星載GNSS接收機抗單粒子及干擾方法

馮志強,李宗德,何 濤

上海微小衛星工程中心,上海 201203

0 引言

全球導航衛星系統(GNSS)是為提供導航定位服務而發展的一類衛星系列。全球4大導航系統,即美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的GLONASS和歐盟的Galileo, 目前已有100多顆衛星在軌運行。這些導航衛星不僅能夠為空間信息用戶提供全球共享的導航、定位、授時信息,還可無償提供全球覆蓋[1]。

星載 GNSS 信號接收機能夠為在軌航天器提供穩定、高精度的七維狀態參數測量,具有廣泛的工程實用價值[2]。對星載GPS觀測數據及星歷的正確分析是低軌衛星軌道確定的必要條件[3]。正因為星載接收機的廣闊應用前景,國外諸多科研機構都進行了研究和產品開發及工程實現,風云三號C(Fengyun 3C,FY3C)衛星于2013年發射,搭載了全球導航衛星掩星探測儀(GNSS Occultation Sounder,GNOS),是國際首臺兼容GPS和北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System, BDS) 的掩星探測儀,可同時提供GPS和BDS雙頻觀測數據,為研究星載GPS/BDS組合定軌提供了機會[4]。資源三號衛星是我國首顆民用立體測圖衛星,于2012 年1 月9 日發射。衛星上配備有國產雙頻 GPS 接收機[5]。文獻[6-8]均針對星載GNSS接收機的設計及應用開展了相關研究,滿足特定的應用場景,但未涉及星載GNSS接收機在軌異常的監測及處置。文獻[9-11]分別研究了衛星自主健康管理及自主診斷系統的設計,但未提供直接方法解決星載GNSS接收機在軌受單粒子影響和地面干擾的問題。文獻[12-13]介紹了GNSS接收機在復雜環境下抗窄帶及寬帶干擾算法設計,但是算法過于復雜,對于星載GNSS接收機硬件資源消耗較大,且會導致可靠性的降低。對于低軌空間環境衛星,空間環境較好,一般受干擾影響時段較少,星載GNSS接收機都支持GPS、BD兩種信號定位定軌功能,可靠性高,只要采取措施保證過干擾區域后都能快速恢復即不會影響衛星正常校時和定軌功能。文獻[14]研究了針對導航接收機的欺騙干擾,通過精確定量分析解決了欺騙干擾在實際應用中的功率控制問題,但未給出具體防范欺騙干擾和對檢測干擾及快速恢復的具體處置方法。文獻[15]研究了基于軟件無線電的全對稱全聯通可重構通信系統,通過動態重構方式可以有效地克服單粒子效應的影響,可重構目前已廣泛應用于星載單機中,包括GNSS接收機,但是在軌衛星重構一般都是作為最后手段,只有在明確軟件有缺陷的時候可以通過上注進行糾正,未給出在軌如何有效防止單粒子可能造成的影響的有效措施。

本文以某星載GNSS接收機為例研究其在軌抗單粒子及地面干擾的措施,并根據保護措施分別進行了地面測試及在軌驗證,結果表明該措施有效,可保障星載GNSS接收機在軌正常運行。

1 星載GNSS接收機

某型號星載GNSS接收機主要射頻前端、導航定位模塊(A/B)、電源模塊(A/B)組成。如圖1所示。

圖1 星載GPS/BD接收機組成圖

來自衛星對天和對地的兩個GNSS接收天線信號,進入射頻前端,經過合路器后,進入微波開關,可以切換成兩路分別給A、B機的低噪聲放大器放大濾波后,分別進入A、B路導航定位模塊,經過信號的放大、下變頻、濾波、采樣后得到兩路數字中頻信號,并完成兩路信號捕獲、跟蹤和數據解調,輸出原始觀測量,在導航基帶芯片中根據相應擇優策略完成選星、定位、定軌等功能。通過導航基帶芯片中的RS422通信口、CAN總線進行通信功能,秒脈沖信號通過異步RS422串口輸出給星務計算機。電源模塊為A/B機單獨供電。

