基于双模冗余的立方星高可靠星载计算机设计

摘要

随着太空任务的日趋于多样化，具备成本低、集成度高、研制周期短等特点的立方体纳卫星逐渐成为航天领域研究发展的新热点，并被广泛地应用于技术验证、对地观测、通讯中继等项目之中。作为立方星的管控中心，星载计算机的设计不仅要符合立方星低成本、易扩展等特点，而且还要满足航天器最基本的可靠性要求。
　　本文从立方星自身特点出发，分析了其电子系统的设计特点。列举了传统卫星系统中的软硬件容错技术，并结合国内外在轨立方星的星载计算机设计案例，提出了一种适用于立方星的高可靠计算机系统设计方案。该方法以传统双模冗余为基础，对计算机CPU采取了冷备份机制。通过在FPGA中设计仲裁切换模块和EDAC校验模块，来防止单粒子效应影响卫星正常运行，从而实现CPU检测切换以及内存校验纠错的功能。另外考虑到单粒子的积累效应，本文在校验纠错的基础上添加了内存刷新机制，提高了星载计算机的抗单粒子能力。
　　在软件容错设计方面，本文首先针对关键数据、程序流程、函数栈的保护方面提出了相应保护措施。针对运行过程中的运算错误采用了N版本容错系统，并在原有系统的基础上设计了任务级同步机制和专家表决系统，解决了实时性以及策略单一性的问题。另外，本文针对星上总线进行了容错设计，设计了双模备份总线，并通过建立节点监视机制，实现了总线故障节点定位与切换。为解决数据传输在节点切换时的连续性问题，本文设计了面向链接的传输层协议来确保数据传输的可靠性。
　　最后本文通过故障注入测试，对该系统抗单粒子翻转的性能进行了评估。结果表明该系统对于单粒子翻转具有一定容错能力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 立方星技术发展

1．2．1 立方星概述

1．2．2 立方星运行环境

1．2．3 立方星星载计算机

1．3 国内外研究现状

1．4 论文研究的目的和意义

1．5 论文工作与章节安排

2 立方星容错关键技术研究

2．1 容错技术概述

2．1．1 错误处理

2．1．2 故障处理

2．2 星载计算机硬件容错技术

2．2．1 静态冗余

2．2．2 动态冗余

2．3 星载计算机软件容错技术

2．3．1 面向控制流的容错技术

2．3．2 面向计算的容错技术

2．4 故障注入技术

2．4．1 故障注入分类

2．4．2 故障注入模型

2．4．3 故障注入过程

2．5 本章小结

3 星载双模冗余计算机硬件设计

3．1 星载计算机硬件设计方案

3．1．1 双模冗余相关介绍

3．1．2 双模冗余方案设计

3．1．3 系统设计指标

3．2 双模单元仲裁设计

3．2．1 仲裁器接口设计

3．2．2 看门狗单元设计

3．2．3 仲裁逻辑设计

3．2．4 切换单元设计

3．2．5 仲裁单元冗余设计

3．3 存储器容错技术

3．3．1 SRAM容错设计

3．3．2 SRAM刷新机制

3．4 本章小结

4 立方星星务软件容错方案

4．1 局部加固设计

4．1．1 数据加固设计

4．1．2 监控加固设计

4．1．3 栈加固设计

4．2 软件模块容错设计

4．2．1 N版本技术

4．2．2 传感器融合设计

4．3 总线容错设计

4．3．1 CAN冗余方式

4．3．2 节点监测设计

4．3．3 数据传输设计

4．4 本章小结

5 星载计算机实现与测试

5．1 星载计算机系统实现

5．1．1 星载计算机硬件

5．1．2 星务软件

5．2 测试系统设计

5．2．1 故障注入模型

5．2．2 测试系统搭建

5．2．3 故障注入流程

5．3 实验数据分析

5．3．1 抗SEU效果分析

5．3．2 N版本效果分析

5．3．3 容错性能分析

5．4 本章小结

6 结束语

6．1 本文研究总结

6．2 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