資源一號02D衛(wèi)星雙頻GPS導航系統(tǒng)容錯設計

王建 趙里恒 武小棟 胡萍 蘇瑩

(1 中國空間技術研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 航天恒星科技有限公司，北京 100095)(3 西安空間無線電技術研究所，西安 710071)(4 北京遙測技術研究所，北京 100076)

資源一號02D衛(wèi)星(又稱為5米光學業(yè)務衛(wèi)星)使用雙頻GPS導航系統(tǒng)[1-2]。雙頻載波L1上包含C/A碼和P碼2種測距碼，而載波L2上只包含P碼[3],通過差分方式在一定程度上可消除傳輸路徑上的誤差，為整星提供高質量的導航應用，主要包括：①輸出計算后的定位、定軌[4]數(shù)據(jù)等信息，為其他分系提供所需的測量數(shù)據(jù)；②利用高程圖及算法，為可見近紅外及高光譜相機提供成像任務所需的積分時間代碼；③輸出高精度微秒級別的脈沖信號和對應的絕對時間，為整星提供高精度時統(tǒng)基準；④輸出原始測量及整星的輔助數(shù)據(jù)，提高事后精密定軌精度。

低軌遙感衛(wèi)星GPS導航系統(tǒng)內部采用單粒子敏感數(shù)字電路，并在軌長期處于高速運算狀態(tài)。低軌遙感衛(wèi)星運行的太空環(huán)境復雜，易發(fā)生單粒子翻轉[5-6]問題，可能導致星載GPS導航系統(tǒng)工作異常，出現(xiàn)位置、速度、時間數(shù)據(jù)中斷問題，進而影響整星業(yè)務的連續(xù)性。因此，星載GPS導航系統(tǒng)在軌容錯機制對于低軌遙感衛(wèi)星在軌運行至關重要。星載GPS導航系統(tǒng)的故障模式包括時統(tǒng)信息異常、定位狀態(tài)異常、定軌狀態(tài)異常、定位定軌數(shù)據(jù)異常和通信連續(xù)性異常等。目前，在整星層面的處理措施，都是監(jiān)控到異常時立刻停止使用時統(tǒng)信息，并在一定時間內對星載GPS導航系統(tǒng)進行復位或者重新啟動，使其重新建立捕獲定位狀態(tài)，恢復正常工作。這樣雖然可以解決大多數(shù)的故障模式，但是也造成時統(tǒng)信息及通信丟失。資源一號02D衛(wèi)星雙頻GPS導航系統(tǒng)采用文獻[7]中提到的雙頻GPS接收機單機層面可靠性設計，同時考慮到雙頻GPS導航系統(tǒng)出現(xiàn)異常時可使其有效時間信息中斷輸出，因此增加了雙頻GPS導航系統(tǒng)時間數(shù)據(jù)可靠性處理措施。另外，根據(jù)在軌數(shù)據(jù)及地面仿真分析，雙頻GPS導航系統(tǒng)出現(xiàn)最頻繁的故障模式是定位定軌異常，但會在指標范圍內重新建立狀態(tài)，所以在整星層面對時統(tǒng)信息也采用容錯設計。在雙頻GPS導航系統(tǒng)在軌出現(xiàn)位置、速度、時間短暫中斷問題后，采用上述在軌容錯設計，可通過原來建立的軌道模型、時間基準等繼續(xù)保持位置、速度、時間及其他有效載荷輔助數(shù)據(jù)、時間信息有效不間斷的輸出。

本文介紹了資源一號02D衛(wèi)星雙頻GPS導航系統(tǒng)容錯設計，通過分析、評估雙頻GPS導航系統(tǒng)故障影響持續(xù)時長、時間系統(tǒng)精確度，以及事后精密定軌[8]、定軌外推精度指標，證明容錯設計有效，可保證整星業(yè)務的連續(xù)性。

1 容錯設計

雙頻GPS導航系統(tǒng)容錯設計，主要包括整星層面容錯設計(即整星對雙頻GPS導航系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)控與干預處理)和單機層面容錯設計，見圖1。

圖1 容錯設計總體方案Fig.1 Robust design scheme

1.1 整星層面容錯設計

雙頻GPS導航系統(tǒng)容錯設計，在整星層面接收雙頻GPS導航系統(tǒng)狀態(tài)字或者其他遙測數(shù)據(jù)，綜合判斷雙頻GPS導航系統(tǒng)工作狀態(tài)。當雙頻GPS導航系統(tǒng)異常時，通過整星層面干預，強制開關雙頻GPS導航系統(tǒng)，具體處理如表1[7]所示。

