一種小衛(wèi)星綜合電子計(jì)算機(jī)故障檢測(cè)與系統(tǒng)重構(gòu)方法

呂 達(dá)，王啟寧，熊浩倫，李志剛

一種小衛(wèi)星綜合電子計(jì)算機(jī)故障檢測(cè)與系統(tǒng)重構(gòu)方法

呂 達(dá)，王啟寧，熊浩倫，李志剛

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司 北京 100094）

小衛(wèi)星綜合電子計(jì)算機(jī)相當(dāng)于衛(wèi)星的大腦，對(duì)可靠性、處理能力有很高的要求。故障檢測(cè)與系統(tǒng)重構(gòu)方法是提高綜合電子計(jì)算機(jī)可靠性的有效方法。針對(duì)小衛(wèi)星綜合電子計(jì)算機(jī)采用的余度結(jié)構(gòu)，進(jìn)行軟件管理策略的研究和設(shè)計(jì)，提出基于節(jié)點(diǎn)健康矩陣的余度總線重構(gòu)方法及多CPU并行處理系統(tǒng)自適應(yīng)重構(gòu)方法。在故障注入試驗(yàn)中，綜合電子計(jì)算機(jī)在遇到故障時(shí)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出故障，診斷故障類型，并對(duì)故障進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)，保證小衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌的安全飛行。

綜合電子計(jì)算機(jī)；容錯(cuò)；余度管理；CAN總線

引 言

傳統(tǒng)衛(wèi)星各分系統(tǒng)多采用相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案，使衛(wèi)星的姿態(tài)控制、推進(jìn)控制、熱控控制、星地鏈路通信及電源控制等功能分散，導(dǎo)致整星質(zhì)量重、功耗高、體積大、接口關(guān)系復(fù)雜、系統(tǒng)重構(gòu)能力弱、功能密度低。目前國(guó)內(nèi)外已有多顆衛(wèi)星采用衛(wèi)星綜合電子技術(shù)[1-4]，將各分系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)改為對(duì)整星一體化設(shè)計(jì)，硬件資源統(tǒng)一應(yīng)用、調(diào)配和運(yùn)行，并充分發(fā)揮軟件的各種功能，實(shí)現(xiàn)整星的信息共享、系統(tǒng)簡(jiǎn)便配置和總體性能優(yōu)化。

綜合電子計(jì)算機(jī)對(duì)衛(wèi)星的平臺(tái)和載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，對(duì)CPU的處理速度提出了很高的要求，采用單一CPU很難滿足需求[5,6]。因此，本文采用多CPU并行處理系統(tǒng)提高綜合電子計(jì)算機(jī)的處理能力。小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)FDIR[7-10]（Fault Detection Isolation and Recovery）技術(shù)是提高衛(wèi)星故障處理能力的重要手段，是綜合電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)一項(xiàng)重要內(nèi)容，本文對(duì)綜合電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了故障檢測(cè)與系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了基于節(jié)點(diǎn)健康矩陣的余度總線重構(gòu)方法及多CPU并行處理系統(tǒng)自適應(yīng)重構(gòu)方法。

1 綜合電子計(jì)算機(jī)硬件余度結(jié)構(gòu)

綜合電子計(jì)算機(jī)采用雙余度對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含2個(gè)中央處理單元（CPUA0/CPUB0）、2個(gè)接口擴(kuò)展單元（CPUA1/CPUB1）和2個(gè)信號(hào)處理擴(kuò)展單元（CPUA2/CPUB2），多CPU系統(tǒng)采用了相似余度，相同的功能單元具有相同的硬件配置。中央處理單元與各擴(kuò)展單元之間采用機(jī)內(nèi)總線/共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交互。2個(gè)中央處理單元各包含2路CAN接口、5路RS422接口，DI及DO接口，負(fù)責(zé)總線通信、遙測(cè)遙控、健康管理、時(shí)間管理等功能，為系統(tǒng)的主控單元。2個(gè)接口擴(kuò)展單元各包含AD采集接口、控溫、測(cè)溫回路、OC指令輸出接口，實(shí)現(xiàn)模擬量采集、預(yù)處理、控溫算法與溫控輸出、OC指令輸出等，是系統(tǒng)的從屬單元。2個(gè)信號(hào)處理擴(kuò)展單元各包含2 路LVDS 接口及1553B接口，負(fù)責(zé)與外部載荷的信息處理與傳輸，其中包括信息的采集、數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、輸出，也作為系統(tǒng)的從屬單元。

圖1 綜合電子計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)

2 余度設(shè)計(jì)

綜合電子計(jì)算機(jī)采用雙余度備份，在余度結(jié)構(gòu)，余度數(shù)目相同的情況下，余度級(jí)別不同，其系統(tǒng)可靠度也大不相同。余度級(jí)別可以分為功能模塊級(jí)冗余及系統(tǒng)級(jí)冗余。

并聯(lián)系統(tǒng)可靠度公式為

①若采用功能模塊級(jí)的雙余度，先并后串，綜合電子計(jì)算機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

模塊級(jí)雙冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)余度可靠度公式如下

②若采用系統(tǒng)級(jí)的雙余度，先串后并，綜合電子計(jì)算機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)級(jí)雙冗余

系統(tǒng)級(jí)雙冗余度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠度公式如下

3 基于節(jié)點(diǎn)健康矩陣的余度總線故障檢測(cè)與重構(gòu)

綜合電子計(jì)算機(jī)作為小衛(wèi)星的大腦，通過(guò)星上雙余度CAN總線實(shí)現(xiàn)與所有下位機(jī)間的數(shù)據(jù)交互，發(fā)送間接指令及輪詢遙測(cè)數(shù)據(jù)。綜合電子計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱主機(jī)）為主節(jié)點(diǎn)，其余下位機(jī)均作為子節(jié)點(diǎn)，對(duì)于某個(gè)下位機(jī)，主機(jī)結(jié)合節(jié)點(diǎn)的健康狀態(tài)與優(yōu)先級(jí)選擇其中一條總線與下位機(jī)通信，在通信過(guò)程中實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)并完成動(dòng)態(tài)重構(gòu)。

圖4 可靠性曲線

假定系統(tǒng)中含有個(gè)下位機(jī)，主機(jī)和各個(gè)下位機(jī)通過(guò)雙冗余總線形成星上網(wǎng)絡(luò)，定義節(jié)點(diǎn)健康狀態(tài)矩陣

表示各子節(jié)點(diǎn)健康狀態(tài)（1表示故障，0表示正常，初始值為0）。定義主機(jī)接口的健康狀態(tài)λ，如式（6）所示。若主節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線與所有下位機(jī)均通信失敗次數(shù)均達(dá)到max0，則1。