一种有效载荷地面测试系统星地时间的同步方法

曾巍 刘航 王淼 韩冬

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

一种有效载荷地面测试系统星地时间的同步方法

曾巍 刘航 王淼 韩冬

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

针对有效载荷地面测试系统难以适应卫星有效载荷工作模式快速切换的问题，文章提出了一种有效载荷地面测试系统星地时间的同步方法。该方法利用测试局域网中卫星遥测帧广播的频率实现了星地时间的同步，根据遥控指令使地面测试系统准确切换状态以配合有效载荷的测试。星地时间的同步为地面测试系统的状态记录提供了时间标志，可作为有效载荷数据判读的输入条件。此方法易于实现，通用性强，可为有星地时间同步需求的地面测试系统提供设计参考。

有效载荷；星地时间同步；地面测试

1 引言

综合测试是保证航天器可靠性的必要手段[1]，而卫星的有效载荷地面测试是综合测试的重要组成部分[2]。随着卫星有效载荷的需求与功能日趋复杂化，有效载荷从单个工作模式到多个工作模式复用，并且在有效载荷的工作模式中也会存在多个工作状态切换的情况。当有效载荷按星上时间快速切换工作模式时，为确保有效载荷地面测试的准确和全面，要求有效载荷地面测试系统准确快速切换状态设置。目前，常规的人工设置状态已无法满足快速切换的要求，并且存在人为误操作的风险。地面测试系统状态的设置错误或切换时间不准确，会对有效载荷输出数据造成误判。特别是在地面测试系统状态记录不准确的情况下，可能会造成利用星上设备验证地面测试设备状态的情况。因此，地面测试系统的状态如何快速切换、何时切换和准确记录成为有效载荷测试的关键需求之一。

地面测试系统的快速切换主要采用局域网的仪器扩展(LXI)接口技术进行远程网络控制[3-6]，而地面测试系统状态何时切换则须及时获取有效载荷的工作状态。受卫星资源的限制和设计等因素影响，有效载荷遥测状态的更新存在延迟和频率低的情况[7]，这导致地面测试系统无法第一时间获知有效载荷的工作状态，也无法及时准确切换工作状态。地面测试系统状态的准确记录是判断有效载荷数据的依据。人工记录已无法适应地面测试系统快速切换状态的测试环境。即使采用计算机记录地面测试系统状态，也很难将地面测试系统状态与有效载荷状态一一对应。因此，需要采取措施将地面测试系统状态与星上状态关联起来，而地面测试系统与星上时间同步正好满足这样的需求。根据星上时间和有效载荷的工作模式准确获得有效载荷的当前工作状态，并按星上状态及时切换和准确记录地面测试系统状态。现有地面测试系统与星上时间主要依靠GPS和北斗时间系统[6，8]进行同步，这不仅增加了地面测试系统对GPS或北斗信号的依赖，也增加了卫星和地面测试系统的成本。

针对以上情况，在现有小卫星综合测试系统[9-12]的基础上，本文提出了一种有效载荷地面测试系统星地时间的同步方法。利用测试局域网中卫星遥测帧的广播频率实现了星地时间同步[1-2]，将遥控指令和星上指定时间作为地面测试系统测试启动信号，并根据同步信号记录地面测试系统状态，为有效载荷数据的判断提供条件。

2 星地时间同步原理

2.1 时钟同步信号

卫星遥测内容和下传是由星务主机、各分系统下位机和测控应答机共同完成[13]。星务主机通过星上CAN总线定时向各分系统下位机轮询并接收应答数据，再将应答数据组成遥测帧，最后发送给测控应答机。测控应答机按照固定码速率将遥测帧调制到射频信号上下传。时间系统负责向星务主机和各分系统提供时间基准，确保遥测帧的周期性和与星上时间的同步性。地面测控系统接收卫星遥测的射频信号，在译码后将遥测帧发送给主测试计算机。主测试计算机将接收到的遥测帧在测试局域网中进行广播。遥测显示计算机接收并解析遥测帧。卫星地面测试系统接收卫星遥测数据的过程如图1所示。

