一种低轨遥感卫星导航定位系统多级健康状态获取方法与流程

本发明涉及一种星载导航定位系统健康管理方法，特别是涉及一种低轨遥感卫星星载导航定位系统的多级健康管理方法。

背景技术：

低轨遥感卫星广泛应用于测绘、资源调查、环境监测等领域，高精度的卫星时间、在轨运行的位置、速度及相关衍生信息有助于提高有效载荷所获取图像数据的质量，因此目前我国研制的低轨遥感卫星普遍配置星载导航定位系统，用以提供上述卫星时间及轨道相关信息。星载导航定位系统在轨长期处于高速运算状态，低轨遥感卫星所运行的太空环境复杂，易发生单粒子引起的设备工作异常；导航定位系统完成定位解算的输入来源于外部导航信号，若导航卫星处于不良工作状态或导航信号传递过程中出现错误，则会对接收终端的功能实现产生影响。

同时，星载导航定位系统生成的数据不仅用于地面数据处理，还在遥感卫星系统内实时传输至其他平台分系统和有效载荷分系统，完成整星高精度时统、轨道计算、相机载荷的积分时间确定、雷达载荷的测距辅助等功能。因此星载导航定位系统的健康状态对于低轨遥感卫星的在轨运行至关重要。

然而，受轨道高度和地面测控站的限制，低轨遥感卫星地面可控弧段十分有限。一方面，弧段外发生的非持续性故障地面可能无法监视；另一方面，完全依靠地面经过一系列分析诊断识别到故障后再进行上行指令控制，时效性较差，造成故障修复滞后，长时间影响遥感卫星功能的最优实现。

现有技术中仅给出了针对星载导航定位系统某类故障的单一级别监测方法，未涉及低轨遥感卫星针对导航定位系统运行全流程的多级健康状态信息监测和健康管理，目前，也尚未有专利涉及该多级健康管理方法。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种低轨遥感卫星导航定位系统多级健康状态获取方法，通过捕获、跟踪导航卫星信号，获取导航观测数据，完成低轨遥感卫星时间和轨道信息解算供整星时统和轨道控制使用，并向低轨遥感卫星有效载荷提供相机积分时间、雷达测距信息。

本发明的技术方案是：一种低轨遥感卫星导航定位系统多级健康状态获取方法，通过设备级别和系统级别联合对星载导航定位系统健康状态的管理，包括健康状态的获取、评估、传递、处置，实现低轨遥感卫星导航定位系统故障的在轨自主隔离和消除；具体包括如下操作：

设备级健康管理：导航定位系统通过获取设备内部运行和功能特征参数对相关软件或模块的健康状态进行评估，若健康状态异常，根据预设对异常进行故障消除处置，包括软件、模块的重新加载，并将异常健康状态信息通过遥测数据帧和事件报告传递至系统级；

系统级健康管理：包括星载计算机、轨道控制系统和有效载荷系统等卫星其他系统根据设备级别传递的异常健康状态信息对星载导航定位系统健康状态进行评估，根据预设对导航定位系统进行重开机等补充故障消除处置或通过切除导航接收系统数据的引用对自身进行故障隔离处置，并将异常健康信息传递至地面。

所述健康管理各关键环节具体如下：

健康状态获取：获取包括系统状态参数的采集、处理；

健康状态评估：对获取的健康状态参数进行监测，通过与期望阈值比较实现系统健康状态识别与评估；

健康状态传递：依据健康状态评估给出的系统健康状态结果进行报告反馈，并将设备级的健康状态评估结果传递至系统级，作为系统级健康状态获取的输入参数；

健康状态处置：依据健康状态评估给出的系统健康状态结果，对异常状态进行决策处置。

所述的设备级健康管理根据设备内部运行特征参数表征系统健康特性，并将健康特性和管理情况传递至系统级。

所述设备级健康管理包括以下方面：

设备运行健康管理；

设备功能健康管理；

所述设备运行健康管理对软件运行状态、内部通信状态、对外通信状态进行监测，若不正常则对软件或模块进行重加载，并将健康状态异常情况实时填充到遥测数据帧中传递至系统级，且生成事件报告发送至星载计算机缓存中通过下行信号连续播报；

所述设备功能健康管理对定位解算功能实现情况进行监测，若不正常，则将健康状态信息异常情况实时填充到导航定位系统输出数据包标志位和遥测数据帧中传递至系统级，且生成事件报告发送至星载计算机缓存中通过下行信号连续播报，并根据预设的异常状态持续时长阈值对相应软件或模块进行重加载。

