嫦娥五號探測器多艙段間接力式校時及誤差控制方法

蘭 天，程慧霞，郭 堅，穆 強(qiáng)，董振輝

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

0 引 言

為實現(xiàn)月球采樣返回，設(shè)計、建造了嫦娥五號探測器[1-2]。作為中國有史以來最復(fù)雜的航天器，嫦娥五號由軌道器、返回器、著陸器、上升器共四個艙段組成，四個艙段從下向上采用串聯(lián)方式組成多艙段組合體[3-5]。在發(fā)射、進(jìn)入、采樣、轉(zhuǎn)移、返回整個飛行過程中，艙段間以不同組合方式實現(xiàn)相應(yīng)動作，既要求各艙段能獨立實現(xiàn)特定功能，又要求艙段間能夠相互配合工作。在任務(wù)對重量、功耗的特殊限制條件下，為滿足探測器內(nèi)數(shù)據(jù)智能化、網(wǎng)絡(luò)化交互需求，充分借鑒現(xiàn)有多艙段復(fù)雜航天器信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計經(jīng)驗[6]，全新設(shè)計了多艙段間信息流、控制流協(xié)同管理的信息網(wǎng)絡(luò)[7]。

高精度時間統(tǒng)一是航天器內(nèi)部以及航天器與地面之間協(xié)同動作的必要條件。對航天器時間通常有兩方面的要求：時間穩(wěn)定性與時間準(zhǔn)確性[8-9]?？墒褂酶叻€(wěn)定度晶振、搭載原子鐘等手段確保時間的穩(wěn)定性。在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global positioning system,GPS)中，普遍搭載了銫(Cs)原子鐘或銣(Rb)原子鐘[10]。為實現(xiàn)觀測結(jié)果與觀測時間的高精度對應(yīng)，歐空局(European space agency,ESA)在Gaia天文望遠(yuǎn)鏡上也使用了高穩(wěn)晶振和Rb鐘[11]。

為確保時鐘準(zhǔn)確性，首先在系統(tǒng)中選擇穩(wěn)定度高的時鐘作為時間基準(zhǔn)，再通過時間同步手段使系統(tǒng)中其他時鐘對準(zhǔn)時間基準(zhǔn)。在深空探測領(lǐng)域，基于行星際互聯(lián)網(wǎng)(Interplanetary internet,IPN)的網(wǎng)絡(luò)化時間同步是研究的一個熱點[8-9]，將地面網(wǎng)絡(luò)中成熟的時間同步協(xié)議，如網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議(Network time protocol,NTP)、精確時間同步協(xié)議(Precision time protocol,PTP)[12]等向空間網(wǎng)絡(luò)移植是重點研究方向。但由于IPN本身尚在雛形階段，且NTP、PTP協(xié)議對空間網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性尚有待驗證，因此該研究方向尚在探索階段，未大規(guī)模應(yīng)用。

當(dāng)前，航天器時間統(tǒng)一的主流實現(xiàn)方式是通過測控鏈路校準(zhǔn)航天器內(nèi)時間基準(zhǔn)設(shè)備，再由該設(shè)備在總線上廣播時間以實現(xiàn)器內(nèi)時間同步。測控鏈路可以選擇：地面站與航天器的直連鏈路[13]、星間鏈路的中繼鏈路[14]、衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)部的星間鏈路[15-16]，也可以依據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星[17]。

航天器內(nèi)時間基準(zhǔn)設(shè)備完成校時后，還需完成器內(nèi)時間同步。在載人航天、外星球采樣返回等領(lǐng)域，多艙段組合體構(gòu)成的航天器較為多見，實現(xiàn)組合體內(nèi)時間統(tǒng)一是航天器必要功能約束之一。按照內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)有多艙段組合體航天器可分為兩類：以載人飛船、月地高速再入返回探測器為代表的“主從式”組合體和以飛船-空間實驗室、空間站為代表的“對等式”組合體[18-20]。在載人飛船[18]、月地高速再入返回探測器[19]上，艙段間分離后不會再次組合，組合體內(nèi)時間基準(zhǔn)設(shè)備固定、唯一，可通過1553B總線廣播實現(xiàn)時間同步。在飛船-空間實驗室[18]、空間站[20]上，艙段間通過專門的對接總線實現(xiàn)連接，各艙段通過各自獨立測控鏈路對本艙段進(jìn)行校時，并通過艙段內(nèi)1553B總線實現(xiàn)時間同步，沒有跨艙段校時。

