立方星星载计算机系统容错技术研究

摘要

近年来，立方星因具有标准化、成本低、研制周期短等特点，逐渐成为微小卫星领域的研究热点。立方星采用商用元器件进行系统设计，这给立方星星载计算机的设计工作带来了巨大挑战，不仅需要满足体积、质量和功耗等方面的指标，而且还要达到航天系统的高可靠性要求。
　　本文充分调研了国内外立方星星载计算机的设计方法，在总结了各种容错技术的基础上，提出一种可实现故障重组的双机容错结构方案，该结构通过在通信总线上增加容错协议的方法，解决了双机结构中仲裁器失效导致系统故障的问题，并且能够有效控制双机切换时间。另外，本文利用商用元器件富余的高性能，提出通过软件实现信息容错和软件容错的方法对抗单粒子效应，以提高存储器数据和程序执行的可靠性。在存储器可靠性分析方面，考虑了单粒子翻转效应作用已发生错误位导致错误修复的情况，建立了更准确的模型。通过软硬件结合的分析方法，对故障重组容错结构的可靠性模型进行了仿真，并通过故障注入实验对原理样机进行了验证，结果表明该容错方法具有较大优势，可以极大地提高星载计算机的可靠性。
　　本文提出的容错方法具有高集成度、高可靠性和低功耗的优点，满足立方星星载计算机的设计要求，所使用的方法具有灵活性和一般性，可以在其他卫星系统中得到应用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 立方星星载计算机

1．1．2 空间环境影响

1．1．3 计算机容错技术

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容

1．4 论文组织结构

2 星载计算机可靠性概述

2．1 可靠性评价

2．2 指数分布

2．3 可靠性模型

2．3．1 串联模型

2．3．2 并联模型

2．3．3 表决模型

2．4 随机过程

2．4．1 Poisson过程

2．4．2 Markov过程

2．5 本章小结

3 星载计算机硬件容错结构研究与设计

3．1 系统容错结构方案设计

3．1．1 传统容错结构优缺点

3．1．2 传统容错结构比较

3．1．3 故障可重组容错结构

3．2 基于FPGA的仲裁器设计

3．2．1 仲裁器接口设计

3．2．2 仲裁器功能设计

3．2．3 启动故障检测模块设计

3．2．4 运行故障检测模块设计

3．2．5 仲裁逻耩稿抉设计

3．2．6 切换逻辑模块设计

3．2．7 仲裁器综合实现

3．2．8 仲裁器可靠性设计

3．3 容错通讯协议设计

3．3．1 容错通讯协议模式

3．3．2 数据帧格式

3．3．3 异常处理

3．4 本章小结

4 星载计算机软件容错方法研究与设计

4．1 软件N版本容错技术

4．1．1 N版本容错原理

4．1．2 同步机制

4．1．3 表决机制

4．2 EDAC方法在存储器中的应用

4．2．1 EDAC工作原理

4．2．2 栈保护

4．2．3 遥测数据保护

4．2．4 程序代码保护

4．2．5 存储器刷新机制

4．3 存储器可靠性分析

4．3．1 单个码字失效分析

4．3．2 存储器系统分析

4．3．3 模型验证

4．4 本章小结

5 星载计算机系统可靠性分析

5．1 硬件子系统可靠性

5．1．1 双机冷备份结构可靠性

5．1．2 双机可重组结构的可靠性

5．1．3 硬件容错结构可靠性对比

5．2 软件子系统可靠性

5．3 软硬结合的系统可靠性

5．4 本章小结

6 星载计算机系统可靠性试验

6．1 实验环境

6．1．1 原理样机

6．1．2 故障注入系统

6．2 仲裁器实验

6．3 容错协议实验

6．4 存储器实验

6．5 本章小结

7 结束语

7．1 已完成工作

7．2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况

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