星箭一體化航天器時變計算機技術(shù)研究.pdf

1、為了對突發(fā)性自然災(zāi)害進行及時觀測，在第一時間內(nèi)迅速獲得相關(guān)信息以供決策系統(tǒng)使用，需要天基信息系統(tǒng)能夠在低成本的限制下快速構(gòu)建。小型運載器與小型衛(wèi)星的使用是完成這一任務(wù)的有效途徑，但是由于小型運載器的運載能力有限，往往使其應(yīng)用受到限制。
　　針對上述問題，本文在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)的支持下，提出星箭一體化航天器的概念，打破傳統(tǒng)運載器與衛(wèi)星相互獨立的系統(tǒng)設(shè)計方法，將二者一體化集成，通過硬件的分時復用，降低航天器系統(tǒng)質(zhì)量，有

2、效提高發(fā)射能力。本文重點對星箭一體化航天器的主控計算機進行研究與設(shè)計，主要內(nèi)容如下：
　　為了滿足星箭一體化航天器對主控計算機高功能密度、高性能、高可靠性、低成本的要求，本文突破傳統(tǒng)計算機基于固定結(jié)構(gòu)處理器的設(shè)計方法，提出一種基于可重構(gòu)計算技術(shù)的時變計算機，應(yīng)用動態(tài)重構(gòu)與SOPC設(shè)計等進行體系結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計，能夠在運載段與在軌段分別完成傳統(tǒng)箭載與星載計算機的工作。為了保證時變計算機體系結(jié)構(gòu)的可靠性，充分考慮單元器件失效的隨機性，提

3、出基于蒙特卡羅模擬的可靠性驗證方法，將可靠性驗證引入設(shè)計過程，根據(jù)驗證結(jié)果完善時變計算機體系結(jié)構(gòu)。
　　目前解決FPGA暫時與永久性損傷問題較為系統(tǒng)的容錯設(shè)計多基于實驗室特殊器件進行，缺乏通用性。針對這一問題，本文提出面向基于商用FPGA器件的可重構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)混合冗余容錯設(shè)計方法，結(jié)合硬件冗余、時間冗余與信息冗余技術(shù)，通過動態(tài)雙模重構(gòu)、配置比特流回讀以及損傷屏蔽等技術(shù)實現(xiàn)對暫時性失效與永久性損傷的修復。與傳統(tǒng)靜態(tài)三模冗余系統(tǒng)相比較

4、，采用動態(tài)混合法實現(xiàn)的時變計算機容錯系統(tǒng)不論是系統(tǒng)可靠性還是系統(tǒng)資源占用情況都占有絕對優(yōu)勢。
　　針對傳統(tǒng)航天器依靠地面進行任務(wù)規(guī)劃的工作模式維護成本高且受通信時間限制的問題，在時變計算機硬件體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進行星箭一體化航天器自主任務(wù)規(guī)劃設(shè)計。本文打破經(jīng)典規(guī)劃問題基于強約束限制假設(shè)、忽略運行環(huán)境與運行狀態(tài)的不確定性的設(shè)計方法，提出基于隱馬爾可夫模型的自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，針對不確定因素對航天器的影響問題，建立自主任務(wù)規(guī)劃隱馬氏雙重隨

5、機過程的數(shù)學模型，通過前向/后向迭代與Baum-Welch算法對問題進行求解，在運行過程中不斷進行訓練與學習，以獲得較高規(guī)劃準確度。
　　為了真實地反映時變計算機的整體功能與性能，構(gòu)建了針對時變計算機的半物理實時仿真環(huán)境，對時變計算機運載段與在軌段性能、系統(tǒng)容錯能力、自主任務(wù)規(guī)劃下的動態(tài)重構(gòu)能力進行仿真驗證，結(jié)果表明時變計算機滿足星箭一體化航天器主要技術(shù)指標的要求，可以自主地進行故障處理，并可以在自主任務(wù)規(guī)劃機制下順利進行不同工作