CN102346719A

CN102346719A - 面向航天器的高速运算方法及系统

Info

Publication number: CN102346719A
Application number: CN2011102809996A
Authority: CN
Inventors: 李轶; 张善从; 吴长青
Original assignee: BEIJING GUOKEHUANYU SPACE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Beijing Guoke Huanyu Science and Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: CN102346719B

Abstract

本发明提供了面向航天器的高速运算方法及系统，其中，该方法包括：航天器上的总线控制器判断第一远程终端和第二远程终端是否都正常启动，如果是，则选择工作模式，如果所述工作模式为并行模式，则总线控制器向第一远程终端发送主运算指令，向第二远程终端发送从运算指令；第一远程终端接收来自Space Wire总线的任务，任务中包含终端标识，第一远程终端将包含第二远程终端标识的任务传送给第二远程终端；第二远程终端执行第一远程终端发送的任务，将执行结果返回给第一远程终端；第一远程终端接收第二远程终端返回的执行结果，并运行包含自身标识的任务，将运算结果反馈给总线控制器。本发明方案能够提高运算的实时性以及运算速率。

Description

面向航天器的高速运算方法及系统

技术领域

本发明涉及航天通信技术，尤其涉及面向航天器的高速运算方法及系统。

背景技术

目前，由于完成卫星任务的运算复杂，该运算包括特征提取、数据挖掘等；通常地，面向航天器的高速运算一般都在地面实现。

航天器的高速运算包括自主姿态轨道确定与控制、自主健康管理、有效载荷数据处理等大规模实时运算。现有运算方案中，航天器进行简单的预处理后，将数据下传至地面，由地面进行进一步处理，而后将处理结果反馈给航天器。

现有面向航天器的高速运算方案存在以下缺点：

将数据传送给地面进行处理，再反馈给航天器，该方案延迟了航天器获取运算结果的时间，降低了运算结果的实时性。

并且，现有面向航天器的高速运算系统主要通过一个远程终端实现，该远程终端包含一个CPU，进行运算时，该远程终端的CPU进行任务运算，而后，将运算结果反馈给航天器。然而，完成卫星任务的运算是复杂的，由一个远程终端进行运算，其效率较低。

发明内容

本发明提供了一种面向航天器的高速运算方法，该方法能够提高运算的实时性以及运算速率。

本发明提供了一种面向航天器的高速运算系统，该系统能够提高运算的实时性以及运算速率。

一种面向航天器的高速运算方法，将第一远程终端和第二远程终端分别接入航天器上高速运算系统的1553B总线，且分别接入Space Wire总线；该方法包括：

接入1553B总线的总线控制器判断第一远程终端和第二远程终端是否都正常启动，如果是，则选择工作模式，如果所述工作模式为并行模式，则总线控制器向第一远程终端发送主运算指令，向第二远程终端发送从运算指令；

第一远程终端接收来自Space Wire总线的任务，任务中包含终端标识，第一远程终端将包含第二远程终端标识的任务传送给第二远程终端；

第二远程终端执行第一远程终端发送的任务，将执行结果返回给第一远程终端；

第一远程终端接收第二远程终端返回的执行结果，并运行包含自身标识的任务，将运算结果反馈给总线控制器。

一种面向航天器的高速运算系统，该系统置于航天器上，包括总线控制器、第一远程终端和第二远程终端，两个远程终端通过串行接口连接；第一远程终端和第二远程终端分别接入1553B总线，且分别接入Space Wire总线；

所述总线控制器，接入1553B总线，用于判断第一远程终端和第二远程终端是否都正常启动，如果是，则选择工作模式，如果所述工作模式为并行模式，则总线控制器向第一远程终端发送主运算指令，向第二远程终端发送从运算指令；

第一远程终端接收来自Space Wire总线的任务，任务中包含终端标识，第一远程终端将包含第二远程终端标识的任务传送给第二远程终端；第一远程终端接收第二远程终端返回的执行结果，并运行包含自身标识的任务，将运算结果反馈给总线控制器；

第二远程终端执行第一远程终端发送的任务，将执行结果返回给第一远程终端。

从上述方案可以看出，本发明在航天器上完成高速运算，无需像现有技术那样由地面进行任务运算后，再将运算结果返回给航天器，从而，提高了获取运算结果的实时性；并且，本发明采用两个远程终端并行完成高速运算，相比由一个远程终端完成高速运算的方案，提高了运算速率。

