涂蘭芬 劉久利 周麗萍 楊小勇 周波

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

高分三號(hào)衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

涂蘭芬 劉久利 周麗萍 楊小勇 周波

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星具有大角度快速機(jī)動(dòng)及復(fù)雜電磁環(huán)境的特點(diǎn),測(cè)控分系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)難以滿足衛(wèi)星需求。文章提出射頻設(shè)備的抗干擾設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方法,介紹了GF-3測(cè)控分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、技術(shù)特點(diǎn),并給出了地面試驗(yàn)及在軌運(yùn)行驗(yàn)證結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了測(cè)控分系統(tǒng)高靈敏度接收與大功率合成孔徑雷達(dá)(SAR)之間復(fù)雜環(huán)境的電磁兼容性,同時(shí)首次采用高精度實(shí)時(shí)快速導(dǎo)航定位算法和自主健康管理方法,實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航子系統(tǒng)快速連續(xù)定位。

高分三號(hào)衛(wèi)星;測(cè)控分系統(tǒng);長(zhǎng)壽命;電磁兼容性

1 引言

隨著空間技術(shù)的日益發(fā)展,遙感衛(wèi)星裝載的有效載荷呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì),星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)作為一種穩(wěn)定、高效的SAR圖像獲取手段受到了世界各國(guó)的高度重視,從美國(guó)發(fā)射全球第一顆SAR衛(wèi)星——海洋衛(wèi)星(Seasat)后,各國(guó)都分別制定了各自的星載SAR系統(tǒng)計(jì)劃。

由于SAR載荷是大功率發(fā)射設(shè)備,以及成像需要衛(wèi)星經(jīng)常做大角度機(jī)動(dòng)等特殊要求,SAR衛(wèi)星的測(cè)控分系統(tǒng)具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)。

高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)常規(guī)功能的基礎(chǔ)上,還進(jìn)行了與大功率載荷之間的電磁兼容性設(shè)計(jì)、大角度機(jī)動(dòng)下的高精度定軌和8年長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì):①由于GF-3衛(wèi)星配備有高功率合成孔徑雷達(dá)(SAR)載荷以及常規(guī)的測(cè)控和數(shù)傳分系統(tǒng),衛(wèi)星電磁環(huán)境復(fù)雜,從設(shè)計(jì)初期就注重測(cè)控設(shè)備與大功率SAR的電磁兼容性設(shè)計(jì)。②為適應(yīng)SAR載荷成像需求,衛(wèi)星需要大角度機(jī)動(dòng),導(dǎo)航接收機(jī)從設(shè)計(jì)上克服了因大角度機(jī)動(dòng)帶來(lái)可觀測(cè)導(dǎo)航衛(wèi)星的頻繁更換,導(dǎo)致影響導(dǎo)航接收機(jī)捕獲、連續(xù)定位等問(wèn)題。③由于衛(wèi)星對(duì)地和對(duì)天面相對(duì)較小,需要通過(guò)射頻天線的合理布局、頻譜合理分配和設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)來(lái)保障星上射頻系統(tǒng)天線的安裝和正常工作。④針對(duì)易受空間環(huán)境影響的設(shè)備,采取差錯(cuò)控制編碼糾錯(cuò)技術(shù)和單粒子防護(hù)設(shè)計(jì),提高設(shè)備在軌運(yùn)行的可靠性。⑤采用了高精度實(shí)時(shí)快速導(dǎo)航定位算法和自主健康管理方法,實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航子系統(tǒng)快速連續(xù)定位,確保為整星提供連續(xù)高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)[1]。

本文主要介紹GF-3衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)的設(shè)計(jì),針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)提出了解決途徑,并通過(guò)試驗(yàn),驗(yàn)證了方法的有效性,可為后續(xù)大功率微波遙感衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提供參考。

2 測(cè)控分系統(tǒng)構(gòu)成

GF-3衛(wèi)星星上射頻設(shè)備之間頻率多樣化、抗干擾能力差異、布局需求不同,各系統(tǒng)需要同時(shí)工作,因此測(cè)控分系統(tǒng)必須開(kāi)展系統(tǒng)性設(shè)計(jì),加強(qiáng)設(shè)備的抗干擾能力,提升系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星大角度機(jī)動(dòng)的適應(yīng)性。

