資源一號(hào)02D衛(wèi)星雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)

王建 趙里恒 武小棟 胡萍 蘇瑩

(1 中國(guó)空間技術(shù)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(shù)研究所，西安 710071)(4 北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京 100076)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)使用雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)[1-2]。雙頻載波L1上包含C/A碼和P碼2種測(cè)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(zhì)量的導(dǎo)航應(yīng)用，主要包括：①輸出計(jì)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(cè)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(jī)提供成像任務(wù)所需的積分時(shí)間代碼；③輸出高精度微秒級(jí)別的脈沖信號(hào)和對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)間，為整星提供高精度時(shí)統(tǒng)基準(zhǔn)；④輸出原始測(cè)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(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部采用單粒子敏感數(shù)字電路，并在軌長(zhǎng)期處于高速運(yùn)算狀態(tài)。低軌遙感衛(wèi)星運(yùn)行的太空環(huán)境復(fù)雜，易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)[5-6]問題，可能導(dǎo)致星載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)工作異常，出現(xiàn)位置、速度、時(shí)間數(shù)據(jù)中斷問題，進(jìn)而影響整星業(yè)務(wù)的連續(xù)性。因此，星載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在軌容錯(cuò)機(jī)制對(duì)于低軌遙感衛(wèi)星在軌運(yùn)行至關(guān)重要。星載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的故障模式包括時(shí)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(shí)立刻停止使用時(shí)統(tǒng)信息，并在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)星載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位或者重新啟動(dòng)，使其重新建立捕獲定位狀態(tài)，恢復(fù)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(shí)統(tǒng)信息及通信丟失。資源一號(hào)02D衛(wèi)星雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)采用文獻(xiàn)[7]中提到的雙頻GPS接收機(jī)單機(jī)層面可靠性設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)可使其有效時(shí)間信息中斷輸出，因此增加了雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)最頻繁的故障模式是定位定軌異常，但會(huì)在指標(biāo)范圍內(nèi)重新建立狀態(tài)，所以在整星層面對(duì)時(shí)統(tǒng)信息也采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)。在雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在軌出現(xiàn)位置、速度、時(shí)間短暫中斷問題后，采用上述在軌容錯(cuò)設(shè)計(jì)，可通過原來建立的軌道模型、時(shí)間基準(zhǔn)等繼續(xù)保持位置、速度、時(shí)間及其他有效載荷輔助數(shù)據(jù)、時(shí)間信息有效不間斷的輸出。

本文介紹了資源一號(hào)02D衛(wèi)星雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，通過分析、評(píng)估雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)故障影響持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、時(shí)間系統(tǒng)精確度，以及事后精密定軌[8]、定軌外推精度指標(biāo)，證明容錯(cuò)設(shè)計(jì)有效，可保證整星業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

1 容錯(cuò)設(shè)計(jì)

雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，主要包括整星層面容錯(cuò)設(shè)計(jì)(即整星對(duì)雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)控與干預(yù)處理)和單機(jī)層面容錯(cuò)設(shè)計(jì)，見圖1。

圖1 容錯(cuò)設(shè)計(jì)總體方案Fig.1 Robust design scheme

1.1 整星層面容錯(cuò)設(shè)計(jì)

雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，在整星層面接收雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)字或者其他遙測(cè)數(shù)據(jù)，綜合判斷雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)工作狀態(tài)。當(dāng)雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)異常時(shí)，通過整星層面干預(yù)，強(qiáng)制開關(guān)雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，具體處理如表1[7]所示。

表1 整星層面雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)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(jī)層面容錯(cuò)設(shè)計(jì)

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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，在單機(jī)層面也采取了多項(xiàng)措施。

1.2.1 雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)板間/內(nèi)監(jiān)控設(shè)計(jì)

通過雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)板間監(jiān)控、板內(nèi)狀態(tài)監(jiān)控，判斷異常時(shí)可進(jìn)行自干預(yù)，強(qiáng)制雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)恢復(fù)正常，具體容錯(cuò)措施詳見表2[7]。

表2 單機(jī)層面容錯(cuò)措施Table 2 Fault-tolerant measures at subsystem level

1.2.2 雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)輔助數(shù)據(jù)連續(xù)性設(shè)計(jì)

雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在整星、板間/內(nèi)設(shè)置了容錯(cuò)設(shè)計(jì)，并在輔助數(shù)據(jù)層面進(jìn)行了容錯(cuò)設(shè)計(jì)，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(shí)，整秒時(shí)間碼依賴外部高穩(wěn)時(shí)鐘在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)為整星有效載荷提供有效時(shí)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(dāng)雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)通道板出現(xiàn)異常無法連續(xù)定位時(shí)，雙頻GPS導(dǎo)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(jì)算的相機(jī)積分時(shí)間代碼等。在不同狀態(tài)下，雙頻GPS導(dǎo)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(hào)/整秒時(shí)間碼依據(jù)外部高穩(wěn)時(shí)鐘繼續(xù)輸出

雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際在軌工作中優(yōu)先使用外部高穩(wěn)時(shí)鐘作為工作時(shí)鐘，當(dāng)其處于非定位狀態(tài)時(shí)，無法實(shí)時(shí)計(jì)算(測(cè)量)獲得其工作時(shí)鐘相比GPS星座基準(zhǔn)時(shí)鐘偏移量。此時(shí)，雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)完全依賴外部高穩(wěn)時(shí)鐘(與GPS衛(wèi)星上時(shí)鐘存在計(jì)時(shí)誤差)進(jìn)行計(jì)時(shí)，確定秒脈沖下降沿發(fā)生時(shí)刻，在秒脈沖下降沿后的100 ms內(nèi)將秒脈沖對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)間信息寫入1553B總線規(guī)定的發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)，設(shè)置相應(yīng)的服務(wù)請(qǐng)求，等待整星的中央處理單元響應(yīng)并取走，傳遞給各守時(shí)終端(即秒脈沖的使用分系統(tǒng))，并通過各有效載荷評(píng)估，當(dāng)雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)異常無法連續(xù)定位后，其輸出的整秒時(shí)間碼精度在58 μs以內(nèi)，因此仍可被整星有效載荷使用。

雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)通道板出現(xiàn)異常，無法連續(xù)定位后，在一定時(shí)間范圍內(nèi)會(huì)繼續(xù)輸出有效整秒時(shí)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(yàn)驗(yàn)證與在軌驗(yàn)證

2.1 外推精度仿真

使用資源一號(hào)02D衛(wèi)星仿真軌道[8]以及資源一號(hào)02D衛(wèi)星雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的導(dǎo)航定位系統(tǒng)原理進(jìn)行仿真測(cè)試，包括雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)處于軌道外推時(shí)位置和速度精度，以確定雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在軌出現(xiàn)非定位時(shí)數(shù)據(jù)是否可用。積累0.5 h以上的連續(xù)觀測(cè)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(shí)間變化如圖4所示,其中X軸，Y軸，Z軸為WGS-84坐標(biāo)系下的3軸方向。定軌外推精度隨時(shí)間變化如表4所示。

資源一號(hào)02D衛(wèi)星指標(biāo)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(jīng)過仿真分析可知：在異常以后的60 min內(nèi)，外推位置精度為10 m左右， 100 min內(nèi)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(jì)算積分時(shí)間代碼，以及作為相機(jī)成像位置速度信息。

注：100 min內(nèi)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(nèi)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(shí)間變化Table 4 Orbit determination extrapolation accuracy change with time

2.2 整秒時(shí)間碼有效保持容錯(cuò)仿真

2.2.1 整秒時(shí)間碼有效保持時(shí)間確定

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

(1)

式中：δf為雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)工作時(shí)鐘基準(zhǔn)偏離量(即高穩(wěn)時(shí)鐘固定頻率偏移量)；f0為基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，取5 MHz；t為連續(xù)非定位時(shí)長(zhǎng)，s。

雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)定位、定速解算過程中，可獲得鐘漂測(cè)量值，該測(cè)量量可反映雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)鐘偏離其標(biāo)稱值的程度，具體鐘漂與基準(zhǔn)時(shí)鐘的偏離量有如下關(guān)系。

(2)

式中：F為鐘漂；c為光速。

直接使用設(shè)備測(cè)試出的高穩(wěn)時(shí)鐘單元固有頻偏，無法精確反映在軌工作時(shí)實(shí)際頻偏情況，因此需要尋找其他方法反映高穩(wěn)時(shí)鐘單元頻偏情況。使用高精度信號(hào)發(fā)生器作為雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的外鐘，外接動(dòng)態(tài)導(dǎo)航仿真信號(hào)，并通過軟件控制自動(dòng)調(diào)節(jié)高精度信號(hào)發(fā)生器，使實(shí)際輸出到雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率偏離5 MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘，等待雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)完成定位后，自動(dòng)記錄遙測(cè)中鐘漂值及基準(zhǔn)時(shí)鐘偏移量(見表5)，并繪制基準(zhǔn)時(shí)鐘偏移量與鐘漂值關(guān)系曲線(見圖5)，2個(gè)參變量呈一次線性關(guān)系。

表5 基準(zhǔn)時(shí)鐘偏移量與鐘漂值的關(guān)系Table 5 Relationship of primary reference clock offset and clock drift

圖5 基準(zhǔn)時(shí)鐘偏移量與鐘漂值關(guān)系Fig.5 Relationship of primary reference clock offset and clock drift

通過以上試驗(yàn)可知：實(shí)測(cè)基準(zhǔn)時(shí)鐘偏移量、鐘漂值之間的關(guān)系與式(2)一致，因此可以使用整星下傳的雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算的鐘漂值，反推出高穩(wěn)時(shí)鐘單元固有頻偏。

在固定頻率偏差條件下，等待雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)定位后，中斷信號(hào)源，使得雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)由“定位狀態(tài)”轉(zhuǎn)為“非定位狀態(tài)”，并使用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器記錄基準(zhǔn)秒脈沖與雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際輸出的秒脈沖之間時(shí)間差(偏移量)，見表6，并記錄非定位后時(shí)間偏移量，見圖6。

