硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

梁中堅(jiān) 高振良 胡萍 李渝昕 薛小龍 丁琳

(1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)(2北京遙測(cè)技術(shù)研究所,北京 100076)(3空間電子信息技術(shù)研究院,西安 710100)

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了對(duì)宇宙X射線的探測(cè),其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的主要功能是完成有效載荷和衛(wèi)星平臺(tái)數(shù)據(jù)的接收、處理、記錄、存儲(chǔ)以及回放。對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì),早期的星上存儲(chǔ)設(shè)備主要是磁帶機(jī)或其它磁存儲(chǔ)器,目前星上存儲(chǔ)設(shè)備主要使用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)和FLASH 器件[1-3]。HXMT衛(wèi)星使用了NAND型FLASH器件作為核心的存儲(chǔ)介質(zhì),其主要優(yōu)點(diǎn)是掉電時(shí)數(shù)據(jù)不丟失,單片存儲(chǔ)容量大。但其存在讀寫速度較慢,寫數(shù)據(jù)前必須進(jìn)行擦除操作,不能按字節(jié)操作等問(wèn)題[4],因此需要合適的系統(tǒng)設(shè)計(jì),從前端的數(shù)據(jù)復(fù)接編碼到后端的控制存儲(chǔ)等一系列的環(huán)節(jié)保證來(lái)解決這些問(wèn)題。在數(shù)據(jù)的處理、格式編排、編碼、控制存儲(chǔ)等操作上,使用了SRAM型的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從任務(wù)特點(diǎn)上看,常規(guī)低軌遙感衛(wèi)星一般是短時(shí)成像后將圖像數(shù)據(jù)記錄到存儲(chǔ)器中,而HXMT衛(wèi)星是對(duì)空間中不同目標(biāo)的不同能量射線進(jìn)行探測(cè),因此需要長(zhǎng)期記錄,并對(duì)不同的載荷數(shù)據(jù)分類進(jìn)行存儲(chǔ)。常規(guī)低軌遙感衛(wèi)星的載荷數(shù)據(jù)(例如一副圖像)是確定數(shù)據(jù)量的,在存儲(chǔ)時(shí)會(huì)以一定的數(shù)據(jù)率記錄,而HXMT衛(wèi)星隨觀測(cè)目標(biāo)的不同,數(shù)據(jù)率會(huì)有近百倍的差別,需要具備對(duì)不同數(shù)據(jù)率的適應(yīng)能力。此外,科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)較圖像數(shù)據(jù)有更高的準(zhǔn)確性和可靠性要求,因此必須對(duì)空間中的高能粒子給系統(tǒng)造成的影響,尤其是單粒子效應(yīng)造成的錯(cuò)誤進(jìn)行防護(hù)[5]。

本文對(duì)HXMT衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求進(jìn)行了分析,并針對(duì)工作模式靈活豐富和在軌長(zhǎng)期工作下的高可靠性存儲(chǔ)這兩個(gè)最主要特點(diǎn)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證情況進(jìn)行了說(shuō)明。

1 功能需求分析

HXMT衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)處理器和固態(tài)存儲(chǔ)器兩臺(tái)設(shè)備,數(shù)據(jù)處理器主要完成所有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的復(fù)接、AOS格式編排、低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)信道編碼、加擾以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或回放流向的控制,固態(tài)存儲(chǔ)器主要完成各類數(shù)據(jù)正確穩(wěn)定的分區(qū)記錄、存儲(chǔ)和回放。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)組成及主要接口如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)組成及主要接口示意圖Fig.1 Sketch of DSS composition and major interface

在HXMT衛(wèi)星中,需要進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括兩大類。

第一類是有效載荷分系統(tǒng)的科學(xué)數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù),包括高能科學(xué)數(shù)據(jù)包1/2/3、高能工程數(shù)據(jù)包1/2/3、中能科學(xué)數(shù)據(jù)包、低能科學(xué)數(shù)據(jù)包、低能工程數(shù)據(jù)包共9類數(shù)據(jù),經(jīng)LVDS接口傳送給數(shù)據(jù)處理器,在AOS格式編排、循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)、LDPC信道編碼及加擾后送固態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。其中,科學(xué)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)率隨不同的觀測(cè)源變動(dòng),存放在固態(tài)存儲(chǔ)器的B、C、D分區(qū);工程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)率不發(fā)生變化,存放在固態(tài)存儲(chǔ)器的A分區(qū)。

第二類是來(lái)自整星各分系統(tǒng)的所有遙測(cè)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù),共53類,總數(shù)據(jù)率約為49 kbit/s,由數(shù)管分系統(tǒng)整理后經(jīng)1553總線傳送給數(shù)傳控制單元,數(shù)傳控制單元再經(jīng)422接口傳到數(shù)據(jù)處理器,然后再完成AOS格式編排、CRC校驗(yàn)、LDPC信道編碼及加擾后送固態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ),存放在固態(tài)存儲(chǔ)器的A分區(qū)(見(jiàn)表1)。

