一种星载计算机系统方案设计方法技术方案

一种高可靠性星载计算机系统方案设计方法，本发明专利技术涉及高可靠性星载计算机系统方案设计方法。本发明专利技术的目的是为了解决星载计算机可靠性低，处理能力低的问题。具体过程为：一、对外部设备进行检测，如果工作状态正常，则正常运行，进行二；如果工作状态不正常，则进行五；二、得到处理后的卫星的状态信息；三、DSP将处理后的卫星的状态信息进行汉明码编码后发送给FPGA；四、如果DSP中有一个或多个出错，则进行六；如果DSP不出错，则星载计算机系统正常运行；五、PGA启动备份的外部设备接替出错外部设备的工作；六、FPGA启动备份的DSP_D接管出错的DSP的工作，并控制出错的DSP重新上电启动。本发明专利技术应用于航天领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高可靠性星载计算机系统方案设计方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，世界上各个国家都纷纷开始了对空间的探索，抢夺空间资源，从上世纪末开始，我国在空间技术和航天领域已经取得了许多伟大的成就，我国的航天事业已经进入发展的快车道。随着空间技术的发展，空间任务越来越复杂，越来越多样化，对航天器的“大脑”——星载计算机提出了更高的要求。航天器处在空间环境中时，会受到来自空间的各种辐射的影响，主要表现为总剂量效应和单粒子效应。总剂量效应由长时间的辐射积累所以引起的，减小总剂量效应的方法一般是采用防辐射保护罩或者减少芯片工作的时间；单粒子效应中最常见的是单粒子反转，其会造成存储型逻辑状态翻转，是航天器最主要的故障原因。空间辐射已经对航天器造成了很大的威胁，在1971年至1986年发射的同步卫星发生的故障中，71％由空间辐射造成，我国的“风云一号”气象卫星也是因为空间辐射导致姿态失控，卫星失效。由此可见，增强星载计算机的可靠性具有重要意义与工程实际性。在国内，星载计算机普遍采用双模冗余结构，例如“东方红三号”、“创新一号”和“神州五号”等等。该结构虽然能够在一定程度上提高星载计算机系统的可靠性，但是，只要存在一个处理器故障，其可靠性将会降低。目前所研究的星载计算机系统，主要针对处理器进行加固，而外设一般采用单一设备的方式，这种系统结构，一旦外设出现故障，则将导致故障外设所需完成的功能无法实现。目前为了提高星载计算机系统的可靠性，普遍采用抗辐能力强、可靠性高的处理器，一方面我国无法生产抗辐能力强、可靠性高且性能优良的宇航级处理器，而从国外也很难获得，另一方面这样的处理器的价格昂贵，会大大增加星载计算机的成本。因此目前我国大多使用较为成熟，性能较差的处理器，大大降低了星载计算机的处理能力。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有航天器会受到来自空间各种辐射的影响；星载计算机普遍采用双模冗余结构，只要存在一个处理器故障，其可靠性将会降低，一旦外设出现故障，则将导致故障外设所需完成的功能无法实现，处理能力低的问题，而提出了一种高可靠性星载计算机系统方案设计方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的：步骤一、对外部设备进行检测，判断其工作状态，如果工作状态正常，则星载计算机系统正常运行，根据星载计算机系统运行的需求，外部设备采集卫星的状态信息，进行步骤二；如果工作状态不正常，则进行步骤五；步骤二、FPGA将步骤一中采集的卫星的状态信息进行汉明码编码后的数据分别发送给三个DSP进行计算处理，得到处理后的卫星的状态信息，三个DSP收到的数据相同，三个DSP分别为DSP_A、DSP_B、DSP_C；DSP为数字信号处理器；DSP_A、DSP_B、DSP_C分别为数字信号处理器A、数字信号处理器B、数字信号处理器C；FPGA为现场可编程门阵列，FPGA包括FPGA_A和FPGA_B，利用定时器模块控制FPGA_A和FPGA_B间隔固定的时间进行切换工作，固定的时间为人为设定；步骤三、DSP_A、DSP_B、DSP_C将处理后的卫星的状态信息进行汉明码编码后发送给FPGA，FPGA得到DSP_A、DSP_B、DSP_C发送来的编码后的卫星状态信息的处理结果；步骤四、FPGA首先把DSP_A、DSP_B、DSP_C发送来的编码后的卫星状态信息的处理结果进行解码校验，然后进行比较，根据比较结果判断DSP_A、DSP_B、DSP_C是否受空间辐射的影响而运行出错，如果DSP_A、DSP_B、DSP_C中有一个或多个出错，则进行步骤六；如果DSP_A、DSP_B、DSP_C不出错，则DSP_A、DSP_B、DSP_C不受单粒子翻转的影响，星载计算机系统正常运行；其中，所述多个为2个或3个；步骤五、外部设备出错后，FPGA启动备份的外部设备接替出错外部设备的工作，保证星载计算机系统的正常运行；步骤六、FPGA启动备份的DSP_D接管出错的DSP的工作，并控制出错的DSP重新上电启动，出错的DSP为步骤四DSP_A、DSP_B、DSP_C中一个或多个。