基于SystemC的微纳卫星星载计算机建模和故障注入研究

摘要

随着空间探索技术的发展与探索形式的多样化，微纳卫星因其低成本、短研制周期和灵活性成为近年来国内外研究机构和高校探索的热点。星载计算机作为微纳卫星控制和管理中心，验证其在空间环境下的可靠性成为设计过程中的重要一环，而星载计算机建模及故障注入技术作为一种新型的可靠性验证方法，在仿真速度和兼容性方面都有非常强的优势，成为一个有巨大研究价值的方向。
　　本文从空间辐射环境和星载计算机自身特点出发，首先分析了微纳卫星所处近地轨道的辐射源、辐射剂量，分析高能粒子辐射对星载计算机造成的辐射效应，据此建立出故障模型。其次，根据国内外在芯片建模领域的研究现状，提出了一种基于SystemC和OVPsim(Open Virtual Platform simulator)相结合的快速模型建立方法，以典型立方体纳卫星的星载计算机系统为参照建立星载计算机事务级模型，模型包含主处理器、SRAM、Flash和I2C总线等。此外，结合常用的星载计算机容错技术，本文建立了星载计算机双模冗余模型，验证了双模冗余对抗单粒子效应的能力。
　　在故障注入方面，本文通过建立故障注入机制实现向星载计算机模型注入故障，故障注入机制包括故障分析器、注入器和观察器，分别用于故障生成、故障注入进程的控制和对模型的运行状态进行监控。此外，本文通过在模型上运行星载计算机常用算法，同时进行故障注入，分析了单粒子效应对星载计算机运行的影响，对星载计算机模型和仿真框架的正确性做出了验证。
　　最后本文对基于模型的星载计算机故障注入和基于星载计算机硬件平台的故障注入运行结果进行了对比，证明了模型在验证星载计算机可靠性方面的可行性，对模型仿真的可信度做出了评估。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 空间辐射环境的探索

1．2．2 立方星可靠性验证技术的发展

1．2．3 COTS器件与芯片建模语言的发展

1．3 研究意义和研究内容

1．4 论文组织结构

2 空间辐射环境介绍及辐射剂量计算

2．1 空间辐射环境与辐射效应

2．1．1 空间辐射环境

2．1．2 空间辐射环境效应

2．2 空间辐射剂量计算

2．2．1 高能粒子通量计算

2．2．2 总剂量和单粒子翻转率计算

2．3 本章小结

3 基于SystemC和OVPsim的器件模型建立

3．1 星载计算机结构

3．1．1 单模星载计算机

3．1．2 带容错设计的星载计算机

3．2 建模语言与开发环境搭建

3．2．1 SystemC TLM介绍

3．2．2 虚拟仿真平台OVPsim

3．2．3 开发运行环境介绍

3．3 星载计算机模型的建立

3．3．1 模型总体结构

3．3．2 主处理器建模

3．3．3 星上存储模块设计

3．3．4 星上高速总线设计

3．3．5 看门狗模块设计

3．3．6 通用套接字设计

3．3．7 通过I2C实现双模冗余

3．3．8 模型的编译

3．4 应用程序的加载

3．4．1 应用程序

3．4．2 应用程序的编译和加载

3．5 本章小结

4 基于SystemC和OVPsim的故障建模与注入

4．1 故障模型的建立

4．1．1 CPU中故障模型建立

4．1．2 SRAM内故障模型建立

4．1．3 Flash存储设备的故障模型建立

4．1．4 故障表现形式

4．2 故障注入方法

4．2．1 故障分析器

4．2．2 故障注入器

4．2．3 故障观察器

4．3 本章小结

5 模型仿真与验证

5．1 模型的运行与仿真

5．1．1 快速傅立叶变换

5．1．2 图像压缩算法

5．1．3 卡曼滤波算法

5．2 模型的验证评估

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和专利

攻读硕士学位期间参加的科学研究情况

攻读硕士学位期间学术成果获奖情况