资源一号02D卫星双频GPS导航系统容错设计

王建 赵里恒 武小栋 胡萍 苏莹

(1 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)(2 航天恒星科技有限公司，北京 100095)(3 西安空间无线电技术研究所，西安 710071)(4 北京遥测技术研究所，北京 100076)

资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)使用双频GPS导航系统[1-2]。双频载波L1上包含C/A码和P码2种测距码，而载波L2上只包含P码[3],通过差分方式在一定程度上可消除传输路径上的误差，为整星提供高质量的导航应用，主要包括：①输出计算后的定位、定轨[4]数据等信息，为其他分系提供所需的测量数据；②利用高程图及算法，为可见近红外及高光谱相机提供成像任务所需的积分时间代码；③输出高精度微秒级别的脉冲信号和对应的绝对时间，为整星提供高精度时统基准；④输出原始测量及整星的辅助数据，提高事后精密定轨精度。

低轨遥感卫星GPS导航系统内部采用单粒子敏感数字电路，并在轨长期处于高速运算状态。低轨遥感卫星运行的太空环境复杂，易发生单粒子翻转[5-6]问题，可能导致星载GPS导航系统工作异常，出现位置、速度、时间数据中断问题，进而影响整星业务的连续性。因此，星载GPS导航系统在轨容错机制对于低轨遥感卫星在轨运行至关重要。星载GPS导航系统的故障模式包括时统信息异常、定位状态异常、定轨状态异常、定位定轨数据异常和通信连续性异常等。目前，在整星层面的处理措施，都是监控到异常时立刻停止使用时统信息，并在一定时间内对星载GPS导航系统进行复位或者重新启动，使其重新建立捕获定位状态，恢复正常工作。这样虽然可以解决大多数的故障模式，但是也造成时统信息及通信丢失。资源一号02D卫星双频GPS导航系统采用文献[7]中提到的双频GPS接收机单机层面可靠性设计，同时考虑到双频GPS导航系统出现异常时可使其有效时间信息中断输出，因此增加了双频GPS导航系统时间数据可靠性处理措施。另外，根据在轨数据及地面仿真分析，双频GPS导航系统出现最频繁的故障模式是定位定轨异常，但会在指标范围内重新建立状态，所以在整星层面对时统信息也采用容错设计。在双频GPS导航系统在轨出现位置、速度、时间短暂中断问题后，采用上述在轨容错设计，可通过原来建立的轨道模型、时间基准等继续保持位置、速度、时间及其他有效载荷辅助数据、时间信息有效不间断的输出。

本文介绍了资源一号02D卫星双频GPS导航系统容错设计，通过分析、评估双频GPS导航系统故障影响持续时长、时间系统精确度，以及事后精密定轨[8]、定轨外推精度指标，证明容错设计有效，可保证整星业务的连续性。

1 容错设计

双频GPS导航系统容错设计，主要包括整星层面容错设计(即整星对双频GPS导航系统健康状态监控与干预处理)和单机层面容错设计，见图1。

图1 容错设计总体方案Fig.1 Robust design scheme

1.1 整星层面容错设计

双频GPS导航系统容错设计，在整星层面接收双频GPS导航系统状态字或者其他遥测数据，综合判断双频GPS导航系统工作状态。当双频GPS导航系统异常时，通过整星层面干预，强制开关双频GPS导航系统，具体处理如表1[7]所示。

表1 整星层面双频GPS导航系统运行状态识别和故障处置决策Table 1 Dual-frequency GPS navigation system operating state identification and fault handling decision at entire satellite level

1.2 单机层面容错设计

除了系统层面的各种措施，为了提高可靠性，保证卫星在轨的长期稳定运行，在单机层面也采取了多项措施。

1.2.1 双频GPS导航系统板间/内监控设计

通过双频GPS导航系统板间监控、板内状态监控，判断异常时可进行自干预，强制双频GPS导航系统恢复正常，具体容错措施详见表2[7]。

表2 单机层面容错措施Table 2 Fault-tolerant measures at subsystem level

1.2.2 双频GPS导航系统辅助数据连续性设计

双频GPS导航系统在整星、板间/内设置了容错设计，并在辅助数据层面进行了容错设计，主要包括：①定位、定轨数据根据板间工作状态选择输出；②通道板异常无法完成连续定位时，整秒时间码依赖外部高稳时钟在一定时间内继续为整星有效载荷提供有效时间数据。

1)定位、定轨数据根据板间工作状态选择输出

当双频GPS导航系统通道板出现异常无法连续定位时，双频GPS导航系统将依靠轨道接口板建立的定轨模型外推出高精度位置、速度数据，以及使用定位数据计算的相机积分时间代码等。在不同状态下，双频GPS导航系统可输出的各参数状态如表3所示。

