李強，李會鋒，高陽，王洪浩

（1 航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室，西安 710043；2 西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043）

0 引言

隨著空間導航技術(shù)的應用與發(fā)展，如今星載GNSS接收機已成為大多數(shù)近地衛(wèi)星的標準配置之一。當下，星載全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收機的研發(fā)主要集中在硬件與軟件設計、算法改進與優(yōu)化、精度提高與誤差改善[1]、應用拓展等方面。

文獻2利用集成電路MAX2769設計了一款星載GPS接收機射頻前端，可用于基帶信號處理，具有集成度高、價格合理等特點。文獻3采用片上系統(tǒng)技術(shù)完成星載微型GNSS接收機設計，樣機重約45g，功耗約3W，且多種模式可靈活配置。文獻4采用采用Xilinx公司的ZYNQ-7000平臺設計了一種星載衛(wèi)星導航接收機，具有全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）/北斗系統(tǒng)（BeiDou System，BDS）雙模兼容、高精度和高動態(tài)等特點，功耗在3W以內(nèi)。文獻5報道了GPS/Galileo雙模式接收機首次在MICROSCOPE衛(wèi)星中的在軌應用情況（主要跟蹤GPS的L1信號和Galileo的E1信號，跟蹤衛(wèi)星數(shù)量基本在9顆），對于軌道確定的目標基本實現(xiàn)。文獻6～文獻7基于GNSS衛(wèi)星仰角提出了一種按照軌道高度分段的可見星預測方法，有助于星載GNSS接收機快速捕獲信號，適用于不同航天任務需求。文獻8利用GPS/GLONASS星座研究了星載 GNSS接收機的幾何精度因子（Geometric Dilution Of Precision，GDOP）分布，認為仰角對GDOP有重要影響，而在實際應用中則難以得到GDOP的理論最小值。文獻9針對皮衛(wèi)星攜帶GPS接收機間歇性開機工作的特點，提出了一種分級校正的時間同步算法，在星載GPS接收機每天開機工作1024s的約束下，實現(xiàn)星上時間精度優(yōu)于1ms/d。隨著小衛(wèi)星承擔科學試驗任務逐漸實用化[10]，星載GNSS導航下的衛(wèi)星編隊飛行[11]日益增多，文獻12提出在GNSS數(shù)據(jù)基礎上融合星間RF測距數(shù)據(jù)，并且采用擴展Kalman濾波算法實時遞推解算衛(wèi)星的相對位置與速度，可實現(xiàn)實時相對導航精度優(yōu)于1mm。文獻13研究了GPS實時定軌誤差對衛(wèi)星姿態(tài)確定的影響，認為速度矢量主要引起偏航角誤差，位置矢量主要引起俯仰和滾動軸姿態(tài)角誤差，GPS定軌誤差引起的姿態(tài)角確定誤差小于0.001°。此外 ，文獻14利用星載GNSS接收機測量GNSS衛(wèi)星散射信號時延與頻移，實現(xiàn)海浪遙感與監(jiān)測；文獻15～文獻16利用星載GNSS接收機數(shù)據(jù)進行反演，測量大氣閃爍、研究赤道區(qū)域電離與溫度異常。以上工作對于更好發(fā)揮星載GNSS接收機的作用、進一步挖掘 GNSS信號價值與潛力都有著積極作用；但是，對于星載GNSS接收機在軌操控與維護工作關注相對較少。

在復雜空間環(huán)境影響下[17]，器件逐漸老化，性能可能會逐步下降。特別是對于超期服役衛(wèi)星，可能出現(xiàn)多個器件性能下降甚至相互影響、制約的復雜局面。對于在軌衛(wèi)星長期管理與操控而言，超期服役衛(wèi)星延壽工作一直是測控工程師重點關注內(nèi)容之一。這里以某衛(wèi)星的星載GPS接收機SEL異常處理為例，分析異常對衛(wèi)星應答機的影響，給出星載GPS接收機降級應用的操控方案，應用于在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)檢查與評估[18]、上行遙控注入保障等方面。