表1 整星層面雙頻GPS導航系統(tǒng)運行狀態(tài)識別和故障處置決策Table 1 Dual-frequency GPS navigation system operating state identification and fault handling decision at entire satellite level

1.2 單機層面容錯設計

除了系統(tǒng)層面的各種措施，為了提高可靠性，保證衛(wèi)星在軌的長期穩(wěn)定運行，在單機層面也采取了多項措施。

1.2.1 雙頻GPS導航系統(tǒng)板間/內監(jiān)控設計

通過雙頻GPS導航系統(tǒng)板間監(jiān)控、板內狀態(tài)監(jiān)控，判斷異常時可進行自干預，強制雙頻GPS導航系統(tǒng)恢復正常，具體容錯措施詳見表2[7]。

表2 單機層面容錯措施Table 2 Fault-tolerant measures at subsystem level

1.2.2 雙頻GPS導航系統(tǒng)輔助數(shù)據(jù)連續(xù)性設計

雙頻GPS導航系統(tǒng)在整星、板間/內設置了容錯設計，并在輔助數(shù)據(jù)層面進行了容錯設計，主要包括：①定位、定軌數(shù)據(jù)根據(jù)板間工作狀態(tài)選擇輸出；②通道板異常無法完成連續(xù)定位時，整秒時間碼依賴外部高穩(wěn)時鐘在一定時間內繼續(xù)為整星有效載荷提供有效時間數(shù)據(jù)。

1)定位、定軌數(shù)據(jù)根據(jù)板間工作狀態(tài)選擇輸出

當雙頻GPS導航系統(tǒng)通道板出現(xiàn)異常無法連續(xù)定位時，雙頻GPS導航系統(tǒng)將依靠軌道接口板建立的定軌模型外推出高精度位置、速度數(shù)據(jù)，以及使用定位數(shù)據(jù)計算的相機積分時間代碼等。在不同狀態(tài)下，雙頻GPS導航系統(tǒng)可輸出的各參數(shù)狀態(tài)如表3所示。

2)非定位期間秒脈沖信號/整秒時間碼依據(jù)外部高穩(wěn)時鐘繼續(xù)輸出

雙頻GPS導航系統(tǒng)實際在軌工作中優(yōu)先使用外部高穩(wěn)時鐘作為工作時鐘，當其處于非定位狀態(tài)時，無法實時計算(測量)獲得其工作時鐘相比GPS星座基準時鐘偏移量。此時，雙頻GPS導航系統(tǒng)完全依賴外部高穩(wěn)時鐘(與GPS衛(wèi)星上時鐘存在計時誤差)進行計時，確定秒脈沖下降沿發(fā)生時刻，在秒脈沖下降沿后的100 ms內將秒脈沖對應的絕對時間信息寫入1553B總線規(guī)定的發(fā)送緩沖區(qū)內，設置相應的服務請求，等待整星的中央處理單元響應并取走，傳遞給各守時終端(即秒脈沖的使用分系統(tǒng))，并通過各有效載荷評估，當雙頻GPS導航系統(tǒng)出現(xiàn)異常無法連續(xù)定位后，其輸出的整秒時間碼精度在58 μs以內，因此仍可被整星有效載荷使用。

雙頻GPS導航系統(tǒng)通道板出現(xiàn)異常，無法連續(xù)定位后，在一定時間范圍內會繼續(xù)輸出有效整秒時間碼，供整星有效載荷使用。

表3 參數(shù)狀態(tài)Table 3 State of parameters

2 試驗驗證與在軌驗證

2.1 外推精度仿真

使用資源一號02D衛(wèi)星仿真軌道[8]以及資源一號02D衛(wèi)星雙頻GPS導航系統(tǒng)，根據(jù)文獻[9]中的導航定位系統(tǒng)原理進行仿真測試，包括雙頻GPS導航系統(tǒng)處于軌道外推時位置和速度精度，以確定雙頻GPS導航系統(tǒng)在軌出現(xiàn)非定位時數(shù)據(jù)是否可用。積累0.5 h以上的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，能得到較高精度的外推數(shù)據(jù)[10]，具體外推位置和速度精度如圖2和圖3所示，3軸合成位置和速度精度隨時間變化如圖4所示,其中X軸，Y軸，Z軸為WGS-84坐標系下的3軸方向。定軌外推精度隨時間變化如表4所示。

