本发明涉及一种星载GPS接收机的系统级单粒子监测与防护的方法，尤其适用于低轨卫星的星载GPS接收机应对被单粒子打翻的故障。
背景技术：
我国低轨遥感卫星运行环境受单粒子影响较大，易发生设备异常工作，该情况可通过对设备重开机解决。目前，星载GPS接收机工作状态的监测和防护措施主要依赖于地面测控站，受限于可控弧段。受低轨遥感卫星轨道高度和测控站地域性限制，可控弧段十分有限，在弧段外发生的故障，无法及时监测并采取有效措施；在弧段内发生的故障，主要依赖专业技术人员的现场分析和判断，实时性和有效性有限。为最大程度保障卫星正常工作，将故障影响降至最低，需要卫星能够对故障做出及时、可靠的初步判断，这就要求卫星能够不受地面测控站限制，通过自主诊断和处理，在最短时间内使星载GPS接收机恢复正常工作。
《基于SRAM型FPGA单粒子效应综合防护技术》(飞行器测控学报，2015年第5期)针对SRAM型FPGA的应答机提出了一种用于低轨卫星的单粒子综合防护方案，简述了整星级采用指令控制和自主复位的可行性，但没有提供详细的控制策略。《星载扩频应答机抗SEU方法及验证》(航天器工程，2014年第1期)针对星载扩频应答机，介绍了一种系统级的监测方法：若星上一直未收到“管理单元定时器清零指令”，当管理单元计数器溢出时，认为上行链路异常，则重启扩频应答机并重新计数。以上文章对应答机的系统级单粒子防护措施和策略进行介绍，未涉及对星载GPS接收机的系统级单粒子监测和防护方法。目前，尚未有专利涉及星载GPS接收机的系统级单粒子监测和防护方法。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有方法的不足，针对低轨卫星，解决了现有器件级和设备级的单粒子监测和防护措施对单粒子影响处理能力有限的问题，提供了一种从系统级角度提高星载GPS接收机抗单粒子性能的措施，有效实现对星载GPS接收机的自主关机和重开机操作。
本发明的技术解决方案是：一种星载GPS接收机的系统级单粒子监测与防护方法，卫星包括星载GPS接收机和星载计算机，星载GPS接收机和星载计算机各自独立进行单粒子防护，星载GPS接收机包括用于定位解算的通道板和用于定轨运算的轨道接口板，通道板包括易受单粒子影响的FPGA，用于产生本地时间TIC；轨道接口板包含易受单粒子影响的RAM，用于接收通道板定位数据，并利用定位数据生成定轨数据；星载GPS接收机向星载计算机周期性发送TIC计数值、定轨数据有效标记、星载GPS接收机自主监控状态，该方法为星载计算机系统级监控功能“使能”之后执行如下步骤：
(1)、星载计算机监测星载GPS接收机的二次电压，判断所述二次电压是否均大于预设电压门限，如果均大于预设电压门限且星载GPS接收机与星载计算机之间通信正常，则认为星载GPS接收机的工作状态正常，转入步骤(2)，否则认为星载GPS接收机的工作状态异常，重复本步骤；
(2)、连续监测星载GPS接收机的TIC计数值在第一预设时间内是否发生变化，如果发生变化，则转入步骤(3)，否则，转入步骤(5)；所述第一预设时间大于TIC周期；
(3)、连续监测星载GPS接收机的定轨数据有效标记在第二预设时间内是否全部“有效”，全部有效，则转入步骤(4)，否则，转入步骤(5)；
(4)、监测星载GPS接收机发送的星载GPS接收机自主监控状态连续N次显示“接收机异常”，则转入步骤(5)，否则，进入步骤(1)，N≥1；
(5)、星载计算机向星载GPS接收机发出关机指令，之后，判断星载GPS接收机的二次电压是否小于预设电压门限，如果小于，则认为指令执行状态正常，等待一段时间之后，转入步骤(6)；
(6)、星载计算机向星载GPS接收机发出开机指令，再次判断星载GPS接收机的二次电压是否大于预设电压门限，如果大于，则认为指令执行状态正常，之后，进入步骤(7)；
