一种提高总线时钟传播精度的方法管理

摘要：1553B总线远置终端接收总线广播时间信息的程序执行时间不稳定。把接收到的总线广播时间加上固定延时量作为当前时间的作法会造成较大的误差。通过在时间广播前发送同步模式字，远置终端把接收的总线时间广播加固定延时再加上时间标记字记为当前时间的方法可以把总线时间广播的传播精度提高到2μs。

关键字：时钟；总线广播；广播精度。

现代卫星时统设计中通常采用1553B总线广播时钟信息进行整星时统校准。当整星时统精度要求在2毫秒以上，该方法产生的误差是可以接受的。随着卫星对时统精度要求的提高，需要更精确地补偿时间信息在总线传播过程中误差。通过在1553B总线时间广播前插入系统同步模式字命令，并在1553B总线时间广播中断处理中把时间标记字补偿到总线时间中的方法提高整星时统精度。该方法在不增加器件、连线的基础上，只在总线控制端（BC）和远置终端（RT）的1553B总线处理软件增加简短的程序就可以把1553B总线分发时间信息的精度提高到2微秒。

时间信息传播及误差分析

（1）时间信息传播

一般由卫星平台数管分系统中高稳时钟提供整星的时间基准。该时间基准由地面注数或通过GPS卫星信号校准。当卫星载荷分系统各单机需要时间信息时，由数管分系统通过1553B总线分发时间信息。

在如图1所示的架构中，载荷分系统单机1、载荷分系统单机2中的时间信息记录在其单机内部时间计数器中。该计数器的数值通过接收1553B总线上的时间广播信息进行设置和校准。一般1553B总线上广播的时间信息可以是单纯的时间信息，其格式为16比特的天计数和48比特的天内微秒计数，也可以是64比特的微秒计数，或者时间信息与姿态、轨道信息合在一起进行1553B总线广播。以下以时间广播格式为64比特的微秒计数为例进行时间广播误差的分析。

假设通过地面遥控注数的集中校时、均匀校时或通过GPS卫星的GPS校时已经使数管分系统中的高稳时钟与地面测试系统时钟同步，精度误差为1微秒。数管分系统从高稳时钟中读取时间信息到载荷分系统单机获得时间信息写入到本地时钟共8个过程，具体如图2所示。

（2）星内时间传播误差分析

数管分系统从高稳时钟中读取时间信息的动作用A1表示。A1过程中耗费的时间为t1。t1时间段为固定值。数管分系统把时间信息写入到1553B总线控制器消息数据块的动作用A2表示。A2过程耗费的时间为t2。t2时间段为固定值。数管分系统设置1553B总线控制器消息控制字、命令字的动作用A3表示。A3过程耗费的时间为t3。t3时间段为固定值。数管分系统设置1553B总线控制器栈指针、消息计数的动作用A4表示。A4过程耗费的时间为t4。t4时间段为固定值。数管分系统设置1553B总线控制器开始寄存器的动作用A5表示。A4过程耗费的时间为t5。t5时间段为固定值。时间信息在1553B总线上传输的动作用A6表示。由于1553B总线的传输速率固定为1Mbps，即64bit的时间信息在总线上传输耗费100μs（BC到RT广播模式会在时间信息发送前发送16bit接收命令字，每16bit数据1553B总线上传播时被加3bit同步码和1bit的校验位）。A6过程耗费的时间为t6。t6时间段为固定值。载荷在1553B总线中断后响应总线中断或切换任务的动作用A7表示。A7过程耗费的时间为t7。该过程有可能被高优先级中断或任务打断，在不被其他中断打断的情况下，如果载荷的总线控制程序由操作系统调度或高级语言编写，t7的时延仍然不固定。如果载荷的总线控制程序用汇编语言编写，且在1553B总线发生中断并立即进入（t7时延与进入中断的响应速度有关）后关中断处理，在这种情况下t7的时延可以认为是固定值。随着卫星设计研制的发展，星载程序越来越多用继承性、重用性好的高级语言编写而不是汇编语言编写，星载操作系统也越来越多的使用，t7时延为不能够确定的数值。从1553B总线控制器消息数据块读时间信息的动作用A8表示。A8过程耗费的时间为t8。t8时间段为固定值。载荷分系统把时间信息加补偿值后写入载荷分系统本地时钟的动作用A9表示。A9过程耗费的时间为t9。t9时间段为固定值。

（1）总线同步方式下时间信息传播

传统的改进方法是，总线控制器在时钟广播的同时，使用一个硬脉冲的下降沿，使其对准所广播的时刻，同时，在载荷（远置终端）一端，使用一个计时器，当收到广播时刻的硬脉冲时，使计时器清零并开始计时，载荷（远置终端）在使用总线广播时间时，将广播的时间加上计时器的补偿值便是该时刻的精确时间。本文所论述的方法是在不需要硬件脉冲和载荷终端机中额外增加计数器的情况下通过在1553B总线时间广播前插入同步模式字，使时间信息的星内传播流程改变如图4所示。

在总线同步方式下时间信息的传播过程是先发一个无数据模式字的广播，再接着一个时间数据广播。

总线同步方式的时间广播只在时间广播前增加一个模式命令。如果远置终端以时间广播为基准固定延时后进行姿轨控广播、GPS广播的接收或遥测数据的采集，此种变化并不破坏原有时序。

（2）总线同步方式下时间信息传播误差分析

1553B总线同步方式下增加了数管分系统把同步模式字写入1553B总线控制器命令字的动作用B1表示。B1过程耗费的时间为t10。t10时延固定。同步模式字在1553B总线上传输的动作用B2表示。B2过程耗费的时间为t11。无数据的同步模式字为16bit在1553B总线上传输时间为20μs。一个消息队列中无数据模式字与时间信息2条消息间隔可通过设置消息间隔时间字固定为一个确定值。t11时延固定。载荷分系统从1553B总线控制器中读时间标记寄存器内容的动作用B3表示。B3过程耗费的时间为t12。t12时延固定。

以上程序用ADA语言编写，总线上传输的时间为48bit长度的数据。用总线监视器看到的总线上的数据为每0.5秒1个模式命令字和1个时间广播，如图6、图7所示。

在本例中设置的时间标记的精度为2μs。在程序中1553B总线中断的优先级设置为最高，程序运行在唯一的一个任务中。通过这2个手段最小的减少t7的抖动。从时间标记寄存器中读取的数据如表1所示。

根据表1的数据可见t12不是一个固定值而是在866μs和868μs间抖动。总线同步方式的时间广播可以有效的消除由于程序读取总线广播信息耗时不稳定而带来的时间误差。从而避免了以往为保证载荷的时钟精度而要求载荷把1553B总线中断的优先级设置为最高，或者把1553B总线处理所在的任务优先级设置为最高。

结论

总线同步方式时间广播可以在不额外增加硬件，不破坏原有软件时序的条件下，把时间信息在星内通过1553B总线传播的误差减少到2μs。

李巍，上海卫星工程研究所