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。     

计算机的容错设计

介绍容错和计算机容错的概念,结合某卫星上的计算机,论述了计算机的容错设计,包括机间容错和机内容错.实践证明,容错设计是提高计算机可靠性的有效手段.     

微小卫星星务计算机系统的容错控制策略研究

微小卫星系统是一个可靠性要求很高的系统,需要由具有容错能力的星载计算机来控制。针对微小卫星重量、体积、功耗的限制,提出了一种微小卫星的星务计算机系统的可靠性设计方案,设计中采用双模冗余方案搭建系统的容错结构,并根据卫星的运行要求提出了适用于微小卫星的温备份方式容错控制策略,介绍了一些用于支持温备份方式容错控制策略的关键技术。通过分析在微小卫星设计中的适用情况,温备份策略从硬件开销和时间开销两个方面都有利于卫星的设计。在立体测绘微小卫星“试验卫星一号”的星务计算机系统中的应用表明,提出的可靠性设计方案能够提高小卫星的可靠性、安全性以及实时性。     

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。     

空间环境下COTS计算机的抗SEU容错体系结构设计

针对空间辐射环境下的单粒子翻转效应,结合COTS器件的特点,介绍了一种空间环境下COTS计算机的嵌入式解决方案,并结合应用的要求给出了抗SEU容错体系结构的设计方案—基于COTS器件的多级容错结构。文章分别从芯片级、模块级和系统级3个容错粒度展现了空间计算机容错体系结构的设计思路,最后还利用了混联模型分析并计算了系统的可靠度指标。     

小卫星星务系统的遥测技术研究

阐述了小卫星采用的“可控式遥测”和“统一遥测”两种实现技术,即通过遥控、程控和自主控制实施对遥测的状态设置,控制遥测处理流向,改变遥测内容,构成智能化遥测,以增强遥测能力和灵活性。首次提出“二维帧”概念,将卫星的两种遥测标准：PCM遥测和分包遥测统一,实现两者的兼容和平滑过渡,有可能形成新的统一遥测系统标准。在设备级上,统一遥测与PCM遥测一致。在功能层面上,它与分包遥测一致。文章还提出“软件遥测”概念,企望于提升遥测性能。     

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。     

小卫星故障诊断与处理技术

介绍一种简单有效的故障诊断及处理技术，它将小卫星的故障分为分系统级，系统级和系统外部级三种，并由星务管理软件处理系统级故障，在每个循环周期都对遥测参数进行采集和监测，故障发生时，根据故障的优先级，选择并恢复具有最高优先级的故障。该技术在某小卫星中应用，能有效满足系统控制周期的限制和系统可靠性要求。     

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。     

基于半马尔可夫过程的容错导航系统可靠性分析

在容错导航系统中,当采用序贯的方法进行故障检测或者对系统的某些参数采用滤波以后,系统已不再满足马尔可夫过程的基本假设条件。但可以利用半马尔可夫过程理论分析系统的可靠性。利用平移的二阶Erlang分布拟合的方法同以往方法相比能够更加准确地拟合系统的故障检测时间概率密度函数,提高容错导航系统可靠性分析的准确性。     

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。     

卫星姿态控制系统故障重构观测器设计

对于卫星姿态控制系统,提出一种基于PD型学习观测器(Learning observer, LO)的系统故障重构方法。在P型LO的学习算法基础上引入测量输出估计误差的微分项,设计了一种PD型LO,估计卫星姿态角速度和姿态角的同时,快速精确重构卫星执行机构故障。给出了所提观测器的稳定性条件,并基于线性矩阵不等式技术提出一种系统化PD型LO设计方法。进一步,将所提PD型LO设计扩展用于卫星姿态敏感器故障的快速重构。最后,将所提方法应用于微小卫星推力器故障重构和陀螺故障重构,仿真结果校验了所提方法的有效性。     

容错冗余传感器系统与可靠性计算

讨论了正交式、斜置式冗余传感器系统的可靠性计算问题，当考虑故障检测与隔离技术后，讨论了系统配置的Ｍａｒｋｏｖ模型及其状态转移矩阵。针对由六个加速度计构成的斜置式冗余系统，给出容错系统的可靠性计算模型及相应的任务可靠性计算。     

基于改进型(14,8)循环码的SRAM型存储器多位翻转容错技术研究

SRAM型存储器空间应用通常采取纠一检二(SEC-DED)的方法,克服空间单粒子翻转(SEU)对其产生的影响。随着SRAM型存储器工艺尺寸的减小、核心电压的降低,空间高能粒子容易引起存储器单个基本字多位翻转(SWMU),导致SEC-DED防护方法失效。在研究辐射效应引起的SRAM型存储器多位翻转模式特点的基础上,提出一种基于改进型(14,8)循环码的系统级纠正一位随机错和两位、三位突发错同时检测随机两位错(SEC-DED-TAEC)的系统级容错方法。基于该方法的存储器系统容错设计具有实现简单、实时性高的特点,已成功应用于某型号空间自寻的信息处理系统。仿真试验及实际应用表明,该方法可以有效防护SRAM型存储器件SWMU错误,有效提高了空间信息处理系统可靠性,可以为其它空间电子系统设计提供参考。     

基于EKF容错滤波方法的编队卫星相对轨道自主确定

为避免因卫星测量野值导致的相对轨道估计与滤波精度下降,提出了一种基于残差正交性的扩展Kalman滤波（EKF）容错滤波算法的编队卫星相对轨道确定方法。根据卫星相对运动与相对位置量测方程,用残差序列方差的迹实现对野值的剔除及在线修正,保证滤波器有较强的鲁棒性、稳定性和精度。仿真结果表明：该法简单、有效,有较高的理论和工程应用价值。     

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。