(7)、星载计算机将星载GPS接收机的工作状态、指令发出状态、指令执行状态实时填充到遥测数据帧中，并通过下行信号发送至地面监控设备，之后，将系统级监控功能置为“禁止”。
所述系统级监控功能的“使能/禁止”状态由地面上注指令设置。
所述预设电压门限为1～2V。
当TIC周期为100ms，所述步骤(2)中第一预设时间为1800～3000个TIC周期。
所述步骤(3)中第二预设时间为20min～25min。
所述星载GPS接收机自主监控状态是星载GPS接收机自身进行单粒子监测的结果。
所述步骤(4)中N为5～8次。
所述步骤(5)中一段时间大于星载GPS计算机开机加载时间的2倍。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明由星载计算机监测星载GPS接收机的工作状态，单粒子效应敏感器件的相关遥测信息，实现对星载GPS接收机的关机和重开机操作，在星载GPS接收机受单粒子影响无法自主恢复故障时，及时介入，消除异常，为单粒子防护增加了一道安全措施。
(2)、本发明系统级防护方法的“使能/禁止”状态能够通过地面上注指令设置，由地面控制是否使用该系统级策略监测星载GPS接收机工作状态，使得该方法灵活可控。
(3)、本发明星载计算机将策略的自主执行情况以遥测的形式下发，使地面监测人员及时掌握卫星的自主工作情况。
(4)、本发明判定定轨数据持续“非实时有效”的时间，大于正常情况下星载GPS接收机从开机到定轨数据开始有效的时间，排除了星载计算机将星载GPS接收机刚开机误判为异常的情况。
(5)、本发明对星载GPS接收机自身监测到的被单粒子打翻并恢复失败的情况，采取系统级恢复措施。
(6)、本发明连续5～8次监测到遥测显示“接收机异常”认为星载GPS接收机异常，以排除遥测采集有误的情况，防止误判。
(7)、本发明对星载GPS接收机重启的关机和开机指令时间间隔的设置大于GPS计算机开机加载时间的2倍，以确保星载GPS接收机能够收到指令。
附图说明
图1为附图为本发明由星载计算机从系统级监测星载GPS接收机受单粒子的影响并进行自主控制的策略流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一般情况下，卫星包括星载GPS接收机和星载计算机，星载GPS接收机和星载计算机各自独立进行单粒子防护，星载GPS接收机包括用于定位解算的通道板和用于定轨运算的轨道接口板，通道板用于导航解算，得到卫星的位置和速度信息，并将位置和速度信息发送轨道接口板，在轨道接口板中进行定轨运算，得到精确的卫星轨道参数。为了减少单粒子对接收机的影响，星载GPS接收机尽量采用不受单粒子影响的器件，由于目前工艺水平有限，仍然有一些器件不能完全避免单粒子影响，如：FPGA、FLASH、SRAM等。因此，GPS接收机采用模块化设计，将导航解算功能和定轨运算功能采用不易收到单粒子影响的DSP实现，剩下的必须的信号处理功能如：通道相关运算、产生本地时间TIC才采用易受单粒子影响的FPGA实现；导航解算功能和定轨运算功能之间的数据通信采用RAM实现。
基于以上GPS接收机架构，星载GPS接收机的通道板软件同步口相关配置存于SRAM中，使得通道板软件和轨道接口板软件间的板间通信在空间单粒子的影响下，存在单粒子翻转的问题。通过地面验证，可从TIC计数值、定轨数据有效标记、星载GPS接收机自主监控状态，间接反映单粒子对星载GPS接收机的影响。
本发明提供了一种星载GPS接收机的系统级单粒子监测与防护方法，通过星载计算机监测星载GPS接收机工作状态，并对星载GPS接收机的异常工作做出判断和处理，及时恢复星载GPS接收机正常工作。星载计算机的系统级监控功能受“使能/禁止”状态控制，所述系统级监控功能的“使能/禁止”状态由地面上注指令设置，默认为禁止状态。该方法具体为：
