星载计算机拜占庭容错设计与验证

 为确保载人航天器的安全可靠,载人航天器控制计算机一般需具备拜占庭故障恢复的能力。根据拜占庭恢复理论,提出一种拜占庭容错计算机实现的原理性方案,然后对这种拜占庭容错方案进行了原型实现和验证,实验结果表明了方案的可行性和有效性。     

天宫一号目标飞行器控制计算机的设计与验证

与载人航天一期＂轨道舱＂相比,载人航天二期天宫一号目标飞行器对控制计算机的功能、性能和环境适应性都提出了更高的要求.依据GNC分系统对控制计算机的功能与可靠度需求,介绍天宫一号目标飞行器控制计算机的容错方案、硬件设计、系统软件设计、可靠性分析和试验验证情况,地面验证结果表明：天宫一号目标飞行器控制计算机设计满足GNC分系统的需求.     

基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制研究

针对传统航天姿控系统故障诊断与容错控制诊断精度及控制分配效率较低的问题,提出了一种基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制方法。以控制力矩陀螺为执行机构的航天器发生执行机构故障工况时,所提出的方法可保证鲁棒的姿态控制。首先,利用三个异构深度神经网络实现传统容错控制器的故障诊断、姿态控制和力矩分配等功能,建立了全神经网络的智能自适应容错控制器架构。然后,对三个神经网络的网络层数、神经元数目和激活函数等参数进行优化调整,对比分析了神经网络参数对控制器性能的影响。最后,对所提出的新型控制器在控制力矩陀螺发生故障时的控制精度和鲁棒性进行了仿真验证。仿真结果表明,对于具有冗余控制力矩陀螺的航天器,提出的方法不仅能在单一陀螺故障下实现高精度的容错控制,也能在发生多陀螺故障时保证一定的姿态稳定控制。     

COTS星载计算机容错设计及可靠性研究

为了实现微小卫星“好、快、省”的目标，商业货架产品(Commercial off the shelf, COTS)被大量采用，如何确保COTS产品的可靠性是必须要解决的问题.以基于工业器件的计算机产品为例，针对星载计算机产品存在的空间应用无可靠性预计指标、无抗单粒子设计等问题，开展了星载计算机容错设计及空间应用可靠性研究.为了保证星载计算机高可靠性航天应用，从产品的设计、分析、试验等方面提出了有效的保证措施.最后，利用星载计算机加速寿命试验数据和在轨实际运行表现证明了该方法的有效性；可靠性评估结果表明星载计算机三年内可靠度可以达到0.976以上(置信度取0.6)，能够实现高可靠航天应用.     

星载数据系统的结构

星载数据系统通过全星的计算机联网,建立统一数据管理,支持系统重组。文章探讨了星载数据系统结构的选择原则;并提出并行计算机系统的几种结构（如网格形和交叉开关网络）比目前使用的总线型结构更适合星载数据系统。     

星载高速串行数据处理系统设计与实现

遥感卫星图像数据量的高速增长,以及遥感卫星搭载的相机不同工作模式下产生的数据差异化处理的需求,为星间数据处理带来了巨大挑战。针对星载Gbit·s^–1级高速数据收发及文件缓存等星间数据处理面临的问题,以百兆每秒级星载高速接收缓存系统为切入点,以遥感卫星数据处理的发展为依据,在分析SerDes传输原理的基础上,采用模型仿真和工程验证的方法,制定了高速串行数据链路层传输协议SSLLP(Satellite Serial Link Layer Protocol)和类文件化高速缓存的策略。在硬件设计和软件开发的基础上,最终完成了具备处理入口速率3.2 Gbit·s^–1并能以类文件化的方式缓存64个数据文件的星载数据处理单元的工程实现。测试结果表明,基于SSLLP的高速串行数据接收正确,缓存策略有效,系统高效可靠。该设计已在某型号任务中取得在轨验证,为星载高速串行数据处理系统提供了参考。     

星载软件无线电平台及其单粒子效应研究方法

结合国内外研究进展,介绍了软件无线电技术在星载设备中的应用,给出了一种星载软件无线电平台的结构.针对单粒子效应对星载软件无线电平台可靠性影响,提出了一种软件无线电平台对抗单粒子效应的设计与验证方法,并给出了针对该平台中FPGA和DSP的故障注入方法.这种抗单粒子效应的研究方法和故障注入方法代价低、设计灵活,在某卫星星载多用户扩频接收机的可靠性设计过程中得到了验证和实施,使低等级高性能器件在星载信号处理平台中的应用成为可能.      

