馮志強(qiáng),李宗德,何 濤

上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 201203

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)是為提供導(dǎo)航定位服務(wù)而發(fā)展的一類衛(wèi)星系列。全球4大導(dǎo)航系統(tǒng),即美國(guó)的GPS、中國(guó)的北斗、俄羅斯的GLONASS和歐盟的Galileo, 目前已有100多顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行。這些導(dǎo)航衛(wèi)星不僅能夠?yàn)榭臻g信息用戶提供全球共享的導(dǎo)航、定位、授時(shí)信息,還可無(wú)償提供全球覆蓋[1]。

星載 GNSS 信號(hào)接收機(jī)能夠?yàn)樵谲壓教炱魈峁┓€(wěn)定、高精度的七維狀態(tài)參數(shù)測(cè)量,具有廣泛的工程實(shí)用價(jià)值[2]。對(duì)星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)及星歷的正確分析是低軌衛(wèi)星軌道確定的必要條件[3]。正因?yàn)樾禽d接收機(jī)的廣闊應(yīng)用前景,國(guó)外諸多科研機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了研究和產(chǎn)品開發(fā)及工程實(shí)現(xiàn),風(fēng)云三號(hào)C(Fengyun 3C,FY3C)衛(wèi)星于2013年發(fā)射,搭載了全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測(cè)儀(GNSS Occultation Sounder,GNOS),是國(guó)際首臺(tái)兼容GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS) 的掩星探測(cè)儀,可同時(shí)提供GPS和BDS雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù),為研究星載GPS/BDS組合定軌提供了機(jī)會(huì)[4]。資源三號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)首顆民用立體測(cè)圖衛(wèi)星,于2012 年1 月9 日發(fā)射。衛(wèi)星上配備有國(guó)產(chǎn)雙頻 GPS 接收機(jī)[5]。文獻(xiàn)[6-8]均針對(duì)星載GNSS接收機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用開展了相關(guān)研究,滿足特定的應(yīng)用場(chǎng)景,但未涉及星載GNSS接收機(jī)在軌異常的監(jiān)測(cè)及處置。文獻(xiàn)[9-11]分別研究了衛(wèi)星自主健康管理及自主診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì),但未提供直接方法解決星載GNSS接收機(jī)在軌受單粒子影響和地面干擾的問題。文獻(xiàn)[12-13]介紹了GNSS接收機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下抗窄帶及寬帶干擾算法設(shè)計(jì),但是算法過于復(fù)雜,對(duì)于星載GNSS接收機(jī)硬件資源消耗較大,且會(huì)導(dǎo)致可靠性的降低。對(duì)于低軌空間環(huán)境衛(wèi)星,空間環(huán)境較好,一般受干擾影響時(shí)段較少,星載GNSS接收機(jī)都支持GPS、BD兩種信號(hào)定位定軌功能,可靠性高,只要采取措施保證過干擾區(qū)域后都能快速恢復(fù)即不會(huì)影響衛(wèi)星正常校時(shí)和定軌功能。文獻(xiàn)[14]研究了針對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的欺騙干擾,通過精確定量分析解決了欺騙干擾在實(shí)際應(yīng)用中的功率控制問題,但未給出具體防范欺騙干擾和對(duì)檢測(cè)干擾及快速恢復(fù)的具體處置方法。文獻(xiàn)[15]研究了基于軟件無(wú)線電的全對(duì)稱全聯(lián)通可重構(gòu)通信系統(tǒng),通過動(dòng)態(tài)重構(gòu)方式可以有效地克服單粒子效應(yīng)的影響,可重構(gòu)目前已廣泛應(yīng)用于星載單機(jī)中,包括GNSS接收機(jī),但是在軌衛(wèi)星重構(gòu)一般都是作為最后手段,只有在明確軟件有缺陷的時(shí)候可以通過上注進(jìn)行糾正,未給出在軌如何有效防止單粒子可能造成的影響的有效措施。

本文以某星載GNSS接收機(jī)為例研究其在軌抗單粒子及地面干擾的措施,并根據(jù)保護(hù)措施分別進(jìn)行了地面測(cè)試及在軌驗(yàn)證,結(jié)果表明該措施有效,可保障星載GNSS接收機(jī)在軌正常運(yùn)行。

1 星載GNSS接收機(jī)

