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星箭一体化航天器时变计算机技术研究

赵丹  
【摘要】: 为了对突发性自然灾害进行及时观测,在第一时间内迅速获得相关信息以供决策系统使用,需要天基信息系统能够在低成本的限制下快速构建。小型运载器与小型卫星的使用是完成这一任务的有效途径,但是由于小型运载器的运载能力有限,往往使其应用受到限制。 针对上述问题,本文在国家高技术研究发展计划(863)的支持下,提出星箭一体化航天器的概念,打破传统运载器与卫星相互独立的系统设计方法,将二者一体化集成,通过硬件的分时复用,降低航天器系统质量,有效提高发射能力。本文重点对星箭一体化航天器的主控计算机进行研究与设计,主要内容如下: 为了满足星箭一体化航天器对主控计算机高功能密度、高性能、高可靠性、低成本的要求,本文突破传统计算机基于固定结构处理器的设计方法,提出一种基于可重构计算技术的时变计算机,应用动态重构与SOPC设计等进行体系结构与功能设计,能够在运载段与在轨段分别完成传统箭载与星载计算机的工作。为了保证时变计算机体系结构的可靠性,充分考虑单元器件失效的随机性,提出基于蒙特卡罗模拟的可靠性验证方法,将可靠性验证引入设计过程,根据验证结果完善时变计算机体系结构。 目前解决FPGA暂时与永久性损伤问题较为系统的容错设计多基于实验室特殊器件进行,缺乏通用性。针对这一问题,本文提出面向基于商用FPGA器件的可重构系统的动态混合冗余容错设计方法,结合硬件冗余、时间冗余与信息冗余技术,通过动态双模重构、配置比特流回读以及损伤屏蔽等技术实现对暂时性失效与永久性损伤的修复。与传统静态三模冗余系统相比较,采用动态混合法实现的时变计算机容错系统不论是系统可靠性还是系统资源占用情况都占有绝对优势。 针对传统航天器依靠地面进行任务规划的工作模式维护成本高且受通信时间限制的问题,在时变计算机硬件体系结构基础上,进行星箭一体化航天器自主任务规划设计。本文打破经典规划问题基于强约束限制假设、忽略运行环境与运行状态的不确定性的设计方法,提出基于隐马尔可夫模型的自主任务规划系统,针对不确定因素对航天器的影响问题,建立自主任务规划隐马氏双重随机过程的数学模型,通过前向/后向迭代与Baum-Welch算法对问题进行求解,在运行过程中不断进行训练与学习,以获得较高规划准确度。 为了真实地反映时变计算机的整体功能与性能,构建了针对时变计算机的半物理实时仿真环境,对时变计算机运载段与在轨段性能、系统容错能力、自主任务规划下的动态重构能力进行仿真验证,结果表明时变计算机满足星箭一体化航天器主要技术指标的要求,可以自主地进行故障处理,并可以在自主任务规划机制下顺利进行不同工作模式之间的切换,能够完成对星箭一体化航天器的全程控制。


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