與上述多艙段組合體相比，嫦娥五號探測器各艙段間的組織方式更為復(fù)雜。在嫦娥五號探測器上，軌道器、返回器、上升器三個艙段有各自獨立的測控鏈路。軌道器、返回器采用“主從式”連接，軌道器、上升器間通過著陸器實現(xiàn)“對等式”連接[21]。沿用以往多艙段組合體校時方法，需分別對軌道器、上升器實施校時，效率較低。

針對嫦娥五號多艙段具備測控能力的設(shè)計基礎(chǔ)，從優(yōu)化操控、提升能力的目的出發(fā)，為探測器設(shè)計了一套多艙段物理上行信道器內(nèi)聯(lián)通方案。通過網(wǎng)絡(luò)層自識別路由協(xié)議，實現(xiàn)了通過任意具備測控能力艙段操控整器的能力，減輕了地面測控壓力，減少了燃料消耗，增加了整器冗余備份能力[7]。在此基礎(chǔ)上，通過探測器多艙段組合體信息網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了艙段間的時間同步方案[21]。在該時間同步方案的實施過程中，需解決兩方面的問題：1) 時間信息跨艙段傳輸; 2) 傳輸過程中的誤差控制。

針對嫦娥五號探測器，提出了一種多艙段組合體接力式校時及誤差控制方法。針對時間信息跨艙段傳輸問題，提出艙段間接力式時間傳遞方法，實現(xiàn)了器內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)上時間信息的自流動；提出基于飛行模式的時間基準(zhǔn)設(shè)備檢索方法，為各設(shè)備進(jìn)行自主校時提供了時間信息篩選依據(jù)。針對傳輸過程中的誤差控制問題，尤其是“對等式”組合艙段間傳輸誤差控制，基于對中斷響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)競爭的分析[22-27]，提出了一種分布式校時傳遞誤差控制方法，設(shè)備按照BC、RT角色采用相應(yīng)的誤差控制手段，實現(xiàn)對組合體內(nèi)部端到端總誤差的有效控制。

1 嫦娥五號探測器器內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四個艙段組成，在四艙段組合體構(gòu)形下，艙段間以串聯(lián)方式連接，如圖1所示。

圖1 嫦娥五號探測器四艙段組合體構(gòu)形示意圖Fig.1 Sketch of four modules of the Chang’e-5 probe

探測器發(fā)射升空后，順序完成地月轉(zhuǎn)移、分離、下降、月面工作、月面上升、交會對接、月地轉(zhuǎn)移、返回等動作。在不同飛行階段，探測器內(nèi)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、多變。按照構(gòu)形設(shè)計體積、重量、功耗約束，嫦娥五號以數(shù)管分系統(tǒng)為核心構(gòu)架了以兩層1553B總線為信息通道，以多臺數(shù)管計算機(jī)為信息中心節(jié)點的新型多艙段組合體航天器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 嫦娥五號探測器四艙段組合體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 The network topology of Chang’e-5 probe in a combination of four modules

針對探測器組合、分離、對接各階段數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可變的傳輸難題，對子網(wǎng)間數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，減少網(wǎng)絡(luò)終端及穿艙總線的數(shù)量，實現(xiàn)整體減重目標(biāo)，在多種組合下(四艙段組合體、三艙段組合體、兩艙段組合體、單艙段獨立工作)艙段內(nèi)、艙段間信息傳輸高效、可靠。上升器綜合管理單元(System management unit,SMU)、軌道器SMU、返回器SMU分別是著上組合體總線網(wǎng)絡(luò)、軌返組合體總線網(wǎng)絡(luò)和返回器總線網(wǎng)絡(luò)上的總線控制器(Bus controllor,BC)。返回器SMU作為返回器總線網(wǎng)絡(luò)與軌返組合體總線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，在軌返組合體總線網(wǎng)絡(luò)端工作在RT模式，在返回器總線網(wǎng)絡(luò)端工作在BC模式。著陸器數(shù)據(jù)接口單元(Data interface unit,DIU)作為著上組合體總線網(wǎng)絡(luò)與軌返組合體總線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，均工作在RT模式。