某型號(hào)星載GNSS接收機(jī)主要射頻前端、導(dǎo)航定位模塊(A/B)、電源模塊(A/B)組成。如圖1所示。

圖1 星載GPS/BD接收機(jī)組成圖

來自衛(wèi)星對(duì)天和對(duì)地的兩個(gè)GNSS接收天線信號(hào),進(jìn)入射頻前端,經(jīng)過合路器后,進(jìn)入微波開關(guān),可以切換成兩路分別給A、B機(jī)的低噪聲放大器放大濾波后,分別進(jìn)入A、B路導(dǎo)航定位模塊,經(jīng)過信號(hào)的放大、下變頻、濾波、采樣后得到兩路數(shù)字中頻信號(hào),并完成兩路信號(hào)捕獲、跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào),輸出原始觀測(cè)量,在導(dǎo)航基帶芯片中根據(jù)相應(yīng)擇優(yōu)策略完成選星、定位、定軌等功能。通過導(dǎo)航基帶芯片中的RS422通信口、CAN總線進(jìn)行通信功能,秒脈沖信號(hào)通過異步RS422串口輸出給星務(wù)計(jì)算機(jī)。電源模塊為A/B機(jī)單獨(dú)供電。

2 單粒子影響

衛(wèi)星在軌運(yùn)行過程中,由于星載GNSS接收信號(hào)處理FPGA及DSP易受單粒子影響,會(huì)導(dǎo)致GNSS輸出定位、定軌狀態(tài)或時(shí)間、軌道數(shù)據(jù)異常,具體有如下幾種情況。

2.1 通道計(jì)算相關(guān)邏輯被打翻

信號(hào)處理FPGA個(gè)別通道偽距測(cè)量相關(guān)寄存器被改寫,導(dǎo)致該通道捕獲的衛(wèi)星偽距或歷元錯(cuò)誤,出現(xiàn)連續(xù)不定位的情況,有2種情況:

1)通道測(cè)量相關(guān)邏輯被單粒子打翻,相應(yīng)通道的測(cè)量值異常從而導(dǎo)致偽距異常,此通道衛(wèi)星參與定位解算時(shí)接收機(jī)輸出“有故障星”的不定位狀態(tài);

2)歷元修正相關(guān)邏輯被單粒子打翻,導(dǎo)致幀同步時(shí)歷元修正沒有被有效執(zhí)行,提取的原始觀測(cè)量中歷元出現(xiàn)誤差,導(dǎo)致通道衛(wèi)星參與定位時(shí)偽距出現(xiàn)異常值。

2.2 定位定軌解算邏輯被打翻

導(dǎo)航及定軌軟件每秒進(jìn)行定位定軌解算時(shí)會(huì)判斷當(dāng)前是否整秒時(shí)刻,判斷條件的程序區(qū)被單粒子打翻后,調(diào)用偽距計(jì)算、定位、定軌的時(shí)間均會(huì)發(fā)生變化,會(huì)出現(xiàn)GPS、BDS定位、定軌時(shí)刻提前0.1 s,導(dǎo)致定位定軌輸出位置、速度與時(shí)間整秒不對(duì)應(yīng)。

2.3 時(shí)間模型參數(shù)被打翻

時(shí)間模型參數(shù)錯(cuò)誤,導(dǎo)致接收機(jī)時(shí)間異常,接收機(jī)時(shí)間是偽距計(jì)算、導(dǎo)航定位、定軌計(jì)算的共有基準(zhǔn)量,時(shí)間異常后導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法進(jìn)行正常定位和定軌。

2.4 DSP定軌算法程序區(qū)被打翻

接收機(jī)受空間單粒子事件的影響,內(nèi)部DSP軟件定軌算法程序區(qū)被改寫,J2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中全局變量某數(shù)據(jù)受單粒子時(shí)間的影響,導(dǎo)致J2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤,使定軌結(jié)果出現(xiàn)很大偏差,定軌頻繁重置。

2.5 接口訪問程序被打翻

DSP EMIF-A端口單粒子功能性中斷或者DSP EMIF寄存器刷新函數(shù)單粒子翻轉(zhuǎn)故障,導(dǎo)致DSP對(duì)接口處理FPGA尋址異常,即表現(xiàn)為EMIF-A端口CE1空間尋址異常,CAN總線接口和RS422異步串行接口同時(shí)出現(xiàn)無(wú)數(shù)據(jù)輸出。