所述系统级健康管理包括以下方面：

导航定位系统运行健康管理；

导航定位系统功能健康管理；

所述导航定位系统运行健康管理包括星载计算机对导航定位系统软件运行状态、内部通信状态、对外通信状态进行监测，若状态异常，则按照设计状态对导航定位系统故障进行处置，并生成事件报告或故障数据包存储至缓存中通过下行信号连续播报；

所述导航定位系统功能健康管理包括星载计算机对导航定位系统设备功能健康管理传递的健康状态信息的管理、轨道控制分系统对导航定位系统输出的时间、轨道数据的健康状态的管理、有效载荷分系统对导航定位系统输出的相机积分时间、雷达测距信息的健康状态的管理。

所述导航定位系统软件运行状态的健康管理具体包括：

(a1)对接收机传递的每秒通信计数遥测状态进行监测，若状态异常，则按照设计状态对导航定位系统进行关机重开机或切换当班机操作，并生成事件报告和故障数据包存储至缓存中通过下行信号连续播报；

(b1)对设备级健康管理传递的软件运行状态处置结果进行监测，若发生处置，则生成故障数据包存储至缓存中通过下行信号连续播报。

所述导航定位系统内部通信状态的健康管理具体为:

对设备级健康管理传递的内部通信状态处置结果进行监测，若处置后故障未消除，则按照设计状态对导航定位系统进行关机重开机或切换当班机操作，并生成事件报告和故障数据包存储至缓存中通过下行信号连续播报。

所述导航定位系统对外通信状态的健康管理具体为：

对导航定位系统对外通信状态进行监测，根据预设的异常持续时间判断是否经设备级健康管理处置后故障未消除，若故障未消除，则按照设计状态对导航定位系统进行关机重开机或切换当班机操作，并生成事件报告和故障数据包存储至缓存中通过下行信号连续播报。

导航定位系统功能健康管理包括以下方面：

(a2)星载计算机对导航定位系统设备功能健康管理传递的健康状态信息进行监测，根据预设的异常持续时间判断是否经设备级健康管理处置后故障未消除，若故障未消除，则按照设计状态对导航定位系统进行关机重开机或切换当班机操作，并生成事件报告和故障数据包存储至缓存中通过下行信号连续播报；

(b2)轨道控制分系统对导航定位系统输出的时间、轨道数据根据设备级健康管理结果和自身数据差异阈值的设定进行健康状态监测，若状态异常，则不使用导航定位系统输出数据，改用分系统内部时间、轨道数据进行外推；根据轨道控制分系统预设异常持续时长阈值，当导航定位系统数据仅在短时间内异常时，当导航数据恢复正常后，将自动重新引入使用；当导航定位系统数据长时间内异常时，则彻底切除导航数据引入，并将切除导航数据引入状态填充至遥测帧中通过星载计算机下传至地面，经地面分析后再通过指令实现导航数据的重新引入；

(c2)有效载荷分系统在使用导航定位系统提供的相机积分时间、雷达测距信息时，对数据中导航定位系统根据设备级健康管理结果给出的有效标识进行监测，若数据有效标识为无效时，代表该导航定位系统输出数据健康状态可能为异常，则不使用导航定位系统输出数据，改用分系统默认参数。

通过更高一级别的健康管理，对设备级健康管理已发生的处置进行故障现场信息留存，对无法消除的故障进行补充处置，并引入与导航定位系统具有信息交互的其他分系统对导航定位系统健康状态进行多方监控，规避异常健康状态影响的扩散。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)，本发明提出了一种多级的低轨遥感卫星导航定位系统健康管理方法，相比于单一级别的健康管理，监测手段更加多样，对健康状态的反映更加全面，通过引入多方相关分系统的健康监测，有效防止故障影响扩散，可以更为有力地保障低轨遥感卫星的安全运行；

(2)，本发明提出的多级健康管理方法，解决了单一级别健康管理中对故障处置的局限性，对于单一设备级别的健康管理手段无法自主解除故障时，可由更高一级的健康管理手段进行处置，拓宽卫星自主健康管理的可用范围；

(3)，本发明中部分健康状态异常情况可通过连续循环播报的事件报告和故障数据包下传至地面系统，以便留存故障现场信息，使得在卫星对地面可见时地面系统及时了解卫星在可见弧段外的健康状况，提高地面人工介入星载导航定位系统故障处置的信息掌控效率；

