一种面向导航卫星的分级时间频率系统的制作方法

本发明涉及一种面向导航卫星的分级时间频率系统，属于导航卫星时频系统技术领域。

背景技术：

北斗卫星导航系统是我国独立自主研制和建设的天基卫星导航和授时系统，通过建立时间基准和空间基准提供相应的服务，时间基准是影响星座系统和卫星系统导航性能的关键因素。星载时间频率系统是导航卫星的重要组成部分，统一的时间频率系统能够保证导航卫星平台和载荷的各项功能、信息处理和分发的有序进行。

以往，导航卫星时间由地面测控系统和地面运控系统进行管理，地面测控系统和运控系统相对独立，分别对卫星平台时间和卫星载荷时间进行管理，这种时间管理方式不利于整星平台和载荷工作协调，两者还需要通过各类接口和控制保障整星各项功能的时序正常。当由地面运控系统进行管理时，由于导航卫星系统、分系统和单机时频信号种类繁多，并且布局分散，各单机对时间精度的要求也各不相同，需要建立星载时间频率系统对卫星时间进行统一管理。导航卫星从地面获得精确的系统时间后，如何将时间可靠、准确、高效的分发到各分系统和单机是一个重要的技术问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种面向导航卫星的分级时间频率系统，所述地面运控系统对导航处理机的周计数和秒计数进行设置，利用星地链路完成周计数和秒计数的注入，导航处理机根据注入信息调整自身的周计数和秒计数；地面运控系统对导航处理机1pps进行修正；所述导航处理机与中心计算机通过1pps信号接口连接，中心计算机通过总线从导航处理机获取时间，然后利用1pps信号接口完成二级精度时间同步；所述导航处理机与终端单机通过1pps信号接口、10.23m信号接口连接，中心计算机通过总线向终端单机分发二级精度时间。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种面向导航卫星的分级时间频率系统，包括地面运控系统、星载第一级时间系统、星载第二级时间系统、星载第三级时间系统；

所述星载第一级时间系统包括导航处理机，所述星载第二级时间系统包括中心计算机，所述星载第三级时间系统包括终端单机；所述导航处理机、中心计算机、终端单机均与总线连接；

所述地面运控系统对导航处理机的周计数和秒计数进行设置，利用星地链路完成周计数和秒计数的注入，导航处理机根据注入信息调整自身的周计数和秒计数；地面运控系统通过计算星地通道测得的星地伪距与星地时间同步状态下的星地伪距估算值的差来确定导航处理机上1pps相位调整的方向和大小，然后对导航处理机1pps进行修正，使导航处理机与地面运控系统的时间保持同步，建立一级精度时间；

所述导航处理机与中心计算机通过1pps信号接口连接，中心计算机通过总线从导航处理机获取时间，然后利用1pps信号接口完成二级精度时间同步；当1pps信号接口的1pps信号可用时，中心计算机利用1pps信号完成毫秒的清零工作，当1pps信号接口的1pps信号不可用时，中心计算机利用内部晶振进行守时；

所述导航处理机与终端单机通过1pps信号接口、10.23m信号接口连接，中心计算机通过总线向终端单机分发二级精度时间；当终端单机的时间精度要求较低时，仅从总线接收二级精度时间，当终端单机的时间精度要求较高时，终端单机从总线接收二级精度时间的同时引入1pps信号和10.23m信号；

所述一级精度时间的精度优于二级精度时间的精度。

上述面向导航卫星的分级时间频率系统，优选的，所述一级精度时间的误差不超过1ms。

上述面向导航卫星的分级时间频率系统，优选的，当1pps信号可用时，在每个1pps信号的上升沿，中心计算机进行秒累计，同时将毫秒计数清零；在1pps信号内，中心计算机利用内部晶振提供的频率信号进行毫秒累计；当1pps信号不可用时，中心计算机将1pps信号设置为不允许使用，并自动切换到内部晶振。

上述面向导航卫星的分级时间频率系统，优选的，当1pps信号偏差大于预设偏差值时，中心计算机判定1pps信号异常。

上述面向导航卫星的分级时间频率系统，优选的，在建立一级精度时间前，星载第一级时间系统通过地面运控系统进行校时。

上述面向导航卫星的分级时间频率系统，优选的，地面运控系统进行校时包括绝对校时、增量校时、均匀校时；

所述绝对校时为：中心计算机收到地面运控系统发出的星时设置指令后，将中心计算机的星务管理单元绝对时间置为接收到的时间值；

所述增量校时为：中心计算机收到地面运控系统发出的遥控指令后，遥控指令内包括增量值，将中心计算机的星务管理单元绝对时间加上接收到的增量值；

所述均匀校时为：中心计算机的星务管理单元每过一个校时间隔，就在星务管理单元绝对时间上增加一个由地面运控系统设置的校时增量。

上述面向导航卫星的分级时间频率系统，优选的，中心计算机通过总线向终端单机分发二级精度时间的时间精度为5ms。

上述面向导航卫星的分级时间频率系统，优选的，所述终端单机包括终端类型i、终端类型ii、终端类型iii；

所述终端类型i仅从总线接收二级精度时间；所述终端类型ii从总线接收二级精度时间的基础上，引入1pps信号确定时间；所述终端类型iii利用1pps信号和10.23m信号确定时间。