1 星載GPS接收機SEL事件

某近圓、太陽同步軌道衛(wèi)星運行的軌道高度約640km，降交點地方時在10:00 AM附近，設計壽命為3年，目前已超期服役近7年（截止2018年7月），姿態(tài)控制為偏置動量輪控制方式。

圖1 軌道漂移

衛(wèi)星入軌以來的軌道高度、傾角、降交點地方時（Local Time of Descending Node，LTDN）、光照角（地日矢量與太陽電池陣法線的夾角）變化如圖1所示。

顯然，從軌道高度和傾角變化可以看出，衛(wèi)星在軌期間主要進行過三次軌道控制，其中第一次和第三次軌道控制主要是進行半長軸控制，目的在于調(diào)整衛(wèi)星的軌道高度和相位；第二次主要是進行傾角控制，用于調(diào)整降交點地方時和軌道光照角度。而從傾角控制效果來看，傾角控制同時對半長軸產(chǎn)生影響：軌道高度明顯增加。因此，傾角控制效率還需進一步改進、提高。傾角控制后，光照角逐年減小，軌道光照條件得到一定改善，太陽電池陣的輸入光能相對于控制前有增加；降交點地方時則在傾角控制后逐年增大，數(shù)值保持在10:00AM左右，這也有利于星下點附近目標的光照一致性保持。

隨著衛(wèi)星在軌服役超期，衛(wèi)星應答機因老化出現(xiàn)一定程度的性能下降，在軌期間AGC（Auto Gain Control，自動增益控制）變化如圖2所示。

在圖2中，衛(wèi)星應答機在2013年以前一直都工作正常，載波鎖定期間的AGC數(shù)值基本在3V以上，最大值接近3.6V。

因為老化因素影響，應答機性能在2014年出現(xiàn)較大程度下降。經(jīng)過多次測試后，確定應答機降級應用方案：上行功率800W，天線直徑不小于10m，最高仰角大于80°。圖2中的（b）圖即為該約束下載波鎖定期間的 AGC曲線：幅度衰減較大，數(shù)值不足1V，且載波鎖定時長也明顯變短。

圖2 應答機AGC變化

雖然載波鎖定時長變短，但在降級應用前提下，鎖定時長保持在150s以上，能夠滿足日常上行遙控注入、在軌例行維護等工作對載波鎖定時長的要求。

衛(wèi)星后續(xù)在軌運行中，GPS接收機出現(xiàn)死機，在故障處理期間的GPS接收機與應答機溫度、應答機載波鎖定與AGC參數(shù)變化如圖2所示。

從圖2可以看出，GPS接收機死機后，其溫度出現(xiàn)明顯抬升，且可分為前后兩個時期：前期，溫度均值約為21°C，經(jīng)歷約1個軌道周期之后，溫度迅速上升至26°C附近；后期，溫度繼續(xù)緩慢上升，在又經(jīng)歷約7個軌道周期之后，溫度均值大致穩(wěn)定在29°C左右。在GPS接收機升溫影響下，應答機溫度也出現(xiàn)了緩慢抬升：均值溫度由26.2°C上升至27°C附近，整體升高約0.8°C。

關于GPS接收機溫度上升的原因，工程師分析認為極有可能為單粒子閂鎖（Single Event Latch-up，SEL）效應所致：在互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）集成電路中，由襯底和阱之間天然存在的兩個寄生雙極型晶體管構(gòu)成的PNPN可控硅結(jié)構(gòu)一旦被觸發(fā)導通，在電源與地之間可能形成低阻抗、大電流通路，導致電路無法正常工作、甚至燒毀，這一現(xiàn)象稱為SEL效應[19]。文獻 20對SEL效應中的可控硅結(jié)構(gòu)與作用機理進行了研究，認為可控硅的正反饋特性使得流過可控硅的電流不斷增大，最終可能導致整塊芯片發(fā)生失效；文獻 21對實踐四號衛(wèi)星的SEL現(xiàn)象有過專門報道、研究，采用斷電、重啟措施恢復設備與儀器工作；文獻 22對三星公司的 K6R4016V1D型靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random Access Memory，SRAM）在地面進行了SEL效應試驗研究，認為SEL大電流造成器件局部溫度升高，甚至會導致器件燒毀；文獻 23對專用集成電路VA140的抗單粒子閂鎖特性進行了測試，其結(jié)果為中國暗物質(zhì)衛(wèi)星有效載荷的抗單粒子設計提供依據(jù)；文獻18針對SEL發(fā)生后器件的溫度和電流參數(shù)變化，利用經(jīng)驗模態(tài)分解和邊際譜分析方法分別從參數(shù)中提取典型特征并進行二值模糊綜合判斷，由此確定故障發(fā)生概率的大小，為遙測診斷系統(tǒng)在異常初期自動報警提供技術(shù)支持。

