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星载嵌入式计算机系统智能容错技术研究

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第一章 绪论

1.1 小卫星星载计算机系统概述

1.1.1 现代典型的星载计算机

1.1.2 小卫星星载计算机发展趋势

1.1.3 小卫星星载计算机设计准则

1.2 星载容错计算机技术概述

1.2.1 空间环境及小卫星星载计算机故障特点

1.2.2 星载容错计算机技术及最新进展

1.3 论文研究的目的及主要内容

1.4 论文的组织结构

第二章 星载容错计算机体系结构设计及可靠性评估

2.1 概述

2.2 星载计算机体系结构可靠性设计

2.2.1 星载计算机的冗余技术设计

2.2.2 星载计算机的故障检测与屏蔽设计

2.2.3 星载计算机的容错技术

2.3 基于松耦合的星载容错计算机体系结构设计

2.3.1 星载计算机双机实时容错体系结构

2.3.2 星载计算机实时容错系统设计

2.3.3 故障检测

2.3.4 实时操作系统内核层面的容错调度技术

2.3.5 应用程序层面的任务动态冗余基/副版本容错技术

2.3.6 双机切换与重构

2.4 基于马尔科夫模型的星载计算机实时容错系统可靠性分析

2.4.1 错误模型

2.4.2 系统可靠性分析

2.4.3 可靠性随时间变化比较

2.5 本章小结

第三章 小卫星星载计算机任务智能容错调度算法研究

3.1 目前常用的任务容错调度算法

3.1.1 基于图论的任务分配和调度算法

3.1.2 启发式任务分配和调度算法

3.2 在轨任务系统模型描述

3.3 基于HNN的静态分配算法

3.3.1 基于被动方式基/副版本技术的关键任务容错方法

3.3.2 HNN能量函数

3.3.3 HNN模型建立

3.3.4 基于优先级的抢占轮转调度结合的策略设置

3.4 在轨局部动态插入算法

3.5 算法模拟

3.5.1 调度长度

3.5.2 负载均衡度

3.5.3 实验模拟

3.6 本章小结

第四章 星上硬件暂态故障的软件容错技术研究

4.1 概述

4.1.1 研究小卫星暂态故障容错技术的意义

4.1.2 软件容错的发展现状

4.1.3 软件容错技术在处理小卫星硬件暂态故障的应用

4.2 基于动态模糊聚类的数据一致性比较方法研究

4.2.1 动态聚类算法

4.2.2 基于动态模糊聚类的数据一致性比较方法暂态故障容错验证

4.3 本章小结

第五章 星载计算机系统原型机及其仿真平台设计

5.1 总体设计

5.1.1 概述

5.1.2 总体设计

5.2 星载计算机系统硬件方案设计

5.2.1 任务需求分析

5.2.2 技术指标

5.2.3 主要元器件选型

5.3 星载计算机软件方案设计

5.3.1 任务需求分析

5.3.2 星上实时多任务操作系统选型

5.3.3 VxWorks实时多任务操作系统简介

5.4 基于PC/104星载计算机仿真平台设计

5.4.1 仿真平台概述

5.4.2 选型依据

5.5 基于仿真平台的部分验证实验

5.5.1 星载仿真机固件移植

5.6 本章小结

第六章 全文总结和展望

6.1 研究工作及成果

6.2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

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摘要

现代小卫星具有许多传统卫星无可比拟的优势,逐渐成为目前空间技术研究的焦点。本课题以南京航空航天大学“TXZ-1”微小卫星研制项目为背景,对于小卫星星载计算机容错和可靠性技术进行了深入的研究。
   首先为在资源受限条件下,最大限度提高小卫星星务计算机系统的可靠性,设计一种基于松耦合多处理器体系结构的双机冗余容错设计方案,通过硬件和软件容错关键技术的整合,以实现从整体上提高系统可靠性目的。利用马尔可夫预测的基本原理,将马尔可夫链引入到系统可靠性模型建立中,通过建立转移概率矩阵,对系统的可靠性进行分析并建立可靠性模型。
   接下来对星务系统任务容错调度算法进行探讨和研究。根据微小卫星星务任务的特点,建立一个多任务模式的实时容错算法模型,综合考虑了周期性任务和非周期性任务的特点,给出了模型的定义和相关特性,并结合任务分配算法和嵌入式处理器的局部动态调度算法,提出一种新的静态调度动态调整的小卫星任务容错调度算法。本算法融合基/副版本技术和Hopfield算法,把静态分配归结为在资源和时间约束下的规划调度问题,即将目标函数和约束条件转化为能量函数形式,利用Hopfield神经网络算法高效快速求解出全局极小点或近似值作为分配最优解,动态局部调整非周期任务工作和副版本任务,保证任务执行的可靠性和时效性。
   然后对于软件容错方式屏蔽硬件暂态故障的方法进行了深入研究,提出了一种基于模糊动态聚类判断数据一致性方法,能够在星载计算机系统元器件发生暂态故障的情况下,有效地容错并输出正确的数据。
   最后对于“TXZ-1”星载计算机原型机方案和仿真平台进行了介绍。并对课题的研究工作进行了总结,指出了不足之处并对下一步工作进行了展望。

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