星载GNSS接收机在轨整秒时间广播异常分析与研究

来源:用户上传      作者:

　　摘要：GNSS定位系统是根据已知的卫星轨道信息和测量数据，通过数据处理确定用户接收机相位中心的位置，以及卫星本体的运动状态和姿态信息。因此，GNSS接收机提供的轨道信息是卫星有效载荷应用和获取卫星本体姿态信息的关键基准之一。如果其提供的时间广播出现误差，将会直接影响卫星载荷使用测量的位置精度，甚至会直接影响卫星本体的姿态安全。本文针对某商业遥感卫星GNSS接收机整秒时间跳秒情况，对GNSS接收机的定位模块工作机理进行深入分析，找出整秒时间广播异常引起GNSS接收机长时间无法定位的原因，并提出解决方法。
　　关键词：GNSS;定位模块;整秒时间
　　中图分类号：V474.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0096-02
　　0 引言
　　目前，大部分卫星在轨运行期间将使用大量的GNSS接收机数据。在实际应用中，如果GNSS接收机工作异常导致输出数据错误，将直接影响系统导航的准确和安全。本文介绍的GNSS接收机是为了适应某商业遥感卫星应用而重新设计的一种低成本、低功耗GNSS接收机，由一块电源板及两块互为冷备份的定位定轨板组成，其中两个定位定轨板分别为A、B定位模块。
　　每块定位定轨板上对关键性的定位模块实现了两路冗余热备份，两路定位模块可通过定位定轨软件监控并对其独立控制加断电重载程序，定位定轨软件同时接收两路定位模块的定位数据，当一个模块出现故障时可以将数据源切换至另一个模块的定位结果，继续完成相应的功能。GNSS接收机定位定轨板DSP获取定位模块板间通信数据后计算整秒时间，通过CAN总线对星上进行主动广播。
　　1 GNSS接收机在轨整秒时间广播异常原因分析
　　在某商业卫星工作期间，发现卫星的GPS定位模拟TIC计数由1609694跳变为21105，低于报警门限69990，说明GNSS接收机于21105秒前发生了自主复位。在此期间GNSS接收机各板间通信无效技术计数增加23次，卫星姿态由对地运行模式转为太阳捕获模式。根据数据分析得出，由于GNSS接收机整秒广播时间数据停止广播超出2100s，从而触发卫星姿态转太阳捕获模式门限并立即转入太阳捕获模式。
　　提取GNSS接收机发生故障时段前后的工作数据，如表1所示。
　　数据表明，GNSS接收机整秒时间广播数据累加至257022864后，退回到257022863，此时整秒时间广播数据的来源为定位模块A;此后，时间广播数据来源切换到了定位模块B，定位模块B的广播时间反复在257022857s、257022858s两帧之间循环输出，但是定位标志保持为“定位”状态。根据数据显示，此状态一直持续了2100s，此后整秒时间广播数据再次切换至定位模块A，时间广播数据开始累加，定位模块A的定位标识为“非定位”，此时GNSS接收机中两个定位模块均已完成复位，但GNSS接收机A＼B机依然未恢复正常工作状态。
　　1.1 整秒对时广播发送机理
　　GNSS接收机DSP发送整秒时间广播数据包含2个软件模块：打包模块和发送模块。在打包模块中，对整秒时间广播数据进行组包，然后在发送模块中发送到CAN总线上。
　　其中，DSP判断接收机是否定位的机制为：DSP读到定位模块发送的数据后，对包头、校验进行判断，均通过后才把数据读取到DSP的缓存中。读取后，DSP将定位模块中的定位标记与整秒时间广播数据一起打包输出。
　　发送模块为了保证每秒在整秒时刻的50ms内发送时间广播数据且每秒只发送一次，故将该发送步骤分为了2拍，首先收到秒脉冲后，DSP内部置一次标识;然后DSP的工作时钟驱动的2.5ms中断中对该标识进行判断，判断到有效后发送数据，并将该标识清零。由于GNSS接收机内部存在2个定位模块，DSP内部也同时在进行2套定轨运算。在接收机输出的秒脉冲、遥测数据以及整秒时间广播数据中，涉及到如何选择2路数据源的问题。其选择机制如下：
　　DSP中同时维持两个定轨模块的运行，每个模块分别选用一路定位模块的原始测量量进行定轨计算，相互独立;缓变遥测数据中涉及到两个定位模块的数据，采用分时复用的方式，将两个模块的遥测数据间隔打出。
　　速变遥测数据中涉及到定位给模块的数据，选择数据源的逻辑相对复杂，简单的说，两个模块中有一个模块定轨有效时，优先选用定轨有效的模块作为数据源;如果均不定轨有效，两个模块中有一个模块定位时，优先选用定位的模块作为数据源;如果两个模也不定位有效，但是其中有一个模块外推有效，则优先选择外推有效的模块作为数据源;秒时间广播数据在选取数据源时，与速变遥测数据的数据源保持一致。
　　1.2 在轨异常机理
　　定位模块将解算数据发送至DSP需要1秒时间，DSP完成数据解算需要1秒时间，因此GNSS接收机遥测数据中对应着定位结果的UTC时间均为2s前的该时刻的时间。而整秒时间广播时间为当前秒的实际UTC时间，对在轨遥测数据及整秒时间广播数据进行梳理对照。当时定位模块B由于单粒子事件造成输出数据错误。DSP判断到了这一异常后，开始在后台对该模块的通信错误计数进行累加;由于定位模块B发送数据错误计数达到6次，根据可靠性措施，DSP對两个定位模块进行一次管脚复位，定位模块A被复位，复位成功后，A模块变为不定位;而管脚复位后定位模块B并没能成功初始化，依旧保持输出数据错误状态。DSP判断定位模块A非定位达到35分钟后，对其进行了复位。此次复位，除了进行管脚复位外，同时对供电LDO进行了复位，并对频综进行重新配置。B定位模块恢复正常，整机随即恢复正常。