GF-3衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)由統(tǒng)一S頻段(USB)測(cè)控子系統(tǒng)、導(dǎo)航接收子系統(tǒng)、中繼測(cè)控子系統(tǒng)三部分組成,測(cè)控分系統(tǒng)如圖1所示。USB子系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供對(duì)地測(cè)控通道,完成遙測(cè)、遙控和測(cè)距功能;同時(shí)中繼測(cè)控子系統(tǒng)作為測(cè)控通道的備份,實(shí)現(xiàn)地面測(cè)控網(wǎng)視距范圍外的測(cè)控通信,擴(kuò)展可測(cè)控弧段,保障對(duì)地測(cè)控子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),仍可持續(xù)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)視和控制[2]。導(dǎo)航接收子系統(tǒng)為衛(wèi)星提供連續(xù)高精度測(cè)量數(shù)據(jù),適應(yīng)衛(wèi)星大角度機(jī)動(dòng)狀態(tài)下,持續(xù)提供衛(wèi)星實(shí)時(shí)在軌位置、速度信息。

3 測(cè)控分系統(tǒng)主要特點(diǎn)

3．1 復(fù)雜電磁環(huán)境的電磁兼容性設(shè)計(jì)

測(cè)控分系統(tǒng)內(nèi)部單機(jī)既有高靈敏度的接收設(shè)備,也有射頻發(fā)射設(shè)備,系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)需要保證所有射頻收發(fā)設(shè)備在共同形成的電磁環(huán)境中能夠正常工作,射頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的帶內(nèi)和帶外發(fā)射信號(hào),應(yīng)不會(huì)對(duì)射頻接收機(jī)構(gòu)成干擾,設(shè)計(jì)過(guò)程中需從發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的頻譜兼容性著手,分析發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的干擾信號(hào)頻率是否會(huì)與接收機(jī)的接收頻率、中頻等重疊,加強(qiáng)單機(jī)設(shè)備的抗帶外干擾的雜波抑制能力。

為了計(jì)算單個(gè)發(fā)射源和單個(gè)敏感裝置之間的電磁干擾,應(yīng)將源函數(shù)和傳輸函數(shù)(它由傳輸函數(shù)和天線函數(shù)組成)結(jié)合起來(lái),以得到在接收機(jī)或其他敏感裝置處的有效干擾功率,然后,將有效干擾功率與敏感度函數(shù)相比較來(lái)確定是否存在潛在干擾問(wèn)題。如果由潛在干擾源在敏感裝置處產(chǎn)生的有效干擾功率小于該裝置的敏感度閾值,則可保證電磁兼容;相反,如果在敏感裝置處的有效干擾功率大于敏感閾值,就會(huì)出現(xiàn)電磁干擾。潛在干擾問(wèn)題可由有效干擾功率與敏感度閾值之差來(lái)指示,此差稱為干擾余量(Interfernce Margin,IM),如果IIM為正,則存在潛在干擾,如果為負(fù),則幾乎沒(méi)有可能產(chǎn)生干擾[3]。

通過(guò)將干擾余量分析理論與實(shí)際工程結(jié)合,系統(tǒng)的干擾余量計(jì)算為

式中:IIM(f,t,d,p)頻率f,測(cè)試時(shí)間點(diǎn)t,干擾源與被干擾源之間距離d,收發(fā)天線的相對(duì)方向p的函數(shù)(dBm);PT(fE)在發(fā)射頻率fE時(shí)的發(fā)射功率(d Bm);Lt1為所計(jì)算的發(fā)射譜相對(duì)主譜的衰減值(dB);Lt2為發(fā)射系統(tǒng)饋線損耗(包括非設(shè)計(jì)頻率的失配損耗)(dB);Lt/r為收發(fā)天線間的隔離度(d B);Lr1為接收天線到低噪聲放大器間饋線損耗(包括非設(shè)計(jì)頻率的失配損耗)(d B);Lr2為所計(jì)算的接收頻率相對(duì)于通帶的衰減值(dB);PR(fR)為在響應(yīng)頻率fR時(shí)的接收機(jī)敏感度閾值(d Bm)。

式(1)主要適用于仿真分析,其中Lt1、Lt2、Lr1、Lr2可根據(jù)設(shè)計(jì)方案所提指標(biāo)或電路分析進(jìn)行量化估計(jì),Lt/r則根據(jù)電磁場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行量化估計(jì)。

