杨安洪，卜鲍强，姜忠武

(63816部队，贵阳 550025)

双模授时技术在航天测控设备中的应用

杨安洪，卜鲍强，姜忠武

(63816部队，贵阳 550025)

针对目前航天测控设备时间同步系统的授时来源单一、可靠性不够高、安全性差的问题，应用基于北斗卫星导航系统和全球定位系统的双模授时技术，升级了某型测控设备的时间同步系统，实践证明新的时间同步系统满足设备的应用需求，明显提高了测控设备的可靠性与安全性。

双模授时；全球定位系统；北斗卫星导航系统

1 引言

在航天发射任务中，全航区的测控设备必须在统一的、高精度的时间基准下运行，时间同步系统扮演着重要的角色[1]。当前测控设备的时间同步系统普遍使用高精度的卫星授时，其中美国的全球定位系统(global positioning system，GPS)因起步较早，覆盖面广，技术成熟，价格低廉，占据了卫星授时终端绝大部分市场[2]，也导致目前航天测控设备的时间同步系统大多采用GPS单一授时。美国军方实际控制GPS，免费提供使用，但不对GPS卫星信号的质量和免费使用期限任何承诺和保证，并且曾经实施过用于降低用户使用精度的选择可用性政策，还具有随时关闭任何地区GPS卫星信号的能力[3]，所以，虽然使用GPS免费，但可靠性不够高、安全性差。因此，我国在航天发射任务中使用GPS存在巨大的安全风险和隐患。可喜的是，我国北斗卫星导航定位系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)近年来加速卫星组网，实用性不断增强，于2012-12-27起正式向亚太大部分地区提供区域连续无源定位、授时、导航等服务[4]，为基于BDS授时的时间同步系统的广泛应用奠定了坚实基础。据近年来的相关文献论述和双模授时产品介绍，推出的国产BDS/GPS双模授时终端产品可提供高精度的时码信号、脉冲信号、串行时间信息以及网络授时等服务，能使时间同步系统的精度和可靠性达到各领域所需的要求，并已经在电力[2，5]、通信[6-7]等行业有了一定应用，但未发现其在航天领域的应用。航天事业关系到国防安危，为了提高航天发射任务的可靠性与安全性，本文提出在航天测控设备中应用基于BDS/GPS双模授时的国产时间同步系统。

2 BDS/GPS双模授时

2.1 双模授时

BDS/GPS双模授时是指同时具有BDS与GPS两种卫星导航系统授时的功能。BDS是我国自主研发的，继美国GPS和俄罗格洛纳斯卫星导航系统之后的全球第三个卫星导航系统，能提供定位、测速、单双向授时、短报文通信服务[8]。如果应用BDS/GPS授双模授时技术将拓宽授时来源，明显提高授时设备的可靠性。

2.1.1 卫星授时

卫星授时主要是用来提供精确的时间信息[1]，每个授时接收机均输出秒脉冲信号(1 pulse per second，1PPS)，接收机计算出对应秒脉冲的准确时间，将两台接收机的秒脉冲信号送给计数器，计数器测出两个接收机秒脉冲之间的时间间隔，再与接收机计算出的两个秒脉冲间隔比较，便可得到时间同步精度，实现精确的授时。目前，国内各应用领域的卫星授时产品主要有GPS和BDS两类。GPS授时有单站法和共视法两种，单站授时精确度约为20～500 ns，共视授时精确度能达到5～20 ns[6]。BDS授时有无线电定位业务(radio determination satellite system，RDSS)单向授时、RDSS双向授时和无线电导航业务(radio navigation satellite system，RNSS)授时三种方法，RDSS单向授时精度100 ns，RDSS双向授时精度20 ns[7]，RNSS授时精度为50 ns[9]。从实际应用需求来看，单台航天测控设备的时间同步要求一般为400 ns以内，所以GPS采用单站法授时，BDS采用RDSS单向法授时即可满足航天测控设备的使用需求。

