星载综合化海量数据存储与回放设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种星载综合化海量数据存储与回放设备，属于星载数据采集和存储领域。
【背景技术】
[0002]由于我国国土资源有限，难以在国外设置大量的地面接收站，对于卫星在境外的数据只能在星上存储，卫星过境时再将数据回放，这样迫切需要一种容量大、存取速度快、体积小、功耗低星载数据存储设备;又由于航天存储设备关系到空间探测或在轨试验数据能否完整地保存，并可靠到达地面试验人员的手中，进而决定空间科学任务的完成情况，因而星载存储系统是航天飞行平台电子系统的重要组成部分，其性能关系着航天飞行任务的成败，随着技术与任务需求的发展与提高，星载存储系统在完成记录任务、存储管理、内存回放等功能外，还需要能适应恶劣的空间环境，对多种海量数据源能综合化存储与回放的设备需求更显迫切。
[0003]传统的星载存储系统以各个独立模块为基本单元构建系统，这种系统多针对特定数据类型进行定制化设计为主，如针对图像、语音等数据进行存储设计，不具备统一的、综合化的存储设计理念与思想，并且大多数存储设备沿用航空存储系统，未考虑空间环境防护能力，往往造成在恶劣的空间环境中失效，造成无可挽回的应用与经济损失，且这种系统一旦建成，不具备持续扩展、升级、成长能力，并且模块接口以定制化为主，种类繁多，接口速度低，信息接口复杂且不清晰，资源利用率弱，造成容量低、体积大、重量高、功耗大、操作性差、故障环节多、价格昂贵等问题，使实际工程型号任务面临高风险。基于以上的实际工程应用的迫切需求，目前，国内外开展了相应的研究，但多针对吉比特容量的卫星应用平台，基本设计思想以单板甚至单芯片为核心，围绕单一数据类型进行设计，接口速度与芯片性能受限，难以满足大型任务的功能指标需求，对大型航天任务不具备指导意义。
[0004]国际上航天领域从20世纪90年代开始研究大容量固态存储器，1996年开始投入商业运用。如VCI公司和美国的JPL实验室合作，采用DRAM类芯片为NASA的Cassini飞船设计研制了一款试验性固态存储器，采用4Mbits DRAM设计了容量为2Gbits的固态存储器。与此同时，Hubble太空望远镜等也开始逐步用固态存储器代替以往安装使用的磁带机，使其存储容量一下跃升至12Gbits，较以往提高近10倍，可靠性也得到较大提高。进入21世纪，第二代大容量固态存储器问世。美国仙童公司采用SRAM研制了用于ATHENA遥感卫星的固态存储板卡。美国F-16战斗机的数据传输系统选用了 SRAM型存储器，并带有电池来维持数据。2005年发射的由欧洲Astrium公司制造的CRY0SAT卫星，也携带了一个基于SRAM的288Gbi ts的固态存储器模块，但以上国外存储设备存综合化数据存储方法有限、储容量小、不具备统一的大容量存储管理功能、空间环境防护手段单一，不能实现多种数据源在同一存储系统中进行记录与回放，系统构成独立、分散，对高性能、大规模航天任务的支撑能力有限。
[0005]国内方面，申请号为201510180494.0的公开的《一种容量可扩展的星载大容量存储系统》提出了一种星载大容量存储系统，但该星载大容量存储系统无冗余与空间环境防护设计，当发生单粒子翻转等现象时将造成存储设备失效，此外该专利申请并未有多类型传感器的综合数据存储管与理功能，无法对数据的存储与回读进行全局性的管理与控制，数据存储与回读、单粒子效应检测与恢复功能需依靠各模块独立完成，集成度较差，造成中间环节过多，故障环节增加的问题，另外该专利申请采用MLVDS总线接口进行多模块间的通信，由于MLVDS接口对模块与背板走线的苛刻限制，在信号完整性与电气性能上要求极高，在航天项目中可靠性降低，且该专利申请无综合化的数据存储设计，对电子载荷利用率低，因而在大型航天平台中实际使用受限，工程应用性较差。
[0006]由上可知，从卫星的实际应用需求出发，目前国内外星载大容量存储设备应用的局限性主要集中在以下几个方面:
1、缺乏多元数据的综合化存储管理能力；2、数据记录与回放速率较低;3、存储容量有限;3、不具备较完整的多种空间环境防护手段与能力。
【发明内容】
[0007]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高集成度、低功耗、高可靠，不占用额外硬件资源，具有多元数据的综合化存储管理能力，数据记录回放速率高，存储容量大的星载综合化海量数据存储与回放设备。以解决现有星载电子存储设备接口繁多、功能独立和扩展性差问题。
[0008]本发明所采用的技术方案是:一种星载综合化海量数据存储与回放设备，包括，固定在背板上的综合数据接口模块、综合存储控制模块、大容量数据存储模块、二次电源模块及机箱接插件，其特征在于:采用一块内部电路1:1冗余的FPGA板卡组成二次电源模块，采用1:1冗余备份的两块CPU+FPGA板卡组成综合数据接口模块，采用1:1冗余备份的两块宇航级CPU+FPGA板卡组成综合存储控制模块;综合数据接口模块通过频标信号接插件、光纤以太网接插件与综合数管计算机进行时间姿态数据及管控信息交互，通过光纤综合数据接插件与图像传感器、微波孔径、有效载荷进行综合化数据传输，在统一的协议控制下，将图像传感器、微波孔径与载荷数据源进行综合化预处理与存储;综合存储控制模块提供更新存储设备各模块的现场可编程门阵列与处理器的配置文件，对存储设备开关机OC指令进行控制、故障监测和动态刷新;大容量数据存储模块分别与CAN接口单元、板卡配置单元、数据预处理单元、高速接口单元连接的现场可编程门阵列连接;其中，现场可编程门阵列通过CAN接口单元接收综合存储控制模块发送的控制指令，并向综合存储控制模块上报健康、状态与故障信息，通过板卡配置单元接收综合存储控制模块中的全局配置单元发送的程序加载与故障刷新数据，通过高速接口单元接收来自综合数据接口模块的综合数据，并通过数据预处理单元实现ECC编解码、均衡算法和坏块剔除，将数据存储至固态存储器阵列中，综合数据接口模块内置的现场可编程门阵列中的数据预处理单元自定义协议，分别对图像传感器、微波孔径与卫星内有效载荷输出的16位宽度原始数据进行缓存、重新排列、填充数据位和打包操作，并输出64位宽度综合数据至大容量数据存储模块中的高速接口单元2进行存储。
[0009]本发明相比现有技术具有如下有益效果。
[0010]本发明针对航天技术与特殊应用领域技术领域存储设备的整体设计，改变了传统星载存储系统以各个独立模块为基本单元构建系统设计方法与思路，采用多元数据综合化存储体系，设计出一种星载综合化海量数据存储与回放设备，其优点体现为:
高集成度、低功耗、高可靠，不占用额外硬件资源。本发明采用1:1冗余备份的两块FPGA板卡组成大容量数据存储模块模块;采用一块内部电路1:1冗余的FPGA板卡组成二次电源模块，采用I: I冗余备份的两块CPU+FPGA板卡组成综合数据接口模块，采用1:1冗余备份的两块宇航级CPU+FPGA板卡组成综合存储控制模块;CPU使用板上FPGA的内部资源实现，不占用额外硬件资源。基于模块化设计的理念，降低了装配与接口适配难度，减少了中间环节，提高了可靠性，降低工程风险。采用Space VPX板卡加固机箱，实现多元数据综合化记录与回放设计，降低了模块数量，减少了设备数量与冗余接口，满足空间复杂应用环境和各种实验条件，同时具有高集成度、低功耗、高可靠、强扩展性的特点。
[0011]具有多元数据的综合化存储管理能力。本发明综合数据接口模块通过频标信号接插件、光纤以太网接插件与综合数管计算机进行时间姿态数据及管控信息交互，通过光纤综合数据接插件与图像传感器、微波孔径、有效载荷进行综合化数据传输，在统一的协议控制下，将图像传感器、微波孔径与载荷数据源进行综合化预处理与存储，提高载荷利用率与标准化程度;具有多元数据的综合化存储管理能力。
[0012]数据记录回放速率高。综合数据接口模块内置的现场可编程门阵列中的数据预处理单元自定义协议，分别对图像传感器、微波孔径与卫星内有效载荷输出的16位宽度原始数据进行缓存、重新排列、填充数据位和