上述面向导航卫星的分级时间频率系统，优选的，所述终端类型ii从总线接收二级精度时间后，用二级精度时间校准自身时间，同时等待1pps信号；当1pps信号到来时，终端类型ii对自身时间秒位后的毫秒时间进行取舍，在1pps信号内，终端类型ii设备利用内部晶振提供的频率信号进行毫秒累计。

上述面向导航卫星的分级时间频率系统，优选的，所述终端类型iii从总线接收二级精度时间后，用二级精度时间校准自身时间，同时等待1pps信号；当1pps信号到来时，终端类型iii对自身时间秒位后的毫秒时间进行取舍，并对10.23m计数清零；在1pps信号内，终端类型iii设备利用10.23mhz频率信号进行毫秒累计。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明根据我国导航卫星的设计特点和地面运行管理特点将星载时间频率系统分为3级，并统一设计，每级采用不同的时间建立和维持策略，形成了分级、分层次的体系结构。各级建立和维持策略充分利用了卫星的各种时频信号和单机之间的相关性，使时间频率系统既能相互统一，又保持清晰的任务界面。

(2)本发明的分级时间频率系统架构具有通用性，采用的标准的接口和常用的时间同步手段，易于扩展，能够满足不同单机和分系统对时间精度的要求。

(3)本发明的分级时间频率系统具有良好的健壮性，各级时间频率的建立和维持均有冗余备份手段，提高了导航卫星整星的可靠性。

附图说明

图1为本发明的分级时间频率系统组成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种面向导航卫星的分级时间频率系统，包括地面运控系统、星载第一级时间系统、星载第二级时间系统、星载第三级时间系统；

所述星载第一级时间系统包括导航处理机，所述星载第二级时间系统包括中心计算机，所述星载第三级时间系统包括终端单机；所述导航处理机、中心计算机、终端单机均与总线连接；

所述地面运控系统对导航处理机的周计数和秒计数进行设置，利用星地链路完成周计数和秒计数的注入，导航处理机根据注入信息调整自身的周计数和秒计数；地面运控系统通过计算星地通道测得的星地伪距与星地时间同步状态下的星地伪距估算值的差来确定导航处理机上1pps相位调整的方向和大小，然后对导航处理机1pps进行修正，使导航处理机与地面运控系统的时间保持同步，建立一级精度时间；

所述导航处理机与中心计算机通过1pps信号接口连接，中心计算机通过总线从导航处理机获取时间，然后利用1pps信号接口完成二级精度时间同步；当1pps信号接口的1pps信号可用时，在每个1pps信号的上升沿，中心计算机利用1pps信号进行秒累计，同时将毫秒计数清零，在1pps信号内，中心计算机利用内部晶振提供的频率信号进行毫秒累计；当1pps信号接口的1pps信号不可用时，中心计算机将1pps信号设置为不允许使用，利用内部晶振进行守时；其中当1pps信号偏差大于预设偏差值时，中心计算机判定1pps信号异常。

所述导航处理机与终端单机通过1pps信号接口、10.23m信号接口连接，中心计算机通过总线向终端单机分发二级精度时间；当终端单机的时间精度要求较低时，仅从总线接收二级精度时间，当终端单机的时间精度要求较高时，终端单机从总线接收二级精度时间的同时引入1pps信号和10.23m信号；

所述一级精度时间的精度优于二级精度时间的精度；所述一级精度时间的误差不超过1ms；中心计算机通过总线向终端单机分发二级精度时间的时间精度为5ms。

在建立一级精度时间前，星载第一级时间系统通过地面运控系统进行校时；地面运控系统进行校时包括绝对校时、增量校时、均匀校时；

所述绝对校时为：中心计算机收到地面运控系统发出的星时设置指令后，将中心计算机的星务管理单元绝对时间置为接收到的时间值；

所述增量校时为：中心计算机收到地面运控系统发出的遥控指令后，遥控指令内包括增量值，将中心计算机的星务管理单元绝对时间加上接收到的增量值；

所述均匀校时为：中心计算机的星务管理单元每过一个校时间隔，就在星务管理单元绝对时间上增加一个由地面运控系统设置的校时增量。

所述终端单机包括终端类型i、终端类型ii、终端类型iii；所述终端类型i仅从总线接收二级精度时间；所述终端类型ii从总线接收二级精度时间的基础上，引入1pps信号确定时间；所述终端类型iii利用1pps信号和10.23m信号确定时间。

