星载激光告警系统抗单粒子效应加固设计研究

摘要

随着激光技术迅猛发展，激光武器在现代军事战争领域得到广泛应用。特别是反卫星激光武器的研制，对航天器和空间卫星的稳定运行构成了严重的威胁，因此各国都在积极从事空间激光告警技术的研究。如何防护单粒子效应对空间电子仪器的影响，是星载激光告警系统研究的关键任务。本文对空间电子仪器的单粒子效应故障及其加固设计方法进行了深入研究，并对基于单粒子事件的故障注入技术进行了研究。
　　对于光栅衍射型激光告警系统，其核心处理平台采用高性能的FPGA和DSP器件。这类大规模集成电路在空间环境中极易受到高能辐射的影响，导致单粒子效应造成系统运行失效，主要表现为故障发生率升高、恢复时间较长。为了缓解系统由于单粒子效应发生的故障，本文从软硬件两个方面进行加固设计。软件程序设计方面，FPGA程序中的关键逻辑模块以及与DSP的通信模块采用三模冗余设计，并采用FPGA芯片内部自带的CRC循环冗余校验功能进行错误检测和校正;DSP数据处理程序中的关键变量采用三模冗余设计，并在引导程序中加入错误检测和校正方法。硬件电路设计方面，DSP的看门狗电路设计和器件电源监控电路设计相结合，实时检测和修复DSP的硬件电路异常，以及电源母线过流保护电路防护系统电源电路。根据单粒子效应特点，建立单粒子事件故障模型，采用基于软件的故障注入技术，设计了单粒子事件故障注入系统，实现了对激光告警系统容错性能的有效评估。
　　对光栅衍射型激光告警系统实施故障注入实验，对系统加固设计方案的有效性作出评价。采用单粒子事件故障注入系统验证软件程序加固设计的可靠性，采用重离子辐照验证硬件电路加固设计的稳定性。实验结果表明，采用加固设计后的系统单粒子效应的故障发生率不足1.2％，系统运行失效后可以在1s的时间内恢复正常运行，有效降低了单粒子效应对星载光栅衍射型激光告警系统的影响。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景及研究目的及意义

1．2 课题的国内外研究现状

1．2．1 星载激光告警技术的国内外研究现状

1．2．2 抗单粒子效应设计方法的国内外研究现状

1．3 本论文的主要工作及课题来源

2 抗单粒子效应及故障注入检测基本原理

2．1 光栅衍射型激光告警系统介绍

2．2 空间辐射环境

2．3 单粒子效应故障类型及表现形式

2．3．1 单粒子效应故障类型

2．3．2 FPGA故障表现形式

2．3．3 DSP故障表现形式

2．4 抗单粒子效应加固方法基本原理

2．4．1 三模冗余技术

2．4．2 配置刷新技术

2．4．3 反熔丝器件

2．5 故障注入技术基本原理

2．5．1 故障注入原理

2．5．2 故障注入技术分类

2．6 本章小结

3 抗单粒子效应加固设计

3．1 FPGA抗单粒子效应加固设计

3．1．1 FPGA三模冗余设计

3．1．2 FPGA配置数据刷新设计

3．2 DSP抗单粒子效应加固设计

3．2．1 数据处理中的加固设计

3．2．2 DSP烧写程序和上电引导程序加固设计

3．3 系统硬件电路抗单粒子效应加固设计

3．3．1 DSP的“看门狗"电路设计

3．3．2 电源母线过流保护电路设计

3．3．3 DSP器件电源监控电路设计

3．4 本章小结

4 单粒子事件故障注入

4．1 故障注入需要注意的问题

4．2 单粒子事件故障模型

4．3 单粒子事件故障注入系统

4．3．1 故障注入系统数据通道

4．3．2 主控计算机测试软件设计

4．3．3 故障注入器的设计

4．4 本章小结

5 实验验证与分析

5．1 实验装置

5．2 单粒子事件故障注入测试实验

5．2．1 故障注入测试环境

5．2．2 故障注入测试实验及结果分析

5．3 重离子辐照故障注入实验

5．3．1 单粒子功能中断加固验证实验

5．3．2 单粒子锁定加固验证实验

5．4 本章小结

6．1 研究总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