2 單粒子影響

衛星在軌運行過程中,由于星載GNSS接收信號處理FPGA及DSP易受單粒子影響,會導致GNSS輸出定位、定軌狀態或時間、軌道數據異常,具體有如下幾種情況。

2.1 通道計算相關邏輯被打翻

信號處理FPGA個別通道偽距測量相關寄存器被改寫,導致該通道捕獲的衛星偽距或歷元錯誤,出現連續不定位的情況,有2種情況:

1)通道測量相關邏輯被單粒子打翻,相應通道的測量值異常從而導致偽距異常,此通道衛星參與定位解算時接收機輸出“有故障星”的不定位狀態;

2)歷元修正相關邏輯被單粒子打翻,導致幀同步時歷元修正沒有被有效執行,提取的原始觀測量中歷元出現誤差,導致通道衛星參與定位時偽距出現異常值。

2.2 定位定軌解算邏輯被打翻

導航及定軌軟件每秒進行定位定軌解算時會判斷當前是否整秒時刻,判斷條件的程序區被單粒子打翻后,調用偽距計算、定位、定軌的時間均會發生變化,會出現GPS、BDS定位、定軌時刻提前0.1 s,導致定位定軌輸出位置、速度與時間整秒不對應。

2.3 時間模型參數被打翻

時間模型參數錯誤,導致接收機時間異常,接收機時間是偽距計算、導航定位、定軌計算的共有基準量,時間異常后導致接收機無法進行正常定位和定軌。

2.4 DSP定軌算法程序區被打翻

接收機受空間單粒子事件的影響,內部DSP軟件定軌算法程序區被改寫,J2000坐標轉換中全局變量某數據受單粒子時間的影響,導致J2000坐標轉換錯誤,使定軌結果出現很大偏差,定軌頻繁重置。

2.5 接口訪問程序被打翻

DSP EMIF-A端口單粒子功能性中斷或者DSP EMIF寄存器刷新函數單粒子翻轉故障,導致DSP對接口處理FPGA尋址異常,即表現為EMIF-A端口CE1空間尋址異常,CAN總線接口和RS422異步串行接口同時出現無數據輸出。

3 地面干擾影響

衛星在軌運行過程中,由于衛星姿態變化,星載GNSS接收天線可能會接收來自地面的GNSS干擾信號,導致星載接收機經過地面干擾區域上空可能出現GPS定位異常,GPS校時不連續,GNSS定軌異常等現象。

綜合分析在軌數據,地面GPS干擾方式主要包括壓制性干擾和欺騙性干擾兩種形式[16-17]。

3.1 壓制式干擾

壓制式干擾即在GNSS接收頻段產生較大功率的噪聲,使得GNSS接收機接收信號的信噪比突然降低,導致不定位,校時功能中斷。衛星沿運行軌道掠過相關產生地面干擾信號的區域上空,則可能接收到來自地面的干擾信號,造成短時不定位和校時不連續現象。一般情況下,壓制式干擾對GNSS接收機的影響在衛星離開地面干擾區域上空后會自行恢復。

通過分析某型號衛星在軌GPS短暫不定位現象出現期間的狀態遙測,發現GPS信噪比遙測突然下降,如圖2所示,其中AD功率遙測表示接收機收到的信號強度,最高信噪比遙測表示接收機收到并處理的有效導航星信號強度。正常情況下,AD功率遙測為比較恒定的數值,遙測量顯示在20(無單位)左右,最高信噪比遙測數值一般在15以上,受干擾時,最高信噪比遙測降低到6左右,而AD功率卻有所抬升,說明接收機收到外部干擾信號,接收GPS信號信噪比下降,導致不定位。另外分析不定位現象出現期間星下點范圍,發現星下點均在經度(21～58)、緯度(16～47)范圍內,該區域大概位于中東阿拉伯半島附近位置,如圖3所示。

圖2 衛星不定位期間GPS信噪比變化情況

圖3 衛星受到干擾時星下點分布局部放大圖

3.2 欺騙式干擾

欺騙式干擾即模擬產生GPS衛星正常信號,修改部分信號參數,如時間信息,造成GNSS接收機接收時間信息出錯,使得接收機內部預報衛星的位置發生異常,這時衛星實際的位置與接收機解算的位置偏差比較大,導致接收機誤認為是衛星的星歷解算的衛星位置不正確,接收機頻繁不定位。如果GNSS接收機內部時間模型處理軟件未增加相關保護措施,可能導致接收機內部時間模型建立異常,輸出校時信息錯誤,且需要復位或者重新加斷電方可恢復。