所述终端类型ii从总线接收二级精度时间后，用二级精度时间校准自身时间，同时等待1pps信号；当1pps信号到来时，终端类型ii对自身时间秒位后的毫秒时间进行取舍，在1pps信号内，终端类型ii设备利用内部晶振提供的频率信号进行毫秒累计。

所述终端类型iii从总线接收二级精度时间后，用二级精度时间校准自身时间，同时等待1pps信号；当1pps信号到来时，终端类型iii对自身时间秒位后的毫秒时间进行取舍，并对10.23m计数清零；在1pps信号内，终端类型iii设备利用10.23mhz频率信号进行毫秒累计。

实施例：

一种面向导航卫星的分级时间频率系统，即一种面向导航卫星的分级时间频率系统架构，如图1所示。

1、时间频率系统分级

本发明根据导航卫星的设计特点将星载时间系统分为三级，并统一设计，每级星载时间系统的校时和时间维持采用不同的手段策略，形成了分级、统一的时间频率系统架构。星载时间系统分级方法如下。

星载第一级时间系统：导航处理机；

星载第二级时间系统：中心计算机；

星载第三级时间系统：各类终端类型的单机，包括终端类型i、终端类型ii、终端类型iii。

地面运控系统负责导航卫星的运行控制，将精确的导航系统时间通过星地链路传递到星载时间系统。导航处理机根据卫星基准频率产生与地面运控系统导航系统时间精确同步的卫星时间、10.23mhz信号和1pps信号；中心计算机作为卫星信息总线的主控制端，控制总线将时间分发给各类终端；各类终端接收时间信息或时频信号保证其使用时间的精度。

2、时间频率系统体系结构和工作流程

本发明设计了一种面向导航卫星的分级时间频率系统架构，用于实现导航卫星统一的星载时间，保障各项功能的有序。如图1所示为本发明的系统组成，包括地面运控系统、导航处理机、中心计算机和其它各类终端类型单机。

分级时间频率系统架构能够建立和维持统一的星上时间，减少时间不统一带给星载处理的负担，利于适应复杂多变的整星和载荷设计。

根据时间频率系统分级，星载各级时间系统由不同组成部分完成：

地面运控到星载第一级时间系统的传递通过地面到导航处理机实现。导航处理机作为星上时间频率系统的重要组成部分，可通过高精度的星地测量链路与地面运控系统建立高精度时间。地面运控对导航处理机建立的时间进行监视，并计算时间修正参数，从而使星载第一级时间系统与地面运控时间保持同步。

星载第一级时间系统到星载第二级时间系统的传递通过导航处理机到中心计算机实现。整星信息系统中，中心计算机通过总线和各分系统、单机建立信息联系。可利用双冗余的总线从导航处理机获取时间，利用1pps信号接口进行精确秒同步，实现满足中心计算机功能要求和第二级时间系统要求的时间精度。在卫星在轨初期，导航处理机未开机，可通过星地链路建立和校准中心计算机时间。

星载第二级时间系统到星载第三级时间系统的传递通过中心计算机、1pps、10.23m信号到各类终端实现。中心计算机通过总线向终端分发星载第二级时间，如终端有更高精度的时间要求，可引入1pps、10.23m信号。

下面对各级时间系统的工作流程和涉及模块的相关功能分别进行介绍。

一、星载第一级时间系统工作流程

星载第一级时间系统与地面运控系统进行时间同步，完成时间系统的建立。星地时间同步的流程主要包含校时和调相两个步骤。

(1)第一步：地面运控系统对星载第一级时间系统的周计数和秒计数进行设置。该步由地面运控系统对导航处理机的周计数和秒计数进行设置，利用星地链路完成周计数和秒计数的注入，导航处理机根据注入信息调整自身的周计数和秒计数。

(2)第二步：地面运控系统对星载第一级时间系统进行相位调整。根据星地伪距估算，按单向授时原理，对星上1pps进行调相处理。通过计算上行注入接收机测得的星地伪距与星地时间同步状态下的星地伪距估算值的差来确定星上1pps相位调整的方向和大小。星地同步后，卫星的星地钟差一般在1ms以内。1pps相位调整的大小可以通过以下公式计算。

δ1pps＝t实测-(trx+ttx+tsagnac+t星地)

其中，为trx卫星的信号接收时延、ttx为地面站的信号发射时延、t星地为星地伪距估算值、tsagnac为卫星上行链路的sagnac效应修正，t实测为星上发射接收射频通道测量的星地伪距。

