近地卫星GPS接收机降级应用

李强，李会锋，高阳，王洪浩

（1 航天器在轨故障诊断与维修重点实验室，西安 710043；2 西安卫星测控中心，西安 710043）

0 引言

随着空间导航技术的应用与发展，如今星载GNSS接收机已成为大多数近地卫星的标准配置之一。当下，星载全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收机的研发主要集中在硬件与软件设计、算法改进与优化、精度提高与误差改善[1]、应用拓展等方面。

文献2利用集成电路MAX2769设计了一款星载GPS接收机射频前端，可用于基带信号处理，具有集成度高、价格合理等特点。文献3采用片上系统技术完成星载微型GNSS接收机设计，样机重约45g，功耗约3W，且多种模式可灵活配置。文献4采用采用Xilinx公司的ZYNQ-7000平台设计了一种星载卫星导航接收机，具有全球定位系统（Global Positioning System，GPS）/北斗系统（BeiDou System，BDS）双模兼容、高精度和高动态等特点，功耗在3W以内。文献5报道了GPS/Galileo双模式接收机首次在MICROSCOPE卫星中的在轨应用情况（主要跟踪GPS的L1信号和Galileo的E1信号，跟踪卫星数量基本在9颗），对于轨道确定的目标基本实现。文献6～文献7基于GNSS卫星仰角提出了一种按照轨道高度分段的可见星预测方法，有助于星载GNSS接收机快速捕获信号，适用于不同航天任务需求。文献8利用GPS/GLONASS星座研究了星载 GNSS接收机的几何精度因子（Geometric Dilution Of Precision，GDOP）分布，认为仰角对GDOP有重要影响，而在实际应用中则难以得到GDOP的理论最小值。文献9针对皮卫星携带GPS接收机间歇性开机工作的特点，提出了一种分级校正的时间同步算法，在星载GPS接收机每天开机工作1024s的约束下，实现星上时间精度优于1ms/d。随着小卫星承担科学试验任务逐渐实用化[10]，星载GNSS导航下的卫星编队飞行[11]日益增多，文献12提出在GNSS数据基础上融合星间RF测距数据，并且采用扩展Kalman滤波算法实时递推解算卫星的相对位置与速度，可实现实时相对导航精度优于1mm。文献13研究了GPS实时定轨误差对卫星姿态确定的影响，认为速度矢量主要引起偏航角误差，位置矢量主要引起俯仰和滚动轴姿态角误差，GPS定轨误差引起的姿态角确定误差小于0.001°。此外 ，文献14利用星载GNSS接收机测量GNSS卫星散射信号时延与频移，实现海浪遥感与监测；文献15～文献16利用星载GNSS接收机数据进行反演，测量大气闪烁、研究赤道区域电离与温度异常。以上工作对于更好发挥星载GNSS接收机的作用、进一步挖掘 GNSS信号价值与潜力都有着积极作用；但是，对于星载GNSS接收机在轨操控与维护工作关注相对较少。

在复杂空间环境影响下[17]，器件逐渐老化，性能可能会逐步下降。特别是对于超期服役卫星，可能出现多个器件性能下降甚至相互影响、制约的复杂局面。对于在轨卫星长期管理与操控而言，超期服役卫星延寿工作一直是测控工程师重点关注内容之一。这里以某卫星的星载GPS接收机SEL异常处理为例，分析异常对卫星应答机的影响，给出星载GPS接收机降级应用的操控方案，应用于在轨卫星健康状态检查与评估[18]、上行遥控注入保障等方面。

1 星载GPS接收机SEL事件

某近圆、太阳同步轨道卫星运行的轨道高度约640km，降交点地方时在10:00 AM附近，设计寿命为3年，目前已超期服役近7年（截止2018年7月），姿态控制为偏置动量轮控制方式。

图1 轨道漂移

卫星入轨以来的轨道高度、倾角、降交点地方时（Local Time of Descending Node，LTDN）、光照角（地日矢量与太阳电池阵法线的夹角）变化如图1所示。