基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制

针对航天器通信和计算资源约束以及执行器故障场景下的姿态控制问题,提出了一种基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制策略。首先,采用自适应方法估计故障信息、外界扰动等系统中未知参数,并引入事件触发机制,在执行器故障下实现容错控制的同时,节约星载计算机的计算资源。然后,基于李雅普诺夫方法证明了所提出的控制策略保证了闭环系统状态全局一致且最终有界稳定,并能有效避免Zeno现象,保证了执行器故障场景下对姿态的精确控制。最后,应用于航天器的姿态稳定试验,仿真结果验证了该方法的有效性。     

一种面向星载计算机的功能级功耗估计方法

在星载计算机的软硬件协同设计过程中需要解决处理器功耗估计问题.现有的工具和方法主要面向ARM或DSP处理器,缺乏可用于LEON3处理器的软件功耗估计方法.针对这一不足,基于功能级功耗分析方法进行功耗估计,重点解决LEON3处理器的功耗建模问题.提出了从C代码中提取模型参数的方法,并且对序贯最小优化支持向量回归算法进行了改进,提高模型的精度.在数值试验部分,通过常用的C语言算法试验对估计方法进行了验证.结果表明功耗估计误差小于3%,能够满足星载计算机软硬件协同设计的需要.     

一种低成本高可靠的星载计算机存储器容错方法

星载计算机应用中，高可靠和低成本往往相互矛盾.传统计算机系统通过采用高等级器件的方式来提高系统可靠性，但代价是成本高昂.商业卫星采用降低元器件等级的方式来降低系统成本，但可靠性也随之降低.针对这一矛盾，提出了一种设计方法：利用低等级元器件，通过对程序存储器和数据存储器双冗余的方式来提高计算机存储器的可靠性、容错能力以及抗空间环境能力.采用本设计的计算机其存储器部分的可靠性与传统宇航计算机相当，成本与商业卫星计算机相当，实现了低成本与高可靠兼顾.     

分布式卫星嵌入式计算机系统结构设计方法

针对分布式卫星的运行环境和任务特点,综合考虑分布式卫星嵌入式计算机系统在可靠性、安全性和实时性方面的要求,提出了一种基于三级容错的主辅式双系统体系结构设计方法。论文分析了分布式卫星的特点和星上嵌入式计算机系统的设计要求,对三级容错设计、主辅式双系统安全设计以及基于可信平台模块(TPM)的辅系统设计进行了详细的阐述。该设计方法已成功应用于地面原理验证系统中,结果表明其可以很好地解决分布式卫星嵌入式计算机系统的可靠性、安全性和实时性问题。     

基于EHW和RBT的电路故障自修复策略性能分析

在诸如深空、深海等特殊环境中的电子电路,传统的基于冗余容错技术提高电子系统可靠性的方法受到了很大程度的限制,进而基于硬件演化（EHW）的故障自修复策略开始被广泛研究。但是后者也存在一些弊端,如存在电路演化规模大、电路演化速度慢、故障修复能力有限等问题。因此,在前期工作中,提出了基于EHW和补偿平衡技术（RBT）的电路故障自修复策略。通过从故障自修复能力、故障修复速度、硬件资源消耗等角度对比分析,相比于常规的基于EHW的故障自修复策略,基于EHW和RBT的电路故障自修复策略的故障修复方法灵活、故障修复类型多,且能缩减电路演化规模、缩短电路演化时间、提高电路修复速度、硬件资源消耗可控,其可行性和有效性得到了论证,具有重要的工程应用价值。      

航空电子系统的光纤网络结构与技术

针对先进航空电子系统对数据网络的高速和混合通信的需求,基于分布式控制、实时存取和故障容忍的设计思想,进行了分布式光纤网络的结构设计和协议选择.重点分析了光纤链路、介质访问控制协议、拓扑、容错技术和网络管理软件.分析结果表明,基于1394b总线的分布式容错光纤网络能提供确定和可靠的通信,同时该吉比特光纤链路满足误码率要求且功率余量达13dB.因此它是具有高带宽、低延迟和易扩展优势的高综合网络结构.      