3 地面干擾影響

衛(wèi)星在軌運(yùn)行過程中,由于衛(wèi)星姿態(tài)變化,星載GNSS接收天線可能會(huì)接收來自地面的GNSS干擾信號(hào),導(dǎo)致星載接收機(jī)經(jīng)過地面干擾區(qū)域上空可能出現(xiàn)GPS定位異常,GPS校時(shí)不連續(xù),GNSS定軌異常等現(xiàn)象。

綜合分析在軌數(shù)據(jù),地面GPS干擾方式主要包括壓制性干擾和欺騙性干擾兩種形式[16-17]。

3.1 壓制式干擾

壓制式干擾即在GNSS接收頻段產(chǎn)生較大功率的噪聲,使得GNSS接收機(jī)接收信號(hào)的信噪比突然降低,導(dǎo)致不定位,校時(shí)功能中斷。衛(wèi)星沿運(yùn)行軌道掠過相關(guān)產(chǎn)生地面干擾信號(hào)的區(qū)域上空,則可能接收到來自地面的干擾信號(hào),造成短時(shí)不定位和校時(shí)不連續(xù)現(xiàn)象。一般情況下,壓制式干擾對(duì)GNSS接收機(jī)的影響在衛(wèi)星離開地面干擾區(qū)域上空后會(huì)自行恢復(fù)。

通過分析某型號(hào)衛(wèi)星在軌GPS短暫不定位現(xiàn)象出現(xiàn)期間的狀態(tài)遙測(cè),發(fā)現(xiàn)GPS信噪比遙測(cè)突然下降,如圖2所示,其中AD功率遙測(cè)表示接收機(jī)收到的信號(hào)強(qiáng)度,最高信噪比遙測(cè)表示接收機(jī)收到并處理的有效導(dǎo)航星信號(hào)強(qiáng)度。正常情況下,AD功率遙測(cè)為比較恒定的數(shù)值,遙測(cè)量顯示在20(無(wú)單位)左右,最高信噪比遙測(cè)數(shù)值一般在15以上,受干擾時(shí),最高信噪比遙測(cè)降低到6左右,而AD功率卻有所抬升,說明接收機(jī)收到外部干擾信號(hào),接收GPS信號(hào)信噪比下降,導(dǎo)致不定位。另外分析不定位現(xiàn)象出現(xiàn)期間星下點(diǎn)范圍,發(fā)現(xiàn)星下點(diǎn)均在經(jīng)度(21～58)、緯度(16～47)范圍內(nèi),該區(qū)域大概位于中東阿拉伯半島附近位置,如圖3所示。

圖2 衛(wèi)星不定位期間GPS信噪比變化情況

圖3 衛(wèi)星受到干擾時(shí)星下點(diǎn)分布局部放大圖

3.2 欺騙式干擾

欺騙式干擾即模擬產(chǎn)生GPS衛(wèi)星正常信號(hào),修改部分信號(hào)參數(shù),如時(shí)間信息,造成GNSS接收機(jī)接收時(shí)間信息出錯(cuò),使得接收機(jī)內(nèi)部預(yù)報(bào)衛(wèi)星的位置發(fā)生異常,這時(shí)衛(wèi)星實(shí)際的位置與接收機(jī)解算的位置偏差比較大,導(dǎo)致接收機(jī)誤認(rèn)為是衛(wèi)星的星歷解算的衛(wèi)星位置不正確,接收機(jī)頻繁不定位。如果GNSS接收機(jī)內(nèi)部時(shí)間模型處理軟件未增加相關(guān)保護(hù)措施,可能導(dǎo)致接收機(jī)內(nèi)部時(shí)間模型建立異常,輸出校時(shí)信息錯(cuò)誤,且需要復(fù)位或者重新加斷電方可恢復(fù)。

時(shí)間建立和維持模塊的主要功能是通過接收機(jī)本地TIC計(jì)數(shù)(TIC周期設(shè)置為0.1 s),結(jié)合電文修正、碼時(shí)修正、定位修正等一系列措施來建立并維持本地時(shí)間模型,供電文處理、衛(wèi)星預(yù)報(bào)、導(dǎo)航解算等模塊使用。

時(shí)間模型正確建立后,接收機(jī)正常接收衛(wèi)星的電文時(shí)間,GPS的時(shí)間模型實(shí)時(shí)檢核已建立的時(shí)間模型與電文時(shí)間是否在合理范圍內(nèi)(0.5 s),若在閾值內(nèi),則認(rèn)為時(shí)間沒有出現(xiàn)問題;若時(shí)間不在閾值范圍內(nèi),則用新的電文時(shí)間修正本地時(shí)間。

