資源一號02D衛星雙頻GPS導航系統容錯設計

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衛星(又稱為5米光學業務衛星)使用雙頻GPS導航系統[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]數據等信息，為其他分系提供所需的測量數據；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基準；④輸出原始測量及整星的輔助數據，提高事后精密定軌精度。

低軌遙感衛星GPS導航系統內部采用單粒子敏感數字電路，并在軌長期處于高速運算狀態。低軌遙感衛星運行的太空環境復雜，易發生單粒子翻轉[5-6]問題，可能導致星載GPS導航系統工作異常，出現位置、速度、時間數據中斷問題，進而影響整星業務的連續性。因此，星載GPS導航系統在軌容錯機制對于低軌遙感衛星在軌運行至關重要。星載GPS導航系統的故障模式包括時統信息異常、定位狀態異常、定軌狀態異常、定位定軌數據異常和通信連續性異常等。目前，在整星層面的處理措施，都是監控到異常時立刻停止使用時統信息，并在一定時間內對星載GPS導航系統進行復位或者重新啟動，使其重新建立捕獲定位狀態，恢復正常工作。這樣雖然可以解決大多數的故障模式，但是也造成時統信息及通信丟失。資源一號02D衛星雙頻GPS導航系統采用文獻[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導航系統出現異常時可使其有效時間信息中斷輸出，因此增加了雙頻GPS導航系統時間數據可靠性處理措施。另外，根據在軌數據及地面仿真分析，雙頻GPS導航系統出現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，所以在整星層面對時統信息也采用容錯設計。在雙頻GPS導航系統在軌出現位置、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、時間基準等繼續保持位置、速度、時間及其他有效載荷輔助數據、時間信息有效不間斷的輸出。

本文介紹了資源一號02D衛星雙頻GPS導航系統容錯設計，通過分析、評估雙頻GPS導航系統故障影響持續時長、時間系統精確度，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，可保證整星業務的連續性。

1 容錯設計

雙頻GPS導航系統容錯設計，主要包括整星層面容錯設計(即整星對雙頻GPS導航系統健康狀態監控與干預處理)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導航系統容錯設計，在整星層面接收雙頻GPS導航系統狀態字或者其他遙測數據，綜合判斷雙頻GPS導航系統工作狀態。當雙頻GPS導航系統異常時，通過整星層面干預，強制開關雙頻GPS導航系統，具體處理如表1[7]所示。

表1 整星層面雙頻GPS導航系統運行狀態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

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

1.2.1 雙頻GPS導航系統板間/內監控設計

通過雙頻GPS導航系統板間監控、板內狀態監控，判斷異常時可進行自干預，強制雙頻GPS導航系統恢復正常，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導航系統輔助數據連續性設計

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

1)定位、定軌數據根據板間工作狀態選擇輸出

當雙頻GPS導航系統通道板出現異常無法連續定位時，雙頻GPS導航系統將依靠軌道接口板建立的定軌模型外推出高精度位置、速度數據，以及使用定位數據計算的相機積分時間代碼等。在不同狀態下，雙頻GPS導航系統可輸出的各參數狀態如表3所示。

2)非定位期間秒脈沖信號/整秒時間碼依據外部高穩時鐘繼續輸出

雙頻GPS導航系統實際在軌工作中優先使用外部高穩時鐘作為工作時鐘，當其處于非定位狀態時，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導航系統完全依賴外部高穩時鐘(與GPS衛星上時鐘存在計時誤差)進行計時，確定秒脈沖下降沿發生時刻，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總線規定的發送緩沖區內，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)，并通過各有效載荷評估，當雙頻GPS導航系統出現異常無法連續定位后，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導航系統通道板出現異常，無法連續定位后，在一定時間范圍內會繼續輸出有效整秒時間碼，供整星有效載荷使用。

表3 參數狀態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衛星仿真軌道[8]以及資源一號02D衛星雙頻GPS導航系統，根據文獻[9]中的導航定位系統原理進行仿真測試，包括雙頻GPS導航系統處于軌道外推時位置和速度精度，以確定雙頻GPS導航系統在軌出現非定位時數據是否可用。積累0.5 h以上的連續觀測數據，能得到較高精度的外推數據[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，可以在非定位狀態下繼續使用定軌外推數據計算積分時間代碼，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，即高穩時鐘與基準時鐘(GPS衛星上時鐘)計時誤差，具體公式如下。

(1)

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

雙頻GPS導航系統定位、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時鐘單元頻偏情況。使用高精度信號發生器作為雙頻GPS導航系統的外鐘，外接動態導航仿真信號，并通過軟件控制自動調節高精度信號發生器，使實際輸出到雙頻GPS導航系統的時鐘頻率偏離5 MHz基準時鐘，等待雙頻GPS導航系統完成定位后，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導航系統計算的鐘漂值，反推出高穩時鐘單元固有頻偏。

在固定頻率偏差條件下，等待雙頻GPS導航系統定位后，中斷信號源，使得雙頻GPS導航系統由“定位狀態”轉為“非定位狀態”，并使用時間間隔計數器記錄基準秒脈沖與雙頻GPS導航系統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。

通過仿真測試及整星測試中雙頻GPS導航系統穩定定位后輸出到遙測中的鐘漂值20，計算高穩時鐘偏離基準頻率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導航系統連續非定位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衛星的整星測試階段，通過設置雙頻GPS導航系統仿真信號源軌道場景中GPS星座特定星號開啟/關閉狀態，使得雙頻GPS導航系統仿真測試過程中(星況問題)頻繁出現非定位故障現象，驗證雙頻GPS導航系統容錯措施的有效性，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工作的連續開展，但對于異常事件持續時長超過容限閾值的情況，該容錯設計表現不足。若雙頻GPS導航系統充分考慮歷史解算的穩定鐘漂值，將其作為高穩時鐘偏離量的先驗信息，在雙頻GPS導航系統進入異常時，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，后續將根據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衛星雙頻GPS導航系統在世界協調時間(UTC)時間2020-06-19飛入單粒子敏感區域時，發生了一次單粒子翻轉導致雙頻GPS導航系統通道板軟件非定位問題，連續非定位時長為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衛星其他分系統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(對比點位數目共4318個，點位分辨率為10 s，共跨越12 h的數據)，并復核雙頻GPS導航系統該時間段位置、速度精度(包括雙頻GPS導航系統出現非定位期間定軌外推位置、速度數據)，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，各分系統正常使用秒脈沖及時間數據，整星業務連續未中斷，滿足使用要求，具體定軌數據包復核精度如表7所示。

注：紅框標記處是出現了短暫非定位現象。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衛星雙頻GPS導航系統可為整星提供定位數據、定軌數據、時間基準，空間環境復雜可能會導致其出現短暫功能異常。針對短暫可恢復非定位異常現象，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正常開展，為雙頻GPS導航系統在衛星全生命周期長期穩定運行提供了有力支持，可為其他航天器設計提供參考。