分布式容错计算机系统在航天器上的应用

计算机容错技术是提高系统可靠性的强有力手段,卫星星上数据管理系统是高可靠性的分布式容错计算机系统,在硬件和软件的设计中,应用了故障检测、故障屏蔽和动态冗余等多种容错技术,本文从理论和工程实践两个方面介绍了各种容错技术在航天器上的应用。     

容错箭载计算机的硬件故障注入方法研究

容错机制和设计方案的正确性验证是容错箭载计算机研制的重要环节,验证方法有理论计算、软件模拟和硬件模拟等3种。硬件故障注入法采用人为引入故障方法可加速系统的失效,并通过观察系统在出现故障之后的行为反应对容错计算机系统的容错能力进行评价,更适合工程应用。本文研究采用硬件故障注入方法和特定容错测试仪,对容错箭载计算机的容错机制和设计方案进行了正确性验证,为容错箭载计算机的工程应用奠定技术基础。     

数控系统瞬时故障容错技术研究

本文研究的瞬时故障容错技术是以故障掩盖和故障恢复的思想为基础的新的提高可靠性的技术方法,建立了数控系统容错模型和层次结构,并结合弹(箭)上计算机,对故障进行实时在线检测和处理,以达到减小或消除瞬时故障对控制系统的影响的目的。     

航天器综合电子系统在轨重构容错技术研究

重构容错技术是指利用可重用的软硬件资源,根据不同的任务需求或故障情况进行重新配置,从而可以实现在轨升级或故障修复。文章在介绍重构容错技术的基础上,以NASA的SpaceCube处理器和BittWare公司的重构处理器为典型案例,阐述了其系统构架、重构容错设计和应用情况,总结分析了航天器综合电子系统重构容错技术的优势,如减少系统的冗余和备份,降低制造和修复成本,实现系统内部局部故障的自修复等。借鉴国外重构容错技术的发展和应用,总结出国内航天器综合电子系统重构容错技术应用存在的问题,如缺乏标准化的功能模块设计、在轨故障诊断精度较低等,并提出应开展在轨重构需求分析,以及功能模块化和可重构性的方案设计等建议,可为国内航天器综合电子系统的在轨重构容错设计及相关研究工作提供参考。     

组合导航制导系统的容错技术及特点

论述了组合导航制导系统的容错设计方案，其中包括ＩＮＳ／ＧＰＳ（惯性导航／全球定位系统）组合系统容错技术、ＳＩＮＳ／ＧＰＳ／多普勒组合系统的容错技术及ＩＮＳ／ＧＰＳ／ＣＮＳ组合系统的容错技术；然后分析了组合导航制导系统的抗故障问题，给出了组合导航、制导系统的故障分类和系统出故障后的运用情况；最后，对其发展进行了展望，并提出了今后有待进一步研究的问题。     

捷联惯导系统故障诊断与处理技术研究

为有效提高捷联惯导系统可靠性，研究了捷联惯导系统故障诊断与处理技术，提出捷联惯导的容错技术应具有故障检测，识别、隔离和系统重要等功能，并介绍了直接比例测量法和奇偶向量法两种技术方案，指出，在实践中综合应用多种容错技术可明显提高系统可靠性。     

面向空间应用的双核容错微处理器的研究与实现

介绍了用双核微处理器实现的容错微处理器系统SPARC—V8FIS。该系统由两个同构微处理器与支持容错操作的容错管理模块组成。微处理器是基于SPRARCV8规范的32-bit微处理器。容错管理模块提供了错误检测、诊断、从“软故障”中故障恢复，以及当发生“硬故障”时，将系统配置成单一处理器继续执行的机制，以适应空间复杂环境应用。SPARC—V8FIS用较少的硬件实现了所有容错操作，以很低的性能损失达到了很高的系统可靠性。     

卫星轨道保持的分散容错控制

本文基于Ｈ＾∝最估理论和矩阵奇异值分解技术，对卫星轨道保持系统进行了分攻容错控制，提出了容许执行机构故障和传感器故障的两种分散控制律设计方法，可使卫星控制系统具有明显的容错能力。     

高可靠航天计算机的容错设计方法

本文根据星载计算机研制和飞行试验的经验,从理论和实践相结合的角度对高可靠航天计算机的容错设计方法作了分析综合。其中着重对容错结构的选择、故障检测和诊断方法、故障处理对策和容错管理进行了论述。最后提出了几个值得重视的容错课题。     

一种低成本纳卫星星载计算机容错方法

为了提高纳卫星星载计算机系统的可靠性,减少体积、质量及功耗等多方面因素的影响,文章提出了一种软硬件结合的低成本容错设计方法。将星载计算机硬件采用双机冗余冷备份方案,通过现场可编程门阵列(FPGA)对故障处理器进行仲裁切换;软件容错通过错误检测与纠正(EDAC)信息容错技术的实现,对星载计算机整体程序进行纠错检错,以对抗单粒子翻转事件。结果表明:该方法能够对星载计算机系统进行有效的故障切换处理,并降低单粒子事件的不良影响,可以在纳卫星系统中推广应用。     