附图说明

图1为本发明面向航天器的高速运算方法示意性流程图；

图2为本发明面向航天器的高速运算方法示意性流程图实例；

图3为本发明面向航天器的高速运算系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明。

本发明面向航天器的高速运算在航天器上实现，并且，采用两个远程终端并行完成高速运算。

航天器上的高速运算系统用于进行各种运算，高速运算系统的1553B总线上接有总线控制器，1553B为低速总线；本发明还在1553B总线上接入第一远程终端和第二远程终端，这两个远程终端的结构相同，这样，总线控制器便可通过1553B总线对第一远程终端和第二远程终端进行控制；并且，本发明还将第一远程终端和第二远程终端分别接入Space Wire总线，SpaceWire总线为高速数据总线，高速运算系统将需要计算的任务通过Space Wire总线下发给第一远程终端和第二远程终端。

参见图1，为本发明面向航天器的高速运算方法示意性流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101，总线控制器判断第一远程终端和第二远程终端是否都正常启动，如果是，则选择工作模式，如果所述工作模式为并行模式，则总线控制器向第一远程终端发送主运算指令，向第二远程终端发送从运算指令。

总线控制器、第一远程终端和第二远程终端都接入1553B总线，判断两个终端是否正常启动可采用如下方式实现：

总线控制器向两个远程终端分别发送启动询问，如果接收到远程终端返回的启动响应，则表明该远程终端正常启动，如果没有接收到远程终端返回的启动响应，则表明该远程终端没有正常启动。

进行工作模式选择时，对于任何情况，都可选择并行模式；特别地，对于运算量大的任务，选择并行模式可显著提高运算速率。

步骤102，第一远程终端接收来自Space Wire总线的任务，任务中包含终端标识，第一远程终端将包含第二远程终端标识的任务传送给第二远程终端。

第一远程终端获取Space Wire总线上的所有任务，任务中包含终端标识，所述终端标识包括第一远程终端标识和第二远程终端标识。

本步骤中，如果总线控制器判断第一远程终端和第二远程终端中有一个异常，该方法还包括：

总线控制器向正常工作的远程终端发送冷备工作指令；

正常工作的远程终端接收来自Space Wire总线的任务，进行运算，将运算结果反馈给总线控制器。进行冷备工作运算，是为了进一步提高运算的可靠性，从而，对于只有一个远程终端正常启动的情况，仍能获得运算结果。

步骤103，第二远程终端执行第一远程终端发送的任务，将执行结果返回给第一远程终端。

步骤104，第一远程终端接收第二远程终端返回的执行结果，并运行包含自身标识的任务，将运算结果反馈给总线控制器。

远程终端的运算包括自主姿态轨道确定与控制、自主健康管理、有效载荷数据处理等大规模实时运算，这些运算与现有技术中在地面进行的运算相同，这里不赘述。

图1的流程中，如果总线控制器选择的工作模式为并行模式，该方法还可以进一步包括：

第一远程终端和第二远程终端定期向总线控制器发送心跳包；

总线控制器判断是否定期接收到来自第一远程终端和第二远程终端的心跳包，如果只接收到其中一个远程终端的心跳包，则控制切断异常工作的远程终端，向正常工作的远程终端发送冷备工作指令；

正常工作的远程终端接收来自Space Wire总线的任务，进行运算，将运算结果反馈给总线控制器。

本发明在航天器上完成高速运算，无需像现有技术那样由地面进行任务运算后，再将运算结果返回给航天器，从而，提高了获取运算结果的实时性；并且，本发明采用两个远程终端并行完成高速运算，相比由一个远程终端完成高速运算的方案，提高了运算速率。

图1流程步骤101中，进行工作模式选择时，对于运算量不太大的任务，可选择热备模式。相应地，该方法还包括：

总线控制器向第一远程终端和第二远程终端发送独立运算指令；

第一远程终端和第二远程终端分别接收来自Space Wire总线的任务，并进行运算，将运算结果反馈给总线控制器；

总线控制器对来自第一远程终端和第二远程终端的两个运算结果进行判决，选择一个作为最终运算结果。

判决方式有多种，例如，可将两个运算结果与预估值进行比较，将最接近预估值的运算结果作为最终运算结果，最接近预估值的运算结果便为正确结果。

对于热备模式，两个远程终端都分别从Space Wire总线接收所有任务，所述所有任务指包含第一远程终端标识的任务和包含第二远程终端标识的任务，且两个远程终端分别对所有任务进行运算。

