基于FPGA中CLB结构模型的内部进化及其容错

内部进化是研究在线可进化硬件的方法,可用于实现容错、自适应的航天器硬件系统.现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)是目前实现数字电路进化的主要可编程逻辑器件.本文分析了FPGA的结构特点,对其基本组成单元可配置逻辑块(CLB,Configurable Logic Block)的结构进行了简化,提出一种可编程逻辑器件模型,设计了一种基于该模型的内部进化方法,并实现了一个内部进化系统.采用故障注入的方法对内部进化的容错特性进行了研究,讨论了可进化硬件实现容错的条件.     

一种星载计算机操作系统容错引导算法研究

将软件冗余备份与SPARC V8构架芯片EDAC相结合,提出了一种新型星载计算机操作系统容错引导算法。该算法首先在EEPROM中备份三份操作系统文件,星载机上电或复位后,利用硬件EDAC功能对引导的操作系统文件进行错误检测及纠错,当检测主操作系统文件错误并且无法纠错时,则屏蔽错误操作系统文件自动引导备份操作系统文件,星载机仍可正常启动。与目前采用的硬件编码容错技术及软件冗余容错算法相比,该算法在有效降低硬件成本和软件消耗的同时,实现了对操作系统文件的检错纠错及错误屏蔽功能,提高了操作系统数据的可靠性。该算法可以为星载机容错设计提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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技术系统，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。     

航天计算机自检测技术

介绍航天容错计算机（ＣＰＵ）容错的一种硬件设计方案。这种方案采用四台ＣＰＵ的冗余来实现ＣＰＵ的自检测，以达到ＣＰＵ容错的目的。     

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。     

用于相异性设计的模糊重用库

容错设计是提高软件可靠性的有效途径，但是由于设计多样性实现很困难且开销大，导致该项技术实现很困难。为此，提出了一个基于重用的应用框架。该框架的提出将相异性设计过程转变为根据可重用参数从大量具有相同功能软件组件中选择合适的组件来构成容错系统，从而简化了软件开发过程。同时为了更准确地描述组件，采用了模糊逻辑来表达其与上层概念的关联关系。本文介绍了重用库系统结构的设计及其对容错设计的支持。     

异步并行的分布式协同进化MDO算法研究

为满足分布式计算机网络环境下多学科并行设计优化协调的要求，研究了分布工协同进化MDO算法的网络异步并行实现，给出了异步并行的分布式同进化MDO算法。对导弹设计的计算实例，与单机上顺序执行的分布式协同进行MDO算法相比，异步并行的分布式协同进化MDO算法可有效缩短运行时间，而二者的收敛性能相当。算法基于CORBA/C 实现，灵活性、容错性好，便于在飞行器一体化设计环境中应用。     

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。     

航天器集成健康管理系统研究

航天器故障诊断技术不仅要求提高航天器安全性和可靠性 ,而且要求削减航天器全寿命周期成本 ,现在的故障诊断系统已从原来单一的分系统 (如电源系统 )的故障诊断专家系统 ,向集系统状态监测、故障诊断和故障修复为一体的航天器集成健康管理 (IVHM)系统发展。本文介绍了航天器集成健康管理系统的基本概念 ,并对我国新型航天器整个集成健康管理系统、在轨健康管理系统、地面健康管理系统以及主要采用的技术作了详细的阐述。文中强调了基于模型推理技术 (特别是多信号建模技术 )在航天器集成健康管理系统中的重要性。文章最后指出了应采用从上至下的方案开发该集成健康管理系统。     

航天器遥控FPGA片上容错设计技术研究

结合深空探测项目研制任务研究遥控数据接收处理电路FPGA片上容错设计技术。在研究航天器遥控数据接收处理电路数据模型的基础上,提出遥控数据接收处理电路FPGA片上小粒度自主备份容错设计方法;应用此新方法进行遥控指令通道FPGA设计优化;针对FPGA缺陷成团性,进行遥控指令通道FPGA布局优化,最终设计出能够自主容错,容错能力更强,可以应对缺陷成团性影响的新一代遥控指令通道FPGA。这一FPGA的实现,验证了文中提出的新方法,也为未来深空探测项目、微小卫星等提供新的遥控产品。     

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。     

Xilinx FPGA自主配置管理容错设计研究

针对SRAM型FPGA在空间辐射环境下容易受到单粒子效应影响的问题,在分析可重配置的Xilinx FPGA的结构和故障模式的基础上,提出一种基于自主配置管理的Xilinx FPGA容错设计方案。综合运用诸如逻辑电路三模冗余、块存储器EDAC校验、动态回读、动态局部重配置及周期全局重配置等方法实现故障的屏蔽、检测和修复。该方案覆盖了FPGA的各种单粒子效应故障模式,并且在芯片内部实现了自主配置管理,具有体积小、成本低、可靠性高的特点。     

基于神经网络的某导弹姿态控制系统故障诊断

介绍了多层前向神经网络及其算法 ,讨论了神经网络在故障诊断方面的应用 ,并对某导弹姿态控制系统的典型故障进行了神经网络建模 ,经测试取得了良好的效果。     

基于自适应FBFN网络的不确定系统容错方法

提出了一种基于自适应模糊基函数网络(AFBFN)的不确定系统的容错方法,解决不确定系统的故障容错问题。不确定系统由已知数学模型和未知模型组成。应用模糊基函数网络(FBFN)离线估计不确定系统无故障时的未知模型,用AFBFN在线估计系统的未知模型。由已知数学模型和FBFN组成参考模型。根据参考模型、实际系统和AFBFN的输出用另一个AFBFN得到不确定系统的反馈控制输入,使实际系统跟踪参考模型给出的期望输出。最后给出了某飞机的微波着陆系统仿真结果。     

基于桥接模式的双网络重复使用运载器控制系统冗余技术

根据重复使用运载器因面临恶劣电磁环境而对控制系统提出的可重用、高可靠性要求,提出了一种基于桥接控制器的四余度1773A光纤总线双网络冗余控制系统方案。该方案在实时性、数据处理、缓解信息拥塞、电磁兼容性等方面具有较好的优势,控制系统实现了集控制、传感、通信、网络、故障诊断与容错处理于一体的功能。通过对计算机、综合控制器、伺服机构等关键部组件及系统级总线进行冗余设计,提高了系统的可靠性。     

基于分时融合反馈的联邦滤波算法研究

传统联邦卡尔曼滤波算法的高容错性是以牺牲精度为代价的,为此提出了改进的联邦滤波算法,采用分时融合反馈的联邦滤波信息分配方式,在提高系统容错性的同时兼顾导航精度和实时性,而且无融合反馈阶段延长了故障反应时间,提高了系统对渐变故障的检测能力,取得较为理想的结果.