具有H∞范数界的传感器失效容错控制方法研究

容错控制在文献中已有大量的研究，但同时兼顾控制系统的闭环性能和对故障具有容错能力的容错控制算法尚不多见。作者首先从理论上分析了一个使闭环系统具有Ｈ∞范数性能的条件（引理１），并由此导出了一个以传感器失效具有容错能力且使正常系统和故障系统保持Ｈ∞范数界的控制系统设计方法，论文进一步地通过一个仿真例子验证了理论分析的结果，给出了仿真曲线     

基于仲裁的高可用服务器故障检测机制的研究

故障检测是设计高可用系统的一项关键技术，本文研究了双模高可用容错服务器的故障检测机制。首先，通过马尔科夫模型对服务器系统进行了分析，指出设计高覆盖率和高成功率的故障检测机制对系统可用性的重要影响。针对传统使用的故障检测机制成功率较低的问题，提出了一种仲裁检测机制，仲裁系统采用容错方案设计，具有较高的可靠性，在双机无法对故障做出正确判断时，可作为可信的第三方对故障做出准确的定位，有效地提高了系统的检测成功率。在此基础上，一种基于仲裁的多层心跳检测机制被应用到了实际系统的设计中，并通过试验证明了其可满足可用性设计要求。     

故障容错机械臂运动学可靠性设计

从机械臂运动学的角度，定义了故障容错机械臂、故障容错机械臂的阶、通用故障容错机械臂、特定任务故障容错机械臂，论证了通过运动学关节冗余也同样可以提高机械臂系统的可靠性、故障容错机械臂应该具备的自由度数、以及针对不同的任务要求来设计故障容错机械臂的方法。通过将任务空间抽象简化为一系列的特征点，建立与机械臂参数向理想值接近程度相关的罚函数，选择有效的优化算法，设计出了通用一阶故障容错平面位置机械臂、通用一阶故障容错空间位置机械臂、以及特定任务一阶故障容错平面位置机械臂。建立起完整的故障容错机械臂设计方法，对航天机器人的研究具有一定价值。     

空间应用的容错计算机

随着计算机结构和编码理论的发展,特别是半导体技术的巨大进步,就能在重量小、功耗低和成本低廉的情况下实现容错技术的逻辑功能。同时,由于飞行时间的增加,飞行任务具有多种目的和进一步自动化的要求,已开始在空间飞行器上应用容错计算机。     

飞行容错控制系统中的关键技术

在航空航天飞行器设计中，随着主动控制技术、随控布局及电传操纵系统的普遍采用，飞行控制系统的地位变得更为重要。系统容错、冗余技术是为飞行控制系统的高可靠性要求而被提出来的。本文就飞行控制系统的三大组成部分（飞控计算机、伺服机构、传感器）中容错、冗余技术应用的一系列关键问题进行了探讨，提出了飞控系统的冗余配置方案，一种解决冗余系统同步问题的新方法、消除系统交联隅合的措施以及冗余系统中各通道间信息传输的     

计算机的容错设计

介绍容错和计算机容错的概念,结合某卫星上的计算机,论述了计算机的容错设计,包括机间容错和机内容错.实践证明,容错设计是提高计算机可靠性的有效手段.     

一种临近空间艇载计算机故障检测与系统重构方法

平流层飞艇是可靠性要求很高的系统,需要由具有容错能力的艇载计算机来进行控制和管理。针对艇载计算机采用的余度结构,进行软件管理策略的研究和设计,提出基于异构总线的握手机制节点故障检测方法、基于"看门狗"与"心跳"相结合的CPU故障检测方法、基于节点健康矩阵的互援式总线重构方法及基于有限状态机的多CPU并行处理系统自适应重构方法。在故障注入试验中,艇载计算机在遇到故障时能够实时检测出故障,诊断故障类型,并对故障进行处理,实现系统重构,保证了平流层飞艇长期驻空时的安全飞行。     

空间环境下COTS计算机的抗SEU容错体系结构设计

针对空间辐射环境下的单粒子翻转效应,结合COTS器件的特点,介绍了一种空间环境下COTS计算机的嵌入式解决方案,并结合应用的要求给出了抗SEU容错体系结构的设计方案—基于COTS器件的多级容错结构。文章分别从芯片级、模块级和系统级3个容错粒度展现了空间计算机容错体系结构的设计思路,最后还利用了混联模型分析并计算了系统的可靠度指标。     

小卫星星务计算机的容错体系结构设计

介绍了一种小卫星的星务计算机系统硬件设计方案,并结合应用的要求给出了容错体系结构的设计方案,从冗余结构到容错管理模式,从故障检测和诊断到系统重构,多视角多层面地展现了小卫星容错体系的设计思路,最后还利用模型计算了系统的可靠度指标。     

考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统的集成容错控制

研究了一类发动机十字型布局的导弹姿态控制系统的容错控制问题,提出了一种考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统集成容错控制方法。该方法针对执行机构的恒增益变化故障和卡死故障,首先提出了集成容错控制的总体策略,然后分别基于线性矩阵不等式方法和故障补偿思想,给出了在圆盘极点指标和H∞指标两个相容指标约束下的状态反馈满意容错控制器和故障补偿器的设计方法。最后在Matlab/Simulink环境下将该方法应用于导弹姿态控制系统进行仿真实验,结果表明了该方法的有效性和可行性。