測(cè)控分系統(tǒng)內(nèi)部射頻設(shè)備包括USB應(yīng)答機(jī)、導(dǎo)航接收機(jī)、中繼擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī),前期電磁兼容性(EMC)工作是開(kāi)展測(cè)控射頻設(shè)備與SAR分系統(tǒng)之間的電磁干擾分析,識(shí)別出測(cè)控系統(tǒng)與SAR系統(tǒng)之間可能存在的干擾,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,優(yōu)化射頻通路及合理天線布局,提高天線間隔離度;從設(shè)備設(shè)計(jì)方面,頻率選擇時(shí)盡量不產(chǎn)生組合頻率干擾、交調(diào)、互調(diào)干擾,合理選擇變頻策略,使得電路簡(jiǎn)化,同時(shí)獲得較好的抗干擾特性;選用合理的元器件及優(yōu)化增益分布,避免濾波器存在其他工作的頻率范圍寄生通帶,導(dǎo)致影響主頻增益和信號(hào)解調(diào)。同時(shí)設(shè)計(jì)輸入端加選頻濾波器和低噪聲放大后加鏡像抑制濾波器,提高接收通道的抗干擾能力;在輻射敏感度、輻射發(fā)射方面,對(duì)高頻及微波電路屏蔽腔采用雙層蓋板屏蔽,并合理設(shè)置固定螺釘?shù)拈g距疏密,以降低射頻信號(hào)泄露,提高設(shè)備對(duì)外界信號(hào)的抗干擾能力;在布局布線方面,按信號(hào)的特性進(jìn)行分區(qū),以控制可能的交叉干擾,控制電路板上走線的布局,盡量使其環(huán)路面積最小化。

對(duì)于星上最大的功率發(fā)射源SAR系統(tǒng),通過(guò)仿真分析SAR載荷對(duì)外輻射場(chǎng)強(qiáng),全陣面的疊加效果由方位向和距離向正交疊加合成,仿真分析整陣合成結(jié)果為64 d Bm。

根據(jù)SAR天線仿真分析結(jié)果及衛(wèi)星天線布局,針對(duì)星載系統(tǒng)的隔離度、帶外抑制、抗干擾特性提出的要求見(jiàn)表1～表3。

表1 天線隔離度要求Table 1 Antenna isolation demand

表2 帶外抑制的要求Table 2 Out-band rejection demand

表3 抗干擾設(shè)計(jì)要求Table 3 Anti-jamming demand

3．2 適應(yīng)大角度機(jī)動(dòng)的設(shè)計(jì)

由于GF-3衛(wèi)星姿態(tài)存在大角度機(jī)動(dòng),測(cè)控分系統(tǒng)承擔(dān)著衛(wèi)星遙控、遙測(cè)及衛(wèi)星高精度定位等關(guān)鍵任務(wù),衛(wèi)星機(jī)動(dòng)過(guò)程中對(duì)測(cè)控信道以及導(dǎo)航接收機(jī)連續(xù)測(cè)量造成影響,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵環(huán)節(jié),因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)測(cè)控天線的布局及觀測(cè)特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),同時(shí)對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)采用高精度實(shí)時(shí)快速導(dǎo)航定位算法和自主健康管理方法,實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航系統(tǒng)快速連續(xù)定位。

1)天線觀測(cè)特性的系統(tǒng)分析

測(cè)控天線的觀測(cè)特性與天線選型、天線布局、天線組陣形式都有著密切的關(guān)系,考慮到測(cè)控天線產(chǎn)品類型眾多、組陣形式多樣,系統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用仿真加實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)測(cè)控天線進(jìn)行綜合分析,分析過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注不同的天線類型和組陣形式在星體上的效果,同時(shí)對(duì)關(guān)鍵的腰部區(qū)域的覆蓋特性進(jìn)行比對(duì),優(yōu)選最佳設(shè)計(jì)方案。

USB測(cè)控天線比對(duì)如下:①錐柱螺旋天線反旋組陣,如圖2所示;②錐柱螺旋與四臂螺旋同旋組陣,如圖3所示;③四臂螺旋天線同旋組陣,如圖4所示;④錐柱螺旋同旋組陣,如圖5所示。