資源一號02D衛(wèi)星指標位置精度要求為10 m，定軌外推100 min的位置精度要求為40 m。經過仿真分析可知：在異常以后的60 min內，外推位置精度為10 m左右， 100 min內的外推位置精度為17.264 8 m，均能滿足整星的需求，可以在非定位狀態(tài)下繼續(xù)使用定軌外推數(shù)據(jù)計算積分時間代碼，以及作為相機成像位置速度信息。

注：100 min內不大于40 m精度要求。圖2 定軌外推位置精度Fig.2 Orbit determination extrapolation position accuracy

注：100 min內不大于0.3 m/s精度要求。圖3 定軌外推速度精度Fig.3 Orbit determination extrapolation velocity accuracy

圖4 3軸合成位置和速度精度Fig.4 Position and velocity accuracies of three axes

表4 定軌外推精度隨時間變化Table 4 Orbit determination extrapolation accuracy change with time

2.2 整秒時間碼有效保持容錯仿真

2.2.1 整秒時間碼有效保持時間確定

受高穩(wěn)時鐘單元固有鐘偏及老化影響，時鐘的老化率為3.6×10-10/天，隨著非定位時間增長，秒脈沖精度將逐漸偏離基準位置，且存在一個累積誤差，即高穩(wěn)時鐘與基準時鐘(GPS衛(wèi)星上時鐘)計時誤差，具體公式如下。

(1)

式中：δf為雙頻GPS導航系統(tǒng)工作時鐘基準偏離量(即高穩(wěn)時鐘固定頻率偏移量)；f0為基準時鐘頻率，取5 MHz；t為連續(xù)非定位時長，s。

雙頻GPS導航系統(tǒng)定位、定速解算過程中，可獲得鐘漂測量值，該測量量可反映雙頻GPS導航系統(tǒng)的基準時鐘偏離其標稱值的程度，具體鐘漂與基準時鐘的偏離量有如下關系。

(2)

式中：F為鐘漂；c為光速。

直接使用設備測試出的高穩(wěn)時鐘單元固有頻偏，無法精確反映在軌工作時實際頻偏情況，因此需要尋找其他方法反映高穩(wěn)時鐘單元頻偏情況。使用高精度信號發(fā)生器作為雙頻GPS導航系統(tǒng)的外鐘，外接動態(tài)導航仿真信號，并通過軟件控制自動調節(jié)高精度信號發(fā)生器，使實際輸出到雙頻GPS導航系統(tǒng)的時鐘頻率偏離5 MHz基準時鐘，等待雙頻GPS導航系統(tǒng)完成定位后，自動記錄遙測中鐘漂值及基準時鐘偏移量(見表5)，并繪制基準時鐘偏移量與鐘漂值關系曲線(見圖5)，2個參變量呈一次線性關系。

表5 基準時鐘偏移量與鐘漂值的關系Table 5 Relationship of primary reference clock offset and clock drift

圖5 基準時鐘偏移量與鐘漂值關系Fig.5 Relationship of primary reference clock offset and clock drift

通過以上試驗可知：實測基準時鐘偏移量、鐘漂值之間的關系與式(2)一致，因此可以使用整星下傳的雙頻GPS導航系統(tǒng)計算的鐘漂值，反推出高穩(wěn)時鐘單元固有頻偏。

在固定頻率偏差條件下，等待雙頻GPS導航系統(tǒng)定位后，中斷信號源，使得雙頻GPS導航系統(tǒng)由“定位狀態(tài)”轉為“非定位狀態(tài)”，并使用時間間隔計數(shù)器記錄基準秒脈沖與雙頻GPS導航系統(tǒng)實際輸出的秒脈沖之間時間差(偏移量)，見表6，并記錄非定位后時間偏移量，見圖6。

表6 實測鐘漂值與秒脈沖偏移量關系Table 6 Relationship of primary reference clock drift and second pulse

圖6 非定位時間偏移量Fig.6 Non-localized time shift

通過以上試驗可知：實測鐘漂值、秒脈沖偏移量之間的關系與式(1)一致，因此可以使用整星下傳的雙頻GPS導航系統(tǒng)計算的鐘漂值，評估有效載荷引入的秒脈沖偏離基準值依據(jù)。