2.1.2 BDS/GPS双模授时[6]

BDS/GPS双模授时的时间同步系统采用互为备份的BDS和GPS卫星双系统，可同时接收BDS和GPS卫星两种信号，能可靠地、持续地提供高精度的时间码信号、脉冲信号、串行时间信息、网络授时服务等，能较好地满足航天测控设备时间同步系统高可靠性、高精度的需求。双模授时的授时模式优先采用BDS模式，详见图1，具体选择何种模式，取决于以下条件：1)用户根据实际需求，自行选择某种模式，如该模式下接收机工作正常，则工作在该模式，否则工作在另一模式；2)若两种模式均不正常，则工作于守时模式。接收机不正常通常有以下情况：1)卫星信号微弱，无法捕获；2)卫星信号受到干扰，产生误码；3)对于GPS卫星而言，在定位模式下收星数<4，在位置保持模式下，收星数<2；4)对于BDS卫星而言，收星数<1。

图1 授时模式选择

2.2 双模授时的优势

我国航天测控设备采用GPS单授时的时间同步系统存在如下问题[10]：(1)GPS受控于美国国防部，具有很深的军方背景，它国使用不具有自主性，存在一些不稳定因素，比如增加随机扰码，故意降低GPS精度，甚至在某时间段停止GPS在某个地区的发送信号；(2)由于战争或其它不可知因素，导致GPS在中国或其它一些国家不可用；(3)GPS在某些特殊情况下信号暂时消失，或者GPS接收机工作不正常。航天发射任务是高风险的事业，一旦在航天发射任务中发生以上的突发情况，众多测控设备将不能实现精准的时间同步，会给航天发射任务带来不可估量的损失。BDS由我国独立自主建设，若采用BDS/GPS双模授时，即能实现测控设备时间同步系统授时的自主性，又能在某种授时源不可授时的情况提供应急与备份，会明显提高时间同步系统的可靠性。

3 双模授时的时间同步系统应用

时间同步系统采用我国自主研发的BDS/GPS双模式授时设备，能同时接收BDS与GPS卫星发送的信号来获得外部时间基准，其中BDS采用RDSS单向授时。

3.1 系统组成[11]

双模时间同步系统可分为人机交互单元、授时单元、数据处理单元、输出单元等四单元，主要由卫星接收天线、BDS高精度授时接收板、GPS接收模块、时频标数据处理单元、各应用处理单元和接口模块、系统应用软件等组成，工作原理见图2所示。

3.1.1 人机交互单元

人机交互单元观测设备工作状态，设置设备工作方式、外部时间基准信号、输出接口类型等。

图2 基于BDS/GPS双模授时的时间同步系统工作原理示意图

3.1.2 授时单元

授时单元主要由双模卫星信号接收天线、高中频信号处理、多普勒信息校正与秒脉冲信号合成等模块组成，主要实现卫星信号的接收、放大、滤波、下变频、解扩解调、时间信息合成等功能。双模卫星天线采用一体化设计，应用高精度时频时间合成与卫星轨道预测技术，能同时接收频率为1 575.42 MHz的L1波段GPS卫星信号和频率为1 561.098 MHz的B1[12]波段的BDS卫星信号，通过馈线送至接收模块，经接收机下变频得到中频信号，经模数(A/D)转换后得到数字信号，经数字下变频得到基带信号，经解扩、帧同步和译码得到时间信息，对产生的1PPS进行时延补偿后，将时间信息和1PPS 送数据处理单元。

3.1.3 处理单元

时间处理单元是设备的重要组成部分。卫星信号正常时，BDS/GPS双模时间同步系统依据卫星接收模块提供的授时信息，维持高精度的时间信息，输出到应用接口单元产生时间同步信号。卫星信号异常时，时间处理单元采用高稳恒温晶体振荡器或铷钟作为本地高稳定时钟，并利用时间频率测控技术与智能驯服算法，在一定时间段内维持一个高精度的时间信号输出。