任務(wù)要求在觀測(cè)最強(qiáng)爆發(fā)源時(shí),衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)下傳和星上存儲(chǔ),可以滿足不少于3天的數(shù)據(jù)平衡能力。以最大數(shù)據(jù)量來(lái)考慮,衛(wèi)星24 h連續(xù)觀測(cè)時(shí),產(chǎn)生載荷科學(xué)數(shù)據(jù)約636.1 Gbit的數(shù)據(jù),載荷工程數(shù)據(jù)約0.31 Gbit的數(shù)據(jù),以及衛(wèi)星平臺(tái)數(shù)據(jù)約3.96 Gbit的數(shù)據(jù)。平均每天約24.7%的時(shí)間會(huì)經(jīng)過(guò)南大西洋異常區(qū),此時(shí)載荷科學(xué)數(shù)據(jù)會(huì)明顯減少,則實(shí)際每天產(chǎn)生的最大數(shù)據(jù)量約為636.1×(1－24.7%)＋0.31＋3.96＝483.25 Gbit≈483 Gbit。以日平均過(guò)境時(shí)間3000 s的80%可用于數(shù)傳來(lái)計(jì)算,單站時(shí)用120 Mbit/s的數(shù)傳碼速率每天可下傳數(shù)據(jù)約120×3000×80%×7/8＝252000 Mbit≈246 Gbit(7/8為所用LDPC碼的編碼效率)。HXMT衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)量為571.5 Gbit×2,則從表1中可以看出,若只用主份或備份(571.5 Gbit),則可以保證連續(xù)2.4天的爆發(fā)源觀測(cè),將未下傳的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后再逐步下傳;若同時(shí)啟用主份和備份(1143 Gbit),則最多可以保證連續(xù)4.8天的爆發(fā)源觀測(cè),將未下傳的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后再逐步下傳(見(jiàn)表2)。

表1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域及數(shù)據(jù)率Table 1 Data storage partition and data rate

2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)、驗(yàn)證

2.1 工作模式靈活豐富

HXMT衛(wèi)星有效載荷全天時(shí)觀測(cè)生成了大量的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)的主旨就是在考慮衛(wèi)星故障模式的基礎(chǔ)上,盡可能的提高數(shù)據(jù)應(yīng)用的時(shí)效性和準(zhǔn)確性,更便利地滿足用戶需求。因此在設(shè)計(jì)上,除了最基本的記錄模式和傳統(tǒng)的全盤回放模式、分區(qū)回放模式,還增加了按時(shí)間回放、按地址回放的檢索回放模式,以及記錄和回放同時(shí)工作的模式。針對(duì)載荷數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)率動(dòng)態(tài)變化大的特點(diǎn),以及可能出現(xiàn)的某些通道數(shù)據(jù)的故障等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)空間重新分配、下傳優(yōu)先級(jí)調(diào)整的模式。又針對(duì)NAND型FLASH存儲(chǔ)芯片可能出現(xiàn)的壞塊問(wèn)題以及地面測(cè)試的需求[6],設(shè)計(jì)了擦除模式和自檢模式。各模式間轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)工作模式轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 Sketch of DSS work modes transferring

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)在正常上電或復(fù)位初始化后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入記錄模式,以保證在故障出現(xiàn)時(shí),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)能盡快地記錄衛(wèi)星狀態(tài)以輔助排除故障和定位原因,以及盡快地開(kāi)始業(yè)務(wù)運(yùn)行。衛(wèi)星在軌正常工作期間,會(huì)一直處于記錄模式,當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)下傳時(shí),會(huì)根據(jù)星上自主產(chǎn)生或地面上注的回放指令,按要求回放數(shù)據(jù),變?yōu)檫呌涍叿拍Ｊ?在軌一般不會(huì)使用單回放模式。在回放形式上,為用戶提供了如下4種子模式。

(1)全盤回放。全盤回放從最高優(yōu)先級(jí)分區(qū)的回放斷點(diǎn)處開(kāi)始,按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序依次回放4個(gè)分區(qū)數(shù)據(jù),各分區(qū)回放均從本分區(qū)回放斷點(diǎn)處開(kāi)始,至各分區(qū)當(dāng)前記錄的位置處結(jié)束。待4個(gè)分區(qū)回放一遍則自動(dòng)停止回放。

(2)分區(qū)回放。分區(qū)回放從本分區(qū)回放斷點(diǎn)處開(kāi)始,至本分區(qū)當(dāng)前記錄的位置處結(jié)束,本分區(qū)回放一遍則自動(dòng)停止回放。