通過(guò)對(duì)不同類型天線及組陣形式比對(duì)分析得出結(jié)論如下:①反旋組陣條件下,由于腰部區(qū)域的極化特性不理想,無(wú)法在對(duì)地方向90°以外獲得平穩(wěn)的覆蓋,存在較多的干涉凹點(diǎn),而且在衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中,地面需根據(jù)天線的極化形式進(jìn)行切換,增加了后續(xù)在軌維護(hù)的難度,不建議采用;②采用四臂螺旋天線同旋組陣和錐柱螺旋與四臂螺旋同旋組陣兩種,盡管天線波束較寬,但是干涉區(qū)范圍較大,且方向圖起伏較大,干涉區(qū)能量相對(duì)較高。由于四臂天線對(duì)星體比較敏感,要求架設(shè)高度較高,衛(wèi)星星體布局無(wú)法滿足,因此均不建議采用;③采用錐柱螺旋天線同旋組陣狀態(tài)干涉區(qū)范圍小,方向圖起伏較小,干涉區(qū)能量相對(duì)較低,考慮該干涉區(qū)的影響存在于覆蓋區(qū)邊緣,對(duì)于邊緣區(qū)的影響,系統(tǒng)開(kāi)展了測(cè)控鏈路失鎖測(cè)試,衛(wèi)星在軌實(shí)際接收電平為中強(qiáng)電平,地面采用相對(duì)惡劣條件進(jìn)行測(cè)試時(shí),衛(wèi)星上行信號(hào)失鎖時(shí)間僅為6 s,對(duì)于實(shí)際在軌使用不影響,后續(xù)在軌實(shí)際接收時(shí),衛(wèi)星在任何機(jī)動(dòng)狀態(tài)下,都未發(fā)生失鎖現(xiàn)象,因此該方案是最佳設(shè)計(jì)[4]。

2)適應(yīng)衛(wèi)星機(jī)動(dòng)的快速定位算法

測(cè)控分系統(tǒng)中導(dǎo)航子系統(tǒng)承擔(dān)著為衛(wèi)星提供高精度定位、定軌數(shù)據(jù),由于衛(wèi)星大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng),導(dǎo)航接收機(jī)處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),視野內(nèi)可見(jiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星切換十分頻繁,因此導(dǎo)航接收機(jī)容易出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象,一旦在軌發(fā)生定位中斷,再次恢復(fù)定位時(shí),導(dǎo)航接收機(jī)只能采用盲捕方法對(duì)所有導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行輪詢捕獲搜索,造成測(cè)量數(shù)據(jù)中斷,影響衛(wèi)星測(cè)量精度。因此保證導(dǎo)航接收機(jī)的連續(xù)定位及測(cè)量精度是導(dǎo)航子系統(tǒng)一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn),GF-3衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)采用一種快速高精度導(dǎo)航定位算法,運(yùn)用衛(wèi)星定位、姿態(tài)數(shù)據(jù)輔助導(dǎo)航子系統(tǒng)快速捕獲導(dǎo)航星的策略,實(shí)現(xiàn)了為衛(wèi)星提供實(shí)時(shí)高精度連續(xù)的測(cè)量數(shù)據(jù)[5]。

導(dǎo)航接收機(jī)快速高精度導(dǎo)航定位算法,是利用外部的定位數(shù)據(jù)及姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)航衛(wèi)星的仰角,并預(yù)測(cè)不同歷元時(shí)刻導(dǎo)航接收機(jī)視野內(nèi)的可見(jiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星。該方法主要步驟如下。①計(jì)算概略位置:導(dǎo)航衛(wèi)星的位置和速度通過(guò)導(dǎo)航歷書(shū)計(jì)算,導(dǎo)航歷書(shū)預(yù)存在接收機(jī)中,并間隔固定時(shí)間進(jìn)行更新。②計(jì)算仰角:在每個(gè)歷元時(shí)刻,計(jì)算從導(dǎo)航接收機(jī)當(dāng)前位置及每顆導(dǎo)航衛(wèi)星的仰角。③估計(jì)可見(jiàn)性預(yù)報(bào):根據(jù)導(dǎo)航星仰角判斷當(dāng)前時(shí)刻每顆導(dǎo)航衛(wèi)星是否可見(jiàn),并按照可見(jiàn)的可能性大小,對(duì)所有導(dǎo)航衛(wèi)星的搜索捕獲順序進(jìn)行排序。④捕獲配置:在導(dǎo)航接收機(jī)中,根據(jù)優(yōu)化后的導(dǎo)航衛(wèi)星搜索捕獲順序進(jìn)行捕獲跟蹤,減少搜索捕獲時(shí)間。