图1 卫星地面测试系统接收遥测数据过程Fig.1 Telemetry recieving of the satellite ground test system

目前，我国卫星遥测基本上实施PCM遥测标准，并且PCM遥测有固定的帧长度[13]。卫星遥测帧由测控应答机以固定码速率下传，在地面测控系统中译码和传输延迟时间固定不变，在测试局域网中由主测试计算机到遥测显示计算机的卫星遥测帧广播路径固定不变。星务主机按照星上时间系统的同步信号轮询、接收并传送遥测帧。因此，卫星遥测帧在测试局域网中的广播就具备了与星上时钟频率相同且同步的特性。根据卫星遥测帧的数据约定，还可以从卫星遥测帧中解析出星上时间信息。卫星遥测帧的频率特性以及包含的星上时间信息，使测试局域网中广播的遥测帧具备了作为地面测试系统的时钟同步信号的条件。需要指出的是，由于卫星遥测帧从星务主机传输到地面测试系统存在固定的延迟时间，还要对地面测试系统的时间进行修正。

2.2 测试启动信号

要准确配合有效载荷的地面测试，除了在时间上与星上时间保持同步外，有效载荷地面测试系统还需要准确获取有效载荷工作模式的启动和工作状态的切换时刻。有效载荷工作状态的切换时刻是基于其工作模式的启动时刻和星地时间同步信号来获知的。而有效载荷工作模式的启动取决于卫星遥控指令的接收时刻。有效载荷测试所涉及卫星遥控指令主要是通过星上CAN总线发送给有效载荷下位机，其发送方式主要分为两种：程控指令和间接指令。前者是由星务主机在事先设定的时刻将遥控指令发送给有效载荷，即预先设定的时刻就是有效载荷工作模式启动时刻。而后者是由星务主机接收到遥控指令后即时发给有效载荷，故间接指令接收时刻需要根据测试局域网中的卫星遥控指令的广播时刻来确定。卫星地面测试系统发送卫星遥控指令的过程如图2所示。

由图2可知，总控计算机是卫星地面测试系统的人机交互接口，负责向地面测控系统和主测试计算机发送卫星遥控指令。主测试计算机接收遥控指令并在测试局域网中进行广播。遥测显示计算机接收并解译遥控指令。卫星的遥控指令分别传输到卫星和遥测显示计算机的传输路径和延迟时间是固定的。因此，地面测试系统可以通过接收测试局域网中广播的遥控指令来获得有效载荷工作模式启动的时刻。另外，由于遥控指令分别传输至卫星和遥测显示计算机的路径存在差异，导致两者的到达时间存在差异，影响地面测试系统启动信号的准确性。为确保测试启动信号的准确性，需要对测试启动信号的时刻进行修正。

图2 卫星地面测试系统发送遥控指令示意图Fig.2 Telecommand sending of the satellite ground test system

3 有效载荷地面测试系统构成

有效载荷的地面测试主要工作原理是有效载荷信号模拟源向星载有效载荷发送模拟信号，地面有效载荷测试计算机判读有效载荷数据，从而完成对有效载荷的功能、性能的测试。有效载荷地面测试系统是由测试控制计算机和有效载荷信号模拟源两部分组成，在图3中被标记为红色。

由图3可知，测试控制计算机负责接收在测试局域网中广播的卫星遥测和遥控指令，通过网络控制有效载荷信号模拟源的状态，也通过网络查询并记录有效载荷信号模拟源的状态，上述控制与查询是两个独立的过程，以复核测试控制计算机对有效载荷信号模拟源的控制有效性。目前有效载荷信号模拟源大多具备LXI技术接口，能够很好地满足有效载荷地面测试的控制要求[3-4]。

图3 有效载荷地面测试系统构成图
Fig.3 Structure of the payload ground test system

4 星地时间同步的软件实现

测试控制计算机是地面测试系统的控制核心，实现星地时间的同步以及对有效载荷信号模拟源的

状态控制与记录。地面测试系统的软件分为6个功能模块，分别是遥测遥控模块、综合处理模块、控制模块、查询模块、记录模块和自检模块。软件模块的相互关系如图4所示。

图4 软件模块流程示意图Fig.4 Flow of software modules

4.1 同步信号和启动信号的生成

地面测试系统与星上时钟频率的同步信号主要由遥测遥控模块产生。遥测遥控模块监测并接收卫星遥测帧广播，利用卫星遥测帧的广播，触发时钟同步信号，为其它软件模块提供驱动信号，从而实现星地时间同步。在测试局域网中，卫星遥测一般采用用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)的广播方式。遥测遥控模块绑定测试局域网中的接收端口，以VB语言描述如下：