2 多艙段間接力式校時及誤差控制方法

2.1 組合體艙段間接力式時間傳遞方法

在一條1553B總線上同一時間有且只有一臺設(shè)備作為BC，其他設(shè)備作為遠(yuǎn)置單元(Remote terminal,RT)。結(jié)合BC、RT間通信過程和軟件設(shè)計模式，為設(shè)備制定時間傳遞規(guī)范，將多艙段組合體校時過程分解為艙段間的接力動作。通過BC至RT、RT至BC兩個方向的時間傳遞規(guī)范，實現(xiàn)了時間信息在各艙段總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和艙段間的動態(tài)傳遞。

探測器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上各設(shè)備按照自身在1553B總線上的工作模式，完成在該條總線上自身所需進(jìn)行的時間傳遞動作。如圖3所示，BC以時間廣播方式發(fā)布時間，RT每接收一次BC的時間廣播后，都在自身特定發(fā)送子地址更新時差。BC在時間廣播后，間隔一段時間后按照協(xié)議從特定RT取回時差。

圖3 接力式時間傳遞方法中相鄰BC、RT設(shè)備間時間信息傳輸過程示意圖Fig.3 Diagram of time information transmission process between adjacent BC and RT devices in relay time transfer method

通過與BC、RT工作模式綁定的傳輸操作，解決了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各設(shè)備如何獲得時間信息的問題，將航天器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的時間信息流動問題分解、提煉為服務(wù)層的具體操作，按照此規(guī)范設(shè)計的設(shè)備可實現(xiàn)任意層級、連接方式的1553B總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)時間信息的接力式傳遞。

2.2 基于飛行模式的時間基準(zhǔn)設(shè)備檢索方法

在多艙段組合體航天器中，設(shè)備可同時從多個方向獲取到時間信息，此時需有一種方法確定依據(jù)從何處傳來的時間信息對自身進(jìn)行校時。為此，提出了基于飛行模式的時間基準(zhǔn)設(shè)備檢索方法，結(jié)合接力式時間傳遞過程，逐級定義時間基準(zhǔn)設(shè)備，各設(shè)備根據(jù)本設(shè)備上一級時間基準(zhǔn)設(shè)備發(fā)布的時間信息實施自主校時。

探測器按照不同飛行模式下器內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，綜合設(shè)備位置、設(shè)備時鐘穩(wěn)定性和測控條件等，選定各飛行模式下唯一的時間基準(zhǔn)設(shè)備，通過測控鏈路對該設(shè)備進(jìn)行授時。優(yōu)選位于網(wǎng)絡(luò)中段、具備高穩(wěn)時鐘源和具備測控鏈路的設(shè)備作為整器的時間基準(zhǔn)設(shè)備。該設(shè)備發(fā)布的時間信息可通過接力式校時方法實現(xiàn)在器內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)上的自流動，影響到整個組合體的各個設(shè)備。

針對嫦娥五號可能的組合體飛行模式，建立時間基準(zhǔn)設(shè)備檢索表，見表1。將該檢索表保存在多艙段組合體各設(shè)備上，通過飛行模式和本設(shè)備標(biāo)識(ID)即可在表中檢索到本設(shè)備的上級時間基準(zhǔn)設(shè)備。在飛行模式轉(zhuǎn)換時，多艙段組合體上的所有設(shè)備同步切換。

從表1中可見，在四艙段組合體軌道器主導(dǎo)校時的飛行模式下，返回器SMU、著陸器DIU按照軌道器SMU的時間校正自身時間，上升器SMU按照著陸器DIU時間校正自身時間。此時，地面只需給軌道器一個艙段校時，即可實現(xiàn)對多艙段組合體的校時。

表1 基于飛行模式的上級時間基準(zhǔn)設(shè)備檢索表Table 1 Retrieval table of superior time reference devices based on flight mode