正常來說電文時(shí)間是一個(gè)緩變?cè)黾拥牧?時(shí)間不會(huì)產(chǎn)生大的跳變值。通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),GPS的時(shí)間發(fā)生了大的跳變值(約36000 s),之后經(jīng)過幾十秒的時(shí)間,該跳變值又恢復(fù)正常,北斗沒有發(fā)生該現(xiàn)象。接收機(jī)在GPS+BD混合工作模式下(默認(rèn))采用的是GPS的時(shí)間模型,單GPS模式采用GPS時(shí)間模型,但BD模式采用BD時(shí)間模型。由時(shí)間模型建立和維持流程可以得出,由于接收機(jī)收到的GPS電文時(shí)間發(fā)生了跳變,引起時(shí)間的異常突變,因此需要連續(xù)檢測(cè)電文實(shí)時(shí)檢核本地時(shí)間模型建立的合理性,出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)用電文時(shí)間修正。

電文時(shí)間是信號(hào)實(shí)時(shí)跟蹤捕獲解調(diào)得到的,正常來說電文時(shí)間是一個(gè)緩變?cè)黾拥牧?而在實(shí)際解算時(shí),由于本身信號(hào)攜帶數(shù)據(jù)內(nèi)容不正確導(dǎo)致發(fā)生大的跳變,這種異?，F(xiàn)象懷疑是有欺騙干擾信號(hào)。

詳盡分析衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生問題時(shí)衛(wèi)星的位置等情況,發(fā)現(xiàn)發(fā)生問題時(shí)間跳變時(shí)刻衛(wèi)星位置存在明顯的共性:

1)地理位置均處于東經(jīng)25.5°～36.3°、北緯31.6°～35.1°范圍內(nèi),該區(qū)域?yàn)橹袞|地區(qū)(以色列、敘利亞等國(guó));

2)跳變發(fā)生的時(shí)段均在每天上午的7點(diǎn)到12點(diǎn);

3)GPS周內(nèi)秒跳變的數(shù)值均為36000 s左右;

4)在發(fā)生問題時(shí)間段內(nèi)GPS衛(wèi)星的載噪比均偏低,明顯低于北斗的信號(hào)強(qiáng)度;

5)收到的GPS衛(wèi)星仰角高度為較大負(fù)值,如-73°等,正常范圍應(yīng)為-25°～90°,低于-25°的衛(wèi)星信號(hào)會(huì)被地球遮擋;

6)在衛(wèi)星其它圈次靠近1)中所述位置范圍時(shí),即使未出現(xiàn)GPS周秒跳變,也存在定位異?；騁PS載噪比突然降低的現(xiàn)象;

7)在上述發(fā)生異常的位置范圍內(nèi),北斗衛(wèi)星的載噪比也有所下降,但仍然能正常工作。

以上現(xiàn)象與GNSS接收機(jī)受到地面轉(zhuǎn)發(fā)的GPS欺騙信號(hào)干擾的現(xiàn)象極為符合。

4 保護(hù)措施

根據(jù)上述分析,GNSS接收機(jī)在軌易受干擾的影響[18],分別從硬件及軟件角度分析抗單粒子及地面干擾,進(jìn)一步對(duì)軟件進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì),提高軟件在軌運(yùn)行的可靠性和異常問題的處理能力,加強(qiáng)軟件在軌的健壯性。下面分別從現(xiàn)有的平臺(tái)具備的硬件防護(hù)設(shè)計(jì)、軟件防護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)接收機(jī)進(jìn)行梳理,查找薄弱環(huán)節(jié),并結(jié)合在軌運(yùn)行出現(xiàn)的問題提出更改措施。

4.1 時(shí)間異常判斷

當(dāng)接收機(jī)首次定位有效后,在GPS定位第3秒時(shí)刻記錄對(duì)應(yīng)時(shí)刻的TIC計(jì)數(shù)和對(duì)應(yīng)的GPS周和GPS周內(nèi)秒,在BDS定位第3秒時(shí)刻記錄對(duì)應(yīng)時(shí)刻的TIC計(jì)數(shù)和對(duì)應(yīng)的BDS周和BDS周內(nèi)秒,對(duì)這些變量進(jìn)行三模設(shè)計(jì),提高數(shù)據(jù)的可靠性,用于接收機(jī)連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間異常判斷的參考時(shí)間。