(3)按時(shí)間回放。根據(jù)按時(shí)間回放指令中指定的時(shí)間段和對(duì)應(yīng)的分區(qū)號(hào),一段接一段的進(jìn)行數(shù)據(jù)的回放,可以回放A、B、C、D這4個(gè)分區(qū)的至多4個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù),回放一遍則自動(dòng)停止回放。

(4)按地址回放。根據(jù)按地址回放指令中指定的起止地址段和對(duì)應(yīng)的分區(qū)號(hào),一段接一段的進(jìn)行數(shù)據(jù)的回放,可以回放A、B、C、D這4個(gè)分區(qū)的至多4個(gè)地址段的數(shù)據(jù),回放一遍則自動(dòng)停止回放。

此外,固態(tài)存儲(chǔ)器采用各個(gè)分區(qū)單獨(dú)循環(huán)記錄的方式,當(dāng)某分區(qū)數(shù)據(jù)記滿時(shí),會(huì)從分區(qū)起始地址覆蓋記錄,保證星上存放最新的數(shù)據(jù)。

HXMT衛(wèi)星于2017年6月15日發(fā)射升空,于2017年6月16日4點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)加電工作,之后除了配合相關(guān)功能測(cè)試以及2017年9月數(shù)日的大規(guī)模太陽(yáng)耀斑事件有過(guò)關(guān)機(jī)操作外,一直處于連續(xù)工作狀態(tài)。到2018年7月15日,衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)共記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)約112 Tbits,固態(tài)存儲(chǔ)器主份存儲(chǔ)區(qū)覆蓋記錄存儲(chǔ)約200次,共實(shí)現(xiàn)2439次回放數(shù)據(jù)下傳,存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)未出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2.2 在軌長(zhǎng)期工作下的高可靠性存儲(chǔ)

由于載荷全天時(shí)的對(duì)空間進(jìn)行科學(xué)探測(cè),產(chǎn)生載荷數(shù)據(jù),因此要求衛(wèi)星的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)同樣也得長(zhǎng)期工作。對(duì)于這種特點(diǎn),首先對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采用了RS糾錯(cuò)編譯碼和增加冗余芯片的方式來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠安全存儲(chǔ)。此外,為防護(hù)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)造成的錯(cuò)誤,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)還采用了“三模冗余＋定時(shí)刷新”的措施。在數(shù)據(jù)處理器的AOS編碼模塊和LDPC編碼模塊,以及固態(tài)存儲(chǔ)器的控制模塊和存儲(chǔ)模塊的實(shí)現(xiàn)上,使用了SRAM型的FPGA,采用三模冗余的方式來(lái)加強(qiáng)抗單粒子翻轉(zhuǎn)的能力,通過(guò)三備份多數(shù)表決來(lái)抑制單粒子翻轉(zhuǎn)對(duì)程序或數(shù)據(jù)造成的錯(cuò)誤。再使用對(duì)單粒子事件免疫的反熔絲型FPGA對(duì)SRAM型的FPGA進(jìn)行定時(shí)刷新,及時(shí)糾正已發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)造成的錯(cuò)誤,保證系統(tǒng)長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的防護(hù)能力,開(kāi)展了軟件注錯(cuò)試驗(yàn)和輻照試驗(yàn)對(duì)“三模冗余＋定時(shí)刷新”的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

1)軟件注錯(cuò)試驗(yàn)

設(shè)計(jì)了軟件注錯(cuò)平臺(tái),包括控制計(jì)算機(jī)、注錯(cuò)控制器、目標(biāo)FPGA系統(tǒng)、地面檢測(cè)設(shè)備,其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。控制計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)注入錯(cuò)誤的位置及速率的上層控制及統(tǒng)計(jì)地面檢測(cè)設(shè)備的結(jié)果;注錯(cuò)控制器主要承擔(dān)了注入錯(cuò)誤的功能,按照控制計(jì)算機(jī)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)FPGA系統(tǒng)的注錯(cuò);目標(biāo)FPGA系統(tǒng)包括程序功能使用的SRAM型的FPGA及用于定時(shí)刷新的反熔絲型FPGA;地面檢測(cè)設(shè)備用于接收并判斷目標(biāo)FPGA系統(tǒng)的輸出結(jié)果[7-8]。

圖3 軟件注錯(cuò)平臺(tái)示意圖Fig.3 Sketch of software fault injection platform

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種不同的樣本程序來(lái)對(duì)比對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的防護(hù)性能,試驗(yàn)樣本情況見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)樣本程序情況Table 3 Condition of test samples

表3中,M0為未采用防護(hù)措施的版本,即不進(jìn)行三模冗余和定時(shí)刷新的版本;M1為只進(jìn)行定時(shí)刷新但不進(jìn)行三模冗余的版本;M2為產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)的狀態(tài),即進(jìn)行三模冗余＋定時(shí)刷新的版本。

