高分七号卫星GPS接收系统多层级健壮设计方案与验证

姚鑫雨 张莎莎 任放 赵晨光 赵里恒

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2航天恒星科技有限公司，北京 100095)

随着高分辨率卫星遥感技术的发展，遥感卫星用于地理测绘可以有效提高测绘效率，降低地形复杂地区的测绘难度。2019年11月发射的高分七号卫星，可用于1∶10 000比例尺立体地理信息产品的生产和更新，其高精度立体测绘的实现得益于星载GPS接收系统提供的高精度、全天候定位授时数据。高分七号卫星上的多个系统均要使用GPS接收系统数据，以提高定轨或时统精度；同时，地面进行卫星精密定轨处理也要利用星载GPS接收系统输出的观测数据。为此，卫星的轨道测量精度要满足极高的要求，而且GPS接收系统所提供的数据要具有较好的连续性和完好率，这就需要GPS接收系统能够完成长期稳定的在轨运行并持续提供服务。

星载GPS接收系统作为卫星全生命周期长期运行的平台设备，含有数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、静态随机存取存储器(SRAM)及闪速存储器(Flash)等对单粒子敏感的数字电路器件，在复杂的空间环境下，易发生单粒子翻转，导致服务中断。特别对于像高分七号卫星这类运行于太阳同步轨道的低轨遥感卫星，每天都会多次经过诸如南大西洋异常区等单粒子翻转事件频发区域，如果遇到太阳爆发质子事件，纵然星载GPS接收系统采取了一定的单粒子屏蔽措施，仍然不可避免地受到单粒子翻转事件的影响。为此，对GPS接收系统运行状态的实时监控和自主智能管理成为了高分七号卫星健壮设计的关键环节之一。

故障预测与健康管理(PHM)是一种智能健康管理技术[1]，包括系统故障检测、故障诊断和隔离、故障预测、健康管理和决策等方面[2]。PHM技术起源于美国联合攻击战斗机(JSF)的研制[3]，并盛行于美国航空航天研究领域。为了实现高分七号卫星GPS接收系统的在轨稳定运行，本文针对GPS接收系统特点，基于PHM技术提出一种多层级的健壮设计，给出了多层级健壮设计的关键技术及实现途径，可为后续航天器GPS接收系统和其他星载系统的健壮运行管理设计提供参考。

1 高分七号卫星GPS接收系统特点

为了突破高分七号卫星高精度立体测绘任务的关键技术，基于GPS接收系统可提供高精度、全天候定位授时数据的特点，星上多个系统与GPS接收系统建立了直接或间接数据交互，这对GPS接收系统设计提出了如下要求。

(1)提供高精度时统。时间同步精度是高精度测绘实现的基础，高分七号卫星GPS接收系统为有效载荷提供1次/秒的脉冲信号和对应的绝对时间作为有效载荷工作的时间基准，可达到微秒级别的时间同步精度。

(2)辅助有效载荷指标实现。为了提高双线阵相机成像精度，以及激光测高距离门限实时设置的先验合理性，高分七号卫星GPS接收系统设计采用速高比计算模块，通过装载全球范围的数字高程地图，根据实时定位数据和姿态数据，实时计算高精度速高比数据，并转换成积分时间数据和激光指向距离数据提供给有效载荷，为双线阵相机进行像移补偿和激光测高仪激光器出光方向至地球表面的距离测量提供数据。

(3)协助高速数据传输。高分七号卫星数传天线分系统在自主控制模式下需要借助GPS接收系统实时产生的高精度定位数据进行轨道预报计算，以实现数传天线对地面站的准确跟踪，保证波束指向始终保持在天线增益和极化隔离度满足高速数据传输的精度范围内。

(4)实现高精度事后精密定轨。为了达到高分七号卫星米级的图像平面定位精度需求，卫星总体设计方案对事后精密定轨精度提出了厘米级的要求，因此GPS接收系统不仅要实现定位精度的指标，还要保证所提供导航数据的连续性和完好率。