星载计算机收到自主监控功能的“使能”状态之后执行如下步骤：
(1)、星载计算机监测星载GPS接收机的二次电压，判断所述二次电压是否均大于预设电压门限，如果均大于预设电压门限且星载GPS接收机与星载计算机之间通信正常，则认为星载GPS接收机的工作状态正常，转入步骤(2)，否则认为星载GPS接收机的工作状态异常，重复本步骤；星载GPS接收机的二次电压根据其所用的器件不同而不同，通常有5V、3.3V等，因此，所述预设电压门限为1～2V；当星载计算机与星载GPS接收机采用1553B总线通信时，星载计算机通过1553B总线周期性轮询星载GPS接收机，记录总线通信状态，若A、B总线通信均不成功，认为总线通信异常，任何一路总线通信成功可以认为星载GPS接收机与星载计算机之间通信正常。仅当星载GPS接收机开机时，监测其工作状态。
(2)、连续监测星载GPS接收机的TIC计数值在第一预设时间内是否发生变化，如果发生变化，则转入步骤(3)，否则，转入步骤(5)；所述第一预设时间大于TIC周期；一般情况下TIC周期为：100ms，所述第一预设时间为1800～3000个TIC周期。TIC计数值由通道板FPGA产生，从星载GPS接收机开机之后，TIC计数就线性递增，TIC计数值的变化情况可以有效反映通道板软件的工作状态是否正常。
(3)、连续监测星载GPS接收机的定轨数据有效标记在第二预设时间内是否全部“有效”，全部有效，则转入步骤(4)，否则，转入步骤(5)；所述第二预设时间为20min～25min。定轨数据有效标记：GPS开机后，通道板生成定位数据，之后轨道接口板根据定位数据生成定轨数据，若定轨数据无效，极大可能说明板间通信异常，因此，通过定轨数据可以验证用于板间通信的SRAM是否正常。
(4)、监测星载GPS接收机发送的星载GPS接收机自主监控状态连续N次显示“接收机异常”，则转入步骤(5)，否则，进入步骤(1)，星载计算机继续监测星载GPS接收机工作状态，所述N≥1。为了加强检测的可靠性，N可以为5～8次，如6次。星载GPS接收机自主监控状态是星载GPS接收机自身进行单粒子监测的理结果，包括通道板是否正常、板间通信是否正常、轨道接口板是否正常等，任何一项不正常都可以断定为“接收机异常”。
(5)、星载计算机向星载GPS接收机发出关机指令，之后，判断星载GPS接收机的二次电压是否小于预设电压门限，如果小于，则认为指令执行状态正常，等待一段时间之后，转入步骤(6)；所述步骤一段时间大于星载GPS计算机开机加载时间的2倍，一般星载GPS计算机不超过10s,所述一段时间可以设置为1min。
(6)、星载计算机向星载GPS接收机发出开机指令，通过将星载GPS接收机重启消除单粒子翻转对星载GPS接收机的影响，再次判断星载GPS接收机的二次电压是否大于预设电压门限，如果大于，则认为指令执行状态正常，之后，进入步骤(7)；
(7)、星载计算机将星载GPS接收机的工作状态、指令发出状态、指令执行状态实时填充到遥测数据帧中，并通过下行信号发送至地面监控设备，之后，将系统级监控功能的使能/禁止状态置为“禁止”，遥测不再更新。直至地面上注指令再次使能该功能，遥测清零。
本发明由星载计算机监测星载GPS接收机的工作状态，单粒子效应敏感器件的相关遥测信息，实现对星载GPS接收机的关机和重开机操作，在星载GPS接收机受单粒子影响无法自主恢复故障时，及时介入，消除异常，为单粒子防护增加了一道安全措施；另外，星载计算机将策略的自主执行情况以遥测的形式下发，使地面监测人员及时掌握卫星的自主工作情况，该方法的“使能/禁止”状态能够通过地面上注指令设置，由地面控制是否使用该系统级策略监测星载GPS接收机工作状态，使得该方法灵活可控。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。