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。     

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。     

运载火箭动力系统故障下制导控制技术研究进展

动力系统故障是导致运载火箭发射任务失败的最常见原因,从动力系统故障建模、自主制导和容错控制方面,系统地阐述了动力系统故障下运载火箭制导控制技术的研究进展,为发展新型制导控制算法提供了思路。建立了推力下降故障和执行机构故障的数学建模,并对比了国内外先进运载火箭的制导控制性能;总结了动力系统故障下自主制导所涉及的轨迹优化和制导算法;在被动、主动容错控制框架内,回顾了典型的故障诊断、控制重构、容错控制和震动抑制方法;同时,概述了人工智能技术在自主制导和容错控制方面的应用;结合“会学习”的运载火箭概念,讨论了人工智能技术在促进运载火箭自主化和智能化方面的发展趋势,对未来智慧火箭的制导控制技术进行了展望。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

面向卫星追踪平台的容错纠错策略与算法研究

针对2RPS+2TPS型卫星追踪平台可能出现的传感器故障提出了一种容错纠错策略。该策略通过在卫星追踪平台的固定平台和动平台中心附加一柔索,柔索一端连接弹簧和冗余传感器,实现了对卫星追踪平台四条驱动腿传感器故障的容错纠错功能。如果驱动腿中的某一个传感器发生故障,则可根据空间闭链机构约束,由其它正常工作驱动腿的传感器和冗余传感器的测量值计算出故障传感器的应测值。推导出了位移和速度传感器故障的容错纠错重构算法。通过模拟渐变型和突变型的传感器故障,对提出的容错纠错方案进行了仿真研究,仿真结果表明提出的容错纠错策略能有效地保障卫星追踪平台系统运行的可靠性和安全性。
     

巡航导弹发动机智能故障诊断方法研究

为提高巡航导弹发动机的可靠性和利用率、降低传统的定期维护成本，提出了应用自适应神经网络技术对巡航导弹发动机进行诊断。将采集到的巡航导弹发动机有关数据分为故障现象和故障集分别进行编码，而后利用神经网络的自学习、联想、推测、记忆、容错、自适应和多模式处理等功能对巡航导弹发动机的故障进行诊断。     

基于模型预测控制的近空间飞行器容错跟踪控制

针对近空间飞行器的执行器故障,在考虑控制输入约束情况下,本文提出了一种基于模型预测控制思想的容错控制策略.该方法主要是结合线性状态反馈控制与非线性模型预测控制的优点,构成容错控制律,然后通过自适应观测器的方法进行故障估计,并将得到的故障信息反馈到系统,能够保证闭环系统的稳定性,而且在系统发生执行器故障的情况下能够跟踪给定的指令.最后在Matlab中针对X-33模型进行仿真,验证该容错控制算法的有效性.     

双模冗余网络服务器仲裁子系统设计

传统的双模冗余容错计算系统具有故障定位不准的致命缺点。本文在传统双模冗余系统的基础上设计了一个高可用的仲裁子系统进行故障定位。该子系统采用高可靠的三模表决的系统结构 ,采用非相似余度三总线进行子系统内部同步通信 ,并且应用SOC芯片和CPLD技术 ,采用热插拔的设计方案 ,从而保证子系统的可靠性和可用性     

基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制

针对存在不确定的执行机构部分失效故障和未知外界扰动的航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模控制的容错控制方法。在没有故障检测与诊断信息的情况下,采用快速终端滑模控制原理,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统在执行机构故障发生时,能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间渐近稳定,以及对航天器的容错控制和干扰的抑制。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,该方法在保证系统鲁棒性和可靠性的同时,具有更快的收敛速率,实现执行机构故障时有效的航天器姿态跟踪控制。     

一类非线性系统的故障诊断与容错控制集成设计

研究一类非线性系统故障诊断与容错控制的集成设计问题。针对执行机构故障,结合反馈线性化理论、不变集理论以及鲁棒H∞控制理论,提出一种对执行机构故障具有完整性,并且能够迅速准确地诊断并隔离故障的故障诊断与容错控制集成设计方法。为了提高闭环控制系统的动态性能,完成了控制回路的极点区域部署设计。将该方法应用为卫星姿态控制系统的故障诊断与容错控制集成设计,仿真证明了该方法的有效性。     

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.