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分布式微型航天器的时钟同步研究

作　者: 龚晓春
导　师: 徐国栋
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 分布式微型航天器微型核同步系统全球定位系统(GPS) 星间链路时钟同步
分类号: V476
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本学位论文以国家安全重大基础研究973项目——“微型航天器新概念、新机理研究”为背景,对分布式微型航天器DMSS (Distribtute Micro Spacecraft System)的星间时钟同步问题进行深入研究。对分布式微型航天器系统而言,星间定时同步关系是非常关键的。分布式微型航天器要求多颗微小卫星编队或者组网共同完成协同观测和信息交换等空间任务,星间时钟同步是保障这些空间任务正常执行的基础。目前系统研究星间时钟同步问题的文献较少,本文针对分布式微型航天器的星间时钟同步问题提出了全面的解决方法,包括微小型星间相对定时同步工具、GPS (Global Positioning System)定时同步技术、星间链路通信协议和星间链路时钟同步四个研究部分,对影响同步的各种因素予以分析,指出改善同步精度的措施,为实现高精度的星间时钟同步提供实践和理论上的基础。在分析国外现有星间相对状态测量设备的基础上,提出微小型的星间相对定时同步设备——微型核同步系统。根据星间精确交换时间信息的原理,结合星间射频通信技术和星载电子系统微型化技术,本文提出星间相对定时同步设备的框架结构,包括信号处理、射频收发和GPS接收单元,并进行软、硬件的协同设计与验证工作。本文采用COTS (Commercial off-the-shelf)技术来实现同步系统的原理样机,采用紧凑灵活的电路结构取代原有星间通信工具的分系统、多单元的电路结构。通过搭建测试平台,本文对该同步系统样机的功能模块进行有效性和可行性的验证。在分析GPS授时技术的基础上,提出适用于分布式微型航天器的高精度星间定时同步方法。为改善星间定时同步精度,本文分析GPS伪距差分技术和星座几何因子优化方法,研究同步系统振荡源频率稳定度对定时同步精度的影响。通过分析振荡源的频率误差特性和测量方法,本文选择温度补偿晶体振荡器作为星间定时同步设备的振荡源,并提出为振荡源建立准确的星上时钟偏差模型的方法。在该时钟偏差模型的基础上,本文结合卡尔曼滤波器对GPS定时解算数据进行信号处理,仿真验证卫星间钟面差估计精度的改善情况。在分析现有星间通信协议、星间链路拓扑和多址接入方式的基础上,本文提出支持星间链路时钟同步服务的通信协议。本文分析了CCSDS Proximity-1协议的数据链路层和物理层规范,讨论该协议提供的定时服务方法。通过研究主从星结构的星间链路拓扑,本文提出自动主星选举方法。在多址接入的研究中,本文对IEEE 802.11的MAC层协议进行分析,重点分析支持时限服务的点协调功能PCF(Point Coordination Function),并结合星间链路时钟同步服务提出改善接入等待时间的方法。通过比较传统的双向时间比对法和分布式计算机系统的时钟同步法,本文提出引入概率时钟同步思想到星间时钟同步领域中,以解决缺乏GPS信号等外部时间基准信号的分布式微型航天器的定时同步问题。本文首先采用几何法分析概率时钟同步方法的内在涵义,提出改进的星间链路概率时钟同步法。该方法以星间链路的上、下行信号传输延迟时间差为出发点进行分析以改善同步精度,并用贝叶斯估计对在轨运行的DMSS星间钟面差进行计算并校时。结合微型核同步系统样机传输延迟分布的实验结果,本文推导了该方法的读时钟误差、同步成功概率以及同步精度的表达式。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-29
  1.1 课题背景  15-17
    1.1.1 课题来源  15
    1.1.2 课题研究的目的和意义  15-17
  1.2 国内外研究现状及分析  17-27
    1.2.1 引言  17
    1.2.2 星间相对状态测量工具  17-19
    1.2.3 星载电子系统微型化研究  19-21
    1.2.4 GPS定时同步研究  21-23
    1.2.5 双向时间比对技术  23-24
    1.2.6 分布式系统的时钟同步研究  24-26
    1.2.7 星间链路通信协议  26-27
  1.3 本文主要研究内容  27-29
第2章微型核同步系统  29-50
  2.1 引言  29
  2.2 硬件支持软件时钟同步原理  29-32
  2.3 微型核同步系统的设计  32-41
    2.3.1 微型核概念和时间戳机制  32-34
    2.3.2 微型核同步系统的硬件设计  34-39
    2.3.3 微型核同步系统的软件设计  39-41
  2.4 基于同步系统的星间链路设计  41-43
  2.5 同步系统样机的功能验证  43-47
  2.6 DMSS星钟同步的整体策略  47-49
  2.7 本章小结  49-50
第3章 GPS定时同步技术研究  50-74
  3.1 引言  50
  3.2 几何法定时基本原理  50-57
    3.2.1 伪码和载波相位的定时方程  51-53
    3.2.2 几何法的星间同步误差分析  53-54
    3.2.3 改善快照定时误差的方法  54-57
  3.3 振荡器的测量与分析  57-65
    3.3.1 振荡器的测量方法  57-59
    3.3.2 同步系统振荡源分析  59-65
  3.4 同步系统的时钟偏差模型  65-67
  3.5 卫星钟面差的滤波处理  67-71
    3.5.1 卡尔曼滤波估计钟面差  67-70
    3.5.2 相对定时的卡尔曼滤波估计  70-71
  3.6 GPS定时同步方式的不足  71-73
  3.7 本章小结  73-74
第4章星间链路通信协议研究  74-89
  4.1 引言  74
  4.2 近距离编队系统通信协议  74-79
    4.2.1 Proximity-1 协议栈  74-76
    4.2.2 时间帧格式  76-77
    4.2.3 定时服务分析  77-79
  4.3 星间链路通信拓扑  79-83
    4.3.1 通信拓扑的选择  79-80
    4.3.2 主星的选举算法  80-83
  4.4 MAC层实时业务协议分析  83-88
    4.4.1 IEEE 802.11 MAC层协议  83-85
    4.4.2 PCF协议分析与改进  85-88
  4.5 本章小结  88-89
第5章星间链路时钟同步研究  89-116
  5.1 引言  89-90
  5.2 星间时钟同步要求  90-91
  5.3 经典的概率时钟同步法  91-95
    5.3.1 星间CRI概率同步法  91-93
    5.3.2 星间PCS概率同步法  93-95
  5.4 概率同步方法的几何意义  95-99
  5.5 星间链路贝叶斯概率同步技术  99-110
    5.5.1 同步假设  99-100
    5.5.2 星间贝叶斯概率同步法  100-102
    5.5.3 时间消息延迟分布分析  102-105
    5.5.4 主星钟面时估计  105-107
    5.5.5 同步精度与相关参数分析  107-110
  5.6 星间时钟相对漂移速率的校正  110-111
  5.7 星间概率同步法比较分析  111-113
  5.8 同步完好性监测问题  113-114
  5.9 本章小结  114-116
结论  116-118
参考文献  118-130
攻读学位期间发表的学术论文  130-132
致谢  132-133
个人简历  133

分布式微型航天器的时钟同步研究

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