通過仿真測試及整星測試中雙頻GPS導航系統(tǒng)穩(wěn)定定位后輸出到遙測中的鐘漂值20，計算高穩(wěn)時鐘偏離基準頻率5 MHz的偏移量為0.34 Hz，由于雙頻GPS導航系統(tǒng)中通道板軟件實際使用的62 MHz時鐘是由頻率綜合器芯片以外部輸入的5 MHz時鐘為基準倍頻得到的，那么62 MHz實際偏了4.216 Hz，從而計算出秒脈沖精度為0.999 999 932 s，可知秒脈沖信號每秒偏出基準值68 ns。雙頻GPS導航系統(tǒng)連續(xù)非定位900 s導致時間準確度偏離基準值61.2 μs，從整星層面出發(fā)綜合整星對圖像處理的要求，結合分析相機成像精度要求及事后處理需求，可選擇合適的閾值作為容錯門限。

2.2.2 整秒時間碼有效保持容錯有效性試驗

在資源一號02D衛(wèi)星的整星測試階段，通過設置雙頻GPS導航系統(tǒng)仿真信號源軌道場景中GPS星座特定星號開啟/關閉狀態(tài)，使得雙頻GPS導航系統(tǒng)仿真測試過程中(星況問題)頻繁出現(xiàn)非定位故障現(xiàn)象，驗證雙頻GPS導航系統(tǒng)容錯措施的有效性，見圖7。

從圖7可以看出：采用容錯設計后,短暫非定位帶來的其他分系統(tǒng)退出秒脈沖使用模式的概率大大降低，有效地保證了其他分系統(tǒng)工作的連續(xù)開展，但對于異常事件持續(xù)時長超過容限閾值的情況，該容錯設計表現(xiàn)不足。若雙頻GPS導航系統(tǒng)充分考慮歷史解算的穩(wěn)定鐘漂值，將其作為高穩(wěn)時鐘偏離量的先驗信息，在雙頻GPS導航系統(tǒng)進入異常時，將該量作為先驗信息來修正時鐘偏移量，可在修正容限閾值上有所突破，后續(xù)將根據(jù)該改進方法進行充分分析與驗證，確定其實施手段與可靠性。

圖7 容錯設計前后情況示意Fig.7 Situation before and after fault-tolerant design

2.3 在軌驗證

資源一號02D衛(wèi)星雙頻GPS導航系統(tǒng)在世界協(xié)調時間(UTC)時間2020-06-19飛入單粒子敏感區(qū)域時，發(fā)生了一次單粒子翻轉導致雙頻GPS導航系統(tǒng)通道板軟件非定位問題，連續(xù)非定位時長為315 s。當時整星安全閾值為400 s，該非定位時間未引起資源一號02D衛(wèi)星其他分系統(tǒng)退出秒脈沖引用事件，且通過計算UTC時間2020-06-19T04:00:00-16:00:00精密軌道(對比點位數(shù)目共4318個，點位分辨率為10 s，共跨越12 h的數(shù)據(jù))，并復核雙頻GPS導航系統(tǒng)該時間段位置、速度精度(包括雙頻GPS導航系統(tǒng)出現(xiàn)非定位期間定軌外推位置、速度數(shù)據(jù))，如圖8和圖9所示。從圖8和圖9中可以看出：位置、速度均滿足精度指標要求。同時，各分系統(tǒng)正常使用秒脈沖及時間數(shù)據(jù)，整星業(yè)務連續(xù)未中斷，滿足使用要求，具體定軌數(shù)據(jù)包復核精度如表7所示。

注：紅框標記處是出現(xiàn)了短暫非定位現(xiàn)象。圖8 容錯設計生效時位置精度Fig.8 Position accuracy when fault-tolerant design works

圖9 容錯設計生效時速度精度Fig.9 Velocity accuracy when fault-tolerant design works

表7 在軌評估定軌精度Table 7 On-orbit evaluation of orbit determination accuracy

3 結束語

資源一號02D衛(wèi)星雙頻GPS導航系統(tǒng)可為整星提供定位數(shù)據(jù)、定軌數(shù)據(jù)、時間基準，空間環(huán)境復雜可能會導致其出現(xiàn)短暫功能異常。針對短暫可恢復非定位異常現(xiàn)象，本文提出了多層級容錯設計，從整星層面和單機層面進行自主聯(lián)合的處理方式，并通過仿真與在軌驗證證明了設計合理有效。該容錯設計保證了整星工作持續(xù)正常開展，為雙頻GPS導航系統(tǒng)在衛(wèi)星全生命周期長期穩(wěn)定運行提供了有力支持，可為其他航天器設計提供參考。