　　2 GNSS接收机在轨整秒时间广播异常解决方案
　　根据分析，GNSS接收机整秒时间广播数据异常，是由于定位模块B发生了单粒子事件。此后，根据在轨软件措施，非定位2100s后，DSP已经对两个定位模块进行了加断电，退出了故障措施。通过遥测也可以判断，GNSS接收机已经恢复了正常工作状态。 　　本次在軌故障反映了GNSS接收机软件存在两方面问题：
　　（1）定位模块发送数据未通过校验后，DSP并没有及时将其判断为非定位状态，导致使用了错误的数据进行UTC计算，广播了错误的整秒时间广播数据;
　　（2）DSP通过在板间通信的监控中判断一个模块板间通信错误后，同时复位了两个定位模块，造成本来正常工作的定位模块也受到了影响。
　　因此，通过更改DSP代码，增加软件可靠性，更改如下：
　　定位模块向DSP发送数据错误时，应当置当前定位模块状态为“非定位”，并将主份模块切换至另一个定位模块;单个模块通信错误达到门限后，更改为只对当前非定位模块进行复位操作，删除对频综芯片的重新初始化，防止对正常工作的定位模块进行复位操作。
　　3 结语
　　通过以上内容可以得出GNSS接收机整秒时间广播异常问题，主要原因在于受单粒子事件影响，定位模块B通信接口故障，引起输出数据错误，导致整秒时间广播数据重复;而定位模块在触发定位定轨板软件复位机制后，未能恢复正常，因而整秒时间广播未能及时恢复正常状态。通过对GPS接收机DSP进行修改实现了一旦其中一个定位模块发生问题后，立即对有问题的定位模块进行复位操作，并讲主份切换至工作良好的定位模块，有效的解决了当有问题的定位模块不能通过复位恢复正常时，不会一直将主用定位模块始终选择为有问题的定位模块上，而会及时切换至正常工作的定位模块，从而不会影响GNSS接收机的正常工作，并且在执行复位操作的时候对正常工作的定位模块进行不必要的复位，有效的保证了GNSS接收机的工作状态。
　　参考文献
　　[1] 翟峰.商业遥感卫星星上时间管理方法[M].东方红卫星股份有限公司，2016，1.
　　[2] 翟峰.商业遥感卫星正样设计报告[M].东方红卫星股份有限公司，2016，1.
　　[3] 姜东升，张沛.卫星电源系统在轨故障分析及对策[J].航天器工程，2013：20（2）72-76.
　　[4] 李怡勇，邵琼玲，等.航天器有效载荷[M].国防工业出版社，2013，6.
　　Analysis and Research on Broadcast Abnormality of On-orbit Time of On-board GNSS Receiver
　　LI Dong，YAN Gang，ZHENG Wen
　　（Key Laboratory of On-orbit Fault Diagnosis and Maintenance for Spacecraft， Xi'an  Shaanxi  710043）
　　Abstract：GNSS positioning system is based on the known satellite orbit information and measurement data to determine the position of the phase center of the user receiver through data processing， as well as the motion state and attitude information of the satellite body. Therefore， the orbital Information provided by GNSS receivers is one of the key benchmarks for satellite payload applications and the acquisition of satellite ontology attitude information. If there are errors in the time broadcast provided， it will directly affect the position accuracy of the satellite load measurement and even affect the attitude safety of the satellite body. In this paper， the working mechanism of the positioning module of GNSS receiver is analyzed in detail， and the reason why GNSS receiver can not be located for a long time due to abnormal broadcasting time is found out， and a solution is put forward.
　　Key words：GNSS;positioning module;whole second time
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-14818615.htm