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。     

小卫星星载容错计算机控制系统软硬件设计

创新一号低轨存储转发通信小卫星是中国第一颗重量在100公斤以下的小卫星，介绍了其星载计算机系统的设计方案。由于卫星采用了计算机集中管理方式，为保证星载计算机的可靠性，设计中对硬件使用了双计算机热备份冗余设计，星载计算机的可靠性同时通过软件和硬件协同容错设计来实现。卫星的星务管理、遥测、遥控、姿态控制、电源管理、通信控制、轨道控制等都需要通过计算机软件完成，介绍了这些软件的主要功能和容错设计。创新一号星载计算机采用了多项新技术，并经过了一年多的飞行测试验证，达到了预定的运行目标，星载计算机圆满完成了各项设计功能，证明了卫星计算机系统的安全可靠。     

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。     

遥感相机通信适配器的设计与实现

卫星平台搭载与卫星星务计算机系统通信接口类型不一致的遥感相机时,星务计算机系统与遥感相机间无法进行通信,导致遥感相机不能正常工作。针对星务计算机系统与遥感相机计算机控制系统通信接口类型的不一致,设计并实现了遥感相机通信适配器。通过遥感相机通信适配器,完成遥感相机计算机控制系统和星务计算机系统间通信接口的转换,实现了二者之间的通信。在工程应用上,首次利用遥感相机通信适配器解决了星务计算机系统与遥感相机计算机控制系统通信接口类型不一致的问题,提供了解决二者之间通信接口类型不一致的新途径,为今后卫星平台搭载与卫星星务计算机系统通信接口类型不一致的遥感相机做了成功的实践。     

皮卫星星务管理系统容错设计

作为皮卫星的核心部分,星务管理系统的可靠性关系着皮卫星的安全。皮卫星具有重量轻、体积小、功耗低、高度集成化等特点,难以简单采用传统卫星所用到的星务容错方法。结合皮卫星具体特点,在软件的容错方法中以状态机作为整体构架,采用时间和信息冗余、静态三模冗余数据读写、自诊断和两级看门狗等技术手段设计了具有一定容错能力的皮卫星星务管理系统,并在皮卫星样机和地面试验中,通过综合测试软件验证了容错机制带来的很好的效果。     

一种卫星上的容错数字控制计算机

卫星控制系统用的数字计算机是实时性能很强的控制机,又是信息量较大的数据处理机,同时要求可靠性极高。一般,星载计算机设计成一台双机热备份的容错计算机系统。文章介绍了星载计算机的元器件选择,主机构成及其性能,各种系统软件和应用软件的设计准则,以及整机测试方法等。着重介绍了星载计算机硬件和软件的容错设计。文章最后介绍了星载计算机的使用情况,星载计算机成功地完成了二次飞行试验任务,表明设计思想正确,满足总体技术要求,控制精度高。采用双机热备份系统确实保证了计算机的高可靠性要求。     

基于知识隐藏的星载计算机系统安全研究

在现代战争中 ,卫星的信息安全与可靠性直接关系交战方能否具有一定的信息优势 ,能否掌握战场的主动权。星载计算机系统、通信系统的安全与可靠性是关键。分布式、多总线、多处理单元的冗余设计、看门狗技术是目前用来保证星载计算机系统可靠性的主要手段。文章从知识隐藏的角度 ,提出用弹性计算理论来保证星载计算机系统容错、容入侵的思路和方法。论文给出了知识隐藏的概念 ,分析了 3种知识隐藏方法 ,围绕弹性计算模型 ,提出了基于弹性计算模型的星载计算机系统的文件系统、基本组成设计与实现     

星载计算机系统瞬态过载不精确容错调度算法研究

卫星在空间作业时经常需要容错处理大量复杂的任务,这将导致过载现象的发生,星载计算机系统将不能在期限内调度它们而产生调度失败。基于这种情况,提出了星载计算机系统瞬态过载不精确容错调度算法(OLIFTSA)。它采用不精确调度思想来完成过载情况下的调度,最终取得最大的调度精度。另外,提出星载计算机系统可靠性代价概念,它能量化容错调度所产生的开销,从而使本算法容错调度代价最小。仿真实验表明:OLIFT-SA算法可以在瞬态过载时,以最小的容错开销获得最大的任务执行精度。     

基于扩展块的星载软件控制流容错评价方法

空间环境因素引发的星载软件瞬态的控制流错误可能对系统执行效能造成严重影响,为避免容错算法存储开销和执行开销给系统带入过多的计算压力,提出在容错算法开销和所取得的系统的可靠性提升上取得一定折衷,这是星载软件可靠性设计的合理方向。设计了一种适合于弹性添加容错代码的容错方法:扩展块数字签名的控制流检测方法ESCFC(Extend block Signatures for Control Flow Checking)。由空间高能粒子的实验结果和在轨实测结果为系统可靠度建模,提出了算法开销和可靠性效能提升的平衡关系的工程参考和理论依据。定性分析和模拟,充分说明了将该方法运用于航天工程的可行性。     

空间双机容错计算机系统研究

为在资源有限的条件下，最大限度地实现长寿命空间飞行器计算机系统的容错，同时又能达到所要求的性能，提出了一个模块化的双机容错设计方案。采用热冗余比较方式，软硬件组合实现系统的容错管理，可保证在某个资源或包含该资源的模块发生故障时，不会导致整个系统的失效，并具备模块级重构能力，从而实现系统的资源共享。不同冗余系统可靠性分析和有关测试结果表明，所设计的双机容错系统性能满足有关要求。     