通过设计特点分析可知，GPS接收系统需要连续提供有效的服务，因此，建立GPS接收系统在轨运行健壮设计方案，对卫星高精度测绘任务目标的实现尤为关键。

2 GPS接收系统健壮设计方案

本文基于PHM提出了高分七号卫星GPS接收系统多层级健壮设计方案。PHM采用开放系统结构，针对不同的应用，PHM系统各环节的设计也有所不同，但是系统的总体设计理念是一致的。以美国波音公司最早提出的视情维修开放体系结构(OSA-CBM)[4]为参考，构建如图1[4-5]所示的PHM系统架构框架。

图1 基于OSA-CBM模型的PHM系统构架Fig.1 PHM system architecture based on OSA-CBM model

不同体系架构的PHM系统在层次划分和设置上会具有一定的针对性设计，但其结构都可以概括为以下3个关键部分。

(1)数据采集部分。它主要包括系统状态参数的采集、处理等功能，以此获取PHM实时检测数据。由于系统运行过程中内部及外部接口状态数据量大，部分参数特征不明显，因此进行数据采集的关键在于确定可以表征系统健康特性的参数。

(2)监测与评估部分。它主要对数据采集部分获得的系统实时状态参数进行监测，通过与期望阈值比较实现系统健康状态的识别与评估。期望值与运行阈值的设定及健康评估方案的选择，决定了PHM系统运行的有效性，可以通过多状态的关联分析和多系统多参数的比对提高判决准确性。

(3)预测、报告与决策部分。它依据监测与评估部分给出的系统健康状态，对系统未来时间段内的健康状态进行预测，若已出现或可能出现故障，则进行决策处置或报告反馈。健壮设计的最终目的是保障系统持续运行。系统通过过去、现在的健康评估结果，对未来的系统健康状态进行预测，有助于提前识别故障。

2.1 多层级健壮运行管理系统

结合上述PHM系统的3个关键部分，为实现卫星GPS接收系统健壮运行管理的时效性和全面性，本文设计了如图2所示的多层级健壮运行管理架构，该架构共包含单机/分系统级、整星级、星地级3个层级。

图2 多层级健壮运行管理系统Fig.2 Multilevel robust operation management system

下面对多层级健壮运行管理架构中3个层级的应用思路进行简述。

(1)单机/分系统级。它是多层级健壮运行管理架构的第1级，其内部的健壮运行管理模块可构成独立的PHM系统。这些模块首先具备数据采集功能，能够通过与其他功能模块间的数据交互直接获取单机运行过程中产生的各种状态参数；然后，通过一定的运行状态阈值及期望值比较方法，根据采集到的参数对单机状态进行监控和判决；最后，针对预测得到的某些特定单机故障，采取必要的处置措施，或给出运行状态信息报告至卫星数管分系统。

(2)整星级。其健壮运行管理包括对单机/分系统级的故障补充处置和其他分系统的故障隔离。整星级数管分系统及其他系统，通过获取单机/分系统级给出的运行状态信息，经汇总、融合得到更为全面的运行状态判据，综合整个卫星系统的情况实现PHM功能，并作为单机/分系统级健壮运行管理的升级补充。单机/分系统级和整星级健壮运行管理功能的实现，可以通过设置独立的PHM物理主体，也可以作为一个软件配置项运行于常规功能的设备之上，甚至可以是设备常规软件配置项中的一个单元模块或附加功能。

(3)星地级。其健壮运行管理可以在单机/分系统级和整星级自主管理的基础上，通过地面的人为干预完成更加复杂的故障识别与处置。地面可以将卫星下传的全部遥测数据作为PHM功能的参数输入，经过数据处理及运行状态识别，由专家系统给出处置决策；也可以通过星上各单机/分系统生成的单机/分系统级信息报告，或数管分系统提供的系统级信息报告有选择性地实现故障的快速识别和处理。这种方式可以提高星地级健壮运行管理的时效性和针对性。

2.2 GPS接收系统各层级健壮运行管理方法设计

依据上述多层级健壮运行管理架构，本文设计出高分七号卫星GPS接收系统健壮运行管理中各层级的管理方法。

2.2.1 单机/分系统级健壮运行管理设计

高分七号卫星所用的GPS接收系统主要通过通道处理模块、导航解算模块、轨道计算模块、接口通信模块和电源模块实现导航定位授时功能。针对这些基本模块，在单机/分系统级基于PHM技术建立一套PHM系统架构，其具体设计如下。

