一种软件实现的程序控制流错误检测方法

在太空环境中，由于宇宙射线的存在，计算机系统的硬件经常发生各种瞬态或永久故障，致使软件系统的执行流程产生错误。针对太空环境的强辐射特点，提出了一种对程序的控制流进行检查的纯软件方法RSCFC，它首先把程序划分为“基本模块”，然后给每个基本模块赋予一“关系标记”和错误探测指令。通过对程序运行期间生成的“即时标记”和事先嵌入程序的模块位置信息的“与”运算来探测控制流错误。该方法在几个C语言标准程序上进行了实现，并进行了故障注入实验，结果表明在没有RSCFC时，大约20．7％～68．8％的分支故障会产生探测不到的不正确输出，而在RSCFC存在的情况下，该区间会降低到2．8％～20．4％。与其它的软件控制流错误检测方法相比较，它具有探测率高，对原始代码影响小的特点。     

基于虚拟寄存器的控制流错误检测算法

控制流故障是航天软件系统必须面对的一个重要故障类型。提出一个基于程序基本块模型的算法CFCVR（Control Flow Checking Basedon Virtual Register，基于虚拟寄存器的控制流检测）对程序控制流进行检测。它首先通过虚拟寄存器分配算法获得虚拟寄存器，然后基于这些虚拟寄存器添加特定的控制流28．7％的性能代价和平均检测指令。这些指令可以检测模块间的控制流错误，所有工作都是在汇编源程序上完成的。实验表明CFCVR会引入平均31．3％的存储代价，而对于控制流错误检测率平均为97．1％，优于目前已存在的各种方法，能够提高航天软件容错能力和可靠性。     

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。     

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。     

应用EDAC容错技术的星载软件堆栈溢出实时检测方法

针对常见的星载软件堆栈溢出问题,提出了一种应用错误监测与纠正(EDAC)容错技术的堆栈溢出实时检测方法。以采用BM3803处理器的星载软件为例,通过处理器提供的内存造错和EDAC机制,对软件堆栈设置雷区和隔离区,通过陷阱程序感知堆栈生长过程,记录堆栈使用深度,并实时检测堆栈溢出。对核心模块的性能测试及堆栈检测实例验证表明:该方法实现简单,对软件性能几乎没有影响,使软件可以在线实时检测堆栈使用深度。软件在堆栈溢出时仍能自主可控,避免"跑飞"崩溃,大大提高其可靠性。     

嵌入式软件中断数据竞争安全性检测技术研究

嵌入式领域中由中断引发的软件故障时有发生,这些故障大多源于中断响应所带来的数据竞争,而目前缺乏针对嵌入式软件中断数据竞争的检测技术及工具。通过引入中断特征形式化描述语言和中断作用域集合概念,设计相关算法,完成对被测软件的数据竞争检测。经实验验证,该检测技术能有效帮助测试人员定位嵌入式软件中断数据竞争问题。     

基于汉明码的32位数据纠错电路设计

空间应用计算机硬件系统的电子器件容易受到电磁场的辐射和重粒子的冲击,导致星载计算机中的数据特别是存储器中的数据出现小概率的错误,这种错误若不及时进行纠正,将会影响计算机系统的运行和关键数据的正确性。根据汉明码的纠错原理,可设计出一个用于32位SRAM存储器的数据纠错电路。该电路基于FPGA实现,具备检测2位错误并纠正1位错误的功能,有一定的实际应用意义。     

液氧煤油发动机地面试车故障监控系统研制

为了降低试车中发动机故障对产品和试车台造成的危害,提高安全性,设计了液氧煤油高压补燃发动机地面试车故障监控系统。主要介绍了系统总体实施方案、检测算法及验证情况。多次实际热试车考核和对大量热试车数据的验证表明,该系统未出现一次误报警,能够比指挥员提前检测到故障,系统简单可靠,易于实现,经济性好,对实现地面试车、箭载发动机故障检测和报警具有工程应用价值。     

航天软件中多重中断程序的动态检测方法研究

随着控制系统软硬件平台的设计复杂度不断增加,特别是飞行控制系统中集成的传感器不断增多,中断数量也随之不断增加.本文根据飞控系统的具体特点,使用标记迁移系统对多重中断并发程序进行建模,提出了原子性违背和数据竞争的形式化描述,运用动态偏序化简算法对程序的状态空间进行化简,并设计实现了多重中断控制系统程序的动态检测工具,实验结果表明该检测算法可以在满足对多重中断并发程序错误检测的基础上,大大的缩短检测时间.     

导弹气动特性工程计算通用程序设计与研究

以三级以下弹箭常见的气动外形为计算模型，编制了气动特性工程计算通用程序（ADM系统），该软件适用于计算马赫数0～10、飞行攻角0～30°范围内多种火箭和导弹的气动参数。利用风洞实验数据详细检验了计算误差，除跨音速段外，升力、阻力系数计算误差分别小于3％和3．5％，压心系数误差小于1％。经过防雹火箭和探空火箭使用验证，该程序用于火箭设计是可靠的。     

十字形磁梯度张量结构在多磁偶极子测量中的误差与修正方法

磁场全张量探测技术在多磁源反演中有着重要意义。十字形磁梯度张量结构因其计算简单、精度高等特点被广泛采用,但其在多磁源反演中的全方位误差分析和修正方法有待完善。文章研究多磁偶极子分辨的问题,分析十字形计算结构和误差来源;结果表明磁力仪的精度、整体结构、背景环境和基线选取都会造成误差,甚至导致错误;最后给出修正方法和建议,同时提出可行的扫描方法。     

Intelligent fault-tolerant control for swing-arm system in the space-borne spectrograph