显然，从轨道高度和倾角变化可以看出，卫星在轨期间主要进行过三次轨道控制，其中第一次和第三次轨道控制主要是进行半长轴控制，目的在于调整卫星的轨道高度和相位；第二次主要是进行倾角控制，用于调整降交点地方时和轨道光照角度。而从倾角控制效果来看，倾角控制同时对半长轴产生影响：轨道高度明显增加。因此，倾角控制效率还需进一步改进、提高。倾角控制后，光照角逐年减小，轨道光照条件得到一定改善，太阳电池阵的输入光能相对于控制前有增加；降交点地方时则在倾角控制后逐年增大，数值保持在10:00AM左右，这也有利于星下点附近目标的光照一致性保持。

随着卫星在轨服役超期，卫星应答机因老化出现一定程度的性能下降，在轨期间AGC（Auto Gain Control，自动增益控制）变化如图2所示。

在图2中，卫星应答机在2013年以前一直都工作正常，载波锁定期间的AGC数值基本在3V以上，最大值接近3.6V。

因为老化因素影响，应答机性能在2014年出现较大程度下降。经过多次测试后，确定应答机降级应用方案：上行功率800W，天线直径不小于10m，最高仰角大于80°。图2中的（b）图即为该约束下载波锁定期间的 AGC曲线：幅度衰减较大，数值不足1V，且载波锁定时长也明显变短。

图2 应答机AGC变化

虽然载波锁定时长变短，但在降级应用前提下，锁定时长保持在150s以上，能够满足日常上行遥控注入、在轨例行维护等工作对载波锁定时长的要求。

卫星后续在轨运行中，GPS接收机出现死机，在故障处理期间的GPS接收机与应答机温度、应答机载波锁定与AGC参数变化如图2所示。

从图2可以看出，GPS接收机死机后，其温度出现明显抬升，且可分为前后两个时期：前期，温度均值约为21°C，经历约1个轨道周期之后，温度迅速上升至26°C附近；后期，温度继续缓慢上升，在又经历约7个轨道周期之后，温度均值大致稳定在29°C左右。在GPS接收机升温影响下，应答机温度也出现了缓慢抬升：均值温度由26.2°C上升至27°C附近，整体升高约0.8°C。

关于GPS接收机温度上升的原因，工程师分析认为极有可能为单粒子闩锁（Single Event Latch-up，SEL）效应所致：在互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）集成电路中，由衬底和阱之间天然存在的两个寄生双极型晶体管构成的PNPN可控硅结构一旦被触发导通，在电源与地之间可能形成低阻抗、大电流通路，导致电路无法正常工作、甚至烧毁，这一现象称为SEL效应[19]。文献 20对SEL效应中的可控硅结构与作用机理进行了研究，认为可控硅的正反馈特性使得流过可控硅的电流不断增大，最终可能导致整块芯片发生失效；文献 21对实践四号卫星的SEL现象有过专门报道、研究，采用断电、重启措施恢复设备与仪器工作；文献 22对三星公司的 K6R4016V1D型静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）在地面进行了SEL效应试验研究，认为SEL大电流造成器件局部温度升高，甚至会导致器件烧毁；文献 23对专用集成电路VA140的抗单粒子闩锁特性进行了测试，其结果为中国暗物质卫星有效载荷的抗单粒子设计提供依据；文献18针对SEL发生后器件的温度和电流参数变化，利用经验模态分解和边际谱分析方法分别从参数中提取典型特征并进行二值模糊综合判断，由此确定故障发生概率的大小，为遥测诊断系统在异常初期自动报警提供技术支持。

因为GPS的轨道板中有SRAM芯片，再结合这些SEL相关文献可以看出：GPS死机、温度上升等现象与SEL效应下的特征基本符合。

与文献 21的应对方法类似，这里采用断电方法进行SEL故障处理：但是断电处理的前提是遥控信道必须畅通，载波必须锁定才行。

从图3可知，在断电发令处理过程中，载波锁定时长明显著缩短：由日常降级应用下的150s减小至不足 60s。在如此短的锁定时间内，由操控人员进行载波锁定判断、其它遥测信息识读、上行指令发送与执行确认等工作，压力相当大。

图3 故障处理前后参数变化

另外，图3中对于载波锁定为0的部分曲线并未画出；该值为0时，载波失锁（未锁定）。

SEL故障处理的内容实际上是 GPS接收机断电与加电，两者之间相差约20s。从图3可以知道，处理结束后，GPS接收机温度在经历约1个轨道周期之后即回落至 20°C水平，而应答机温度则在大约4个轨道周期后恢复至正常水平；在降级应用条件下，应答机载波锁定时长同样恢复至150s以上，而AGC电压还是不足1V（当然，这并不影响锁定期间的遥控发令与数据注入）。