通過基于飛行模式切換的時間流向控制和時間基準(zhǔn)設(shè)備檢索，解決了組合體內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)上具備多個時間信息來源的設(shè)備如何選擇校時依據(jù)的問題。對應(yīng)每個飛行模式，設(shè)備能在表中找到唯一的上級時間基準(zhǔn)設(shè)備，本設(shè)備依據(jù)該上級時間基準(zhǔn)設(shè)備通過接力式時間信息傳遞方法發(fā)來的時間信息進(jìn)行校時。

2.3 分布式校時傳遞誤差控制方法

校時信息傳遞過程中的誤差分別在信息傳遞的每個環(huán)節(jié)進(jìn)行分布式修正。若設(shè)備是BC，則周期性取自身時間，將時間信息發(fā)布給該條總線上的各個RT設(shè)備。BC端設(shè)計可通過關(guān)中斷取時間、發(fā)消息的方式，將取時間、組織總線消息、總線消息傳輸?shù)葎幼饕氲臅r間誤差控制在固定范圍內(nèi)，并對該誤差進(jìn)行測量。在發(fā)送前，將誤差修正到待發(fā)送時間信息中。修正后，在該信息傳輸完成、觸發(fā)接收端總線中斷信號時，信息中的絕對時間為此時BC端的準(zhǔn)確時間?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中對此類方法的研究較為充分，本文不再贅述。

若設(shè)備是RT，需對接收時間信息的子地址進(jìn)行特殊設(shè)置，為其綁定獨立的數(shù)據(jù)塊，并使能消息完成中斷以盡快檢測到時間信息更新。可在對RT端軟件中斷進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，在總線中斷服務(wù)程序及更高優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序中，通過基于數(shù)據(jù)有效性的時間數(shù)據(jù)更新查詢方法，減小RT端操作引入的誤差。傳統(tǒng)的RT端中斷服務(wù)程序中，通常采用逐條檢查堆棧的方式處理新消息，若在時間信息之前有較多消息，這種處理方法會引入較大的誤差。

在總線中斷服務(wù)程序中，采用基于數(shù)據(jù)有效性的時間數(shù)據(jù)更新查詢方法優(yōu)化RT端對更新的時間信息的查詢方式，如圖4所示。

圖4 基于數(shù)據(jù)有效性的時間數(shù)據(jù)更新查詢方法Fig.4 Time data update query method based on data validity

在查詢是否有新的時間信息時，首先檢查時間的有效性標(biāo)志，若無效則退出本次檢測；若時間有效性標(biāo)志為有效，則進(jìn)一步檢查校驗和判定數(shù)據(jù)完整性，若校驗不通過則退出本次檢測；在數(shù)據(jù)有效且通過檢驗后，取RT設(shè)備當(dāng)前的絕對時間，與BC發(fā)來的絕對時間成對保存，設(shè)置待處理標(biāo)志。

以四艙段組合體軌道器主導(dǎo)校時飛行模式為例，時間傳遞過程中誤差如圖5所示。從圖5中可見，TA為軌道器SMU在總線上開始廣播時間的時刻，TB為著陸器DIU完整接收到廣播時間的時刻，著陸器DIU在TC時刻檢查到軌道器SMU廣播時間并取DIU本地時間，根據(jù)該本地時間計算著陸器相對于軌道器的時差。TD為上升器SMU在總線上開始廣播時間的時刻，TE為著陸器DIU完整接收到廣播時間的時刻，著陸器DIU在TF時刻檢查到上升器SMU廣播時間并取DIU本地時間，根據(jù)該本地時間計算著陸器相對于上升器的時差。TG和TH為軌道器SMU發(fā)起取時差通信的時刻和完整接收到時差的時刻，TI和TJ為上升器SMU發(fā)起取時差通信的時刻和完整接收到時差的時刻。從TA到TH，軌道器與著陸器完成一輪時間信息交互；從TD到TJ，上升器與著陸器完成一輪時間信息交互；軌道器與上升器間通過著陸器完成接力式校時。接力式校時的時間傳遞誤差主要包含兩部分，ΔT1、ΔT3為BC引入的誤差，ΔT2、ΔT4為RT引入的誤差。

