星載GNSS接收機在軌整秒時間廣播異常分析與研究

李東　閆鋼　鄭雯

摘要：GNSS定位系統是根據已知的衛星軌道信息和測量數據，通過數據處理確定用戶接收機相位中心的位置，以及衛星本體的運動狀態和姿態信息。因此，GNSS接收機提供的軌道信息是衛星有效載荷應用和獲取衛星本體姿態信息的關鍵基準之一。如果其提供的時間廣播出現誤差，將會直接影響衛星載荷使用測量的位置精度，甚至會直接影響衛星本體的姿態安全。本文針對某商業遙感衛星GNSS接收機整秒時間跳秒情況，對GNSS接收機的定位模塊工作機理進行深入分析，找出整秒時間廣播異常引起GNSS接收機長時間無法定位的原因，并提出解決方法。

關鍵詞：GNSS;定位模塊;整秒時間

中圖分類號：V474.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0096-02

0 引言

目前，大部分衛星在軌運行期間將使用大量的GNSS接收機數據。在實際應用中，如果GNSS接收機工作異常導致輸出數據錯誤，將直接影響系統導航的準確和安全。本文介紹的GNSS接收機是為了適應某商業遙感衛星應用而重新設計的一種低成本、低功耗GNSS接收機，由一塊電源板及兩塊互為冷備份的定位定軌板組成，其中兩個定位定軌板分別為A、B定位模塊。

每塊定位定軌板上對關鍵性的定位模塊實現了兩路冗余熱備份，兩路定位模塊可通過定位定軌軟件監控并對其獨立控制加斷電重載程序，定位定軌軟件同時接收兩路定位模塊的定位數據，當一個模塊出現故障時可以將數據源切換至另一個模塊的定位結果，繼續完成相應的功能。GNSS接收機定位定軌板DSP獲取定位模塊板間通信數據后計算整秒時間，通過CAN總線對星上進行主動廣播。

1 GNSS接收機在軌整秒時間廣播異常原因分析

在某商業衛星工作期間，發現衛星的GPS定位模擬TIC計數由1609694跳變為21105，低于報警門限69990，說明GNSS接收機于21105秒前發生了自主復位。在此期間GNSS接收機各板間通信無效技術計數增加23次，衛星姿態由對地運行模式轉為太陽捕獲模式。根據數據分析得出，由于GNSS接收機整秒廣播時間數據停止廣播超出2100s，從而觸發衛星姿態轉太陽捕獲模式門限并立即轉入太陽捕獲模式。

提取GNSS接收機發生故障時段前后的工作數據，如表1所示。

數據表明，GNSS接收機整秒時間廣播數據累加至257022864后，退回到257022863，此時整秒時間廣播數據的來源為定位模塊A;此后，時間廣播數據來源切換到了定位模塊B，定位模塊B的廣播時間反復在257022857s、257022858s兩幀之間循環輸出，但是定位標志保持為“定位”狀態。根據數據顯示，此狀態一直持續了2100s，此后整秒時間廣播數據再次切換至定位模塊A，時間廣播數據開始累加，定位模塊A的定位標識為“非定位”，此時GNSS接收機中兩個定位模塊均已完成復位，但GNSS接收機A＼B機依然未恢復正常工作狀態。

1.1 整秒對時廣播發送機理

GNSS接收機DSP發送整秒時間廣播數據包含2個軟件模塊：打包模塊和發送模塊。在打包模塊中，對整秒時間廣播數據進行組包，然后在發送模塊中發送到CAN總線上。

其中，DSP判斷接收機是否定位的機制為：DSP讀到定位模塊發送的數據后，對包頭、校驗進行判斷，均通過后才把數據讀取到DSP的緩存中。讀取后，DSP將定位模塊中的定位標記與整秒時間廣播數據一起打包輸出。

發送模塊為了保證每秒在整秒時刻的50ms內發送時間廣播數據且每秒只發送一次，故將該發送步驟分為了2拍，首先收到秒脈沖后，DSP內部置一次標識;然后DSP的工作時鐘驅動的2.5ms中斷中對該標識進行判斷，判斷到有效后發送數據，并將該標識清零。由于GNSS接收機內部存在2個定位模塊，DSP內部也同時在進行2套定軌運算。在接收機輸出的秒脈沖、遙測數據以及整秒時間廣播數據中，涉及到如何選擇2路數據源的問題。其選擇機制如下：

DSP中同時維持兩個定軌模塊的運行，每個模塊分別選用一路定位模塊的原始測量量進行定軌計算，相互獨立;緩變遙測數據中涉及到兩個定位模塊的數據，采用分時復用的方式，將兩個模塊的遙測數據間隔打出。