表6 實(shí)測(cè)鐘漂值與秒脈沖偏移量關(guān)系Table 6 Relationship of primary reference clock drift and second pulse

圖6 非定位時(shí)間偏移量Fig.6 Non-localized time shift

通過以上試驗(yàn)可知：實(shí)測(cè)鐘漂值、秒脈沖偏移量之間的關(guān)系與式(1)一致，因此可以使用整星下傳的雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算的鐘漂值，評(píng)估有效載荷引入的秒脈沖偏離基準(zhǔn)值依據(jù)。

通過仿真測(cè)試及整星測(cè)試中雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)穩(wěn)定定位后輸出到遙測(cè)中的鐘漂值20，計(jì)算高穩(wěn)時(shí)鐘偏離基準(zhǔn)頻率5 MHz的偏移量為0.34 Hz，由于雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中通道板軟件實(shí)際使用的62 MHz時(shí)鐘是由頻率綜合器芯片以外部輸入的5 MHz時(shí)鐘為基準(zhǔn)倍頻得到的，那么62 MHz實(shí)際偏了4.216 Hz，從而計(jì)算出秒脈沖精度為0.999 999 932 s，可知秒脈沖信號(hào)每秒偏出基準(zhǔn)值68 ns。雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)連續(xù)非定位900 s導(dǎo)致時(shí)間準(zhǔn)確度偏離基準(zhǔn)值61.2 μs，從整星層面出發(fā)綜合整星對(duì)圖像處理的要求，結(jié)合分析相機(jī)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(cuò)門限。

2.2.2 整秒時(shí)間碼有效保持容錯(cuò)有效性試驗(yàn)

在資源一號(hào)02D衛(wèi)星的整星測(cè)試階段，通過設(shè)置雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)仿真信號(hào)源軌道場(chǎng)景中GPS星座特定星號(hào)開啟/關(guān)閉狀態(tài)，使得雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)仿真測(cè)試過程中(星況問題)頻繁出現(xiàn)非定位故障現(xiàn)象，驗(yàn)證雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)容錯(cuò)措施的有效性，見圖7。

從圖7可以看出：采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)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(duì)于異常事件持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過容限閾值的情況，該容錯(cuò)設(shè)計(jì)表現(xiàn)不足。若雙頻GPS導(dǎo)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(shí)鐘偏離量的先驗(yàn)信息，在雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入異常時(shí)，將該量作為先驗(yàn)信息來修正時(shí)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(jìn)方法進(jìn)行充分分析與驗(yàn)證，確定其實(shí)施手段與可靠性。

圖7 容錯(cuò)設(shè)計(jì)前后情況示意Fig.7 Situation before and after fault-tolerant design

2.3 在軌驗(yàn)證

資源一號(hào)02D衛(wèi)星雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在世界協(xié)調(diào)時(shí)間(UTC)時(shí)間2020-06-19飛入單粒子敏感區(qū)域時(shí)，發(fā)生了一次單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)通道板軟件非定位問題，連續(xù)非定位時(shí)長(zhǎng)為315 s。當(dāng)時(shí)整星安全閾值為400 s，該非定位時(shí)間未引起資源一號(hào)02D衛(wèi)星其他分系統(tǒng)退出秒脈沖引用事件，且通過計(jì)算UTC時(shí)間2020-06-19T04:00:00-16:00:00精密軌道(對(duì)比點(diǎn)位數(shù)目共4318個(gè)，點(diǎn)位分辨率為10 s，共跨越12 h的數(shù)據(jù))，并復(fù)核雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)該時(shí)間段位置、速度精度(包括雙頻GPS導(dǎo)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(biāo)要求。同時(shí)，各分系統(tǒng)正常使用秒脈沖及時(shí)間數(shù)據(jù)，整星業(yè)務(wù)連續(xù)未中斷，滿足使用要求，具體定軌數(shù)據(jù)包復(fù)核精度如表7所示。

注：紅框標(biāo)記處是出現(xiàn)了短暫非定位現(xiàn)象。圖8 容錯(cuò)設(shè)計(jì)生效時(shí)位置精度Fig.8 Position accuracy when fault-tolerant design works

圖9 容錯(cuò)設(shè)計(jì)生效時(shí)速度精度Fig.9 Velocity accuracy when fault-tolerant design works

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

3 結(jié)束語

資源一號(hào)02D衛(wèi)星雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)可為整星提供定位數(shù)據(jù)、定軌數(shù)據(jù)、時(shí)間基準(zhǔn)，空間環(huán)境復(fù)雜可能會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)短暫功能異常。針對(duì)短暫可恢復(fù)非定位異?，F(xiàn)象，本文提出了多層級(jí)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，從整星層面和單機(jī)層面進(jìn)行自主聯(lián)合的處理方式，并通過仿真與在軌驗(yàn)證證明了設(shè)計(jì)合理有效。該容錯(cuò)設(shè)計(jì)保證了整星工作持續(xù)正常開展，為雙頻GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在衛(wèi)星全生命周期長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力支持，可為其他航天器設(shè)計(jì)提供參考。