圖5 接力式校時過程中的時間傳遞誤差Fig.5 Time transfer error in relay timing calibration process

BC引入的誤差可通過BC端操作加以修正，RT引入的誤差可通過RT中斷服務(wù)程序設(shè)計加以修正。在RT中斷服務(wù)程序中實施多次查詢，實現(xiàn)對誤差最大值的控制。在四艙段組合體軌道器主導(dǎo)校時模式下，在軌道器總線一端，著陸器DIU計算出的與軌道器SMU間相對時差為:

DGSMU-DIU=TG-SMU-(TDIU_G+ΔT2)

(1)

式中：TG-SMU為軌道器SMU發(fā)送已經(jīng)修正了ΔT1之后的時間;ΔT2為著陸器DIU自身處理引入的誤差;TDIU_G為著陸器DIU與TG-SMU對應(yīng)的準(zhǔn)確接收時刻;DGSMU-DIU為DIU根據(jù)軌道器絕對時間和自身記錄的接收時刻計算出的與軌道器間的相對時差。

通過查閱飛行模式綁定的上級時間基準(zhǔn)設(shè)備檢索表，著陸器DIU確定在該模式下軌道器SMU是自身的上級時間基準(zhǔn)設(shè)備，因此根據(jù)式(1)中的相對時差校正本機(jī)時間。

依據(jù)此時差校時后，著陸器DIU與軌道器SMU間的時差為-ΔT2，即著陸器DIU的時間比軌道器SMU的時間慢ΔT2。

在上升器總線一端，著陸器DIU計算出的與上升器SMU間相對時差為:

DDIU-SSMU=(TDIU_S+ΔT4)-TS-SMU

(2)

式中：TS-SMU為上升器SMU發(fā)送已經(jīng)修正了ΔT3之后的時間，ΔT4為著陸器DIU自身處理引入的誤差，TDIU_S為著陸器DIU與TS-SMU對應(yīng)的準(zhǔn)確接收時刻，DDIU-SSMU為DIU根據(jù)上升器絕對時間和自身記錄的接收時刻計算出的與上升器間的相對時差。依據(jù)此時差校時后，著陸器DIU與上升器SMU間的時差為-ΔT4，即上升器SMU的時間比著陸器DIU的時間快ΔT4。

在接力式校時過程中，在每兩臺相互接力的設(shè)備里，同一時間只有一臺設(shè)備需要進(jìn)行校時。校時動作是由設(shè)備根據(jù)與飛行模式綁定的上級時間基準(zhǔn)設(shè)備檢索表自行確定的。在四艙段組合體軌道器主導(dǎo)校時模式下，軌道器SMU與著陸器DIU的接力過程中，著陸器DIU校時；著陸器DIU與上升器SMU的接力過程中，上升器SMU校時。

基于上述兩兩接力校時的時差，進(jìn)一步對四艙段組合體軌道器主導(dǎo)校時模式下接力校時源端(軌道器SMU)與末端(上升器SMU)之間的時差進(jìn)行分析。軌道器SMU與上升器SMU之間的時差為:

DGSMU-SSMU=(TG-SMU-ΔT2)-(TS-SMU-ΔT4)

(3)

由上式變換得到:

DGSMU-SSMU=(TG-SMU-TS-SMU)+(ΔT4-ΔT2)

(4)

可見，經(jīng)過接力校時后，由于著陸器DIU引入的時差，上升器時間比軌道器時間慢(ΔT2-ΔT4)。通過對ΔT2和ΔT4進(jìn)行控制，可實現(xiàn)對校時誤差的有效控制。

可通過多次查詢的方式實現(xiàn)對ΔT2和ΔT4最大值的控制，如圖6所示

圖6 基于多次查詢的時間傳遞誤差控制Fig.6 Time transfer error control based on multiple queries

圖6中，T0為BC發(fā)布時間傳輸完成的時刻，T1、T2、T3、T4分別為在中斷服務(wù)程序中調(diào)用基于數(shù)據(jù)有效性的時間數(shù)據(jù)更新查詢方法的時刻。

若不進(jìn)行多次查詢，則因中斷嵌套引入的最大誤差為:

(5)

