星載GNSS接收機(jī)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(tǒng)是根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道信息和測量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理確定用戶接收機(jī)相位中心的位置，以及衛(wèi)星本體的運(yùn)動狀態(tài)和姿態(tài)信息。因此，GNSS接收機(jī)提供的軌道信息是衛(wèi)星有效載荷應(yīng)用和獲取衛(wèi)星本體姿態(tài)信息的關(guān)鍵基準(zhǔn)之一。如果其提供的時間廣播出現(xiàn)誤差，將會直接影響衛(wèi)星載荷使用測量的位置精度，甚至?xí)苯佑绊懶l(wèi)星本體的姿態(tài)安全。本文針對某商業(yè)遙感衛(wèi)星GNSS接收機(jī)整秒時間跳秒情況，對GNSS接收機(jī)的定位模塊工作機(jī)理進(jìn)行深入分析，找出整秒時間廣播異常引起GNSS接收機(jī)長時間無法定位的原因，并提出解決方法。

關(guān)鍵詞：GNSS;定位模塊;整秒時間

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

0 引言

目前，大部分衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間將使用大量的GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，如果GNSS接收機(jī)工作異常導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)錯誤，將直接影響系統(tǒng)導(dǎo)航的準(zhǔn)確和安全。本文介紹的GNSS接收機(jī)是為了適應(yīng)某商業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用而重新設(shè)計的一種低成本、低功耗GNSS接收機(jī)，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(guān)鍵性的定位模塊實(shí)現(xiàn)了兩路冗余熱備份，兩路定位模塊可通過定位定軌軟件監(jiān)控并對其獨(dú)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(shù)據(jù)，當(dāng)一個模塊出現(xiàn)故障時可以將數(shù)據(jù)源切換至另一個模塊的定位結(jié)果，繼續(xù)完成相應(yīng)的功能。GNSS接收機(jī)定位定軌板DSP獲取定位模塊板間通信數(shù)據(jù)后計算整秒時間，通過CAN總線對星上進(jìn)行主動廣播。

1 GNSS接收機(jī)在軌整秒時間廣播異常原因分析

在某商業(yè)衛(wèi)星工作期間，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星的GPS定位模擬TIC計數(shù)由1609694跳變?yōu)?1105，低于報警門限69990，說明GNSS接收機(jī)于21105秒前發(fā)生了自主復(fù)位。在此期間GNSS接收機(jī)各板間通信無效技術(shù)計數(shù)增加23次，衛(wèi)星姿態(tài)由對地運(yùn)行模式轉(zhuǎn)為太陽捕獲模式。根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出，由于GNSS接收機(jī)整秒廣播時間數(shù)據(jù)停止廣播超出2100s，從而觸發(fā)衛(wèi)星姿態(tài)轉(zhuǎn)太陽捕獲模式門限并立即轉(zhuǎn)入太陽捕獲模式。

提取GNSS接收機(jī)發(fā)生故障時段前后的工作數(shù)據(jù)，如表1所示。

數(shù)據(jù)表明，GNSS接收機(jī)整秒時間廣播數(shù)據(jù)累加至257022864后，退回到257022863，此時整秒時間廣播數(shù)據(jù)的來源為定位模塊A;此后，時間廣播數(shù)據(jù)來源切換到了定位模塊B，定位模塊B的廣播時間反復(fù)在257022857s、257022858s兩幀之間循環(huán)輸出，但是定位標(biāo)志保持為“定位”狀態(tài)。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，此狀態(tài)一直持續(xù)了2100s，此后整秒時間廣播數(shù)據(jù)再次切換至定位模塊A，時間廣播數(shù)據(jù)開始累加，定位模塊A的定位標(biāo)識為“非定位”，此時GNSS接收機(jī)中兩個定位模塊均已完成復(fù)位，但GNSS接收機(jī)A＼B機(jī)依然未恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

1.1 整秒對時廣播發(fā)送機(jī)理

GNSS接收機(jī)DSP發(fā)送整秒時間廣播數(shù)據(jù)包含2個軟件模塊：打包模塊和發(fā)送模塊。在打包模塊中，對整秒時間廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行組包，然后在發(fā)送模塊中發(fā)送到CAN總線上。

其中，DSP判斷接收機(jī)是否定位的機(jī)制為：DSP讀到定位模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)后，對包頭、校驗(yàn)進(jìn)行判斷，均通過后才把數(shù)據(jù)讀取到DSP的緩存中。讀取后，DSP將定位模塊中的定位標(biāo)記與整秒時間廣播數(shù)據(jù)一起打包輸出。

發(fā)送模塊為了保證每秒在整秒時刻的50ms內(nèi)發(fā)送時間廣播數(shù)據(jù)且每秒只發(fā)送一次，故將該發(fā)送步驟分為了2拍，首先收到秒脈沖后，DSP內(nèi)部置一次標(biāo)識;然后DSP的工作時鐘驅(qū)動的2.5ms中斷中對該標(biāo)識進(jìn)行判斷，判斷到有效后發(fā)送數(shù)據(jù)，并將該標(biāo)識清零。由于GNSS接收機(jī)內(nèi)部存在2個定位模塊，DSP內(nèi)部也同時在進(jìn)行2套定軌運(yùn)算。在接收機(jī)輸出的秒脈沖、遙測數(shù)據(jù)以及整秒時間廣播數(shù)據(jù)中，涉及到如何選擇2路數(shù)據(jù)源的問題。其選擇機(jī)制如下：