运控系统可以通过调相指令进一步进行精同步，运控系统负责卫星钟面时与系统时间差的控制，使其不超过1ms(1ms之内通过钟差参数在导航电文中播发)。

星载第一级时间系统导航处理机输出1pps信号、10.23mhz信号以及时间。

二、星载第二级时间系统工作流程

(1)星载第一级时间系统建立稳定的时间后，中心计算机通过1553b总线从导航处理机获取高精度时间，并接收1pps信号，作为星载第二级时间系统的时间基准。

当1pps信号可用时，中心计算机利用1pps完成毫秒的清零工作。在每个1pps信号的上升沿，进行秒累计，同时将毫秒计数清零；在1pps信号内，中心计算机利用内部晶振提供的频率信号进行毫秒累计。

当1pps信号不可用时，中心计算机依据内部晶振进行守时。中心计算机实时检测1pps信号上升沿时间间隔，当1pps信号发生相位调整或异常情况，即1pps信号偏差大于±nms时，认为1pps信号异常，立即设置1pps信号不允许使用，自动切换为内部晶振。中心计算机时间精度为5ms，一般当1pps信号偏离阈值精度1～6倍，认为1pps信号发生相位调整或异常时，n的典型值可以取5(ms)*3＝15(ms)。n的典型值可选取为5～30。

(2)星载第一级时间系统尚未建立稳定的时间时，通过地面运控系统进行校时。

地面运控系统共有三种校时方法：

绝对校时：中心计算机收到地面发出的星时设置指令后，将星务管理单元绝对时间置为接收到的时间值；

增量校时：中心计算机收到地面发出的遥控指令后，将星务管理单元加上接收到的增量值。

均匀校时：星务管理单元每过一个校时间隔，星上软件则将星务管理单元绝对时间增加一个可由地面遥控设置的校时增量(较时增量或正或负)。

地面运控系统校时后中心计算机的时间精度取决于其晶振的误差，当前中心计算机使用晶振为温补晶振：其频率稳定度为1*10^-6。对于导航卫星，要满足任意时刻中心计算机绝对星时精度优于600ms的需求，考虑5ms的误差余量，可得地面最长的校时周期为：(600-5)(ms)/(1*10^-6)≈165(小时)

即地面需要每165小时给卫星进行增量校时，如采用均匀校时可以使得地面增量校时的时间增长。

三、星载第三级时间系统工作流程

(1)终端类型i

终端类型i为低时间精度要求终端，此类终端采用中心计算机总线授时服务维持星载时间。

中心计算机每448ms通过1553b总线向需要时间信息的终端设备发送自身时间，该时间精度为5ms。终端设备收到时间后，可以根据自身时间管理策略使用该时间进行校时。

(2)终端类型ii

终端类型ii为中等时间精度要求终端，此类终端采用中心计算机总线授时服务+导航处理机1pps信号结合的方式维持星载时间。

中心计算机将自身时间每448ms通过1553b总线发送到所有终端类型ii设备上，同时导航处理机将1pps信号提供给终端类型ii设备。中心计算机的总线授时精度为5ms，终端类型ii设备收到1553b总线时间信息后用该时间校准自身时间，同时等待1pps信号。由于接收1pps信号为整秒时刻，在1pps信号到来时刻终端类型ii设备对自身时间秒位后的毫秒时间进行四舍五入(在毫秒位为0～499ms时舍掉毫秒信息，在毫秒位为500～999ms时舍掉毫秒信息并对秒位+1s)。在1pps信号内，终端类型ii设备利用内部晶振提供的频率信号进行毫秒累计。

(3)终端类型iii

终端类型iii设备在开机时刻从总线接收二级精度时间后，用二级精度时间校准自身时间，同时等待1pps信号；当1pps信号到来时，终端类型iii对自身时间秒位后的毫秒时间进行取舍，并利用导航1pps和10.23mhz信号进行自身1pps信号生成及10.23m计数清零；其后利用10.23mhz信号进行守时。

当1pps信号发生偏差或跳变时，终端类型iii设备自动检查1pps信号，当1pps信号在调整过程中未稳定，则终端类型iii设备按照自身守时1pps信号进行工作；当1pps信号调整结束稳定后，终端类型iii设备经过3秒判定后自动锁定到新的1pps信号上。终端类型iii设备在开机时刻必须有1pps信号进行时间同步，若此时无1pps信号则设备不能正常工作；当终端类型iii设备收到1pps信号进行时间同步后，1pps信号漂移时对设备无影响；当1pps调整结束后，终端类型iii设备会自动同步到新1pps时间上。1pps信号丢失或发生错乱时对信机功能无影响。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。