微小卫星星载微内核实时操作系统设计及系统容错技术研究

【摘要】： 小卫星有重量轻、体积小、功耗低等优点,它工作在无人干预的低温、高辐射的空间环境中,其星务系统需要满足集成度高、寿命长、可靠性高和抗干扰能力强等要求。本文的主要工作是研究如何设计高可靠、高容错的嵌入实时卫星操作系统,并在相关的软件工程领域进行必要的探索。在比较了多种操作系统结构模型的基础上,本文首先研究了采用微内核结构的小卫星操作系统结构设计思想。采用微内核结构能够大大简化系统内核内部以及系统内核与应用之间的接口,明显地降低模块之间调用的复杂性,从结构上保证了系统的高可靠性,并且具有易于扩展等优点。 接下来本文讨论了操作系统内部任务结构和任务调度策略的设计。在分析时间驱动和事件驱动的优点和缺陷的基础上,研究了基于消息和定时任务处理的时间、事件混合驱动的抢占式卫星操作系统设计思想。这种思想综合了时间驱动和事件驱动的好处,既不会在负荷突然升高时造成失控,也不会降低关键任务的响应时间。 其后,在分析容错实时系统面临的主要问题基础上,本论文对容错实时调度算法进行了深入地研究,提出了一种较通用的容错实时调度算法LP-FT,它可调度多种类型的任务,适用范围广泛。本文在理论上证明了该算法的正确性,给出了可调度条件,进行了算法分析,并基于实时操作系统VxWorks,设计其容错调度模块,实现了LP-FT容错实时调度算法,最后对容错调度模块进行了测试。结果表明,其时间和空间开销能够满足实时系统的要求。 最后,本文着重分析了小卫星在空间环境中运行时的各类故障问题,针对小卫星数据存储提出了编码容错技术,并在ModelSim模拟平台上对编码容错技术方案进行了设计和验证。