由于衛(wèi)星高速運(yùn)行過(guò)程中存在多普勒效應(yīng),因此導(dǎo)航接收機(jī)捕獲范圍設(shè)置為±50 k Hz,搜索頻點(diǎn)步長(zhǎng)設(shè)置為500 Hz,但是如果導(dǎo)航接收機(jī)采用定位、姿態(tài)數(shù)據(jù)輔助捕獲算法,多普勒搜索范圍將縮小為±6 k Hz,從開(kāi)始捕獲衛(wèi)星到幀同步,實(shí)現(xiàn)接收機(jī)定位時(shí)間縮短了10 min,而由于導(dǎo)航接收機(jī)跟隨衛(wèi)星姿態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星粗略位置和速度,實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航星接收的可見(jiàn)性預(yù)報(bào),保證了導(dǎo)航接收機(jī)能夠在衛(wèi)星大角度機(jī)動(dòng)的惡劣條件下,實(shí)時(shí)捕獲導(dǎo)航衛(wèi)星,為衛(wèi)星獲取高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)提供保障。根據(jù)實(shí)際在軌的測(cè)試數(shù)據(jù)表明,由于采用了此算法,導(dǎo)航接收機(jī)在衛(wèi)星任何機(jī)動(dòng)狀態(tài)下,都未出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷異?，F(xiàn)象。

3．3 系統(tǒng)基于自主診斷的可靠性設(shè)計(jì)

導(dǎo)航子系統(tǒng)需要完成信號(hào)的捕獲、跟蹤、利用星歷參數(shù)計(jì)算出衛(wèi)星在某一時(shí)刻的空間位置,利用這些測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航定位計(jì)算,確定衛(wèi)星當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和時(shí)間信息。星載系統(tǒng)內(nèi)部的算法處理及模型需要依賴于大容量計(jì)算芯片實(shí)現(xiàn),可是大容量計(jì)算芯片容易受空間環(huán)境影響,產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng),因此在單機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程如何實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)故障診斷、快速自主恢復(fù)同樣是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。GF-3衛(wèi)星導(dǎo)航子系統(tǒng)從采用差錯(cuò)控制編碼糾錯(cuò)技術(shù)、軟件自主診斷及恢復(fù)、單粒子防護(hù)三方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1)差錯(cuò)控制編碼糾錯(cuò)技術(shù)

錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正(EDAC)技術(shù)是一種信息冗余容錯(cuò)技術(shù),基于差錯(cuò)控制編碼的基本思想,若存儲(chǔ)器出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU),故障導(dǎo)致存儲(chǔ)器中的某位數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn),可以對(duì)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)中的數(shù)據(jù)完成檢錯(cuò)與糾錯(cuò)功能。

導(dǎo)航接收機(jī)中通道板和軌道接口板均裝配有EDAC SRAM芯片作為數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的外部SRAM使用,用于消除SRAM中出現(xiàn)的單比特錯(cuò)誤對(duì)程序的影響。系統(tǒng)上電后先對(duì)EDAC SRAM進(jìn)行配置,開(kāi)啟自動(dòng)糾錯(cuò),實(shí)現(xiàn)了單比特糾錯(cuò)、雙比特檢錯(cuò)。而且無(wú)論在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)加電,還是復(fù)位加電的過(guò)程中,DSP均先對(duì)EDAC SRAM進(jìn)行配置,再進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

2)軟件自主診斷及恢復(fù)

軟件內(nèi)部具備在軌運(yùn)行自主監(jiān)控,當(dāng)軟件出現(xiàn)異常時(shí),根據(jù)軟件內(nèi)部設(shè)置的不同判決條件,進(jìn)入不同軟件處理分支,對(duì)軟件故障進(jìn)行逐步處理,提升單機(jī)在軌自主恢復(fù)能力,同時(shí)在軟件出現(xiàn)的異常無(wú)法自主恢復(fù)時(shí),由衛(wèi)星數(shù)管分系統(tǒng)根據(jù)故障判決條件,自主進(jìn)入故障處理流程[6]。在軌運(yùn)行自主診斷及恢復(fù)措施如下。