单片系统在星载计算机上的应用

小卫星的设计目标之一是低成本、轻质量以及研制周期短，使用商用现货的元器件和开发工具可以更好的支持这一思想。可编程单片系统是其中的一项关键技术。这种单片系统方案可以降低小卫星电子系统(比如数管，通信和控制系统)的体积、复杂度和成本。该文阐述了单片系统在航天器上的应用，并以一星载计算机的单片系统作为设计举证，包括一个微处理器软核、其他的外围接口设备软核及所采用的目标芯片，并对以微处理器软核为核心的片上系统如何实现进行描述，同时提供了通过片上总线集成外围接口设备软核的方法。     

一种基于人工免疫系统的FPGA容错方法

通过对人工免疫系统容错性的分析和研究,提出了将人工免疫系统应用于硬件容错的4个条件.在此基础上设计了一种仿照人体细胞结构的新型FPGA可编程逻辑单元和一种基于人工免疫系统的容错方法.最后通过实验模拟故障的方法对该设计和容错方案的正确性和有效性进行了验证.     

飞行控制用无刷直流电动机容错运行方式

双重绕组无刷直流电动机构成的双通道机电作动系统(EMA,Electro-Mechanical Actuator),当一个通道故障时可以采用容错运行方式.分析了电动机在双绕组工作与单绕组工作时的机械特性、铜损耗与允许转矩.对样机的机械特性试验曲线分析可知,在相同的电压条件下,两种工作方式的机械特性有相同的理想空载转速,但容错工作时因负载产生的转速降将增大1倍.在功率损耗不变的条件下,容错工作时电动机的允许电流为额定值的1.4倍,允许转矩为额定值的0.7倍,通过样机的温升试验数据充分验证了这一点.探讨了双绕组运行时的电流均衡控制方法以及容错工作采取的措施,并用仿真曲线分析了容错工作方式下的动态性能.      

具有容错特性的两层数据流聚类方法

提出一种具有容错能力的进化数据流聚类算法FTGDStream (Fault-Tolerant Grid-Density Clustering over Data Stream),通过在聚类过程中引入适当的松弛条件,从而在含有噪声的真实世界数据中获取更加泛化的有用知识.首先利用基于相似性度量和小波技术的HLSFTS (Hierarchical Lifting Scheme Fault-Tolerant Synopses)层次概要数据结构实现在线微聚类过程,然后采用基于网格密度的聚类算法实现离线宏聚类过程.在线算法所构造的小波概要数据结构对原始数据的高压缩率降低了离线网格密度聚类算法的计算负载,提高了二层数据流聚类算法的效率.在UCI数据集上的仿真实验结果表明,FTGDStream算法可以聚类任意空间形状的数据并且适用于高维数据流环境,是一种具有容错能力的高效数据流聚类算法.     

总线容错机制及其验证方法

卫星系统广泛采用容错技术以提高系统的可靠性,而总线通信的稳定性和可靠性对于系统任务的成功至关重要．工程研制中,通常采用总线容错技术对系统通信故障进行识别和屏蔽．介绍了基于故障仿真技术的总线容错机制验证方法,包括故障规格分析技术、故障用例生成技术和故障仿真技术,利用该方法对某星载软件的总线通信功能进行了容错测试,验证了方法的有效性和实用性．     

基于32位SPARC处理器的JTAG仿真器设计与实现

在研究IEEE1149．1标准和JTAG调试原理的基础上,以SPARC处理器内嵌调试体系结构为核心,设计实现一种JTAG仿真器．JTAG仿真器通过以太网和串口与上位机通信,利用FPGA发送JTAG协议时序完成用户调试任务．该系统设计可扩展性好,成本低,且JTAG数据发送速率可达到8Mbit／s、性价比高．经测试,该系统能稳定、可靠工作．