接收機(jī)連續(xù)運(yùn)行過程中,采集當(dāng)前時(shí)刻觀測(cè)量后,使用當(dāng)前時(shí)刻的TIC計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間與記錄的參考時(shí)刻的周和周內(nèi)秒進(jìn)行比較,當(dāng)誤差超過300 ms,則認(rèn)為當(dāng)前時(shí)間異常,置當(dāng)前定位狀態(tài)為無(wú)效,秒脈沖置為無(wú)效。

實(shí)時(shí)解算衛(wèi)星的電文,當(dāng)收到電文子幀時(shí),使用電文時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行比較,誤差超過200 ms,則重建時(shí)間模型。

當(dāng)判斷時(shí)間異常后連續(xù)不定位超過20 min,則進(jìn)行自復(fù)位,通過CAN總線上報(bào)復(fù)位計(jì)數(shù)。

4.2 J2000坐標(biāo)異常判斷

將WGS84轉(zhuǎn)J2000坐標(biāo)的程序代碼進(jìn)行三模冗余設(shè)計(jì),在SRAM兩個(gè)不同的區(qū)域分配相同的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序。

當(dāng)接收機(jī)定位有效獲得WGS84的有效坐標(biāo),進(jìn)行三次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算,獲得三組J2000的坐標(biāo)。對(duì)三組J2000坐標(biāo)的一致性進(jìn)行判斷,當(dāng)兩組及以上的位置偏差在50 m以內(nèi),速度偏差在0.5 m/s以內(nèi)時(shí),則認(rèn)為當(dāng)前轉(zhuǎn)換的J2000坐標(biāo)正常,置J2000定位有效并將該有效的結(jié)果通過接口輸出。當(dāng)三組結(jié)果均不一致,置J2000定位異常。當(dāng)判斷J2000定位異常的連續(xù)時(shí)間超過20 min,則進(jìn)行自復(fù)位,通過CAN總線上報(bào)復(fù)位計(jì)數(shù)。

4.3 定軌異常判斷

接收機(jī)定軌存在發(fā)散的情況,當(dāng)出現(xiàn)異常后可能導(dǎo)致連續(xù)定軌發(fā)散或者定軌周期重置的現(xiàn)象,對(duì)定軌異常進(jìn)行判斷,并上報(bào)定軌異常的故障。

圖4 J2000坐標(biāo)異常判斷流程圖

接收機(jī)軟件在定軌計(jì)算完成后實(shí)時(shí)檢測(cè)定軌狀態(tài),當(dāng)檢測(cè)到定軌發(fā)散后,記錄當(dāng)前參考的TIC時(shí)間和首次定軌無(wú)效標(biāo)志,當(dāng)20 min之內(nèi)累計(jì)出現(xiàn)不定軌次數(shù)超過300,則通過CAN總線上報(bào)定軌異常狀態(tài)的標(biāo)志。外部星務(wù)計(jì)算機(jī)可檢測(cè)到定軌異常,并對(duì)GNSS接收機(jī)進(jìn)行復(fù)位處置。

圖5 定軌異常判斷流程圖

4.4 EOP參數(shù)可靠性設(shè)計(jì)

EOP參數(shù)是影響J2000坐標(biāo)精度的因素之一,在使用過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)EOP參數(shù)的有效性。在EEPROM中存儲(chǔ)3份EOP參數(shù),初始化模塊中讀取EOP參數(shù),將EOP參數(shù)分別存儲(chǔ)在3個(gè)全局變量數(shù)組中,軟件運(yùn)行過程中定期對(duì)3個(gè)變量數(shù)組進(jìn)行3模校核。

4.5 全局變量三模設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件模塊梳理情況,使用前不會(huì)被重新賦值的全局變量,增加三模冗余設(shè)計(jì),預(yù)防出現(xiàn)類似多比特異常無(wú)法恢復(fù)的現(xiàn)象。同時(shí)在軟件運(yùn)行過程中,異常狀態(tài)自恢復(fù)所涉及的全局變量需要重新初始化[19-20]。

4.6 對(duì)單機(jī)數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)校驗(yàn)