(1)當(dāng)通道板出現(xiàn)連續(xù)非定位、堆棧溢出、計(jì)算超差等方面異常時(shí),軟件自主進(jìn)入異常處理分支,啟動(dòng)軟件自主復(fù)位措施,軌道接口板當(dāng)出現(xiàn)定軌發(fā)散、解算任務(wù)超時(shí)、定位外推等方面異常時(shí),軟件自主進(jìn)入處理異常分支,啟動(dòng)軟件自主復(fù)位措施。

(2)軌道接口軟件判斷接收機(jī)是否處于通道板定位,但定軌模塊未實(shí)時(shí)濾波的狀態(tài)。當(dāng)接收機(jī)處于該狀態(tài)時(shí),表明前端通道板定位與定軌模塊狀態(tài)不吻合,軟件運(yùn)行出現(xiàn)異常,按異常自主處理流程依次采取定軌模塊初始化、通道板復(fù)位、接口軟件復(fù)位等措施,使接收機(jī)恢復(fù)正常。

(3)整星在導(dǎo)航接收機(jī)正常開(kāi)啟,且總線交互狀態(tài)正常時(shí),監(jiān)測(cè)接收機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)是否持續(xù)更新、軌道接口軟件關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)是否正常、接收機(jī)工作狀態(tài)遙測(cè)是否有異常錯(cuò)誤標(biāo)記,當(dāng)以上現(xiàn)象出現(xiàn)任何一種,衛(wèi)星數(shù)據(jù)分系統(tǒng)將自主啟動(dòng)異常處理策略。

3)抗單粒子翻轉(zhuǎn)

導(dǎo)航接收機(jī)內(nèi)部的器件有多種單粒子敏感器件,包括DSP/CPU、SRAM/FLASH、SRAM型FPGA等,對(duì)以上單粒子翻轉(zhuǎn)敏感器件單機(jī)采用SEU防護(hù)設(shè)計(jì),主要防護(hù)措施如下。

(1)DSP/CPU器件SEU防護(hù)措施:在程序加載時(shí),采用引導(dǎo)區(qū)雙備份、程序區(qū)三備份的措施。即使引導(dǎo)區(qū)或程序區(qū)被單粒子打翻,可通過(guò)加載軟件對(duì)應(yīng)用軟件三取二來(lái)確保軟件的正確加載。程序運(yùn)行過(guò)程中對(duì)重要參數(shù)和變量采用三模冗余(TMR),同時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù),一旦發(fā)生異常,及時(shí)檢測(cè)并進(jìn)入異常處理分支。

(2)SRAM/FLASH器件SEU防護(hù)措施:導(dǎo)航接收機(jī)中的SRAM使用了具有EDAC功能的SRAM芯片,該芯片具有EDAC電路,可對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè),在檢查到數(shù)據(jù)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)后進(jìn)行指示,并可將單比特單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤進(jìn)行自動(dòng)糾正;同時(shí)采用運(yùn)行程序三備份和關(guān)鍵參數(shù)三備份的防護(hù)措施。

(3)SRAM型FPGA器件SEU防護(hù)措施:SRAM型FPGA主要實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)捕獲、跟蹤與測(cè)量功能,導(dǎo)航接收機(jī)內(nèi)部使用兩片F(xiàn)PGA,分別獲取模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器1(ADC1)和ADC2的數(shù)字中頻信號(hào)。兩片F(xiàn)PGA互為備份關(guān)系,通過(guò)DSP控制反熔絲FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)Xilinx FPGA的加載、回讀與重配置。反熔絲FPGA完成兩片Xilinx FPGA的加載后,實(shí)時(shí)回讀Xilinx FPGA的配置內(nèi)容,并與可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),偵測(cè)到SEU故障,由DSP控制反熔絲FPGA對(duì)Xilinx FPGA進(jìn)行重配置,消除SEU故障。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

