一种高可靠性星载计算机系统方案设计方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及高可靠性星载计算机系统方案设计方法。
【背景技术】
[0002] 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" 一一星载计算机提出了更高的要求。
[0003] 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。
[0004]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。
[0005] 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。
【发明内容】
[0006] 本发明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。
[0007] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
[0008] 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；
[0009] 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;
[0010] FPGA为现场可编程门阵列，FPGA包括，利用定时器模块控制FPGA_ A和隔固定的时间进行切换工作，固定的时间为人为设定；
[0011] 步骤三、03?_4、03?_8、03?_(：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；
[0012] 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，根据比较结果判断〇5?_六、05?_8、05?_(：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03?_六、03?_8、03?_(：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；
[0013] 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；
[0014] 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_(^-fS#f。
[0015] 发明效果
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 与双模冗余结构相比，本发明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。
[0021] 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，本发明的外设采用"工作机+备份机"模式。
[0022] 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，本发明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】
[0023] 图1为高可靠性星载计算机系统结构图；
[0024] 图2为DSP结构图；
[0025]图3为正常工作结构图；
[0026] 图4为DSP出错结构图；
[0027] 图5为FPGA出错结构图；
[0028]图6为外设故障结构图；
[0029]图7为信息加固程序流程；
[0030] 图8为程序指针地址监测流程，PC为程序计数器的值，GDI为存储当前程序块号的 全局变量，GD2为存储上一个程序块号的全局变量；
[0031] 图9为关键数据三模冗余；
[0032]图10为系统控制单元结构图；
[0033]图11为星载计算机系统运行流程图；
[0034]图12为DSP软件执行流程；
[0035]图13为比较点状态转换流程图。
【具体实施方式】
[0036]【具体实施方式】一:本实施方式的一种高可靠性星载计算机系统方案设计方法，具 体是按照以下步骤制备的：
[0037]步骤一、对外部设备