時間建立和維持模塊的主要功能是通過接收機本地TIC計數(TIC周期設置為0.1 s),結合電文修正、碼時修正、定位修正等一系列措施來建立并維持本地時間模型,供電文處理、衛星預報、導航解算等模塊使用。

時間模型正確建立后,接收機正常接收衛星的電文時間,GPS的時間模型實時檢核已建立的時間模型與電文時間是否在合理范圍內(0.5 s),若在閾值內,則認為時間沒有出現問題;若時間不在閾值范圍內,則用新的電文時間修正本地時間。

正常來說電文時間是一個緩變增加的量,時間不會產生大的跳變值。通過對數據的分析發現,GPS的時間發生了大的跳變值(約36000 s),之后經過幾十秒的時間,該跳變值又恢復正常,北斗沒有發生該現象。接收機在GPS+BD混合工作模式下(默認)采用的是GPS的時間模型,單GPS模式采用GPS時間模型,但BD模式采用BD時間模型。由時間模型建立和維持流程可以得出,由于接收機收到的GPS電文時間發生了跳變,引起時間的異常突變,因此需要連續檢測電文實時檢核本地時間模型建立的合理性,出現異常時及時用電文時間修正。

電文時間是信號實時跟蹤捕獲解調得到的,正常來說電文時間是一個緩變增加的量,而在實際解算時,由于本身信號攜帶數據內容不正確導致發生大的跳變,這種異常現象懷疑是有欺騙干擾信號。

詳盡分析衛星遙測數據發生問題時衛星的位置等情況,發現發生問題時間跳變時刻衛星位置存在明顯的共性:

1)地理位置均處于東經25.5°～36.3°、北緯31.6°～35.1°范圍內,該區域為中東地區(以色列、敘利亞等國);

2)跳變發生的時段均在每天上午的7點到12點;

3)GPS周內秒跳變的數值均為36000 s左右;

4)在發生問題時間段內GPS衛星的載噪比均偏低,明顯低于北斗的信號強度;

5)收到的GPS衛星仰角高度為較大負值,如-73°等,正常范圍應為-25°～90°,低于-25°的衛星信號會被地球遮擋;

6)在衛星其它圈次靠近1)中所述位置范圍時,即使未出現GPS周秒跳變,也存在定位異?；騁PS載噪比突然降低的現象;

7)在上述發生異常的位置范圍內,北斗衛星的載噪比也有所下降,但仍然能正常工作。

以上現象與GNSS接收機受到地面轉發的GPS欺騙信號干擾的現象極為符合。

4 保護措施

根據上述分析,GNSS接收機在軌易受干擾的影響[18],分別從硬件及軟件角度分析抗單粒子及地面干擾,進一步對軟件進行可靠性設計,提高軟件在軌運行的可靠性和異常問題的處理能力,加強軟件在軌的健壯性。下面分別從現有的平臺具備的硬件防護設計、軟件防護設計對接收機進行梳理,查找薄弱環節,并結合在軌運行出現的問題提出更改措施。

4.1 時間異常判斷

當接收機首次定位有效后,在GPS定位第3秒時刻記錄對應時刻的TIC計數和對應的GPS周和GPS周內秒,在BDS定位第3秒時刻記錄對應時刻的TIC計數和對應的BDS周和BDS周內秒,對這些變量進行三模設計,提高數據的可靠性,用于接收機連續運行的時間異常判斷的參考時間。

接收機連續運行過程中,采集當前時刻觀測量后,使用當前時刻的TIC計數轉換的時間與記錄的參考時刻的周和周內秒進行比較,當誤差超過300 ms,則認為當前時間異常,置當前定位狀態為無效,秒脈沖置為無效。