星務(wù)軟件的軌道處理模塊實(shí)時(shí)對(duì)單機(jī)源數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行校驗(yàn),3種類型數(shù)據(jù)(GPS定軌、GPS定位、BD定位)分開校驗(yàn),現(xiàn)以GPS定軌數(shù)據(jù)校驗(yàn)為例描述校驗(yàn)方法,其他2種類型數(shù)據(jù)的校驗(yàn)方法一樣。校驗(yàn)方法如下:

a)判斷GPS定軌源數(shù)據(jù)有效性標(biāo)識(shí);

b)定軌源數(shù)據(jù)的累計(jì)秒與當(dāng)前星上時(shí)的差需小于60 s;

c)校驗(yàn)半長(zhǎng)軸:

通過單機(jī)源數(shù)據(jù)求得的軌道半長(zhǎng)軸與星上存儲(chǔ)的半長(zhǎng)軸之差小于閾值(暫定50 km,在軌可改),具體判斷過程如式(1)～(4)所示:

(1)

(2)

(3)

|amea-a0|<ΔaGth

(4)

其中:μ為星上存儲(chǔ)的常數(shù),μ=3.986×105km3/s2,a0為星上存儲(chǔ)的半長(zhǎng)軸,單位為km,rm單位為km,vm單位為km/s,計(jì)算時(shí)應(yīng)注意單位統(tǒng)一。

d)如果星上注入軌道有效且注入軌道基點(diǎn)前后外推時(shí)間小于默認(rèn)外推時(shí)間(3 h),則進(jìn)行以下校驗(yàn):GPS定軌數(shù)據(jù)外推至當(dāng)前的軌道數(shù)據(jù)與注入軌道外推到當(dāng)前的軌道數(shù)據(jù),求三軸的差值,其中任一軸的位置偏差需小于閾值(暫定5 km,在軌可改),且速度偏差需小于閾值(暫定5 m/s,在軌可改)。

說明:

1)如果以上均通過,則認(rèn)為GPS定軌數(shù)據(jù)有效。(注:若a)～c)均校驗(yàn)通過,而d)不滿足判斷條件而跳過校驗(yàn),依然認(rèn)為GPS數(shù)據(jù)校驗(yàn)通過)。

2)當(dāng)前處于定軌軌道時(shí),若校驗(yàn)(判a)～d))通過,則更新軌道遞推初值;更新校驗(yàn)(判a)～d))不通過,則采用上一個(gè)校驗(yàn)正確的GPS定軌數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道外推。當(dāng)GPS定軌數(shù)據(jù)連續(xù)校驗(yàn)失敗120次(60 s),則認(rèn)為定軌數(shù)據(jù)為無(wú)效,此時(shí)不再使用其進(jìn)行外推。

3)當(dāng)前不處于GPS定軌軌道時(shí),需要判斷(判a)～d))連續(xù)60 s校驗(yàn)通過才能置GPS定軌數(shù)據(jù)有效,用第60 s數(shù)據(jù)作為軌道遞推初值;否則GPS定軌數(shù)據(jù)依然無(wú)效。

4.7 單機(jī)異常管理

1)復(fù)位計(jì)數(shù)大于3,則對(duì)BD/GPS單機(jī)進(jìn)行重加電處理;斷電后時(shí)間間隔大于10 s后再重加電。

2)如果星上注入軌道有效且注入軌道基點(diǎn)前后外推時(shí)間小于默認(rèn)外推時(shí)間(3 h),則進(jìn)行以下校驗(yàn):單機(jī)J2000 GPS定軌數(shù)據(jù)外推至當(dāng)前的軌道數(shù)據(jù)與注入軌道外推到當(dāng)前的軌道數(shù)據(jù)求三軸的差值,其中有一軸的位置偏差連續(xù)20 min大于閾值(暫定10 km,在軌可改),或速度偏差連續(xù)20 min大于閾值(暫定10 m/s,在軌可改),則將單機(jī)重加電。斷電后時(shí)間間隔大于10 s后再重加電。

3)如果星上注入軌道有效且注入軌道基點(diǎn)前后外推時(shí)間小于默認(rèn)外推時(shí)間(3 h),則進(jìn)行以下校驗(yàn):單機(jī)J2000 GPS定位數(shù)據(jù)外推至當(dāng)前的軌道數(shù)據(jù)與注入軌道外推到當(dāng)前的軌道數(shù)據(jù)求三軸的差值,其中有一軸的位置偏差連續(xù)20 min大于閾值(暫定10 km,在軌可改),或速度偏差連續(xù)20 min大于閾值(暫定10 m/s,在軌可改),則將單機(jī)重加電。斷電后時(shí)間間隔大于10 s后再重加電。