式中：DB為總線中斷服務(wù)程序最大嵌套工況下的打斷延時;N為可能打斷總線中斷服務(wù)程序的高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序總數(shù);Lmax(i)為第i個高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序單次最大執(zhí)行時間;Tmax(i)為第i個高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序最大嵌套次數(shù)。

在計算中斷嵌套引起的總延時指標(biāo)時，需要考慮到總線中斷服務(wù)程序本身引起的延時。通過系統(tǒng)設(shè)計分配的校時傳遞誤差指標(biāo)和RT端中斷最大嵌套延時，可將相鄰兩次調(diào)用查詢間隔約束表述為:

ICALL≤DT-DB

(6)

式中：ICALL為自BC發(fā)布的時間信息傳輸完成那一時刻到RT第一次查詢到這一絕對時間并取自身當(dāng)前時刻之間的時間延遲，該延遲以ΔT2和ΔT4體現(xiàn)在時差中；DT為校時傳遞誤差指標(biāo)，DB為總線中斷服務(wù)程序最大嵌套工況下的打斷延時。當(dāng)ICALL

系統(tǒng)設(shè)計完成誤差指標(biāo)分配后，DT則可以確定。DB與RT端程序設(shè)計有關(guān)，可通過調(diào)整中斷優(yōu)先級、控制各級中斷最大執(zhí)行時間等手段加以調(diào)節(jié)。在DT和DB確定后，ICALL的最大值約束便可以建立。而多次查詢的目的，就是使得:

(7)

式中：M為RT端最大中斷嵌套場景下的查詢總次數(shù)，Ti為第i次時刻。從上式可見，多次查詢中任意兩次查詢間的最大時間間隔不能大于ICALL。

上述方法通過中斷優(yōu)先級和觸發(fā)方式設(shè)計，控制從BC發(fā)送的絕對時間信息到達(dá)至RT開始處理該信息之間的時間延遲誤差；通過基于時間信息有效性校驗的多次查詢，控制RT端高優(yōu)先級中斷和總線中斷服務(wù)程序自身執(zhí)行誤差。通過綜合使用總線中斷優(yōu)先級設(shè)計、中斷觸發(fā)方式設(shè)計和基于選擇性主動查詢的中斷服務(wù)程序設(shè)計等多種手段，實現(xiàn)了對雙RT模式網(wǎng)關(guān)校時傳遞誤差的有效控制。

3 工程實現(xiàn)與試驗驗證

基于嫦娥五號數(shù)管分系統(tǒng)驗證了接力式校時及誤差控制方法。在著陸器DIU上，采用24 MHz主頻的80C32處理器。在該主頻下，處理器內(nèi)機(jī)器周期為0.5 μs。在著陸器DIU軟件中，綜合考慮各項功能需求，將DIU中負(fù)責(zé)實現(xiàn)脈沖指令發(fā)送的定時器中斷設(shè)為最高優(yōu)先級中斷，將總線中斷優(yōu)先級設(shè)為次高優(yōu)先級。在不打斷程序中原子操作的前提下，以等間隔的原則分別在兩個中斷服務(wù)程序中插入查詢點，測試得到查詢點數(shù)量與中斷最大嵌套執(zhí)行時間和時間傳遞最大誤差間的關(guān)系，見表2。

從表2中可見，當(dāng)總線中斷中只查詢一次時，時間傳遞最大誤差與中斷最大嵌套執(zhí)行時間相等，出現(xiàn)在廣播時間到達(dá)RT的時間剛好在本次查詢之后時。隨著在中斷服務(wù)程序中插入更多的查詢點，時間傳遞最大誤差明顯下降。在將時間精度作為最高優(yōu)先級指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計時，可通過該方法實現(xiàn)最大傳遞誤差不超過50μs的控制效果。但查詢動作本身也會耗費機(jī)時，此時需要在其他功能的控制精度、響應(yīng)實時性上付出相應(yīng)代價。

表2 查詢點數(shù)量對時間最大傳遞誤差的影響Table 2 The influence of the number of query points on the maximum time transfer error

除高精度時間同步外，著陸器DIU軟件還肩負(fù)著器間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、機(jī)構(gòu)控制、科學(xué)數(shù)據(jù)復(fù)接存儲、分離后自主運行等重任，因此在工程實現(xiàn)上需按照指標(biāo)要求對性能、代價進(jìn)行平衡。