1)復(fù)雜環(huán)境下電磁兼容設(shè)計(jì)驗(yàn)證

測(cè)控分系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境兼容性設(shè)計(jì)從單機(jī)、系統(tǒng)多個(gè)角度進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)在衛(wèi)星研制各階段也開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證,驗(yàn)證采用逐層迭代趨近的驗(yàn)證方法,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4～表6。

表4 測(cè)控射頻設(shè)備抗干擾能力測(cè)試Table 4 Anti-jamming test result for TT&C

表5 測(cè)控天線與SAR天線間隔離度測(cè)試Table 5 Antenna isolation test result

表6 EMC兼容性測(cè)試結(jié)果Table 6 EMC compatibility test result

測(cè)試結(jié)果表明:平臺(tái)與SAR載荷之間可以兼容工作,并保證系統(tǒng)有6 dB以上兼容余量。

2)快速實(shí)時(shí)定位算法在軌試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)導(dǎo)航子系統(tǒng)在軌測(cè)量精度的評(píng)估,通過(guò)導(dǎo)航接收機(jī)的實(shí)時(shí)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密軌道評(píng)估,同時(shí)以事后精密定軌數(shù)據(jù)作為理論文件,分析實(shí)時(shí)的定位數(shù)據(jù)精度[7]。

精密軌道精度采用相鄰兩天定軌弧段重疊的6 h軌道做差異統(tǒng)計(jì),軌道精度都在軌道切向、法向、徑向三個(gè)方向上統(tǒng)計(jì)。位置差異在切向、法向、徑向和三維上的平均值分別是9．8 mm、13．4 mm、7．3 mm和18．7 mm,速度差異在切向、法向、徑向和三維上的 平 均 值 分 別 是0．008 2 mm/s、0．006 6 mm/s、0．008 7 mm/s和0．014 0 mm/s。

其中,精密軌道每天6 h重疊位置差異序列如圖6所示,其最大值不超過(guò)4 cm。

其中,精密軌道每天6小時(shí)重疊速度差異序列如圖7所示,其最大值不超過(guò)0．025 mm/s。

通過(guò)分析在軌實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù),對(duì)比精密定軌數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖8),在軌實(shí)時(shí)定位精度優(yōu)于3．05 m(三軸,1σ),滿足實(shí)時(shí)定位精度≤10 m(三軸,1σ)的指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

GF-3衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程針對(duì)微波遙感衛(wèi)星的特點(diǎn),進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn),在平臺(tái)布局空間受限、設(shè)備發(fā)射功率大、接收靈敏度高、衛(wèi)星姿態(tài)變化多樣的前提下,充分考慮衛(wèi)星特殊需求和應(yīng)用特點(diǎn),采用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合方式,初期合理衛(wèi)星布局,優(yōu)化設(shè)備抗干擾能力和系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì),后期開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證,通過(guò)測(cè)試,驗(yàn)證了測(cè)控分系統(tǒng)與SAR載荷電磁兼容性滿足工程6 d B余量,導(dǎo)航子系統(tǒng)在軌實(shí)時(shí)測(cè)量精度優(yōu)于3．05 m,滿足10 m需求。本文的設(shè)計(jì)思路及測(cè)試結(jié)果,經(jīng)過(guò)在軌系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行已得到驗(yàn)證,可以為后續(xù)大角度機(jī)動(dòng)及復(fù)雜電磁環(huán)境的衛(wèi)星提供技術(shù)借鑒。

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Design and Verification of TT&C Subsystem for GF-3 Satellite

TU Lanfen LIU Jiuli ZHOU Liping YANG Xiaoyong ZHOU bo
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

GF-3 satellite has the characteristics of a large angle attitude maneuver and complex electromagnetic environment,conventional TT&C subsystem design is difficult to meet the satellite design requirement．The design and verification method of anti-jamming of radio frequency equipment is presented．The design,technical characteristics,ground experiment and verification results of GF-3 TT&C subsystem are introduced．The complex electromagnetic compatibility(EMC)between high sensitivity TT&C subsystem and high power SAR system is realized．At the same time,it is the first time to using the real-time positioning algorithm and self-health management to achieve the navigation subsystem fast and continuous positioning．

GF-3 satellite;TT&C subsystem;long life;EMC

TN959．6

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.019

2017-10-20;

2017-11-20

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

涂蘭芬,女,高級(jí)工程師,從事航天器通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。Email:tlf_cast＠126．com。

(編輯:李多)