(4)，本发明提出的健康管理方法可以有效应用于当前的低轨遥感卫星通用设计，可以提高低轨遥感卫星导航定位系统健壮性和服务连续性。

附图说明

图1为本发明提出的一种低轨遥感卫星导航定位系统多级健康状态获取方法原理框图；

图2为本发明中所述的低轨遥感卫星导航定位系统的组成原理框图，其中轨道计算模块为根据卫星设计可选；

图3为本发明中所述的低轨遥感卫星导航定位系统内部和对外的基本通信调度框图。

具体实施方式

在下文中，结合附图对本发明的技术方案的进行进一步详细描述，需说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，本发明的不限定于该实施例。

低轨遥感卫星导航定位系统通过接收、捕获、跟踪gps导航信号，获取导航观测数据，完成低轨遥感卫星时间、位置及速度信息解算，并向低轨遥感卫星有效载荷提供相机积分时间、雷达测距信息。本发明提供的一种低轨遥感卫星导航定位系统多级健康状态获取方法，如图1，具体包括以下级别：

级别1：设备级健康管理；

级别2：系统级健康管理。

所述的健康管理包括健康状态的获取、评估、传递、处置。

具体地，健康管理各关键环节描述如下：

(1)健康状态获取：健康状态的获取包括系统状态参数的采集、处理。

(2)健康状态评估：健康状态评估主要指对获取的健康状态参数进行监测，通过与期望阈值比较实现系统健康状态识别与评估。

(3)健康状态传递：健康状态传递指依据健康状态评估给出的系统健康状态结果进行报告反馈，根据本发明的多级健康管理设计，设备级的健康状态评估结果传递至系统级可作为系统级健康状态获取的输入参数。

(4)健康状态处置：健康状态处置指依据健康状态评估给出的系统健康状态结果，对异常状态进行决策处置。

图2给出了星载导航定位系统组成原理框图，除前端的导航接收天线及低噪声放大器外，导航接收机内部一般包括以下几个模块：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，根据接收机具体设计不同，可能对各基本模块进行集成和分解。

其中，通道处理模块完成对导航卫星信号的跟踪和同步，提取和收集各通道导航信号的载波及测量数据，并组帧送至导航解算模块进行处理；导航解算模块利用这些测量数据进行导航定位求解，提供航天器当前的时间、位置及速度信息，送至轨道接口单元进行后续滤波处理或打包分发；轨道计算模块对导航解算模块输出的定位信息进行平滑滤波处理，并基于轨道动力学模型进行轨道根数计算和递推，同时完成相机积分时间、雷达测距信息的计算；接口通信模块将单机各模块产生的特定数据按通信协议中的格式与周期要求进行打包，并通过对外接口进行输出，同时接收外部数据输入，并进行相应处理和分发。

根据低轨遥感卫星导航定位系统功能实现原理，本发明中，设备级健康管理包括：

(1)，设备运行健康管理；

(2)，设备功能健康管理。

下面分别对两方面设备级健康管理进行描述。

(1)，设备级健康管理；

设备级健康管理包括软件运行状态管理、内部通信状态管理、对外通信状态管理。

(a)，软件运行状态管理

本发明所述低轨遥感卫星导航接收机采用一秒任务的调用方式。为监视软件是否运行超时，使用“看门狗”设计进行系统监控，在一秒任务调用时，进行“喂狗”操作，若程序发生异常，一秒任务超时，则“看门狗”发出复位信号，使系统软件复位，并将健康状态异常情况实时填充到遥测数据帧中传递至星载计算机，生成标示处置时间的事件报告发送至星载计算机缓存中通过下行信号连续播报。本发明中“看门狗”复位时间间隔设置为1s<δt<2s。

(b)，设备内部通信状态管理

导航定位系统内部各板间通信为按照固定周期进行。对于目前国内低轨遥感卫星星载导航定位系统设计，正常运行时，内部和对外的基本通信调度框图一般如图3所示。通过轨道接口单元对通信触发秒脉冲信号带来板间通信中断启动情况进行监控，若连续一定时间内未触发中断启动，则认为通道处理单元与轨道接口单元间通信异常，对通道处理单元软件进行复位。若连续进行多次复位处置后内部通信状态仍未恢复正常，则将健康状态异常情况实时填充到遥测数据帧中传递至星载计算机，生成标示处置时间的事件报告发送至星载计算机缓存中通过下行信号连续播报。