嫦娥五號探測器系統(tǒng)要求在不考慮晶振長期漂移的情況下，地面對探測器授時并由器上自主完成時間同步后，各器與地面間時差小于5.00 ms。針對這個時間指標(biāo)，數(shù)管分系統(tǒng)按照最長傳輸路徑(從軌道器SMU到上升器SMU)進(jìn)行了內(nèi)部指標(biāo)分配，給作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備的著陸器DIU下達(dá)校時傳遞誤差絕對值不大于2.00 ms的要求。

著陸器DIU對中斷優(yōu)先級和在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行了針對性設(shè)計。以查找匯編代碼最大執(zhí)行分支的方法，對定時器中斷和總線中斷的中斷服務(wù)程序最大執(zhí)行時間進(jìn)行了分析。經(jīng)分析，定時器中斷的最大執(zhí)行分支耗時263 μs，總線中斷服務(wù)程序的最大執(zhí)行分支耗時2176 μs。針對中斷服務(wù)程序的最大執(zhí)行分支決定，在總線中斷服務(wù)程序中進(jìn)行3次查詢,相鄰查詢間最大執(zhí)行分支耗時937 μs。

分別在數(shù)管分系統(tǒng)測試、地面系統(tǒng)級測試和在軌飛行過程中對提出的接力式校時和誤差控制方法進(jìn)行了驗證。在數(shù)管分系統(tǒng)測試中，通過具有2條1553B總線仿真能力的地面測試計算機(jī)和真實的飛行設(shè)備，搭建了雙RT模式網(wǎng)關(guān)校時傳遞誤差測試系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 雙RT模式網(wǎng)關(guān)校時傳遞誤差測試系統(tǒng)Fig.7 Relay calibration transfer error test system for dual RT mode gateway

通過總線仿真卡模擬軌道器和上升器通過位于兩個艙段間的著陸器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的最大工況，軌道器、上升器開始時總線通信的時機(jī)隨機(jī)，各以30 s周期向著陸器廣播自身時間，并在廣播絕對時間后指定間隔取回相對時差。運行長時間的強(qiáng)度測試，通過總線記錄判讀因著陸器引起的校時傳遞誤差在0～1.20 ms范圍內(nèi)，滿足要求。

在地面系統(tǒng)級測試中，通過引入GPS時間，與軌道器、上升器下行遙測幀插入域中的時間碼進(jìn)行比較，檢查在四艙段組合體模式下通過器內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各器時統(tǒng)后各器時間波動是否滿足探測器時間誤差要求。經(jīng)測試，在四艙段組合體模式下，通過地面對軌道器進(jìn)行校時后，軌道器下行遙測幀內(nèi)的時間與相應(yīng)的GPS時間近乎同步，上升器下行遙測幀內(nèi)的時間與相應(yīng)GPS時間最大絕對誤差為1.73 ms，滿足要求。

嫦娥五號探測器于2020年11月24日在海南文昌發(fā)射升空，12月17日攜月壤樣本著陸于內(nèi)蒙古四子王旗。在軌飛行過程中，在不同飛行模式下分別通過軌道器、上升器測控鏈路對探測器進(jìn)行了授時，授時后各艙段能夠通過本文所提方法實現(xiàn)高精度時統(tǒng)，有效保障了艙段分離、月面降落、月面上升、返回等對時間精度要求很高任務(wù)可靠完成。

4 結(jié) 論

針對在嫦娥五號探測器多艙段間的復(fù)雜信息網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)高精度時統(tǒng)的需要，提出了一種適用于多艙段組合體航天器的接力式校時及誤差控制方法。地面對任意具備測控條件的艙段校時后，即可通過組合體網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)整個探測器的自主高精度時間同步。該方法為實現(xiàn)多艙段航天器時統(tǒng)提供了一條新的技術(shù)途徑，降低了探測器器內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)上校時信息傳遞誤差，適用于具備復(fù)雜信息網(wǎng)絡(luò)的航天器內(nèi)部實現(xiàn)整器時統(tǒng)。