With Winsock1: Rem接收端：卫星遥测广播

.Bind 2005(绑定遥测广播端口)

End With(定义结束)

Winsock1_DataArrival函数在遥测遥控模块中是接收卫星遥测帧的，每接收到一帧卫星遥测，就调用一次Winsock1_DataArrival函数，使得Winsock1_DataArrival函数的调用频率与卫星遥测帧的广播频率一致，从而使得地面测试系统与星上时间的频率相同。同时，Winsock1_DataArrival函数还从卫星遥测帧中提取星上时间，为每个驱动信号提供时间标签。VB语言描述如下：

Private Sub Winsock1_DataArrival(ByVal bytesTotal As Long)

Dim str() As Byte(定义接收遥测广播数据参数)

Dim U0 As Long(定义星上时间)

Winsock1.GetData str,vbArray+vbByte(获取遥测广播内容)

U0=CLng(str(4))*256+CLng(str(5))(提取星上时间)

End Sub

U0为提取出的星上时间。DataArrival函数为接收UDP广播的函数。另外，作为间接指令广播的启动信号，也是由遥测遥控模块产生的。与卫星遥测帧广播相同，卫星遥控指令也是采用UDP的广播方式。遥测遥控模块绑定相应的接收端口，调用相应的接收UDP广播数据的函数，解析遥控指令的信息，在确认为有效载荷指令时，模块发出测试启动信号。与遥测广播类似，VB程序不再赘述。

4.2 同步信号和启动信号的修正

由于卫星遥测帧传输到地面测试系统存在固定延迟，以及卫星遥控指令传输到有效载荷和测试控制计算机的路径存在差异，将影响地面测试系统启动和切换的准确性。因此，地面测试系统需要对这些影响因素进行测量并予以修正。

考虑到卫星遥测帧导致的时间延迟仅涉及星地时间的时钟同步信号，故首先对同步信号进行测量和修正。对卫星遥测帧延迟时间的测量需要在程控指令下进行，测试流程如图5所示。

在图5中，标志时刻是指有效载荷信号模拟源的某次状态切换时刻。该标志在有效载荷数据中记录的时刻为t1，在地面测试系统中记录的时刻为t1′，则同步信号的延迟时间为x秒，即x=t1′-t1。

同步信号的修正是通过调快有效载荷地面测试系统时间实现的。根据星地时间精度要求的不同，修正方法也有所不同。卫星遥测帧的广播频率决定了星地时间同步的时间基准精度。星地时间同步精度要求低于遥测帧广播周期的，以遥测帧广播周期为单位调快有效载荷地面测试系统时间。若星地时间同步精度高于遥测帧广播时间，在上述调整方法基础上，对相邻遥测帧之间采用测试控制计算机的时钟进行计时，并按计时周期调快地面测试系统时间。

在完成同步信号修正的基础上，再对卫星遥控指令的启动信号误差进行测量和修正。如前所述，启动信号的误差只在间接指令测试的情况下存在，测试流程如图6所示。

图5 卫星遥测帧延迟时间的测量流程Fig.5 Measure flow of the time-delay of satellite telemetry frame

在图6中，标志时刻是指有效载荷信号模拟源第一次启动输出信号的时刻，该时刻是在地面测试系统接收间接指令广播后的第n秒(n即为延迟时间)。该标志在有效载荷数据中记录的时刻为t2，从有效载荷数据中可知有效载荷收到遥控指令的时刻为t3，则启动信号的误差为y秒，即y = n-(t2-t3)。当y<0时，有效载荷先于地面测试系统接收到卫星测控指令。反之，有效载荷晚于地面测试系统接收到卫星测控指令。其中，延迟时间第n秒的取值应确保有效载荷数据能够反映出模拟信号状态切换的过程。