Fault-tolerant control (FTC) for the space-borne equipments is very important in the engineering design. This paper presents a two-layer intelligent FTC approach to handle the speed stability problem in the swing-arm system suffering from various faults in space. This approach provides the reliable FTC at the performance level, and improves the control flow error detection capability at the code level. The faults degrading the system performance are detected by the performance-based fault detection mechanism. The detected faults are categorized as the anticipated faults and unanticipated faults by the fault bank. Neural network is used as an on-line estimator to approximate the unanticipated faults. The compensation control and intelligent integral sliding mode control are employed to accommodate two types of faults at the performance level, respectively. To guarantee the reliability of the FTC at the code level, the key parts of the program codes are modified by control flow checking by software signatures (CFCSS) to detect the control flow errors caused by the single event upset. Meanwhile, some of the undetected control flow errors can be detected by the FTC at the performance level. The FTC for the anticipated fault and unanticipated fault are verified in Synopsys Saber, and the detection of control flow error is tested in the DSP controller. Simulation results demonstrate the efficiency of the novel FTC approach.     

基于迭代学习观测器的卫星姿态控制系统的鲁棒容错控制

针对卫星在轨运行时存在执行机构故障和空间干扰问题,提出了一种将迭代学习与未知输入观测器(IL-UIO)相结合的鲁棒容错控制方法.该方法在继承了未知输入观测器干扰解耦优点的同时,运用迭代学习技术,利用前一时刻姿态角速度偏差和IL-UIO输入来更新当前故障信息,实现了执行机构的在线故障重构.进一步基于Lyapunov方法从理论上证明了设计的IL-UIO鲁棒稳定性和姿态角速度偏差一致有界性.最后,建立卫星闭环姿态控制系统对方法进行验证,仿真结果验证了方法的有效性.     

基于增广观测器的非线性系统执行器故障诊断

针对一类满足李普希茨条件的非线性系统,提出了一种新的执行器故障诊断方法。将执行器故障作为增广状态向量的一部分构造一个增广系统,然后利用线性矩阵不等式方法设计一个增广状态观测器,能够同时获得原系统的状态和执行器故障的渐近估计。利用李亚普诺夫理论分析了增广状态观测器的稳定性和收敛性。最后,将所提出的方法用于卫星姿态控制系统执行器的故障诊断,仿真结果验证了该方法的有效性。     

一类飞行器网络控制系统的鲁棒故障检测算法

针对同时存在马尔可夫短时延和数据包丢失的网络环境,研究了一类飞行器网络控制系统的鲁棒故障检测问题。通过将马尔可夫短时延与丢包建模为一个有限马尔可夫链,并针对丢包建立相应的数学模型,飞行器网络控制系统被建模为离散有限马尔可夫跳变线性系统。在此基础上构建残差发生器,相应的故障检测问题归结为滤波问题。以线性矩阵不等式的形式给出并证明了故障检测滤波器的存在条件和求解方法。仿真结果表明,所提出的建模方法能够有效地减少丢包对故障检测性能的影响,同时上述故障检测方法对故障敏感,对未知扰动具有鲁棒性。     

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。     

某卫星姿态角的确定和对测量部件的故障诊断

卫星三轴姿态的确定是对卫星进行姿态控制的基础,利用陀螺和红外敏感器互补的特性,并对测量所得到的数据进行处理,便可得到卫星姿态角的估计值。陀螺和红外地球敏感器是卫星姿态控制系统中关键的测量部件,两者的测量输出通过卫星运动学方程相关,有冗余关系,可以用于故障检测。本文对所设计的观测器进行了数值仿真,证实了其有效性,并直接利用所设计的观测器进行故障检测,首先得出陀螺和红外地球敏感器在各种故障下的输出残差曲线,然后分析陀螺和红外地球敏感器的不同故障对输出残差信号的不同影响,找出各种故障与不同输出残差的对应关系,从而确定发生故障的部件。     

色散推扫型高光谱数据系统残余误差校正

高光谱遥感成像链路中各个环节产生的系统误差会降低数据质量（quality）,从而削弱高光谱数据的应用潜力。为了消除高光谱辐亮度数据中的系统残余误差,以色散推扫型高光谱遥感系统为例,提出了基于成像链路的系统残余误差校正流程。首先,从成像链路出发,在不同环节分析系统残余误差的产生原因及机理;然后,通过分析检测及校正算法对数据质量的影响,以及误差项之间的内在联系,设计了一种系统残余误差校正流程;最后,以PHI高光谱数据作为数据源对提出的校正流程进行实验验证。结果表明：校正后的图像可视性增强;信噪比显著提高,最大提升值为91.9%;反射率数据中的过校正现象得到有效消除。利用该校正流程能够较好的消除数据中的系统误差,提高图像数据质量以及后续应用处理能力。     

基于角增量和角速率的旋转矢量算法的等效性

推导了基于角增量和角速率的两种旋转矢量算法（RVA）及其计算误差,并从理论上分析、比较了两种RVA及其圆锥补偿误差（CCE）;在不考虑传感器误差情况下,对两种算法的CCE进行了基于典型圆锥运动的仿真。结果表明,两种RVA的CCE由采样频率和圆锥运动频率的比值定量确定：当比值大于1〖KG*9〗000时,相同子样数的两种算法的CCE相等;两种RVA具有圆锥误差补偿效应的范围为该比值介于3和1〖KG*9〗000之间。在该有效范围内,CCE随比值的减小而单调增大,并且相同子样数的两种算法的CCE随着子样数的增大而趋于相等;当比值小于等于3时,两种算法的圆锥误差补偿效应同样减弱。从而得出两种算法的圆锥误差补偿效应的近似等效性。对于捷联惯组的设计、RVA的选择及其在惯组高动态环境下的应用具有一定指导作用。