一种测试星地时延和星上时间误差的系统和方法

摘要

一种测试星地时延和星上时间误差的系统和方法；首先获取星上遥测生成的格式脉冲，记录格式脉冲生成的GPS时间；然后用专用测试设备解调出遥测格式脉冲，并记录解调出格式脉冲的GPS时间。可以通过示波器读取两个遥测格式脉冲来计算星地时延，也可以程序计算两个GPS时间差来获得星地时延。通过1553B总线监视模块监视卫星的中心计算机在总线上广播时间码，通过GPS数据接收处理模块获得地面GPS时间，通过主控模块计算广播时间码与地面GPS时间差值来获得星上时间误差。星地时延测量精度≤200us，星上时间的测量精度≤100us。

说明书

技术领域

本发明涉及一种星地授时测试方法和系统，主要用于卫星系统级试验， 用于测试星地时延和卫星星上时间误差。

背景技术

某型号通信卫星搭载一个高稳定时钟源，作为卫星计时的时钟源，根据 预先设定的时间间隔通过1553B总线广播发送星上时间给载荷设备，同时 将星上时间通过遥测通道进行下传。为满足数据精确侦听和信息实时传输的 要求，该卫星设计了星地授时的功能，即在星上时间的误差超出规定范围时 对星上时钟进行校正。

在卫星出厂后，在地面综合测试阶段需要对星上时钟精度进行测试，以 判断是否满足在轨运行时间精度要求，在不满足要求时，需要对星上时钟进 行校正。另外，在地面综合测试阶段，希望能够同时确定出星地时延精度是 否满足设计要求。对卫星的星地时延精度和星上时钟精度有苛刻的要求和规 定，其中星地时延精度ΔT1≤2ms，星上时钟误差ΔT2≤3ms。

在卫星在轨运行阶段，同样也需要对星上时钟进行测试，以判断是否满 足授时要求，在不满足要求时，需要对星上时钟进行校正。假设星上时间为 T2，地面解调出遥测信号的时间为T，星地时延为T1；从理论上讲，在星 上时间没有误差的情况下，星地时延为T1＝T-T2。但是随着时间的推移和 环境的变化，星上时间会产生误差；如果星地时延T1已知，可以确定星上 的时间误差为ΔT2＝T-T2-T1；当星上时间误差ΔT2超出规定范围(3ms) 后需要对星上时钟进行校时。为了准确测量卫星在轨运行时的星上时间误 差，需要在地面综合测试阶段就测试出星地时延值，并保证星地时延的精度 ΔT1≤2ms。

星地时延包括三个部分：1、星上遥测信号生成到发出过程的时间；2、 遥测信号从卫星到地面传输过程的时间；3、地面设备遥测接收解调过程的 时间。其中星上遥测生成到发出过程的时间为遥测信号调制和射频链路上的 延时；遥测信号从卫星到地面传输过程的时间；地面设备遥测接收解调过程 的时间，该时间由地面设备解调性能决定。

以往型号卫星没有星地时延和授时测试项目，或者对星地时延精度要求 不高，测试精度最高为100ms级。现有的遥测通道星地时延测量方法，首 先通过遥控通道从地面往星上发送一个测量信号；然后星上跟踪设备收到测 量信号后，直接给地面设备返回测量信号；最后地面设备计算出收发测量信 号的时间差，再除以2得出星地延时。上述方法忽略卫星遥测生成到发出的 时间损耗，实现了卫星综合测试时遥测通道星地延时测量，存在的问题有两 个：1、测试精度不够，误差为ms级；2、只测了地面设备遥测接收解调的 时延，无法测试卫星遥测信号调制和射频链路上的延时。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高精度地测试星地时延和星上 时间误差的系统和方法。

本发明包括如下技术方案：

一种测试星地时延和星上时间误差的系统，包括信号隔离模块、遥测解 调模块、1553B总线监视模块、GPS数据接收处理模块和主控模块；信号 隔离模块直接接收卫星生成的格式脉冲；遥测解调模块解调出遥测格式脉 冲；通过比较卫星生成的格式脉冲和解调出的遥测格式脉冲算出星地时延； 1553B总线监视模块监视卫星的中心计算机在总线上的广播时间码，并将星 上时间传输给主控模块；GPS数据接收处理模块获得地面GPS时间，并将 其传输给主控模块；主控模块记录1553B总线监视模块提取的卫星时间码， 并记录1553B总线监视模块提取卫星时间码时的地面GPS时间，由此计算 卫星时间与地面GPS时间差值，获得星上时间误差。