3.1.4 输出单元

为满足不同行业与领域设备对不同时间同步信号的需求，串行时间码(IRIG-B码)生成单元输出交流(alternating current，AC)码和直流(direct current，DC)码时间同步信号；脉冲生成单元输出不同接口类型的1PPS、分脉冲(1pulse per minute，1PPM)、时脉冲(1pulse per hour，1PPH)时间同步信号；网络授时单元采用网络时间控制协议(network time protocol，NTP)通过网口对外授时。

3.2 技术指标

BDS/GPS双模授时时间同步系统指标性能优良，具有高精度、高可靠的特性，可完全替代GPS单授时时间同步系统，其主要技术指标为

(1)NTP网口输出端口特性

授时精度：局域网<10 ms；广域网为10～100 ms。

(2)脉冲输出端口特性

脉冲端口：1PPS/1PPM/lPPH各2路。

(3)IRIG-B码输出端口特性

AC码、DC码各12路，DC码精度优于200 ns。

(4)串行报文输出端口特性

4路RS232/RS485，波特率1200、2400、4800、9600可选择。

(5)DCF77信号

12路DCF77信号，准确度：≤1 μs。

3.3 系统应用

新系统采用上海某公司生产的BDS/GPS双模授时时间同步系统，在某型号航天测控设备上进行了试验与应用。原时间同步系统由GPS授时仪和时码器两个单独硬件设备组成。其中GPS授时仪为时码器提供外部时间标准，时码器输出的IRIG-B(DC)码为测控设备各计算机实时接收、处理、传输数据的同步提供支持。根据使用说明书，其内部晶振稳定度为1×10-7，GPS授时仪精度指标约为100 ns，时码器解码同步误差约为250 ns(DC码)，由此原系统的理论同步精度优于400 ns。

新系统采用大规模集成电路技术，将除天线外的授时单元、处理单元、输出单元等全部集成到一个机箱内，在尺寸上比原设备小一倍。由于应用了先进的时间频率测控技术来驯服晶振，即使在外部时间基准失效的情况下，也能使输出的时间同步信号精密同步在BDS/GPS时间基准上。根据使用说明资料，其内部晶振稳定度为7×10-9，BDS(单向授时)或GPS授时精度指标优于80 ns，时码器解码同步误差小于100 ns(DC码)，所以其理论同步精度优于200 ns。厂家采用精度为70 ps的多通道时间间隔计数器对系统进行了测试，测试结果表明新系统的实际精度约为190 ns。从某型号航天测控设备实际应用效果来，新设备输出的DC码满足测控设备实时接收、处理、传输数据的要求。

表1 设备性能比较

4 结束语

本文分析了目前基于卫星授时的时间同步系统的使用现状及存在的问题，介绍了双模授时和时间同步系统的基本原理，提出在航天测控设备上应用基于BDS/GPS双模授时的时间同步系统，并在某型测控设备上进行了试验。试验结果表明，新的时间同步系统完全满足测控设备的需求，消除了GPS单授时时间同步系统存在的安全隐患，明显提升了设备的自主性与可靠性。随着BDS的加速组网和授时产品的日益成熟，为了提高航天发射任务的可靠性与安全性，建议在航天领域推广基于BDS/GPS双模授时的时间同步系统。

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Application of Dual-mode Timing Technology in Aerospace TT&C Equipment

YANG An-hong，BU Bao-qiang，JIANG Zhong-wu

(Troops 63816，Guiyang 550025，China)

Considering the situation that time synchronization system of the aerospace tracking，telemetry and command(TT&C) equipment timed by only one source would reduce its reliability and safety，a newly technology called dual-mode timing based on both beidou navigation satellite system(BDS) and global positioning system(GPS) is applied to an old aerospace TT&C equipment’s time synchronization system.It’s proved that the new time synchronization system meets its requirements fully in practice，and improves its reliability and safety obviously.

dual-mode timing；GPS；BDS

P127.1

A

2095-4999(2015)-01-0088-04