航天器控制计算机容错技术

航天器和导弹制导、导航与控制

 

控制计算机是航天器控制系统的核心部件之一，随着空间技术的发展，其功能日趋复杂，加之在空间应用中空间环境尤其是辐射环境的影响，对计算机的可靠性提出了更高的要求。因此，在实际的航天器设计中，为了提高控制计算机的可靠性，需要采用多种容错技术。美国NASA从20世纪60年代开始在航天器上采用容错计算机系统，例如STAR(Self-TestingAnd Repairing)容错计算机。我国从20世纪70年代开始研制航天器容错计算机，并于20世纪80年代由北京控制工程研究所首次在卫星上采用容错控制计算机，成功实现在轨飞行。此后，容错技术在控制计算机中大量采用，并为航天器型号任务的成功做出了巨大的贡献。
　　本书针对容错技术在航天领域的重要性，介绍了我国航天器控制计算机研究和设计中所用到的容错技术，既涵盖了基本理论知识，也包括了工程实践中采用的方法和案例。全书共分为8章：第1章为绪论，概述了容错技术的基本概念和理论，针对航天器控制计算机的特点分析了空间环境及其影响，介绍了容错技术的发展历史并进行了展望。第2章结合我国的航天器型号和工程实践介绍了容错计算机的体系结构以及关键技术。第3章给出了常用的故障模型，在此基础上介绍了计算机关键部件的故障检测技术。第4章介绍了航天器控制计算机中几种常用总线的容错技术，主要包括15538总线、CAN总线、SpaceWire总线等。第5章介绍了软件容错的概念和基本原理，并重点讨论了单版本容错、多版本容错和基于数据多样性容错等多种具体软件容错方法。第6章针对空间辐射对FPGA的影响，重点介绍了SRAM型FPGA的故障模型和动态容错方法。第7章结合实际的工程实践介绍了故障注入相关技术，主要包括几类故障注入方法、故障注入评价方法及故障注入工具。第8章智能容错技术，是容错技术的*进展，重点介绍了以可进化硬件容错和人工免疫硬件容错为代表的两种智能容错技术的基本概念和原理，以及具体的实现方法。

第1章　绪论
　1.1　容错技术的基本概念和理论
　　1.1.1　基本概念
　　1.1.2　可靠性理论
　1.2　航天器控制计算机面临的空间环境
　　1.2.1　空间环境介绍
　　1.2.2　空间环境的损伤效应分析
　1.3　容错技术发展状况及其展望
第2章　容错系统结构及其关键技术
　2.1　容错系统结构
　　2.1.1　模块级冗余结构
　　2.1.2　备份容错结构
　　2.1.3　三机容错结构
　　2.1.4　其他容错结构
　2.2　同步技术
　　2.2.1　同步时钟系统
　　2.2.2　系统同步方法
　2.3　硬件冗余容错设计
　　2.3.1　冗余设计的通用逻辑模型和流程
　　2.3.2　冗余的方案论证
　　2.3.3　冗余的设计实现
　　2.3.4　冗余的分析验证
　　2.3.5　冗余的测试验证
第3章　故障检测技术
　3.1　故障模型
　　3.1.1　按时间分类的故障模型
　　3.1.2　按空间分类的故障模型
　3.2　故障检测技术
　　3.2.1　概述
　　3.2.2　CPU的故障检测方法
　　3.2.3　存储器的故障检测方法
　　3.2.4　L/O的故障检测方法
第4章　总线技术
　4.1　星载总线技术的概述
　　4.1.1　基本概念
　　4.1.2　基本术语
　4.2　MI1—STD一1553B总线
　　4.2.1　总线系统故障模型
　　4.2.2　总线冗余容错机制
　4.3　CAN总线
　　4.3.1 总线协议标准
　　4.3.2 物理层协议及容错性
　　4.3.3 数据链路层协议及容错性
　4.4 SpaceWire总线
　　4.4.1 物理层及容错性
　　4.4.2 链路层及容错性
　　4.4.3 网络及路由
　　4.4.4 容错机制
　4.5 其他总线
　　4.5.1 IEEE1394总线
　　4.5.2 以太网

　　4.5.3 I²C总线

第5章　软件容错技术

第6章　FPGA容错技术

第7章　故障注入技术

第8章　智能容错技术

附录　术语

参考文献