注錯(cuò)采用隨機(jī)的方式,通過(guò)軟件注錯(cuò)平臺(tái)設(shè)置注錯(cuò)的幀個(gè)數(shù)以及每幀內(nèi)的注錯(cuò)比特個(gè)數(shù)后,注錯(cuò)軟件自動(dòng)隨機(jī)選擇注錯(cuò)幀及注錯(cuò)位置,并以幀為單位進(jìn)行注錯(cuò)。針對(duì)上述3個(gè)樣本,對(duì)其幀個(gè)數(shù)、每幀注錯(cuò)數(shù)以及注錯(cuò)時(shí)間間隔進(jìn)行相同的設(shè)置,在同樣的注錯(cuò)條件下,檢測(cè)目標(biāo)FPGA系統(tǒng)發(fā)生看門狗復(fù)位的次數(shù)。通過(guò)對(duì)比復(fù)位次數(shù)來(lái)比對(duì)各樣本之間容錯(cuò)能力的差別。為了增強(qiáng)測(cè)試結(jié)果的可信度,對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行10次注錯(cuò)測(cè)試,將結(jié)果取平均值作為每個(gè)樣本的測(cè)試結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,樣本M1的容錯(cuò)能力為樣本M0的2.7倍,樣本M2的容錯(cuò)能力約為樣本M0的22.3倍。說(shuō)明采用三模冗余＋定時(shí)刷新防護(hù)措施后,對(duì)目標(biāo)受邏輯錯(cuò)誤干擾的容錯(cuò)能力提高為未采取防護(hù)措施的22.3倍。

表4 注錯(cuò)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 4 Result of software fault injection test

2)輻照試驗(yàn)

利用軟件注錯(cuò)平臺(tái)中的目標(biāo)FPGA系統(tǒng)進(jìn)行輻照試驗(yàn),試驗(yàn)組成如圖4所示。

圖4 輻照試驗(yàn)示意圖Fig.4 Sketch of radiation test

試驗(yàn)束流粒子為Bi離子,能量為923.2 MeV,折算后其線性能量傳遞(LET)為99.9 MeV·cm2/mg,射程為53.7μm,束斑面積為2.2 cm×2.2 cm,能夠覆蓋器件的晶片區(qū)域。受試器件的單粒子翻轉(zhuǎn)閾值約為2 Me V·cm2/mg左右,因此試驗(yàn)粒子能夠誘發(fā)受試器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn),并且翻轉(zhuǎn)概率能夠達(dá)到該器件的最大翻轉(zhuǎn)概率。

輻照試驗(yàn)同樣使用了表3的3種試驗(yàn)樣本程序,對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行了5次重復(fù)試驗(yàn),通過(guò)出現(xiàn)故障時(shí)已經(jīng)注入的粒子注量來(lái)衡量樣本對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)的容錯(cuò)能力,粒子注量越多,則代表該樣本對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)的容錯(cuò)能力越強(qiáng)。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知,樣本M1的容錯(cuò)能力為樣本M0的1.7倍,樣本M2的容錯(cuò)能力約為樣本M0的36.7倍。說(shuō)明采用三模冗余＋定時(shí)刷新防護(hù)措施后對(duì)目標(biāo)受單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)干擾的容錯(cuò)能力提高為未采取防護(hù)措施的36.7倍。這個(gè)結(jié)果在數(shù)量級(jí)上與注錯(cuò)試驗(yàn)的2.7倍和22.3倍一致,兩個(gè)試驗(yàn)也相互印證了試驗(yàn)方法的有效性和結(jié)果的可信度。

表5 輻照試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 5 Result of radiation test

3 結(jié)束語(yǔ)

HXMT衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有效載荷和衛(wèi)星平臺(tái)數(shù)據(jù)的接收、處理、記錄、存儲(chǔ)以及回放。針對(duì)載荷數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)率動(dòng)態(tài)變化大的特點(diǎn),為方便用戶使用,設(shè)計(jì)了記錄、全盤回放、分區(qū)回放、按時(shí)間回放、按地址回放、存儲(chǔ)空間重新分配、下傳優(yōu)先級(jí)調(diào)整、自檢、擦除等工作模式;針對(duì)在軌長(zhǎng)期工作下的高可靠性存儲(chǔ)的要求,設(shè)計(jì)了“三模冗余＋定時(shí)刷新”的防護(hù)措施。通過(guò)軟件注錯(cuò)試驗(yàn)、輻照試驗(yàn),以及在軌長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的結(jié)果表明:HXMT衛(wèi)星的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)靈活性高、可靠性好、運(yùn)行穩(wěn)定,完全滿足用戶需求,為HXMT衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),也可為后續(xù)空間科學(xué)衛(wèi)星或有類似需求航天器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供參考。

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