4)如果星上注入軌道有效且注入軌道基點(diǎn)前后外推時(shí)間小于默認(rèn)外推時(shí)間(3 h),則進(jìn)行以下校驗(yàn):單機(jī)J2000 BD定位數(shù)據(jù)外推至當(dāng)前的軌道數(shù)據(jù)與注入軌道外推到當(dāng)前的軌道數(shù)據(jù)求三軸的差值,其中有一軸的位置偏差連續(xù)20 min大于閾值(暫定10 km,在軌可改),或速度偏差連續(xù)20 min大于閾值(暫定10 m/s,在軌可改),則將單機(jī)重加電。斷電后時(shí)間間隔大于10 s后再重加電。

5)連續(xù)重加電超過3次后,將星務(wù)中的GNSS單機(jī)異常管理功能禁止,可由地面上行指令使能或禁止該異常管理功能。GNSS單機(jī)異常管理功能默認(rèn)為使能。

5 測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證GNSS接收機(jī)軟件保護(hù)措施有效性,分別在地面和在軌進(jìn)行了驗(yàn)證。

5.1 地面測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)上述更改措施修改軟件后,使用某星載GNSS接收機(jī)平臺(tái)對(duì)更改后的軟件進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證,在接收機(jī)正常運(yùn)行的情況下,通過調(diào)試模式修改FPGA及DSP軟件,模擬單粒子影響,觀察GNSS接收機(jī)運(yùn)行情況,測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 地面測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)測(cè)試結(jié)果,所采取的時(shí)間異常判斷、J2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換異常判斷、定軌異常判斷措施有效,可有效防止空間單粒子造成的GNSS接收機(jī)時(shí)間異常、J2000坐標(biāo)異常及定軌異常的情況。

5.2 在軌測(cè)試驗(yàn)證

某型號(hào)衛(wèi)星GNSS接收機(jī)已加保護(hù)措施并在軌連續(xù)運(yùn)行1年,GNSS接收機(jī)運(yùn)行正常,均按要求穩(wěn)定持續(xù)輸出位置信息、校時(shí)信息,保障了衛(wèi)星載荷任務(wù)正常運(yùn)行。經(jīng)過對(duì)加保護(hù)措施后的星載GNSS接收機(jī)在軌運(yùn)行1個(gè)月的數(shù)據(jù)處理分析,發(fā)現(xiàn)共計(jì)發(fā)生7次異?，F(xiàn)象,異常發(fā)生時(shí)均快速檢測(cè)到并自行恢復(fù)。上述異?，F(xiàn)象發(fā)生于南大西洋高能粒子區(qū)附近,同時(shí)接收機(jī)運(yùn)行于1000 km的高度,屬于粒子較活躍區(qū)域,易受空間環(huán)境影響引發(fā)單粒子事件。接收機(jī)通過多種防護(hù)措施(全局變量三模設(shè)計(jì)、軟件自刷新等),尤其軟件中增加的異常檢測(cè)、自行處置等功能,能夠有效提高在軌運(yùn)行的可靠性。

6 結(jié)論

綜合分析星載GNSS接收機(jī)在軌數(shù)據(jù),結(jié)果表明,由于星載GNSS接收機(jī)運(yùn)行于粒子較活躍的軌道高度,在軌運(yùn)行中易受空間環(huán)境影響導(dǎo)致接收機(jī)工作異常,同時(shí)星載GNSS接收機(jī)易受到外部干擾信號(hào)影響導(dǎo)致異常。因此星載接收機(jī)有必要增加多種可靠性保護(hù)措施,針對(duì)在軌運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)多次異?，F(xiàn)象(GNSS定位異常、GNSS定軌異常、校時(shí)異常、接口數(shù)據(jù)無(wú)輸出等)具備自恢復(fù)的功能。

該保護(hù)措施通過地面仿真測(cè)試驗(yàn)證了其有效性,并應(yīng)用在某型號(hào)衛(wèi)星星載GNSS接收機(jī)上,通過在軌數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了星載GNSS接收機(jī)出現(xiàn)異常能快速恢復(fù),保障了載荷任務(wù)正常運(yùn)行。可以為其它型號(hào)星載GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。