2 星载GPS接收机降级应用

从GPS接收机的SEL故障处理过程中可以看出，卫星应答机的载波锁定与温度之间存在一定关联：温度高，锁定时长相对较短；温度低，锁定时长相对增加。这里以应答机 AGC和温度为对象，分析温度对应答机的影响。在非测控时段，应答机AGC与温度参数如图4所示。

图4 应答机温度与AGC

图4表明，应答机AGC与温度大致呈同步变化：温度高，则AGC大；温度低，则AGC小。对于其中温度的变化规律，解释如下：卫星进入地影区后，蓄电池放电，同时产生大量热能，星内部分器件温度升高，在地影中间位置附近，温度接近最高；星上主动热控系统随之开始响应，控制蓄电池温度下降，经历约半个轨道周期（多数热控系统的阶跃响应时间即为此值）后，温度接近最低，此时卫星位置处于阳照区，其星下点大致与太阳星下点在同一纬度。另外，全年温度数据变化表明，冬至期间应答机温度为全年最高水平，夏至期间则为最低水平。

文献24认为AGC是通过电路增益随信号强度变化来保证输出信号强度稳定的一个自动幅度调节负反馈系统：当输入信号很弱时，接收机增益大，AGC电路不起作用；当输入信号很强时，AGC电路进行控制，使接收机增益减小。在非测控期间，应答机并没有收到地面信号，因此图4中的 AGC实际上是噪声功率的反映，而噪声显然直接与器件温度相关。

再进一步综合图2与图3中的载波锁定相关数据，可以确认：当AGC电平低于0.82V时，载波环路才有可能实现锁定，此时应答机对应的温度约为26.2°C。这一温度可以作为应答机载波锁定工作的最高上限。

至此可以看出，应答机温度对于载波锁定有重要影响：温度越低，载波锁定越容易；温度越高，载波锁定越困难甚至不可能。

文献25对轨道高度850km、降交点地方时为10:30AM 的太阳同步轨道卫星的星内热功耗进行了仿真，认为卫星在寿命初期处于低温工况，而寿命末期处于高温工况。文献 26对两颗通信卫星热控系统长期在轨性能进行了评述，认为在空间环境影响下，热控涂层材料性能逐渐退化，材料的太阳吸收率会有所增加，进而导致卫星在轨期间呈现温度逐渐升高趋势。文献 27探讨了一种通过卫星在轨温度数据反演计算热控涂层在轨性能退化情况的方法，亦认为热控涂层性能发生退化导致卫星温度升高。这里，卫星在轨运行近 10年，已经进入高温工况期。应答机冬至期间的工作温度的长期变化如图5所示。

图5 应答机冬至温度

从图5可知，应答机温度确实存在长期缓慢升高现象。结合图1中的倾角与光照角变化可知：后期，随着光照角进一步改善，卫星轨道热流可能进一步增加，整星温度水平还可能继续升高，应答机温度还可能继续上升。另外，冬至期间的日地距离最小，太阳对于卫星的影响可能加剧，应答机在冬至前后的载波锁定可能更加困难。

文献 28认为，良好的热管理对于提高小卫星的可靠性至关重要。以上数据与分析也表明，后续整星温度可能继续升高，可能会对载波锁定带来严重影响：一旦应答机最低温度超过26.2°C，已经处于降级应用的应答机可能难以实现载波锁定，上行遥控通道可能无法保障。因此，需要尽力降低、减缓整星温度升高带来的不利影响。

从GPS接收机SEL故障处理来看，发生SEL事件后的升温确实对载波锁定造成明显影响。如果后期再次发生SEL事件，考虑到整星温度升高趋势，届时载波很可能难以锁定，继而出现死循环：载波无法锁定，上行无法遥控发令，GPS接收机无法断电，SEL事件无法处理，高温状态继续保持，载波仍然无法锁定。

可见，图3中的SEL事件已经为应答机载波锁定困难敲响警钟。有鉴于此，这里给出GPS接收机的降级应用方案：关闭轨道板。这样既可以降低SEL事件发生概率，还可减小星内功耗（当然，这一功耗很小）。