启动信号的修正是通过对测试用例启动时刻进行调整。当y>0时，则将测试用例的时间延迟y秒；当y<0时，则立即开始测试用例，并缩短第1个测试用例的测试时长y秒，当再次循环测试到第1个用例时，按照正常时长执行，直至测试完毕。启动信号的时间调整精度参照同步信号调整的方法。

图6 星上时间校准流程Fig.6 Flow of synchronization between satellite and ground

5 运行效果

以某型号卫星有效载荷的测试为例。有效载荷接收机有5个工作频段(分为A～E)。在其工作模式中，可以选择工作频段和时长，按照星上时间进行工作频段的切换。有效载荷接收机当前工作频段的遥测状态更新速率为4 s/次。该有效载荷在星时(4N+0)秒(N为正整数)到(4N+3)秒之间接收卫星遥控指令，在(4N+4)秒开始执行接收机的工作模式。在一次有效载荷测试中，设置接收机在4个频段(A～D)循环工作，各频段工作时长依次为5 s、10 s、15 s、5 s，每个频段须设置2个频率的有效载荷模拟信号。该有效载荷接收机的工作模式是在特定时间开始执行，因此仅需要修正星地时间。经过延迟时间的测试，地面时间比星上时间晚1 s，则调快地面测试系统时间1 s。

有效载荷地面测试系统接收到遥控指令广播后，根据(4N+4)秒的执行规则开始执行有效载荷测试用例。所用测试用例是按照有效载荷频段切换顺序设置的信号，并规定了模拟信号的相关参数，具体如表1所示。

表1 测试用例列表

在现有测试条件下，为保证设置的模拟信号被有效载荷接收，需要在4个频段循环一圈只设置一个模拟信号，完成该项测试共需280 s。而采用星地时间同步的地面测试系统，能准确的针对每个工作频段设置一个模拟信号，整个测试过程只需要70 s，并且地面测试系统还可进一步提高模拟信号的设置强度，例如5 s的频段驻留时间可以设置3个模拟信号，每个模拟信号分别设置为1 s,2 s,2 s。

在整个测试过程中，有效载荷信号模拟源的状态按照星上时间被完整地记录了下来。状态记录可以作为有效载荷数据判读的输入条件，在时间上对有效载荷数据进行精确判读。在该型号卫星测试中，利用状态记录，及时发现两个有效载荷的偶发故障，避免了将隐患“带上天”。

6 结束语

针对地面测试系统难以适应有效载荷工作模式快速变化的问题，本文提出了一种星地时间的同步方法，使有效载荷地面测试系统能准确快速地配合有效载荷地面测试。此方法已经成功应用于多颗小卫星的有效载荷地面测试任务，及时发现了质量问题，取得了良好的应用效果。

本文所述的方法简单，易于实现，不依赖于其它时间系统，避免了人为错误，提高了有效载荷地面测试的效率，为有效载荷数据从时间上进行精确判读提供了输入条件，可为有星地时间同步需求的地面测试系统提供设计参考。后续将在本系统基础上开展有效载荷地面测试的全闭环自动化研究。

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(编辑：李多)

A Method of Time Synchronization Between Satellite and Ground for Payload Ground Test System

ZENG Wei LIU Hang WANG Miao HAN Dong

(DFH Satellite Co.,Ltd.,Beijing 100094,China)

In view of the fact that the payload ground test system is too difficult to support the test of the rapid mode-switch payload,this paper proposes a method of time synchronization between satellite and ground for the payload ground test system. This method synchronizes the time between the ground test system and the satellite with the frequency of the telemetry which is broadcasted in the test local area network，and makes the state of the ground test system match precisely with the payload work-mode according to the telecommand. The synchronization provides the state records of the ground test system with the time labels，and the records are the input conditions for the check of the payload data. The method can be realized easily and applied widely,which provides reference for the design of the ground test system which demands the synchronization between satellite and ground test system.

payload；time synchronization between satellite and ground；ground test

2016-05-03；

2016-06-27

曾巍，男，工程师，从事小卫星有效载荷总体设计工作。Email：zengwei_1982@sina.com。

TP274

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.020