1)数据采集、状态监测与评估

对于PHM系统中的数据采集部分和监测与评估部分，其重点在于表征系统健康状态特征参数的选取及运行状态的评估方法设计是否合理有效。针对以下几类单机运行状态，选取相应功能模块中的参数进行采集、处理和监控，并将采集到的数据与设定期望值或运行阈值进行比较，反映相应系统的运行状态。

(1)软件运行状态。GPS接收系统软件需要同时兼顾GPS信号实时处理及与星上其他设备的接口通信，对软件处理时长有严格要求，因此通过获取软件循环中特定操作的执行间隔或执行时长监控软件运行状态。

(2)通信状态。GPS接收系统内部各板间通信及接收系统与外部的总线通信，均按照固定周期进行，通过监控相邻2次通信信号间的时间间隔获取设备内部通信状态的运行情况。

(3)导航卫星星历状态。为了评估获取到的导航卫星数据健康状态，对导航电文状态进行监测，包括导航卫星星历完整性、导航卫星星历及历书关键参数合法性等。根据GPS导航定位原理，在识别导航卫星可用性时，首先对该卫星的必要子帧收集情况进行判断[6]。对于导航卫星关键参数的合法性，则在检测卫星历书中导航卫星健康标志是否为“0：健康”的基础上，特别针对导航卫星轨道参数及接收系统提取的星历信息进行门限检测。

(4)相关模块测量量。在GPS接收系统中，通道信号相关模块完成测量数据的提取。作为定位解算数据帧参数的输入，相关模块测量量发生超差会对定位解算精度造成影响，因此对伪距、伪距率变化率及信号载噪比进行可用门限判决。

(5)定位解算。根据GPS接收系统基本定位原理，用户的位置可通过伪距观测方程的求解获取，最小二乘法是求解伪距方程最直接的方法[7]，也是遥感卫星所用的GPS接收系统定位解算的基本方法，接收系统软件需要实时对最小二乘可逆返回状态进行监测。另外，定位解算模块运行故障或获取的GPS导航信号异常，将导致定位解算结果偏离正确值，因此选取解算模块运行过程中输出的关键参数反映定位解算结果的有效性。同时，为了避免输出异常定位解算结果，接收机对解算结果也加以门限判决。

(6)定位定轨运行状态。GPS接收系统定位及定轨有效标志可直接反映定位和定轨模块的运行状态，因此可直接选取这两个标志作为定位、定轨运行健壮性的监控参数。

(7)单粒子翻转影响。为降低单粒子翻转对DSP、FPGA、SRAM或Flash等数字器件带来的影响，高分七号卫星GPS接收系统利用错误检测与纠正(EDAC)模块进行纠检错[8-9]。但对于无法使用EDAC进行监控的单元，若运行过程中发生单粒子翻转，则需要通过外部监控。上述(1)～(6)项的运行状态，可间接反映对应模块运行过程中的单粒子翻转事件，而对于无法通过运行参数反映的，则可通过外部监控模块进行数据回读比对的方式识别单粒子翻转事件的发生。

2)故障预测与决策

故障处置的决策是PHM系统中的核心技术，为了避免故障处置不当带来的问题影响扩散，高分七号卫星GPS接收系统单机级健壮运行管理根据故障的严重程度和处置措施对单机功能的影响程度进行分级，设置不同的决策处置方式与时机。

(1)I级：故障处置前单机功能完全失效或存在安全性风险，或处置过程对单机功能基本无影响，则立即进行故障处置。

(2)II级：故障处置前单机功能有受到持续性影响的可能，且处置过程中单机功能短时不可用，则依据一定判决条件选择合适时机进行故障处置。

(3)III级：故障状态下单机仍可提供一定的基本功能，并且有外界状态变化使得自主恢复的可能，而故障处置过程中单机功能较长时间内不可用，则待单机功能性能指标即将无法满足时再进行处置。

表1对单机故障所述级别进行划分，并给出了适合的处置决策。

表1 单机/分系统级故障级别划分及处置决策Table 1 Fault level division and handling decision at unit/subsystem level