2)非定位期间秒脉冲信号/整秒时间码依据外部高稳时钟继续输出

双频GPS导航系统实际在轨工作中优先使用外部高稳时钟作为工作时钟，当其处于非定位状态时，无法实时计算(测量)获得其工作时钟相比GPS星座基准时钟偏移量。此时，双频GPS导航系统完全依赖外部高稳时钟(与GPS卫星上时钟存在计时误差)进行计时，确定秒脉冲下降沿发生时刻，在秒脉冲下降沿后的100 ms内将秒脉冲对应的绝对时间信息写入1553B总线规定的发送缓冲区内，设置相应的服务请求，等待整星的中央处理单元响应并取走，传递给各守时终端(即秒脉冲的使用分系统)，并通过各有效载荷评估，当双频GPS导航系统出现异常无法连续定位后，其输出的整秒时间码精度在58 μs以内，因此仍可被整星有效载荷使用。

双频GPS导航系统通道板出现异常，无法连续定位后，在一定时间范围内会继续输出有效整秒时间码，供整星有效载荷使用。

表3 参数状态Table 3 State of parameters

2 试验验证与在轨验证

2.1 外推精度仿真

使用资源一号02D卫星仿真轨道[8]以及资源一号02D卫星双频GPS导航系统，根据文献[9]中的导航定位系统原理进行仿真测试，包括双频GPS导航系统处于轨道外推时位置和速度精度，以确定双频GPS导航系统在轨出现非定位时数据是否可用。积累0.5 h以上的连续观测数据，能得到较高精度的外推数据[10]，具体外推位置和速度精度如图2和图3所示，3轴合成位置和速度精度随时间变化如图4所示,其中X轴，Y轴，Z轴为WGS-84坐标系下的3轴方向。定轨外推精度随时间变化如表4所示。

资源一号02D卫星指标位置精度要求为10 m，定轨外推100 min的位置精度要求为40 m。经过仿真分析可知：在异常以后的60 min内，外推位置精度为10 m左右， 100 min内的外推位置精度为17.264 8 m，均能满足整星的需求，可以在非定位状态下继续使用定轨外推数据计算积分时间代码，以及作为相机成像位置速度信息。

注：100 min内不大于40 m精度要求。图2 定轨外推位置精度Fig.2 Orbit determination extrapolation position accuracy

注：100 min内不大于0.3 m/s精度要求。图3 定轨外推速度精度Fig.3 Orbit determination extrapolation velocity accuracy

图4 3轴合成位置和速度精度Fig.4 Position and velocity accuracies of three axes

表4 定轨外推精度随时间变化Table 4 Orbit determination extrapolation accuracy change with time

2.2 整秒时间码有效保持容错仿真

2.2.1 整秒时间码有效保持时间确定

受高稳时钟单元固有钟偏及老化影响，时钟的老化率为3.6×10-10/天，随着非定位时间增长，秒脉冲精度将逐渐偏离基准位置，且存在一个累积误差，即高稳时钟与基准时钟(GPS卫星上时钟)计时误差，具体公式如下。

(1)

式中：δf为双频GPS导航系统工作时钟基准偏离量(即高稳时钟固定频率偏移量)；f0为基准时钟频率，取5 MHz；t为连续非定位时长，s。

双频GPS导航系统定位、定速解算过程中，可获得钟漂测量值，该测量量可反映双频GPS导航系统的基准时钟偏离其标称值的程度，具体钟漂与基准时钟的偏离量有如下关系。

(2)

式中：F为钟漂；c为光速。

直接使用设备测试出的高稳时钟单元固有频偏，无法精确反映在轨工作时实际频偏情况，因此需要寻找其他方法反映高稳时钟单元频偏情况。使用高精度信号发生器作为双频GPS导航系统的外钟，外接动态导航仿真信号，并通过软件控制自动调节高精度信号发生器，使实际输出到双频GPS导航系统的时钟频率偏离5 MHz基准时钟，等待双频GPS导航系统完成定位后，自动记录遥测中钟漂值及基准时钟偏移量(见表5)，并绘制基准时钟偏移量与钟漂值关系曲线(见图5)，2个参变量呈一次线性关系。

表5 基准时钟偏移量与钟漂值的关系Table 5 Relationship of primary reference clock offset and clock drift

图5 基准时钟偏移量与钟漂值关系Fig.5 Relationship of primary reference clock offset and clock drift