速變遙測數據中涉及到定位給模塊的數據，選擇數據源的邏輯相對復雜，簡單的說，兩個模塊中有一個模塊定軌有效時，優先選用定軌有效的模塊作為數據源;如果均不定軌有效，兩個模塊中有一個模塊定位時，優先選用定位的模塊作為數據源;如果兩個模也不定位有效，但是其中有一個模塊外推有效，則優先選擇外推有效的模塊作為數據源;秒時間廣播數據在選取數據源時，與速變遙測數據的數據源保持一致。

1.2 在軌異常機理

定位模塊將解算數據發送至DSP需要1秒時間，DSP完成數據解算需要1秒時間，因此GNSS接收機遙測數據中對應著定位結果的UTC時間均為2s前的該時刻的時間。而整秒時間廣播時間為當前秒的實際UTC時間，對在軌遙測數據及整秒時間廣播數據進行梳理對照。當時定位模塊B由于單粒子事件造成輸出數據錯誤。DSP判斷到了這一異常后，開始在后臺對該模塊的通信錯誤計數進行累加;由于定位模塊B發送數據錯誤計數達到6次，根據可靠性措施，DSP對兩個定位模塊進行一次管腳復位，定位模塊A被復位，復位成功后，A模塊變為不定位;而管腳復位后定位模塊B并沒能成功初始化，依舊保持輸出數據錯誤狀態。DSP判斷定位模塊A非定位達到35分鐘后，對其進行了復位。此次復位，除了進行管腳復位外，同時對供電LDO進行了復位，并對頻綜進行重新配置。B定位模塊恢復正常，整機隨即恢復正常。

2 GNSS接收機在軌整秒時間廣播異常解決方案

根據分析，GNSS接收機整秒時間廣播數據異常，是由于定位模塊B發生了單粒子事件。此后，根據在軌軟件措施，非定位2100s后，DSP已經對兩個定位模塊進行了加斷電，退出了故障措施。通過遙測也可以判斷，GNSS接收機已經恢復了正常工作狀態。

本次在軌故障反映了GNSS接收機軟件存在兩方面問題：

（1）定位模塊發送數據未通過校驗后，DSP并沒有及時將其判斷為非定位狀態，導致使用了錯誤的數據進行UTC計算，廣播了錯誤的整秒時間廣播數據;

（2）DSP通過在板間通信的監控中判斷一個模塊板間通信錯誤后，同時復位了兩個定位模塊，造成本來正常工作的定位模塊也受到了影響。

因此，通過更改DSP代碼，增加軟件可靠性，更改如下：

定位模塊向DSP發送數據錯誤時，應當置當前定位模塊狀態為“非定位”，并將主份模塊切換至另一個定位模塊;單個模塊通信錯誤達到門限后，更改為只對當前非定位模塊進行復位操作，刪除對頻綜芯片的重新初始化，防止對正常工作的定位模塊進行復位操作。

3 結語

通過以上內容可以得出GNSS接收機整秒時間廣播異常問題，主要原因在于受單粒子事件影響，定位模塊B通信接口故障，引起輸出數據錯誤，導致整秒時間廣播數據重復;而定位模塊在觸發定位定軌板軟件復位機制后，未能恢復正常，因而整秒時間廣播未能及時恢復正常狀態。通過對GPS接收機DSP進行修改實現了一旦其中一個定位模塊發生問題后，立即對有問題的定位模塊進行復位操作，并講主份切換至工作良好的定位模塊，有效的解決了當有問題的定位模塊不能通過復位恢復正常時，不會一直將主用定位模塊始終選擇為有問題的定位模塊上，而會及時切換至正常工作的定位模塊，從而不會影響GNSS接收機的正常工作，并且在執行復位操作的時候對正常工作的定位模塊進行不必要的復位，有效的保證了GNSS接收機的工作狀態。

參考文獻

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Analysis and Research on Broadcast Abnormality of On-orbit Time of On-board GNSS Receiver

LI Dong，YAN Gang，ZHENG Wen

（Key Laboratory of On-orbit Fault Diagnosis and Maintenance for Spacecraft， Xi'an? Shaanxi? 710043）

Abstract：GNSS positioning system is based on the known satellite orbit information and measurement data to determine the position of the phase center of the user receiver through data processing， as well as the motion state and attitude information of the satellite body. Therefore， the orbital Information provided by GNSS receivers is one of the key benchmarks for satellite payload applications and the acquisition of satellite ontology attitude information. If there are errors in the time broadcast provided， it will directly affect the position accuracy of the satellite load measurement and even affect the attitude safety of the satellite body. In this paper， the working mechanism of the positioning module of GNSS receiver is analyzed in detail， and the reason why GNSS receiver can not be located for a long time due to abnormal broadcasting time is found out， and a solution is put forward.

Key words：GNSS;positioning module;whole second time