因為GPS的軌道板中有SRAM芯片，再結(jié)合這些SEL相關文獻可以看出：GPS死機、溫度上升等現(xiàn)象與SEL效應下的特征基本符合。

與文獻 21的應對方法類似，這里采用斷電方法進行SEL故障處理：但是斷電處理的前提是遙控信道必須暢通，載波必須鎖定才行。

從圖3可知，在斷電發(fā)令處理過程中，載波鎖定時長明顯著縮短：由日常降級應用下的150s減小至不足 60s。在如此短的鎖定時間內(nèi)，由操控人員進行載波鎖定判斷、其它遙測信息識讀、上行指令發(fā)送與執(zhí)行確認等工作，壓力相當大。

圖3 故障處理前后參數(shù)變化

另外，圖3中對于載波鎖定為0的部分曲線并未畫出；該值為0時，載波失鎖（未鎖定）。

SEL故障處理的內(nèi)容實際上是 GPS接收機斷電與加電，兩者之間相差約20s。從圖3可以知道，處理結(jié)束后，GPS接收機溫度在經(jīng)歷約1個軌道周期之后即回落至 20°C水平，而應答機溫度則在大約4個軌道周期后恢復至正常水平；在降級應用條件下，應答機載波鎖定時長同樣恢復至150s以上，而AGC電壓還是不足1V（當然，這并不影響鎖定期間的遙控發(fā)令與數(shù)據(jù)注入）。

2 星載GPS接收機降級應用

從GPS接收機的SEL故障處理過程中可以看出，衛(wèi)星應答機的載波鎖定與溫度之間存在一定關聯(lián)：溫度高，鎖定時長相對較短；溫度低，鎖定時長相對增加。這里以應答機 AGC和溫度為對象，分析溫度對應答機的影響。在非測控時段，應答機AGC與溫度參數(shù)如圖4所示。

圖4 應答機溫度與AGC

圖4表明，應答機AGC與溫度大致呈同步變化：溫度高，則AGC大；溫度低，則AGC小。對于其中溫度的變化規(guī)律，解釋如下：衛(wèi)星進入地影區(qū)后，蓄電池放電，同時產(chǎn)生大量熱能，星內(nèi)部分器件溫度升高，在地影中間位置附近，溫度接近最高；星上主動熱控系統(tǒng)隨之開始響應，控制蓄電池溫度下降，經(jīng)歷約半個軌道周期（多數(shù)熱控系統(tǒng)的階躍響應時間即為此值）后，溫度接近最低，此時衛(wèi)星位置處于陽照區(qū)，其星下點大致與太陽星下點在同一緯度。另外，全年溫度數(shù)據(jù)變化表明，冬至期間應答機溫度為全年最高水平，夏至期間則為最低水平。

文獻24認為AGC是通過電路增益隨信號強度變化來保證輸出信號強度穩(wěn)定的一個自動幅度調(diào)節(jié)負反饋系統(tǒng)：當輸入信號很弱時，接收機增益大，AGC電路不起作用；當輸入信號很強時，AGC電路進行控制，使接收機增益減小。在非測控期間，應答機并沒有收到地面信號，因此圖4中的 AGC實際上是噪聲功率的反映，而噪聲顯然直接與器件溫度相關。

再進一步綜合圖2與圖3中的載波鎖定相關數(shù)據(jù)，可以確認：當AGC電平低于0.82V時，載波環(huán)路才有可能實現(xiàn)鎖定，此時應答機對應的溫度約為26.2°C。這一溫度可以作為應答機載波鎖定工作的最高上限。