专利技术效果星载计算机在空间环境中易受空间辐射的影响，主要表现为总剂量效应和单粒子效应的影响。总剂量效应和单粒子效应会影响星载计算机的正常工作，针对该问题，本专利采用两个FPGA和4个DSP设计了一套高可靠性星载计算机系统。FPGA作为系统的控制单元，通过两个FPGA定时切换交替工作消除总剂量效应的影响，并通过软件冗余设计提高系统的可靠性。DSP作为系统的处理单元，主FPGA对四个DSP的处理数据进行仲裁，并对出错的DSP进行处理，DSP同样采用软件冗余设计提高系统的可靠性。针对数据传输过程容易出错的问题，把FPGA和DSP需要交互的关键数据进行编码，通过检错纠错机制提高数据传输的可靠性。在硬件上，本计算机系统采用三模冗余加一备份机的结构，并采用仲裁机制，可有效通过硬件冗余提高星载计算机自主计算空间操作指令的正确性，提升在轨应用的可靠性，其中仲裁及故障检测控制器采用两片FPGA切换工作，有利于减小航天器所受空间辐射总剂量效应对星载计算机内部逻辑的影响。同时通过采用“工作机+备份机”的结构模式提高外设的可靠性。在软件上，本系统对容易受到辐射影响的DSP采用多种软件加固方式，包括DSP信息加固、DSP监测加固、DSP冗余加固、存储器与寄存器刷新和设置中断“陷阱”，提升单片DSP数据处理的准确性。为了防止数据在存储或传递的过程中，受到空间辐射的影响产生错误，本系统还设计了检错纠错机制，提高数据的可靠性，由于其能纠错，这也提高了星载计算机的效率。本系统采用了硬件冗余和软件加固的方式等多种途径增强星载计算机的可靠性，因此对单片芯片的性能可适当降低，使得使用货架级别的DSP和FPGA成为可能。与双模冗余结构相比，本专利技术设计的星载计算机系统采用3模冗余和一个备份机的系统结构，采用仲裁机制提高系统的可靠性。目前所研究的星载计算机系统，主要针对处理器进行加固，而外设一般采用单一设备的方式，这种系统结构，一旦外设出现故障，则将导致故障外设所需完成的功能无法实现，与之相比，本专利技术的外设采用“工作机+备份机”模式。目前我国大多使用较为成熟，性能较差的处理器，大大降低了星载计算机的处理能力。为此，本专利技术的系统结构可以采用货架级别的处理器，这些商用器件性能强，成本低，功耗低且容易获得，这将大大提高星载计算机的处理能力，节约成本。附图说明图1为高可靠性星载计算机系统结构图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高可靠性星载计算机系统方案设计方法，其特征在于一种高可靠性星载计算机系统方案设计方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、对外部设备进行检测，判断其工作状态，如果工作状态正常，则星载计算机系统正常运行，根据星载计算机系统运行的需求，外部设备采集卫星的状态信息，进行步骤二；如果工作状态不正常，则进行步骤五；步骤二、FPGA将步骤一中采集的卫星的状态信息进行汉明码编码后的数据分别发送给三个DSP进行计算处理，得到处理后的卫星的状态信息，三个DSP收到的数据数量相同，三个DSP分别为DSP_A、DSP_B、DSP_C；DSP为数字信号处理器；DSP_A、DSP_B、DSP_C分别为数字信号处理器A、数字信号处理器B、数字信号处理器C；FPGA为现场可编程门阵列，FPGA包括FPGA_A和FPGA_B，利用定时器模块控制FPGA_A和FPGA_B间隔固定的时间进行切换工作，固定的时间为人为设定；步骤三、DSP_A、DSP_B、DSP_C将处理后的卫星的状态信息进行汉明码编码后发送给FPGA，FPGA得到DSP_A、DSP_B、DSP_C发送来的编码后的卫星状态信息的处理结果；步骤四、FPGA首先把DSP_A、DSP_B、DSP_C发送来的编码后的卫星状态信息的处理结果进行解码校验，然后进行比较，根据比较结果判断DSP_A、DSP_B、DSP_C是否受空间辐射的影响而运行出错，如果DSP_A、DSP_B、DSP_C中有一个或多个出错，则进行步骤六；如果DSP_A、DSP_B、DSP_C不出错，则DSP_A、DSP_B、DSP_C不受单粒子翻转的影响，星载计算机系统正常运行；其中，所述多个为2个或3个；步骤五、外部设备出错后，FPGA启动备份的外部设备接替出错外部设备的工作，保证星载计算机系统的正常运行；步骤六、FPGA启动备份的DSP_D接管出错的DSP的工作，并控制出错的DSP重新上电启动，出错的DSP为步骤四DSP_A、DSP_B、DSP_C中一个或多个。...