實時解算衛星的電文,當收到電文子幀時,使用電文時間與當前時間進行比較,誤差超過200 ms,則重建時間模型。

當判斷時間異常后連續不定位超過20 min,則進行自復位,通過CAN總線上報復位計數。

4.2 J2000坐標異常判斷

將WGS84轉J2000坐標的程序代碼進行三模冗余設計,在SRAM兩個不同的區域分配相同的坐標轉換程序。

當接收機定位有效獲得WGS84的有效坐標,進行三次坐標轉換計算,獲得三組J2000的坐標。對三組J2000坐標的一致性進行判斷,當兩組及以上的位置偏差在50 m以內,速度偏差在0.5 m/s以內時,則認為當前轉換的J2000坐標正常,置J2000定位有效并將該有效的結果通過接口輸出。當三組結果均不一致,置J2000定位異常。當判斷J2000定位異常的連續時間超過20 min,則進行自復位,通過CAN總線上報復位計數。

4.3 定軌異常判斷

接收機定軌存在發散的情況,當出現異常后可能導致連續定軌發散或者定軌周期重置的現象,對定軌異常進行判斷,并上報定軌異常的故障。

圖4 J2000坐標異常判斷流程圖

接收機軟件在定軌計算完成后實時檢測定軌狀態,當檢測到定軌發散后,記錄當前參考的TIC時間和首次定軌無效標志,當20 min之內累計出現不定軌次數超過300,則通過CAN總線上報定軌異常狀態的標志。外部星務計算機可檢測到定軌異常,并對GNSS接收機進行復位處置。

圖5 定軌異常判斷流程圖

4.4 EOP參數可靠性設計

EOP參數是影響J2000坐標精度的因素之一,在使用過程中需要實時監測EOP參數的有效性。在EEPROM中存儲3份EOP參數,初始化模塊中讀取EOP參數,將EOP參數分別存儲在3個全局變量數組中,軟件運行過程中定期對3個變量數組進行3模校核。

4.5 全局變量三模設計

根據軟件模塊梳理情況,使用前不會被重新賦值的全局變量,增加三模冗余設計,預防出現類似多比特異常無法恢復的現象。同時在軟件運行過程中,異常狀態自恢復所涉及的全局變量需要重新初始化[19-20]。

4.6 對單機數據源數據校驗

星務軟件的軌道處理模塊實時對單機源數據有效性進行校驗,3種類型數據(GPS定軌、GPS定位、BD定位)分開校驗,現以GPS定軌數據校驗為例描述校驗方法,其他2種類型數據的校驗方法一樣。校驗方法如下:

a)判斷GPS定軌源數據有效性標識;

b)定軌源數據的累計秒與當前星上時的差需小于60 s;

c)校驗半長軸:

通過單機源數據求得的軌道半長軸與星上存儲的半長軸之差小于閾值(暫定50 km,在軌可改),具體判斷過程如式(1)～(4)所示:

(1)

(2)

(3)

|amea-a0|<ΔaGth

(4)

其中:μ為星上存儲的常數,μ=3.986×105km3/s2,a0為星上存儲的半長軸,單位為km,rm單位為km,vm單位為km/s,計算時應注意單位統一。

d)如果星上注入軌道有效且注入軌道基點前后外推時間小于默認外推時間(3 h),則進行以下校驗:GPS定軌數據外推至當前的軌道數據與注入軌道外推到當前的軌道數據,求三軸的差值,其中任一軸的位置偏差需小于閾值(暫定5 km,在軌可改),且速度偏差需小于閾值(暫定5 m/s,在軌可改)。

說明:

1)如果以上均通過,則認為GPS定軌數據有效。(注:若a)～c)均校驗通過,而d)不滿足判斷條件而跳過校驗,依然認為GPS數據校驗通過)。

2)當前處于定軌軌道時,若校驗(判a)～d))通過,則更新軌道遞推初值;更新校驗(判a)～d))不通過,則采用上一個校驗正確的GPS定軌數據進行軌道外推。當GPS定軌數據連續校驗失敗120次(60 s),則認為定軌數據為無效,此時不再使用其進行外推。

3)當前不處于GPS定軌軌道時,需要判斷(判a)～d))連續60 s校驗通過才能置GPS定軌數據有效,用第60 s數據作為軌道遞推初值;否則GPS定軌數據依然無效。