通过以上试验可知：实测基准时钟偏移量、钟漂值之间的关系与式(2)一致，因此可以使用整星下传的双频GPS导航系统计算的钟漂值，反推出高稳时钟单元固有频偏。

在固定频率偏差条件下，等待双频GPS导航系统定位后，中断信号源，使得双频GPS导航系统由“定位状态”转为“非定位状态”，并使用时间间隔计数器记录基准秒脉冲与双频GPS导航系统实际输出的秒脉冲之间时间差(偏移量)，见表6，并记录非定位后时间偏移量，见图6。

表6 实测钟漂值与秒脉冲偏移量关系Table 6 Relationship of primary reference clock drift and second pulse

图6 非定位时间偏移量Fig.6 Non-localized time shift

通过以上试验可知：实测钟漂值、秒脉冲偏移量之间的关系与式(1)一致，因此可以使用整星下传的双频GPS导航系统计算的钟漂值，评估有效载荷引入的秒脉冲偏离基准值依据。

通过仿真测试及整星测试中双频GPS导航系统稳定定位后输出到遥测中的钟漂值20，计算高稳时钟偏离基准频率5 MHz的偏移量为0.34 Hz，由于双频GPS导航系统中通道板软件实际使用的62 MHz时钟是由频率综合器芯片以外部输入的5 MHz时钟为基准倍频得到的，那么62 MHz实际偏了4.216 Hz，从而计算出秒脉冲精度为0.999 999 932 s，可知秒脉冲信号每秒偏出基准值68 ns。双频GPS导航系统连续非定位900 s导致时间准确度偏离基准值61.2 μs，从整星层面出发综合整星对图像处理的要求，结合分析相机成像精度要求及事后处理需求，可选择合适的阈值作为容错门限。

2.2.2 整秒时间码有效保持容错有效性试验

在资源一号02D卫星的整星测试阶段，通过设置双频GPS导航系统仿真信号源轨道场景中GPS星座特定星号开启/关闭状态，使得双频GPS导航系统仿真测试过程中(星况问题)频繁出现非定位故障现象，验证双频GPS导航系统容错措施的有效性，见图7。

从图7可以看出：采用容错设计后,短暂非定位带来的其他分系统退出秒脉冲使用模式的概率大大降低，有效地保证了其他分系统工作的连续开展，但对于异常事件持续时长超过容限阈值的情况，该容错设计表现不足。若双频GPS导航系统充分考虑历史解算的稳定钟漂值，将其作为高稳时钟偏离量的先验信息，在双频GPS导航系统进入异常时，将该量作为先验信息来修正时钟偏移量，可在修正容限阈值上有所突破，后续将根据该改进方法进行充分分析与验证，确定其实施手段与可靠性。

图7 容错设计前后情况示意Fig.7 Situation before and after fault-tolerant design

2.3 在轨验证

资源一号02D卫星双频GPS导航系统在世界协调时间(UTC)时间2020-06-19飞入单粒子敏感区域时，发生了一次单粒子翻转导致双频GPS导航系统通道板软件非定位问题，连续非定位时长为315 s。当时整星安全阈值为400 s，该非定位时间未引起资源一号02D卫星其他分系统退出秒脉冲引用事件，且通过计算UTC时间2020-06-19T04:00:00-16:00:00精密轨道(对比点位数目共4318个，点位分辨率为10 s，共跨越12 h的数据)，并复核双频GPS导航系统该时间段位置、速度精度(包括双频GPS导航系统出现非定位期间定轨外推位置、速度数据)，如图8和图9所示。从图8和图9中可以看出：位置、速度均满足精度指标要求。同时，各分系统正常使用秒脉冲及时间数据，整星业务连续未中断，满足使用要求，具体定轨数据包复核精度如表7所示。

注：红框标记处是出现了短暂非定位现象。图8 容错设计生效时位置精度Fig.8 Position accuracy when fault-tolerant design works

图9 容错设计生效时速度精度Fig.9 Velocity accuracy when fault-tolerant design works

表7 在轨评估定轨精度Table 7 On-orbit evaluation of orbit determination accuracy

3 结束语

资源一号02D卫星双频GPS导航系统可为整星提供定位数据、定轨数据、时间基准，空间环境复杂可能会导致其出现短暂功能异常。针对短暂可恢复非定位异常现象，本文提出了多层级容错设计，从整星层面和单机层面进行自主联合的处理方式，并通过仿真与在轨验证证明了设计合理有效。该容错设计保证了整星工作持续正常开展，为双频GPS导航系统在卫星全生命周期长期稳定运行提供了有力支持，可为其他航天器设计提供参考。