这里，将传送所述最终计算结果的远程终端称为被选举远程终端，另一远程终端称为未被选举远程终端。判断出最终运算结果，确定被选举远程终端之后，总线控制器便可直接将来自被选举远程终端的运算结果作为最终运算结果。进一步地，总线控制器还可以周期地进行判决，以周期性地确定被选举远程终端，这样，上一周期结束时确定的被选举远程终端将作为当前周期的被选举远程终端。

周期性地确定被选举远程终端方式有多种，例如，可采用校验码加统计策略实现，假设每个周期包含256次运算，也就是，总线控制器从第一远程终端和第二远程终端分别接收到256个运算结果；假设上一周期确定的被选举远程终端为第一远程终端，则当前周期将来自于第一远程终端的运算结果作为最终运算结果；同时，当前周期内还对来自两个远程终端的运算结果进行判决，确定运算正确的远程终端，对两个远程终端运算正确的次数进行统计，将次数高的远程终端作为下一周期的被选举远程终端；并且，还可对两个终端运算结果的差值进行判断，如果差值超过预先设定的阈值，则表明运算结果数值小的远程终端可能发生故障，可转为进入冷备状态，切断发生故障的远程终端。判决周期为256次，每超过256次，针对两个CPU的记分器清0，重新开始新一轮的判决。

对于热备模式，在判决出最终运算结果之后，该方法还可以进一步包括：

总线控制器判断是否定期接收到来自第一远程终端和第二远程终端的心跳包：

如果接收的心跳包表明被选举远程终端异常，则控制切断被选举远程终端，向未被选举远程终端发送冷备工作指令；未被选举远程终端接收来自Space Wire总线的任务，进行运算，将运算结果反馈给Space Wire总线作为最终运算结果；

如果接收的心跳包表明未被选举远程终端异常，则控制切断未被选举远程终端，向被选举远程终端发送冷备工作指令；被选举远程终端接收来自Space Wire总线的任务，进行运算，将运算结果反馈给Space Wire总线作为最终运算结果。

参见图2，为本发明面向航天器的高速运算方法流程图实例，该方法包括以下步骤：

步骤201，系统上电后，总线控制器判断第一远程终端和第二远程终端是否都正常启动，如果是，在执行步骤202；否则，执行步骤207。

步骤202，总线控制器选择工作模式，如果工作模式为并行模式，则执行步骤203，如果工作模式为热备模式，执行步骤205。

步骤203，执行并行模式运算。

并行模式运算具体包括：

总线控制器向第一远程终端发送主运算指令，向第二远程终端发送从运算指令；

步骤204，总线控制器通过两个远程终端的心跳判断是否出现异常，如果其中一个出现异常，则控制切断异常工作的远程终端，执行步骤207；如果两个远程终端正常，则继续执行并行模式运算。

具体地：

控制切断异常工作的远程终端可采用如下方式实现：总线控制器向异常工作的远程终端发送停止工作的指令，异常工作的远程终端接收该指令后，停止运算。

步骤205，执行热备模式运算。

热备模式运算具体包括：

步骤206，总线控制器通过两个远程终端的心跳判断是否出现异常，如果被选举远程终端异常，则向未被选举远程终端发送冷备工作指令，执行步骤207；如果未被选举远程终端异常，则控制切断未被选举远程终端，向被选举远程终端发送冷备工作指令，执行步骤207。

具体地，第一远程终端和第二远程终端定期向总线控制器发送心跳包；

步骤207，执行冷备模式运算。

冷备模式运算具体包括：

总线控制器向正常工作的远程终端发送冷备工作指令；

参见图3，为本发明面向航天器的高速运算系统结构示意图，该系统置于航天器上，包括总线控制器、第一远程终端和第二远程终端，两个远程终端通过串行接口连接，图中RT0表示第一远程终端，RT1表示第二远程终端；第一远程终端和第二远程终端分别接入1553B总线，且分别接入Space Wire总线；总线控制器接入1553B总线，由于图面空间的局限性，图中没有画出总线控制器；图中的Space Wire接口、1553B接口和CPU子单元构成CPU；