至此可以看出，應答機溫度對于載波鎖定有重要影響：溫度越低，載波鎖定越容易；溫度越高，載波鎖定越困難甚至不可能。

文獻25對軌道高度850km、降交點地方時為10:30AM 的太陽同步軌道衛(wèi)星的星內(nèi)熱功耗進行了仿真，認為衛(wèi)星在壽命初期處于低溫工況，而壽命末期處于高溫工況。文獻 26對兩顆通信衛(wèi)星熱控系統(tǒng)長期在軌性能進行了評述，認為在空間環(huán)境影響下，熱控涂層材料性能逐漸退化，材料的太陽吸收率會有所增加，進而導致衛(wèi)星在軌期間呈現(xiàn)溫度逐漸升高趨勢。文獻 27探討了一種通過衛(wèi)星在軌溫度數(shù)據(jù)反演計算熱控涂層在軌性能退化情況的方法，亦認為熱控涂層性能發(fā)生退化導致衛(wèi)星溫度升高。這里，衛(wèi)星在軌運行近 10年，已經(jīng)進入高溫工況期。應答機冬至期間的工作溫度的長期變化如圖5所示。

圖5 應答機冬至溫度

從圖5可知，應答機溫度確實存在長期緩慢升高現(xiàn)象。結(jié)合圖1中的傾角與光照角變化可知：后期，隨著光照角進一步改善，衛(wèi)星軌道熱流可能進一步增加，整星溫度水平還可能繼續(xù)升高，應答機溫度還可能繼續(xù)上升。另外，冬至期間的日地距離最小，太陽對于衛(wèi)星的影響可能加劇，應答機在冬至前后的載波鎖定可能更加困難。

文獻 28認為，良好的熱管理對于提高小衛(wèi)星的可靠性至關重要。以上數(shù)據(jù)與分析也表明，后續(xù)整星溫度可能繼續(xù)升高，可能會對載波鎖定帶來嚴重影響：一旦應答機最低溫度超過26.2°C，已經(jīng)處于降級應用的應答機可能難以實現(xiàn)載波鎖定，上行遙控通道可能無法保障。因此，需要盡力降低、減緩整星溫度升高帶來的不利影響。

從GPS接收機SEL故障處理來看，發(fā)生SEL事件后的升溫確實對載波鎖定造成明顯影響。如果后期再次發(fā)生SEL事件，考慮到整星溫度升高趨勢，屆時載波很可能難以鎖定，繼而出現(xiàn)死循環(huán)：載波無法鎖定，上行無法遙控發(fā)令，GPS接收機無法斷電，SEL事件無法處理，高溫狀態(tài)繼續(xù)保持，載波仍然無法鎖定。

可見，圖3中的SEL事件已經(jīng)為應答機載波鎖定困難敲響警鐘。有鑒于此，這里給出GPS接收機的降級應用方案：關閉軌道板。這樣既可以降低SEL事件發(fā)生概率，還可減小星內(nèi)功耗（當然，這一功耗很小）。

文獻29研究了Swarm衛(wèi)星天線相位中心偏差對于星載GPS數(shù)據(jù)下的精密定軌的影響，給出了一種相位中心變化（Phase Center Variation，PCV）遞推處理方法，提高衛(wèi)星定軌精度；文獻 30利用國產(chǎn)星載雙頻 GPS接收機數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評估與精密定軌，認為Tianhui-1C衛(wèi)星定軌精度相對于前期的A星和B星有兩個數(shù)量級提高；文獻[10-11]也展示了星載GNSS數(shù)據(jù)在軌道確定方面的應用。這些情況表明，星載GPS接收機數(shù)據(jù)在衛(wèi)星軌道確定中發(fā)揮著重要作用。在這里，關閉軌道板主要對實時軌道解算造成影響，對于偏置動量輪控制衛(wèi)星而言，實時定軌的價值并不大；畢竟，軌道確定的目的更多在于高精度姿態(tài)測量、確定與控制等方面的應用，而偏置動量輪控制衛(wèi)星的姿態(tài)精度并不高。

