W13对应值；
[0074] 除表1和表3中对W8字段值的定义外，其他值无效，此时对应上行测量帧为普通 上行测量帧。
[0075] 星时广播功能
[0076] 应了解，采用本发明，可实现固定时间间隔的星时广播功能。默认每隔8秒，星上 模块通过RS422总线将当前卫星时间送至数管分系统中心计算机，之后中心计算机通过 1553B总线将星时数据广播至其他分系统，完成星时广播功能。从模块送出卫星时间至在 1553B总线上检测到此卫星时间的这一时间间隔为稳定时长，可精确测量获得。故当卫星时 间用户设备接收到星时后可扣除此段时间，确保所用星时的准确性。
[0077] 综上所述，采用本发明的技术方案，使测控分系统具备了星时维护、星地时间校准 和授时及星时广播等星地时间同步管理功能，使卫星系统拥有了更高精度和稳定度的工作 频率，拓展了我国通信卫星传统测控分系统的功能范畴。本发明的星时校准方法仅涉及卫 星测控分系统上行、下行通道，不涉及与卫星其他分系统间的交互，星时校准链路短，避免 了通道上其他误差的引入，充分利用了同步轨道通信卫星测控通道资源，实现了星地时间 同步功能与传统测量功能的有机统一，系统改动小，资源占用少，可实现性强。
[0078] 本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。
【主权项】
1. 一种星地时间同步系统，用于基于通信卫星测控通道，实现高精度的星地时间同步， 其特征在于，包括： 星时管理及测控应答模块，作为核心部件，用于经由卫星上下行测控链路实现与地面 测控系统之间的时间信息交互； 高稳频率源，用于为所述星时管理及测控应答模块提供高稳频率； 中心遥测模块，用于向所述星时管理及测控应答模块发送整星遥测数据流并接收其返 回的自身遥测量； 中心遥控模块，用于接收来自所述星时管理及测控应答模块的整星遥控指令并向中心 计算机发送数管指令；以及 所述中心计算机，用于经由总线与所述星时管理及测控应答模块之间进行星时广播。2. 根据权利要求1所述的星地时间同步系统，其特征在于， 所述中心遥测模块还用于与所述中心计算机之间的整星遥测信息和数管遥测信息的 交互，以及 所述星时管理及测控应答模块还用于接收来自数管分系统的模块自身指令。3. 根据权利要求1所述的星地时间同步系统，其特征在于，所述星时管理及测控应答 丰旲块至少包括： 卫星时间维护功能单元，用于通过所述高稳频率源提供的高稳频率完成星上时间的维 护，并可于采样点时刻进行星时数据的读取； 校时功能单元，在设定所述地面测控系统的时间为标准时间的情况下，通过所获得的 星地时差，采用上行注入的方式对星上时间进行校正； 授时功能单元，所述地面测控系统通过授时命令的方式来实现对卫星系统的授时； 星时广播功能单元，用于以固定时间间隔对星上时间进行广播；以及 测控应答功能单元，用于卫星测控及测距。4. 根据权利要求3所述的星地时间同步系统，其特征在于，在测距上行的情况下， 所述星时管理及测控应答模块经由卫星测控天线接收来自所述地面测控系统的上行 测距信息， 其中，所述上行测距信息中至少包含标识校时和授时命令的字段。5. 根据权利要求3所述的星地时间同步系统，其特征在于，在测距下行的情况下， 所述星时管理及测控应答模块经由卫星测控天线向所述地面测控系统发送下行测距 信息， 其中，所述下行测距信息中至少包含星时数据字段。6. -种星地时间同步方法，用于采用上述权利要求中任一项所述的星地时间同步系 统，基于通信卫星测控通道，实现高精度的星地时间同步，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一，地面测控系统对测量用的上行测距信息进行组帧，对所述上行测距信息进行 第一预定处理以获得上行测量信号帧，并经由上行通道将其发送至卫星； 步骤二，所述卫星上的星时管理及测控应答模块对所接收的上行测量信号帧执行第二 预定处理以提取出测量伪码信息，并读取其自身维护的星时数据； 步骤三，所述星时管理及测控应答模块将所述测量伪码信息和所读取的星时数据封装 到下行测量信号帧的对应字段，并在执行第三预定处理后下传至所述地面测控系统； 步骤四，所述地面测控系统在接收到所述下行测量信号帧后，对其进行第四预定处理， 以获取所述星时数据和所述测量伪码信息；以及 步骤五，在计入所述卫星与所述地面测控系统之间的距离零值后，计算测量信号在星 地距离间传输所用的时间，从而计算出星上采样时刻的星地时差。7. 根据权利要求6所述的星地时间同步方法，其特征在于， 所述上行测距信息帧中至少包括：通用测量功能字段、命令标识字段和星时校准/授 时数据字段， 所述第一预定处理至少包括：基于地面既定模式的调制处理， 所述第二预定处理至少包括：星上解调和帧同步处理， 所述第三预定处理至少包括：基于星上既定模式的调制处理，以及 所述第四预定处理至少包括：地面解调和帧同步处理。8. 根据权利要求6所述的星地时间同步方法，其特征在于，在所述步骤二和三中执行： 所述星时管理及测控应答模块接收到所述上行测量信号帧后，对其执行星上解调和帧 同步处理； 通过所述星时管理及测控应答模块的工作频率形成的下行测量信号帧对所述上行测 量信号帧进行采样，从而提取出所述测量伪码信息； 同时，所述星时管理及测控应答模块对自身维护的、于采样点时刻的星时数据进行读 取； 将所述测量伪码信息和所读取的星时数据封装到所述下行测量信号帧的对应字段中； 以及 所述星时管理及测控应答模块将经由基于星上既定模式的调制处理后的所述下行测 量信号帧下传至所述地面测控系统。9. 根据权利要求8所述的星地时间同步方法，其特征在于， 在所述步骤四中包括： 所述地面测控系统接收所述下行测量信号帧并对其进行地面解调和帧同步处理，从而 获取所述星时数据； 同时，利用所述下行测量信号帧的同步信号对所述地面测控系统自身产生的上行测量 信号帧进行采样，从而提取出此时的测量伪码信息，以及 在所述步骤五中包括： 计入所述卫星与所述地面测控系统之间的距离零值； 准确计算测量信号在星地距离间传输所用的时间； 经过多次测量和修正，精确计算出星上采样时刻的星地时差。10. 根据权利要求6所述的星地时间同步方法，其特征在于，还包括： 设定所述地面测控系统的时间为标准时并设定星上时间存在计时误差； 在获得所述星地时差后，所述地面测控系统通过上行注入的方式对所述星上时间进行 修正；或 相对于所述星地时差，通过授时命令实现所述地面测控系统对所述卫星的授时， 其中，所述上行注入的方式是在上行测量信号帧中装入集中校时或均匀校时命令。
【文档编号】G04R20/02GK105897392SQ201410775298
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月15日
【发明人】陈亮亮, 许猛, 薛敏, 王志杰, 李延滨, 李慧娴
【申请人】中国空间技术研究院