文献29研究了Swarm卫星天线相位中心偏差对于星载GPS数据下的精密定轨的影响，给出了一种相位中心变化（Phase Center Variation，PCV）递推处理方法，提高卫星定轨精度；文献 30利用国产星载双频 GPS接收机数据进行质量评估与精密定轨，认为Tianhui-1C卫星定轨精度相对于前期的A星和B星有两个数量级提高；文献[10-11]也展示了星载GNSS数据在轨道确定方面的应用。这些情况表明，星载GPS接收机数据在卫星轨道确定中发挥着重要作用。在这里，关闭轨道板主要对实时轨道解算造成影响，对于偏置动量轮控制卫星而言，实时定轨的价值并不大；毕竟，轨道确定的目的更多在于高精度姿态测量、确定与控制等方面的应用，而偏置动量轮控制卫星的姿态精度并不高。

在卫星超寿命运行条件下，考虑GPS接收机发生 SEL事件后对温度敏感应答机造成载波锁定困难的风险，最终确定关闭GPS接收机轨道板。

3 结果与讨论

星载GPS接收机断电后，通过遥测下传的定位数据以及其它连续时间（Time In Continuity，TIC）、温度数据如图6所示。

图6 GPS接收机参数

可以看出，GPS接收机的定位数据输出正常，对应的极半径数据也正常（极半径ρ与定位数据X、Y、Z之间的关系为：ρ2=X2+Y2+Z2）。

TIC数值较大，表明GPS接收机在关闭轨道板之后，发生复位或者死机的次数很少，连续工作时间较长。

值得注意的是温度参数变化情况：与图3中处理SEL故障后的温度相比，图6中的温度明显偏高。这也再次表明，在器件老化加剧以及空间环境影响下，整星温度水平一直在缓慢升高。但目前温度水平还在20.5°C之下，而应答机的温度水平在25°C之上（参见图3、图4）。这样，GPS接收机温度在降级应用后虽然在上升，但是低于应答机工作温度，不会对应答机载波锁定造成影响。后期应持续关注星内各器件温度变化情况。

另外，通过遥测下传GPS接收机的定位数据，同样可以在地面实现高精度定轨，这也是文献 30精密定轨采用的方法方式。然后，在例行维护与操控中将精密轨道上注，即可满足卫星对精密轨道的需求（一般情况下，注入轨道数据的遥控时长在10s左右）。

GPS接收机降级应用后，应答机的载波锁定与AGC参数如图7所示。

图7 应答机AGC与锁定

在图7中，载波锁定时长为413s，明显优于应答机降级应用下的150s时长要求。载波锁定时间较长，原因可能在于跟踪时的测控天线地理位置相对偏南，应答机的温度接近轨道周期内的最低，有利于载波信号捕获与锁定。但是，载波锁定期间的AGC电压幅值偏低，最高不足 0.9V，稍低于图2中的情形，这可能是器件老化、链路增益下降所致。此外，载波锁定窗口中心仍然在遥测数据中心的右侧，说明星上锁相环路在信号捕获后的锁定、跟踪性能依然很好。

在减缓单粒子效应影响方面[31]，后续还需继续改进应对方法。考虑图3中GPS接收机升温与应答机升温之间的时延关系，可将卫星在阳照区的跟踪圈次安排采用间隔排列方式，例如跟踪阳照区的第一圈和最后一圈，而不是通常的连续某两个圈次。这样，即使GPS接收机再次发生SEL事件，在阳照区发现该事件时，应答机温度的抬升幅度应该不大，地面操控处理难度相应会小一些。再考虑冬至前后应答机温度水平为全年最高，可考虑将间隔排列方案在冬至前后采用；在全年其它时段，则仍采用通常的连续跟踪两圈的方式，减小对测控资源调度的约束与压力。

4 结论

关于近地卫星GPS接收机发生SEL事件后的升温对测控应答机的影响，确认应答机的温度敏感特性，即载波锁定时的AGC电压在0.82V以下，对应温度约为26.2°C；为减小SEL事件的风险，采用关闭GPS接收机轨道板的降级应用方式。

轨道板断电后，GPS接收机定位、守时工作正常，工作温度在20.5°C以下，对测控应答机工作温度没有影响；应答机在上行功率 800W、天线直径10m、最高仰角不低于80°的约束下，载波锁定时长优于150s，满足例行操控需求。