在衛(wèi)星超壽命運行條件下，考慮GPS接收機發(fā)生 SEL事件后對溫度敏感應答機造成載波鎖定困難的風險，最終確定關閉GPS接收機軌道板。

3 結(jié)果與討論

星載GPS接收機斷電后，通過遙測下傳的定位數(shù)據(jù)以及其它連續(xù)時間（Time In Continuity，TIC）、溫度數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 GPS接收機參數(shù)

可以看出，GPS接收機的定位數(shù)據(jù)輸出正常，對應的極半徑數(shù)據(jù)也正常（極半徑ρ與定位數(shù)據(jù)X、Y、Z之間的關系為：ρ2=X2+Y2+Z2）。

TIC數(shù)值較大，表明GPS接收機在關閉軌道板之后，發(fā)生復位或者死機的次數(shù)很少，連續(xù)工作時間較長。

值得注意的是溫度參數(shù)變化情況：與圖3中處理SEL故障后的溫度相比，圖6中的溫度明顯偏高。這也再次表明，在器件老化加劇以及空間環(huán)境影響下，整星溫度水平一直在緩慢升高。但目前溫度水平還在20.5°C之下，而應答機的溫度水平在25°C之上（參見圖3、圖4）。這樣，GPS接收機溫度在降級應用后雖然在上升，但是低于應答機工作溫度，不會對應答機載波鎖定造成影響。后期應持續(xù)關注星內(nèi)各器件溫度變化情況。

另外，通過遙測下傳GPS接收機的定位數(shù)據(jù)，同樣可以在地面實現(xiàn)高精度定軌，這也是文獻 30精密定軌采用的方法方式。然后，在例行維護與操控中將精密軌道上注，即可滿足衛(wèi)星對精密軌道的需求（一般情況下，注入軌道數(shù)據(jù)的遙控時長在10s左右）。

GPS接收機降級應用后，應答機的載波鎖定與AGC參數(shù)如圖7所示。

圖7 應答機AGC與鎖定

在圖7中，載波鎖定時長為413s，明顯優(yōu)于應答機降級應用下的150s時長要求。載波鎖定時間較長，原因可能在于跟蹤時的測控天線地理位置相對偏南，應答機的溫度接近軌道周期內(nèi)的最低，有利于載波信號捕獲與鎖定。但是，載波鎖定期間的AGC電壓幅值偏低，最高不足 0.9V，稍低于圖2中的情形，這可能是器件老化、鏈路增益下降所致。此外，載波鎖定窗口中心仍然在遙測數(shù)據(jù)中心的右側(cè)，說明星上鎖相環(huán)路在信號捕獲后的鎖定、跟蹤性能依然很好。

在減緩單粒子效應影響方面[31]，后續(xù)還需繼續(xù)改進應對方法?？紤]圖3中GPS接收機升溫與應答機升溫之間的時延關系，可將衛(wèi)星在陽照區(qū)的跟蹤圈次安排采用間隔排列方式，例如跟蹤陽照區(qū)的第一圈和最后一圈，而不是通常的連續(xù)某兩個圈次。這樣，即使GPS接收機再次發(fā)生SEL事件，在陽照區(qū)發(fā)現(xiàn)該事件時，應答機溫度的抬升幅度應該不大，地面操控處理難度相應會小一些。再考慮冬至前后應答機溫度水平為全年最高，可考慮將間隔排列方案在冬至前后采用；在全年其它時段，則仍采用通常的連續(xù)跟蹤兩圈的方式，減小對測控資源調(diào)度的約束與壓力。

4 結(jié)論

關于近地衛(wèi)星GPS接收機發(fā)生SEL事件后的升溫對測控應答機的影響，確認應答機的溫度敏感特性，即載波鎖定時的AGC電壓在0.82V以下，對應溫度約為26.2°C；為減小SEL事件的風險，采用關閉GPS接收機軌道板的降級應用方式。

軌道板斷電后，GPS接收機定位、守時工作正常，工作溫度在20.5°C以下，對測控應答機工作溫度沒有影響；應答機在上行功率 800W、天線直徑10m、最高仰角不低于80°的約束下，載波鎖定時長優(yōu)于150s，滿足例行操控需求。