3)故障报告

在单机级的故障报告模式设计分别考虑了健壮运行信息向整星级和星地级传输的特点，通过以下两种手段进行故障和处置报告。

(1)实时遥测显示。GPS接收系统设置了丰富全面的遥测参数表征其运行状态，适用于实时向整星级进行运行状态信息传递。

(2)历史事件报告。为弥补低轨遥感卫星地面测控弧段时长较短、无法获取境外实时遥测的限制，当特定故障发生及解除时，GPS接收系统将给出突发事件报告，报告中描述故障事件的发生或解除时间，以及少量故障辅助信息(诸如故障原因、故障描述等)，并循环向地面播发；当卫星进入测控弧段后，即可通过事件报告了解境外发生的历史故障及处置情况，适用于高分七号卫星低轨运行特点下向星地级传递运行状态信息。

2.2.2 整星级健壮运行管理设计

基于PHM的设计思路，整星级的GPS接收系统健壮运行管理通过对运行状态的识别和处置，主要实现单机/分系统级的故障补充处置和其他分系统的故障隔离。

整星级的故障补充处置目的在于进一步解决单机级无法处置或单机级未处置成功的故障。表2为高分七号整星级对GPS接收系统的运行状态识别和故障处置决策。

在高分七号卫星中，为了防止故障扩散至采用GPS接收系统数据的控制分系统、有效载荷分系统及数传天线分系统，各分系统也进行了GPS接收系统数据的有效性判别和故障隔离处置。

(1)控制分系统。当GPS接收系统数据短时间内不可用时，控制分系统可使用自身内部时钟进行时间外推，并通过接收到的最后1次有效轨道数据进行轨道外推计算；当GPS接收系统数据恢复有效后，经过正确性判断完成自动重新引入使用。

(2)有效载荷分系统。若GPS接收系统在短期工作时间内出现不可用，有效载荷分系统可依据对GPS接收系统数据的有效性判断，通过自身维护、数据外推或使用其他数据源的方式保证系统仍可工作。

(3)数传天线分系统。若GPS接收系统在短期工作时间内出现不可用，数传天线分系统可依据对GPS接收系统数据的有效性判断，选择通过当次开机工作过程中接收到的最后3次有效GPS接收系统数据进行轨道外推，使得系统仍可工作。

表2 整星级GPS接收系统运行状态识别和故障处置决策Table 2 GPS receiving system operating state identification and fault handling decision at entire satellite level

2.2.3 星地级健壮运行管理设计

星地级健壮管理设计是所有层级中可识别与处置故障复杂程度最高的，相比于单机级和整星级健壮运行管理，系统评估的参数更多，可能发生的故障种类也更为繁杂，往往需要专家系统的人为干预。由于星地级健壮运行管理处置项目较为复杂且无法完全预估，因此以GPS接收系统总线通信异常为例，给出星地级健壮运行管理的设计思路。单机级和整星级均设计了总线通信状态管理，以周期为1 s的总线轮询状态作为判断依据，然而在总线轮询成功的状态下，仍可能出现总线数据缺失、重复、乱码等异常，且不易通过星上软件自行判断，此时需要地面进行综合判断，包括对总线遥测、有效载荷辅助数据等的正确性检查，根据评估结果执行GPS接收系统关机重启或切换备机的决策。

3 在轨应用验证

本文设计的GPS接收系统多层级健壮运行管理方案，为高分七号卫星GPS接收系统在轨稳定运行提供了支持。以FPGA单粒子翻转问题为例，为保证导航信号相关累加及测量数据提取速率，高分七号卫星GPS接收系统所用相关器FPGA采用了Xilinx公司SRAM型FPGA芯片，其内部的SRAM存储单元使得该FPGA对单粒子翻转效应十分敏感，根据对高分七号卫星在轨运行过程中相关器FPGA翻转次数的统计，平均每天均会发生单粒子翻转事件触发单机级单粒子翻转故障处置，对相应FPGA进行重新配置。单机级健壮运行管理系统针对该故障设计的处置策略，极大地降低了故障处置对接收系统定位状态的影响，保障了GPS接收系统在轨提供服务的连续性。

4 结束语

本文基于PHM技术，结合高分七号卫星GPS接收系统的特点，给出了GPS接收系统多层级健壮运行管理设计方案。该设计方案从单机/分系统级、整星级和星地级三个层面通过数据采集，运行状态监控与识别，故障预测、报告与决策，对GPS接收系统运行状态进行管理，可为GPS接收系统在卫星全生命周期长期运行提供有力支持，也可为航天器其他系统的健壮运行管理设计方案提供参考。