【技术特征摘要】
1.一种高可靠性星载计算机系统方案设计方法，其特征在于一种高可靠性星载计算
机系统方案设计方法具体是按照以下步骤进行的：
步骤一、对外部设备进行检测，判断其工作状态，如果工作状态正常，则星载计算机
系统正常运行，根据星载计算机系统运行的需求，外部设备采集卫星的状态信息，进行步
骤二；如果工作状态不正常，则进行步骤五；
步骤二、FPGA将步骤一中采集的卫星的状态信息进行汉明码编码后的数据分别发送
给三个DSP进行计算处理，得到处理后的卫星的状态信息，三个DSP收到的数据数量相同，
三个DSP分别为DSP_A、DSP_B、DSP_C；DSP为数字信号处理器；DSP_A、DSP_B、
DSP_C分别为数字信号处理器A、数字信号处理器B、数字信号处理器C；
FPGA为现场可编程门阵列，FPGA包括FPGA_A和FPGA_B，利用定时器模块控制
FPGA_A和FPGA_B间隔固定的时间进行切换工作，固定的时间为人为设定；
步骤三、DSP_A、DSP_B、DSP_C将处理后的卫星的状态信息进行汉明码编码后发送
给FPGA，FPGA得到DSP_A、DSP_B、DSP_C发送来的编码后的卫星状态信息的处理结
果；
步骤四、FPGA首先把DSP_A、DSP_B、DSP_C发送来的编码后的卫星状态信息的处
理结果进行解码校验，然后进行比较，根据比较结果判断DSP_A、DSP_B、DSP_C是否受
空间辐射的影响而运行出错，如果DSP_A、DSP_B、DSP_C中有一个或多个出错，则进行
步骤六；如果DSP_A、DSP_B、DSP_C不出错，则DSP_A、DSP_B、DSP_C不受单粒子
翻转的影响，星载计算机系统正常运行；其中，所述多个为2个或3个；
步骤五、外部设备出错后，FPGA启动备份的外部设备接替出错外部设备的工作，保证
星载计算机系统的正常运行；
步骤六、FPGA启动备份的DSP_D接管出错的DSP的工作，并控制出错的DSP重新
上电启动，出错的DSP为步骤四DSP_A、DSP_B、DSP_C中一个或多个。
2.根据权利要求1所述一种高可靠性星载计算机系统方案设计方法，其特征在于：所
述步骤一中对外部设备进行检测，判断其工作状态，如果工作状态正常，则星载计算机系
统正常运行，根据星载计算机系统运行的需求，外部设备采集卫星的状态信息，进行步骤
二；如果工作状态不正常，则进行步骤五；具体过程为：
星载计算机系统运行过程中，FPGA对外部设备进行周期自检，即根据外部设备的工
作原理，人为设置输入量，把外部设备的输出数据与正常的数据结果进行比较，判断外部
设备的工作状态。
3.根据权利要求2所述一种高可靠性星载计算机系统方案设计方法，其特征在于：所

\t述步骤二中FPGA将步骤一中获得的卫星的状态信息进行汉明码编码后分别发送给三个
DSP进行计算处理，得到处理后的卫星的状态信息，三个DSP收到的数据相同，三个DSP
分别为DSP_A、DSP_B、DSP_C；DSP...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭延宁，龚有敏，董振，马广富，李传江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23