所述系统还包括示波器，通过示波器读取两个遥测格式脉冲来计算星地 时延。

所述主控模块记录收到卫星生成的格式脉冲后的GPS时间；并记录遥 测解调模块解调出遥测格式脉冲的GPS时间；通过将两个时间相减获得星 地时延。

所述系统还包括下变频器，卫星在生成格式脉冲的同时将包含格式脉冲 的遥测数据调制成卫星遥测射频信号，下变频器将卫星遥测射频信号变频后 生成遥测中频信号，遥测解调模块对遥测中频信号进行解调获得遥测格式脉 冲。

一种测试星地时延和星上时间误差的方法，首先获取卫星生成的格式脉 冲，记录格式脉冲生成的GPS时间；然后在地面解调出遥测格式脉冲，并 记录解调出格式脉冲的GPS时间；通过示波器读取两个遥测格式脉冲的波 形来计算星地时延，或者通过计算两个GPS时间差来获得星地时延；通过 1553B总线监视模块监视卫星的中心计算机在总线上广播时间码，并记录 1553B总线监视模块提取卫星时间码时的地面GPS时间，通过计算广播时 间码与地面GPS时间差值来获得星上时间误差。

本发明针对某型号通信卫星的星地授时新功能，克服了以往方法存在的 星地时延及授时测试精度低和无法测试卫星遥测信号调制及射频链路上的 延时的问题，实现了高精度测量：其中星地时延测量精度≤200us，星上时 间的测量精度≤100us。本发明可以高效、精确地测量星上时间与地面GPS 时间差值，应用于卫星综合测试阶段的授时精度测试，验证卫星星地授时的 高精度；同时本发明能够为卫星在轨运行提供一套精确的星地时延数据。

附图说明

图1为本发明测试系统示意图。

具体实施方式

星地时延包括三个部分：1、星上遥测生成到发出过程的时间；2、遥测 信号从卫星到地面传输过程的时间；3、地面设备遥测接收解调过程的时间。 其中星上遥测生成到发出过程的时间为遥测信号调制和射频链路上的延时； 遥测信号从卫星到地面传输过程的时间，在综合测试阶段用射频电缆连接， 传输时间在us级，可以忽略不记；地面设备遥测接收解调过程的时间，该 时间由地面设备解调性能决定。

本发明的方法首先获取星上遥测生成的格式脉冲，记录格式脉冲生成的 GPS时间；然后用专用测试设备解调出遥测格式脉冲，并记录解调出格式 脉冲的GPS时间。可以通过示波器读取两个遥测格式脉冲计算出星地时延， 也可以程序计算两个GPS时间差来获得星地时延。该方法获得的星地延时 是真正意义上的星地时延，星地时延测量精度≤200us。

卫星的中心计算机通过1553B总线给载荷设备授时，为保证授时精度， 要求卫星时间和GPS时间的差小于3ms，当星地时差大于≥3ms则需要进 行星地授时。卫星时间在1553B总线数据上传输，如果能够实时读取总线 数据，就可以精确获取星上时间。

测试系统的示意图见图1。卫星的中心遥测在遥测信号调制开始时生成 一个遥测格式脉冲，通过同轴电缆①连接到测试装置的信号隔离模块，进行 电气隔离后通过同轴电缆⑤连接到示波器；卫星的中心遥测同时将遥测数据 流调制成副载波信号，送给卫星跟踪设备，经跟踪设备载波调制和变频后生 成卫星遥测射频信号；该信号通过射频电缆②连接到地面下变频器，经下变 频器变频后生成遥测中频信号，遥测中频信号通过同轴电缆③连接到测试装 置的遥测解调模块；遥测解调模块解调出遥测PCM信号，并提取出遥测格 式脉冲，通过同轴电缆⑥连接到示波器；卫星中心计算机生成1553总线数 据，通过1553B总线④连接到测试装置的1553B总线监视模块，1553B总 线监视模块提取出中心计算机在总线上广播的时间码；并通过GPS数据接 收处理模块获得地面GPS时间；在此基础上测量卫星在总线上广播时间码 与地面GPS时间差值。其中同轴电缆①为低频电缆；射频电缆②的接口形 式为N；同轴电缆③为中频电缆；同轴电缆⑤、⑥为低频电缆。

