摘要:應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光纖網絡的一個節點，在FC-AE-1553光纖網絡中疊加IEEE1588v2時間同步協議，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據如定位數據、姿態數據和軌道數據等共用信息同步發送至網絡上的其他載荷節點。通過時間同步與同步發送機制，解決了各載荷對高精度時間和共用信息的需求，彌補了專用信息硬件接口資源的不足。結果表明，與直接利用航天器平臺的信息源相比較，當時鐘源和共用信息來自功能載荷時，FC-AE-1553網絡時間同步之后的時間基準精度和共用信息利用性能高出3個數量級，載荷獲取的UTC時間精度達到百納秒量級。

　　關鍵詞:時間同步;FC-AE-1553;應用載荷;共用信息;定位數據;姿態數據

　　當前衛星或航天器中應用載荷的時間校準最直接的方式，是通過載荷設備接收飛行器主設備(例如全球導航衛星系統(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)接收機)的時間碼數據和秒脈沖信號對齊來解決[1]，GNSS接收機可提供定位信息(含協調世界時(UniversalTimeCoordinated，UTC))，各載荷通過在軌解算時間和獲取準確位置來開展高精度的實驗任務。這種方法中，當航天器中載荷數量較多、布局廣、滾動更 換時，單個GNSS設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計將非常復雜，急需尋找一種不過度依賴航天器平臺GNSS設備接口的更適合載荷間使用的高精度時間系統和時間同步方式。一般情況下，航天器軌道、姿態、位置等公共信息的傳輸，是平臺采用總線廣播方式逐級發送給各載荷的。

　　航天技術論文投稿刊物：《載人航天》由中國載人航天工程辦公室主管、主辦，是國內唯一以載人航天工程為背景的綜合性學術期刊，雙月刊，大16開，國內公開發行。本刊現為中國科學引文數據庫(CSCD)來源期刊。

　　實際運控中，因載荷本地采用的時間系統與軌道數據和姿態數據中的時間系統并不完全是一個體系，各載荷收到后，往往需要進行多次時間系統的變換和計算。加之廣播數據到達載荷需經歷多級總線轉發，會產生較大延遲，載荷終端需要對接收到的數據進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等數據作為實驗任務參考數據的實際效果會大大降低。一些對姿態和軌道等數據敏感的載荷為了完成高精度的觀測任務，往往需要自身再攜帶功能較強的GNSS接收機和姿態測量系統，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匹配和解決成本問題。

　　1時間基準技術途徑

　　1.1時間需求分類

　　航天應用有效載荷的時間基準[2]是指載荷獲取的精確絕對時間，一般采用UTC時間系統，并以此為刻度安排載荷任務，時間基準的精度被定義為載荷時間與UTC之差的統計特征。各應用載荷與時間基準相關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，即時間精度需求優于100ns的載荷，主要為天文載荷或載荷設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前時間下的準確空間位置信息。

　　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，根據軌道、姿態數據和對應的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，用于根據軌道、姿態數據和對應的UTC時間解算相對位置關系。 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，如生命科學類載荷，其任務對時空基準不敏感，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。

　　1.2時間基準解決途徑

　　根據在軌實驗任務的需求，應用載荷需要外部實時提供較為準確的時間基準，以及精確的位置、軌道和姿態數據作為載荷觀測、測量和位置解算的依據。其中，對載荷任務成敗影響較大的主要因素是載荷獲取的時間基準精度以及在該時間基準下的當前位置、軌道和姿態數據的實時性能。在載荷實驗任務中，為了和定位數據、姿態數據、星下點位置準確關聯，就需要這些數據采用統一的時間系統，以便獲取準確視場指向，所有的實驗任務和測量數據的時間與UTC對齊，便于規劃高精度的載荷實驗任務。

　　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絡主機發送平臺制導、導航與控制系統(Guidance，NavigationandControlsystem，GNC)測量的姿態信息、GPS數據(含UTC時間碼)、數管系統相對時間碼等信息。然后由載荷網絡主機向各載荷通過網絡接口轉發。由于數據產生和發送的延遲，以及經過多級總線轉發，航天器平臺轉發這些共用信息到達載荷網絡主機的總延遲性能如表2所示，載荷在使用這些信息時，往往需要適當處理后才能使用。

　　1.4功能載荷時間信息優勢

　　有幾類功能載荷在任務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試驗的應用載荷自身就安裝有精密定軌裝置GNSS設備，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設備切換不同精度的頻率源。載荷內部GNSS設備的功能定位為提供航天器的精密參考軌道，可為其他應用載荷提供時間源、絕對時間、定位數據、原始觀測數據以及軌道預報的信息公共服務。

　　2高精度時間同步與共用信息分發

　　2.1總體方案

　　2.1.1接口設計

　　基于載荷網絡主機提供的FC-AE-1553光纖網絡，通過疊加時間同步協議的方式，將高精度的時間基準信息通過底層同步協議同步到網絡終端，同時將姿態、位置信息等共用數據同步分發給各終端，供各終端進行實時解算，則可大大節省設計復雜度，同時充分利用了光纖網絡的傳輸優勢。GNSS自身輸入的時間信號和接收的原始觀測數據可來自兩個源:其一是接收艙外BD/GPS的天線信號和觀測數據后進行本地解算和校準;其二是地面系統會開展天地時頻比對，定期對在軌GNSS進行時頻校準。通過這兩種方式，GNSS輸入時間源的隨機誤差和不確定度，已經事先在GNSS單機本地消除或被校準，然后再輸出標準的時間脈沖信息給載荷網絡主機，秒脈沖精度穩定在30ns量級。

　　3時間基準實現分類

　　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設備的秒脈沖硬接口和定位信息，以及天文載荷的姿態原始數據等共用信息。在FC-AE-1553網絡第2、3層之間實施時間同步，同時在第2層完成同步信息發送的功能，可支持應用載荷不同等級需求的時間基準和共用信息需求。

　　4結論

　　通過分析和試驗，可以采用不同的手段滿足應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信息，可以解決對時間和姿軌數據等共用信息性能要求不高的載荷信息需求。統籌使用功能載荷GNSS設備的高精度時鐘源和定位信息以及天文載荷的姿態原始信息，并通過FC-AE-1553網絡時間同步機制，可以解決絕大部分載荷的高精度時間基準和位置解算需求。利用光纖網絡傳輸優勢，在FC-AE-1553協議底層，通過協議疊加的方式實現了IEEE1588v2時間同步協議和同步數據發送功能，高效利用了高精度的時間基準和共用信息資源，彌補了專用信息接口資源設計的不足。

　　設計驗證表明，FC-AE-1553網絡實施時間同步機制時，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精度和共用信息利用性能將高出3個數量級，載荷獲取的UTC時間精度達到百納秒量級。在光纖網絡上疊加時間同步協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據交換硬件接口的數量、減輕了載荷設計的復雜度和線纜設計的難度，為航天器設計節約了質量資源。

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　　作者：邱愛華，喬曠怡，陳寅元，張濤