(c)，设备对外通信状态管理

同样如图3所示，导航定位系统对外通信也为按照固定周期进行。通过轨道接口单元对总线通信状态进行监控，若连续一定时间内未收到总线轮询信号，则认为总线通信异常，对总线通信模块进行复位。并将健康状态异常情况实时填充到遥测数据帧中传递至星载计算机，生成标示处置时间的事件报告发送至星载计算机缓存中通过下行信号连续播报。

(2)，设备功能健康管理。

设备功能健康管理主要指对定位解算功能实现情况的监测。

根据导航接收机基本定位原理，用户的位置可通过最小二乘法求解伪距方程的方法获取，即通过δχ＝[h^th]^-1h^tdρi求出用户位置估计值与真实位置的差值δχ，其中h为观测矩阵，dρi为i颗导航星与用户星间的伪距差。最小二乘法正确迭代要求h^th可逆，故导航定位系统需实时对最小二乘可逆返回状态进行监测。

另外，为识别定位解算结果是否偏离正确值，选取解算模块运行输出的关键参数来反映定位解算结果的有效性。本发明中选择几何精度因子(gdop)、时间、位置及速度参数是否超出设定门限来进行解算结果有效性监视。

若定位解算功能实现监视结果不正常，则由导航接收机软件将无法完成定位的异常状态信息实时填充到导航定位系统输出数据包标志位和遥测数据帧中传递至系统级，且生成标示异常时间的事件报告发送至星载计算机缓存中通过下行信号连续播报，并根据预设的异常状态持续时长阈值对通道处理单元软件进行复位并生成标示处置时间的事件报告发送至星载计算机。

同时，根据图2给出的星载导航定位系统组成，低轨遥感卫星导航接收机还具有轨道计算模块对导航解算模块输出的定位信息进行轨道根数计算，输出定轨数据。当轨道计算模块进行滤波计算无法收敛时，则处于实时定轨无效状态。此时由导航接收机软件将实时定轨无效状态信息填充到导航定位系统遥测数据帧中传递至星载计算机，且生成标示异常时间的事件报告发送至星载计算机缓存中通过下行信号连续播报。该状态下，根据定轨计算原理，设备级健康管理实施步骤如下：

步骤1，在满足轨道计算条件的情况下，若实时定轨无效状态持续一定时长，则对提供输入数据的通道处理单元软件进行复位；

步骤2，待重新满足轨道计算条件后，若实时定轨无效状态仍持续一定时长，则对轨道计算模块进行重加载；

步骤3，待重新满足轨道计算条件后，若实时定轨无效状态仍持续一定时长，则对轨道接口软件进行复位。

系统级健康管理的实施主体包括低轨遥感卫星中与导航定位系统存在信息交互的星载计算机、轨道控制分系统、有效载荷分系统。

根据设备级健康管理所传递的健康状态信息和导航数据信息，系统级健康管理也分为两部分，包括：

(1)，导航定位系统运行健康管理；

系统级的导航定位系统运行健康管理包括星载计算机对导航定位系统软件运行状态、内部通信状态、对外通信状态进行监测。

具体地，系统级导航定位系统软件运行状态健康管理包括：

(a),导航定位接收机软件一秒任务调用时，将更新一秒任务(tic)计数至遥测帧中，通过总线传递至星载计算机。若该tic计数未正常更新则代表导航定位接收机软件运行出现异常。星载计算机对接收机传递的tic计数遥测更新状态进行监测，若连续一定时间内保持状态异常，则按照设计状态对导航定位系统进行关机重开机或切换当班机操作，并生成标示处置时间的事件报告存储至缓存中通过下行信号连续播报，同时，将处置发生前3min及后1min的导航定位系统健康参数包作为故障数据包也存储至缓存中通过下行信号连续播报；

(b),对设备级健康管理通过遥测帧传递的软件运行状态处置结果，即导航定位系统软件复位计数情况进行监测，若计数加1，则代表设备级软件运行状态健康管理发生处置，则处置发生前3min及后1min的导航定位系统健康参数包作为故障数据包存储至缓存中通过下行信号连续播报。

具体地，系统级导航定位系统内部通信状态健康管理为:

根据设备级内部通信状态健康管理设计，若连续进行多次对通道处理单元软件复位处置后内部通信状态仍未恢复正常，则将该状态通过遥测帧传输至星载计算机，星载计算机对该遥测进行监测，若遥测显示异常则代表设备级处置后内部通信故障未消除，则按照设计状态对导航定位系统进行关机重开机或切换当班机操作，并生成标示处置时间的事件报告，同时将处置发生前3min及后1min的导航定位系统健康参数包作为故障数据包，均存储至缓存中通过下行信号连续播报；

具体地，系统级导航定位系统对外通信状态健康管理为：

根据设备级对外通信状态健康管理设计，当轨道接口单元软件连续一定时间内未收到总线轮询信号，则认为总线通信异常，对总线通信模块进行复位。对于星载计算机，若在此基础上，能够监测出超过设备级监测时长阈值的总线通信故障，则表明经设备级健康管理处置后故障未消除，若故障未消除，则按照设计状态对导航定位系统进行关机重开机或切换当班机操作，并生成标示处置时间的事件报告，同时将处置发生前3min及后1min的导航定位系统健康参数包作为故障数据包，均存储至缓存中通过下行信号连续播报；

(2)，导航定位系统功能健康管理。

系统级的导航定位系统功能健康管理包括以下方面：

(a),星载计算机对导航定位系统设备功能健康管理传递的健康状态信息(包括实时定位状态、实时定轨状态)进行监测：

对于实时定位状态，当发生状态异常时，设备级健康管理根据预设的异常状态持续时长阈值对通道处理单元软件进行复位处置，因此当星载计算机能够监测出超过设备级监测时长阈值的实时定位异常状态，则说明经设备级健康管理处置未生效或处置后故障未消除，星载接收机按照设计状态对导航定位系统进行关机重开机或切换当班机操作，并生成标示处置时间的事件报告，同时将处置发生前3min及后1min的导航定位系统健康参数包作为故障数据包，均存储至缓存中通过下行信号连续播报；

对于实时定轨状态，当发生状态异常时，设备级健康管理根据预设的异常状态持续时长阈值执行步骤对故障进行处置，因此当星载计算机能够监测出超过设备级全部处置步骤的监测时长阈值之和的实时定轨异常状态，则说明设备级健康管理处置未生效或处置后故障未消除，星载接收机按照设计状态对导航定位系统进行关机重开机或切换当班机操作，并生成标示处置时间的事件报告，同时将处置发生前3min及后1min的导航定位系统健康参数包作为故障数据包，均存储至缓存中通过下行信号连续播报。

(b),轨道控制分系统使用导航定位系统给出的授时数据和轨道数据进行高精度轨道计算和校时。若导航定位系统数据出现异常，则可能导致卫星轨道和姿态控制异常，因此轨道控制分系统在使用导航定位系统数据前对导航定位系统输出的时间、轨道数据进行健康状态监测，监测方法包括：

对于时间数据，判断时间数据内导航定位系统根据设备级健康管理结果给出的有效标识，同时判断与自身锁存的时刻差值是否超出阈值；

对于轨道数据，判断轨道数据内导航定位系统根据设备级健康管理结果给出的有效标识，同时判断与自身外推的轨道数据差值是否超出阈值。

若识别出导航定位系统数据异常时，轨道控制分系统将不使用导航定位系统输出数据。当导航定位系统数据仅在短时间内异常时，轨道控制分系统根据预设的异常持续时长阈值，改用分系统内部时间、轨道数据进行外推，当导航数据恢复正常后，将自动重新引入使用；当导航定位系统数据长时间内异常时，超出道控制分系统根据预设的异常持续时长阈值，则彻底切除导航数据引入，改用分系统内部时间、轨道数据进行外推，并将切除导航数据引入状态填充至遥测帧中通过星载计算机下传至地面，经地面分析后再通过指令实现导航数据的重新引入。

(c),低轨遥感卫星导航定位系统可根据实时计算出的轨道位置，配合卫星姿态，完成相机类有效载荷的积分时间和雷达类有效载荷的测距信息计算，可为提高有效载荷分系统的成像效果和测量精度。有效载荷分系统在使用导航定位系统提供的相机积分时间、雷达测距信息时，对数据中导航定位系统根据设备级健康管理结果给出的有效标识进行监测，若数据有效标识为无效时，代表该导航定位系统输出数据健康状态可能为异常，则不使用导航定位系统输出数据，改用分系统默认参数。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。