测试装置通过信号隔离模块接收中心遥测模块生成的格式脉冲，并通过 遥测解调模块解调出PCM信号，并提取出遥测格式脉冲。在此基础上通过 示波器或者主控程序算出星地时延。通过1553B总线监视模块监视中心计 算机在总线上广播时间码，通过GPS数据接收处理模块获得地面GPS时间， 在此基础上测量卫星在总线上广播时间码与地面GPS时间差值。

如图1所示测试装置主要包括以下五个模块：

(1)信号隔离模块：对星地格式脉冲进行电气隔离，确保卫星的安全， 由一块输出为CMOS电路的复位脉冲电器隔离电路实现，隔离芯片选用ADI 公司ADUM3440芯片，电路接口符合中心遥测输出复位脉冲信号的指标； 信号隔离模块将获得的格式脉冲输出给示波器或者主控模块。

(2)遥测解调模块：接收跟踪地面下变频器送来的70M中频信号，对 遥测信号进行载波解调和副载波解调，并将提取出的遥测格式脉冲，送到示 波器或者主控模块，由一块中频解调电路板实现。

(3)1553B总线监视模块：由一块Manchester II双相电平码的独立 的1553B总线仿真卡，监视数管设备间总线通讯数据流(实际数据、数据 流方向、数据类型、当前星上时间等信息)，并可在显示输出设备上显示 1553B总线数据情况及相关参数并可存储监视数据，1553B总线监视模块 将获得的星上时间输出给主控模块。

(4)GPS数据接收处理模块：主要由GPS天线、GPS接收机、数据 采集板卡组成，其中GPS天线和GPS接收机组合使用来采集GPS卫星信 号数据，数据采集卡主要的功能采集GPS时间数据并使用的自身时钟计数 来维护该时间码，选用BIOX公司生产的LEA-5S模块实现。引入GPS标 准时间作为测试基准和依据，将GPS时间输出给主控模块。

(5)主控模块：是授时前端测试设备的控制核心，负责授时前端测试 设备的任务调度和信息处理。主要实现两个功能：1)星地时延计算：记录 收到星上格式脉冲后GPS时间；记录遥测解调模块解调出遥测格式脉冲的 GPS时间；将两个时间相减计算出星地时延；2)记录1553B总线监视模 块提取的卫星时间码；并记录1553B总线监视模块提取卫星时间码的地面 GPS时间；在此基础上计算卫星时间与地面GPS时间差值。

本发明可以通过示波器测量星地时延；也可以用主控模块内的程序计算 星地时延。

在卫星综合测试阶段，通过1553B总线数据监视器，实时读取卫星时 间T，该时间的测量误差由地面专用1553B总线数据监视器性能决定。当 卫星时间T和地面GPS时间的差值超过3ms后，进行星地授时，对星上时 间进行修正。

在卫星在轨运行时，假设地面解调获得的星上时间为T2，地面解调出 遥测信号的地面GPS时间为T，星地时延为T1；可以确定星上时间的误差 为ΔT2＝T-T2-T1；当星上时间误差ΔT2超出规定范围(3ms)后需要通过 中心遥控对星上时间进行修正。此时的星地时延T1为遥测信号从卫星到地 面传输过程的时间加上卫星综合测试阶段测试出的星地时延，其中遥测信号 从卫星到地面传输过程的时间可以通过卫星与地面的距离算得。

本发明已经成功应用于某通信卫星授时精度和星地时延的测量中，同时 卫星授时及星地时延测试作为通信卫星及其它中低轨航天器的新功能，正在 被推广到越来越多的卫星设计中。本发明可以高效、精确地测量星上时间误 差和星地时延，从而验证卫星高精度授时的功能，具有良好的应用与推广价 值。

本发明说明书中未作详细描述的内容，属于本领域技术人员公知的现有 技术。