现代小卫星的重力梯度姿态稳定系统

本文首先论述现代小卫星重力梯度稳定系统组成，其次建立数学模型，最后进行计算机仿真，研究初始姿态角速度、惯量比、飞轮角动量和伸杆时间等因素对姿态动态特性的影响。     

微小卫星三机异构一体化计算机设计

当前微小卫星的星载计算机与运载计算机多分别采用不同结构的计算机系统设计,导致资源浪费和运载计算机的可靠性较弱。文章提出了一种微小卫星一体化计算机的设计,即采用三机异构备份的设计方案。在发射运载阶段,以数字信号处理器（DSP）为核心的运载计算机作为主机,以高性能FPGA为核心的时变计算机作为备机;在在轨运行阶段,以ERC32处理器为核心的卫星平台计算机作为主机,时变计算机经重构后作为备机。此设计不仅提高了运载计算机的可靠性,而且对卫星平台电子系统在能源、热控、遥测遥控、有效载荷、姿态轨道控制等方面的综合管理能力也有全面提升,并且还具有灵活的扩展性和较强的适应性。     

卫星控制系统多转台多模拟器半物理仿真方法

卫星控制系统半物理仿真是在实验室中模拟卫星在轨道上运动特性的一种试验方法 ,它通常用于验证卫星控制系统方案和性能指标。卫星控制系统半物理仿真包括将硬件接入路的卫星动力学仿真和运动学仿真。仿真计算机计算卫星的动力学和运动学方程 ;转台模拟卫星在空间的运动 ;目标模拟器用来模拟作为卫星姿态敏感器的参考目标 (太阳、地球和恒星等 )的环境特性。为了将控制系统硬件接入试验路 ,必须适当地处理一系列的关键技术。卫星控制系统多转台多模拟器半物理仿真方法适用于带有多种敏感器的复杂卫星仿真。     

协同小卫星系统和服务

文章提出一个新概念:协同小卫星系统和服务(应用),简称5S(Synergic Small Satellites Systems and Services)。其目的是积极研究和开发多颗小卫星联合协同工作,开创在各领域新的应用。文中首先论述5S的概念与内涵;其次研究小卫星星座和编队飞行性能特点与系统设计;最后介绍近几年来协同小卫星系统的4个创新应用示例。     

Queuing theory application in imaging service analysis for small Earth observation satellites

The performance of Earth observation satellites is usually analyzed by real data or system simulation, which is accurate but not systematic. Modelling satellite service systems with queueing theory and analysing the performance statistics systematically will provide a useful guide in designing satellite systems. Earth observation satellites could be regarded as a two tandem server system with a finite buffer in between, providing two-stage service: image capture and image download service. In this paper, we introduce the queueing models for different service systems: the pure image capture service system, the two-stage service system with Poisson distribution download service, the pure download service system, and the two-stage system with general download service. Formulated solutions are given and some results are shown. From this work we can see queueing theory provides a good way to analyse the performance of small earth observation satellites, which is useful for system mission analysis and optimisation in design stage.     

星载实时微内核操作系统的CPU调度

现代小卫星的重要特点之一是要实现卫星的自主运行。作为其控制核心的星载自主计算机操作系统的性能至关重要。当今 操作系统的发展趋势是采用微内核体系结构。它具有微型化，模块化，可移植性可扩充性等优点。ＣＰＵ调度是影响操作系统性能的关键因素。当前的微内核操作系统基本上只提供几种简单的调度策略，如ＦＩＦＯ，循环反馈等。这些都难以满足卫星系统在特定的时间内对外界作出响应的实时要求。为此，本文设计了一个新的ＣＰ     

Space experiments of deployable boom and umbrella test satellite (DEBUT)

This paper describes the results of the in-orbit performance testing of deployable and retractable umbrella and boom systems, which will be used as important subsystems of Boomerang/Tether satellites. The umbrella is one of the possible candidates of the aerodynamic braking system for boomerang satellite and the boom is also one of the possible candidates of relative position adjusting mechanism between center of mass and aerodynamic force center of the boomerang satellite and initial release/final recovery mechanism of the tethered satellite. For this technology verification, a small and inexpensive satellite, named DEBUT (Deployable Boom and Umbrella Test satellite), was developed in a short period of 1.5 years elapsing from the start of the detailed design until the launch of the mission. The lithium dry cell batteries were used as the primary power and functioned normally during 10 days mission lifetime.     

通信卫星测控分系统在轨运行综合分析与改进

截至目前,我国已成功研制并发射了数十颗通信卫星,部分卫星已圆满完成其既定的工程任务目标。文章总结了通信卫星测控分系统总体设计的关键性和可靠性等特点,对某通信卫星测控分系统关键单机的工作时间、异常次数等在轨运行数据进行统计,并逐一分析典型异常现象,针对产生异常问题的原因,提出了加强电路设计、调整器件参数、更换能力较强器件等改进方案。此研究结果可为我国后续卫星测控分系统总体可靠性设计提供参考。     

卫星编队多Agent软件结构仿真研究

随着小卫星技术的发展,今后由多颗微小卫星近距离编队飞行将成为在轨航天器部署的主要形式。本文把多Agent思想引入卫星编队,提出了基于多Agent卫星编队软件结构,根据编队中不同卫星Agent的智能水平和相互关系给出了4种分布形式,在把智能水平最高的主星Agent模块化结构做重点介绍的同时,以避免两星碰撞为例阐述了模糊控制逻辑在主星决策Agent中的应用。