DSP中同時維持兩個定軌模塊的運(yùn)行，每個模塊分別選用一路定位模塊的原始測量量進(jìn)行定軌計算，相互獨(dú)立;緩變遙測數(shù)據(jù)中涉及到兩個定位模塊的數(shù)據(jù)，采用分時復(fù)用的方式，將兩個模塊的遙測數(shù)據(jù)間隔打出。

速變遙測數(shù)據(jù)中涉及到定位給模塊的數(shù)據(jù)，選擇數(shù)據(jù)源的邏輯相對復(fù)雜，簡單的說，兩個模塊中有一個模塊定軌有效時，優(yōu)先選用定軌有效的模塊作為數(shù)據(jù)源;如果均不定軌有效，兩個模塊中有一個模塊定位時，優(yōu)先選用定位的模塊作為數(shù)據(jù)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(yōu)先選擇外推有效的模塊作為數(shù)據(jù)源;秒時間廣播數(shù)據(jù)在選取數(shù)據(jù)源時，與速變遙測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源保持一致。

1.2 在軌異常機(jī)理

定位模塊將解算數(shù)據(jù)發(fā)送至DSP需要1秒時間，DSP完成數(shù)據(jù)解算需要1秒時間，因此GNSS接收機(jī)遙測數(shù)據(jù)中對應(yīng)著定位結(jié)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(dāng)前秒的實(shí)際UTC時間，對在軌遙測數(shù)據(jù)及整秒時間廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理對照。當(dāng)時定位模塊B由于單粒子事件造成輸出數(shù)據(jù)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(shù)進(jìn)行累加;由于定位模塊B發(fā)送數(shù)據(jù)錯誤計數(shù)達(dá)到6次，根據(jù)可靠性措施，DSP對兩個定位模塊進(jìn)行一次管腳復(fù)位，定位模塊A被復(fù)位，復(fù)位成功后，A模塊變?yōu)椴欢ㄎ?而管腳復(fù)位后定位模塊B并沒能成功初始化，依舊保持輸出數(shù)據(jù)錯誤狀態(tài)。DSP判斷定位模塊A非定位達(dá)到35分鐘后，對其進(jìn)行了復(fù)位。此次復(fù)位，除了進(jìn)行管腳復(fù)位外，同時對供電LDO進(jìn)行了復(fù)位，并對頻綜進(jìn)行重新配置。B定位模塊恢復(fù)正常，整機(jī)隨即恢復(fù)正常。

2 GNSS接收機(jī)在軌整秒時間廣播異常解決方案

根據(jù)分析，GNSS接收機(jī)整秒時間廣播數(shù)據(jù)異常，是由于定位模塊B發(fā)生了單粒子事件。此后，根據(jù)在軌軟件措施，非定位2100s后，DSP已經(jīng)對兩個定位模塊進(jìn)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(jī)已經(jīng)恢復(fù)了正常工作狀態(tài)。

本次在軌故障反映了GNSS接收機(jī)軟件存在兩方面問題：

（1）定位模塊發(fā)送數(shù)據(jù)未通過校驗(yàn)后，DSP并沒有及時將其判斷為非定位狀態(tài)，導(dǎo)致使用了錯誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行UTC計算，廣播了錯誤的整秒時間廣播數(shù)據(jù);

（2）DSP通過在板間通信的監(jiān)控中判斷一個模塊板間通信錯誤后，同時復(fù)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(fā)送數(shù)據(jù)錯誤時，應(yīng)當(dāng)置當(dāng)前定位模塊狀態(tài)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(dá)到門限后，更改為只對當(dāng)前非定位模塊進(jìn)行復(fù)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(jìn)行復(fù)位操作。

3 結(jié)語

通過以上內(nèi)容可以得出GNSS接收機(jī)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(shù)據(jù)錯誤，導(dǎo)致整秒時間廣播數(shù)據(jù)重復(fù);而定位模塊在觸發(fā)定位定軌板軟件復(fù)位機(jī)制后，未能恢復(fù)正常，因而整秒時間廣播未能及時恢復(fù)正常狀態(tài)。通過對GPS接收機(jī)DSP進(jìn)行修改實(shí)現(xiàn)了一旦其中一個定位模塊發(fā)生問題后，立即對有問題的定位模塊進(jìn)行復(fù)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(dāng)有問題的定位模塊不能通過復(fù)位恢復(fù)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(jī)的正常工作，并且在執(zhí)行復(fù)位操作的時候?qū)φ９ぷ鞯亩ㄎ荒K進(jìn)行不必要的復(fù)位，有效的保證了GNSS接收機(jī)的工作狀態(tài)。

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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