4.7 單機異常管理

1)復位計數大于3,則對BD/GPS單機進行重加電處理;斷電后時間間隔大于10 s后再重加電。

2)如果星上注入軌道有效且注入軌道基點前后外推時間小于默認外推時間(3 h),則進行以下校驗:單機J2000 GPS定軌數據外推至當前的軌道數據與注入軌道外推到當前的軌道數據求三軸的差值,其中有一軸的位置偏差連續20 min大于閾值(暫定10 km,在軌可改),或速度偏差連續20 min大于閾值(暫定10 m/s,在軌可改),則將單機重加電。斷電后時間間隔大于10 s后再重加電。

3)如果星上注入軌道有效且注入軌道基點前后外推時間小于默認外推時間(3 h),則進行以下校驗:單機J2000 GPS定位數據外推至當前的軌道數據與注入軌道外推到當前的軌道數據求三軸的差值,其中有一軸的位置偏差連續20 min大于閾值(暫定10 km,在軌可改),或速度偏差連續20 min大于閾值(暫定10 m/s,在軌可改),則將單機重加電。斷電后時間間隔大于10 s后再重加電。

4)如果星上注入軌道有效且注入軌道基點前后外推時間小于默認外推時間(3 h),則進行以下校驗:單機J2000 BD定位數據外推至當前的軌道數據與注入軌道外推到當前的軌道數據求三軸的差值,其中有一軸的位置偏差連續20 min大于閾值(暫定10 km,在軌可改),或速度偏差連續20 min大于閾值(暫定10 m/s,在軌可改),則將單機重加電。斷電后時間間隔大于10 s后再重加電。

5)連續重加電超過3次后,將星務中的GNSS單機異常管理功能禁止,可由地面上行指令使能或禁止該異常管理功能。GNSS單機異常管理功能默認為使能。

5 測試驗證

為驗證GNSS接收機軟件保護措施有效性,分別在地面和在軌進行了驗證。

5.1 地面測試驗證

根據上述更改措施修改軟件后,使用某星載GNSS接收機平臺對更改后的軟件進行了測試驗證,在接收機正常運行的情況下,通過調試模式修改FPGA及DSP軟件,模擬單粒子影響,觀察GNSS接收機運行情況,測試結果見表1。

表1 地面測試驗證

根據測試結果,所采取的時間異常判斷、J2000坐標轉換異常判斷、定軌異常判斷措施有效,可有效防止空間單粒子造成的GNSS接收機時間異常、J2000坐標異常及定軌異常的情況。

5.2 在軌測試驗證

某型號衛星GNSS接收機已加保護措施并在軌連續運行1年,GNSS接收機運行正常,均按要求穩定持續輸出位置信息、校時信息,保障了衛星載荷任務正常運行。經過對加保護措施后的星載GNSS接收機在軌運行1個月的數據處理分析,發現共計發生7次異常現象,異常發生時均快速檢測到并自行恢復。上述異?，F象發生于南大西洋高能粒子區附近,同時接收機運行于1000 km的高度,屬于粒子較活躍區域,易受空間環境影響引發單粒子事件。接收機通過多種防護措施(全局變量三模設計、軟件自刷新等),尤其軟件中增加的異常檢測、自行處置等功能,能夠有效提高在軌運行的可靠性。

6 結論

綜合分析星載GNSS接收機在軌數據,結果表明,由于星載GNSS接收機運行于粒子較活躍的軌道高度,在軌運行中易受空間環境影響導致接收機工作異常,同時星載GNSS接收機易受到外部干擾信號影響導致異常。因此星載接收機有必要增加多種可靠性保護措施,針對在軌運行時出現多次異?，F象(GNSS定位異常、GNSS定軌異常、校時異常、接口數據無輸出等)具備自恢復的功能。

該保護措施通過地面仿真測試驗證了其有效性,并應用在某型號衛星星載GNSS接收機上,通過在軌數據分析驗證了星載GNSS接收機出現異常能快速恢復,保障了載荷任務正常運行。可以為其它型號星載GNSS接收機設計提供參考。