摘要:應(yīng)用載荷直接獲取航天器平臺的時間和公共測量信息，并不能完全滿足載荷的高精度時間基準(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間和狀態(tài)測量信息的能力，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)的一個節(jié)點，在FC-AE-1553光纖網(wǎng)絡(luò)中疊加IEEE1588v2時間同步協(xié)議，功能載荷的高精度時鐘源能同步給有需求的其他載荷。并在時間同步的前提下，將功能載荷的測量數(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。通過時間同步與同步發(fā)送機(jī)制，解決了各載荷對高精度時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的信息源相比較，當(dāng)時鐘源和共用信息來自功能載荷時，F(xiàn)C-AE-1553網(wǎng)絡(luò)時間同步之后的時間基準(zhǔn)精度和共用信息利用性能高出3個數(shù)量級，載荷獲取的UTC時間精度達(dá)到百納秒量級。

　　關(guān)鍵詞:時間同步;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))的時間碼數(shù)據(jù)和秒脈沖信號對齊來解決[1]，GNSS接收機(jī)可提供定位信息(含協(xié)調(diào)世界時(UniversalTimeCoordinated，UTC))，各載荷通過在軌解算時間和獲取準(zhǔn)確位置來開展高精度的實驗任務(wù)。這種方法中，當(dāng)航天器中載荷數(shù)量較多、布局廣、滾動更 換時，單個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)計將非常復(fù)雜，急需尋找一種不過度依賴航天器平臺GNSS設(shè)備接口的更適合載荷間使用的高精度時間系統(tǒng)和時間同步方式。一般情況下，航天器軌道、姿態(tài)、位置等公共信息的傳輸，是平臺采用總線廣播方式逐級發(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。

　　實際運(yùn)控中，因載荷本地采用的時間系統(tǒng)與軌道數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)中的時間系統(tǒng)并不完全是一個體系，各載荷收到后，往往需要進(jìn)行多次時間系統(tǒng)的變換和計算。加之廣播數(shù)據(jù)到達(dá)載荷需經(jīng)歷多級總線轉(zhuǎn)發(fā)，會產(chǎn)生較大延遲，載荷終端需要對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值推算才能利用。綜合上述因素后，直接使用平臺軌道和姿態(tài)等數(shù)據(jù)作為實驗任務(wù)參考數(shù)據(jù)的實際效果會大大降低。一些對姿態(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)測量系統(tǒng)，研制成本會很高。因此，需要考慮載荷在公共信息利用中的時間系統(tǒng)匹配和解決成本問題。

　　1時間基準(zhǔn)技術(shù)途徑

　　1.1時間需求分類

　　航天應(yīng)用有效載荷的時間基準(zhǔn)[2]是指載荷獲取的精確絕對時間，一般采用UTC時間系統(tǒng)，并以此為刻度安排載荷任務(wù)，時間基準(zhǔn)的精度被定義為載荷時間與UTC之差的統(tǒng)計特征。各應(yīng)用載荷與時間基準(zhǔn)相關(guān)的需求主要分為四類(見表1):第一類為高精度時間需求載荷，即時間精度需求優(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類的載荷，獲取高精度時間以及當(dāng)前時間下的準(zhǔn)確空間位置信息。

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

　　1.2時間基準(zhǔn)解決途徑

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

　　1.3利用平臺信息的缺陷

　　1.3.1平臺共用信息與秒脈沖航天器平臺定期只向載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)發(fā)送平臺制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(Guidance，NavigationandControlsystem，GNC)測量的姿態(tài)信息、GPS數(shù)據(jù)(含UTC時間碼)、數(shù)管系統(tǒng)相對時間碼等信息。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)過多級總線轉(zhuǎn)發(fā)，航天器平臺轉(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，往往需要適當(dāng)處理后才能使用。

　　1.4功能載荷時間信息優(yōu)勢

　　有幾類功能載荷在任務(wù)期可以專門對外提供精確時間源和位置信息。例如，開展在軌高精度時間與頻率系統(tǒng)試驗的應(yīng)用載荷自身就安裝有精密定軌裝置GNSS設(shè)備，可對外提供秒脈沖信號、UTC絕對時間信息和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)用載荷提供時間源、絕對時間、定位數(shù)據(jù)、原始觀測數(shù)據(jù)以及軌道預(yù)報的信息公共服務(wù)。

　　2高精度時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

　　基于載荷網(wǎng)絡(luò)主機(jī)提供的FC-AE-1553光纖網(wǎng)絡(luò)，通過疊加時間同步協(xié)議的方式，將高精度的時間基準(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)行實時解算，則可大大節(jié)省設(shè)計復(fù)雜度，同時充分利用了光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸優(yōu)勢。GNSS自身輸入的時間信號和接收的原始觀測數(shù)據(jù)可來自兩個源:其一是接收艙外BD/GPS的天線信號和觀測數(shù)據(jù)后進(jìn)行本地解算和校準(zhǔn);其二是地面系統(tǒng)會開展天地時頻比對，定期對在軌GNSS進(jìn)行時頻校準(zhǔn)。通過這兩種方式，GNSS輸入時間源的隨機(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。

　　3時間基準(zhǔn)實現(xiàn)分類

　　通過利用航天器平臺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層之間實施時間同步，同時在第2層完成同步信息發(fā)送的功能，可支持應(yīng)用載荷不同等級需求的時間基準(zhǔn)和共用信息需求。

　　4結(jié)論

　　通過分析和試驗，可以采用不同的手段滿足應(yīng)用載荷的高精度時間同步和共用信息的多種需求。利用航天器秒脈沖和平臺參數(shù)信息，可以解決對時間和姿軌數(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)時間同步機(jī)制，可以解決絕大部分載荷的高精度時間基準(zhǔn)和位置解算需求。利用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)勢，在FC-AE-1553協(xié)議底層，通過協(xié)議疊加的方式實現(xiàn)了IEEE1588v2時間同步協(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)計的不足。

　　設(shè)計驗證表明，F(xiàn)C-AE-1553網(wǎng)絡(luò)實施時間同步機(jī)制時，時鐘源和共用信息來自功能載荷與來自航天器平臺的信息源相比較，從功能載荷獲得的時間基準(zhǔn)精度和共用信息利用性能將高出3個數(shù)量級，載荷獲取的UTC時間精度達(dá)到百納秒量級。在光纖網(wǎng)絡(luò)上疊加時間同步協(xié)議不僅提高了時間精度利用量級，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)計的復(fù)雜度和線纜設(shè)計的難度，為航天器設(shè)計節(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