所述总线控制器，用于判断第一远程终端和第二远程终端是否都正常启动，如果是，则选择工作模式，如果所述工作模式为并行模式，则总线控制器向第一远程终端发送主运算指令，向第二远程终端发送从运算指令；

图3中，两个远程终端用隔离区隔开。

可选地，第一远程终端和第二远程终端分别包括总线区接口、CPU、存储区和供电区，两个CPU之间通过串行接口相连；

所述总线接口区，用于接入1553B总线，通过1553B总线接收来自总线控制器的运算指令，将运算指令发送给CPU；还用于接入Space Wire总线，将来自于Space Wire总线的任务传送给CPU；并接收CPU返回的运算结果，通过1553B总线传送给总线控制器；

所述CPU，用于接收来自总线接口区的运算指令，并接收来自总线接口区的任务，进行任务运算，将运算结果发送给总线接口区；或者，CPU通过串行接口接收另一CPU传送的任务，执行任务，将执行结果通过串行接口返回给另一CPU；

所述存储区，用于为CPU运算过程中的数据提供存储；

所述供电区，用于为总线接口区、CPU和存储区提供供电。

由于选择的工作模式不同，该系统各部分将采取相应的协同方式完成任务运算，具体可结合方法部分的记载进行理解。

可选地，所述总线区接口包括变压器、1553B收发器、专用接插件和SpaceWire模块，CPU包括Space Wire总线接口、1553B接口和CPU子单元，所述供电区包括对外接口和电源模块；

所述变压器接入1553B总线，并与1553B收发器相连，1553B收发器与1553B总线接口连接；所述专用接插件接入Space Wire总线，并与Space Wire模块连接，所述Space Wire模块与Space Wire总线接口连接；1553B总线接口和Space Wire总线接口分别与CPU子单元连接；所述对外接口接收开关命令，控制打开或关闭电源模块。

采用1553B收发器和两个变压器，通过两个通道实现接入1553B总线，以及采用专用接插件和Space Wire模块实现接入Space Wire总线，为接入1553B总线和接入Space Wire总线的常用方式，这里不赘述。图中CH-A和CH-B表示接入1553B总线的两个通道。

存储区的具体结构可根据需要设置，例如图3中，存储区可包括可编程只读存储器(PROM，Programmable Read Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(E2PROM，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)、闪存(FLASH)和静态随机存取存储器(SRAM，Static Random AccessMemory)：

PROM：存储启动代码，用于上电时CPU从中提取；

E2PROM：存储基本程序，用于CPU运行过程中，从中提取基本程序进行运行；

FLASH：用于存储CPU运行过程中需要暂存的数据；

SRAM：用于CPU执行程序。

图中的串行接口芯片在板卡处于冷备工作和热备份工作模式保持关闭状态，也可起到双方之间的隔离作用，当板卡处于双核并行计算模式的条件下，串行接口打开，两个CPU以主从方式协同计算，通过串行接口传递指令与运算结果，实现双核并行处理，运算速度大大提高。

本发明方案可以支持双核并行计算、双机热备、双机冷备三种工作模式，并且工作模式可实时切换。

双核并行计算：两个CPU以主从方式协同工作，将任务分为不同模块分别并行完成，通过串行接口芯片实现指令发送与数据传输，运算性能最高。

双机热备：两个CPU同时独立完成运算任务，但最终只获取其中一个模块的计算结果。

双机冷备：其中一个CPU处于掉电状态，另一个CPU工作。双击冷备模式，可提高安全性。

双机上电可默认为热备工作模式，若需要进行复杂的运算任务，通过总线指令可以切换到并行计算模式，一旦检测到异常，将异常CPU模块掉电，系统进入冷备模式。

为了进一步提高系统的空间环境适应能力，可以分别从软件和硬件方面采取可靠性保障措施。

软件方面，通过陷阱和看门狗、上电冗余配置方式和在轨可更新设计提高软件可靠性。

硬件方面，通过优选抗辐照指标高的元器件、对芯片采取屏蔽加固措施、增加EDAC纠错模块、降额设计等方式抵抗空间单粒子效应和总剂量效应，提高产品的空间辐射环境适应性。

采用本发明方案，通过高性能处理器的双核并行计算模式设计，可以实现高达1000MIPS的高速运算能力，满足了卫星对于复杂运算的任务要求；通过总线接口设计，使体系结构具备一定的扩展能力，如需要提高运算性能，只要在总线接口上扩展更多的单元即可实现；通过容错设计和抗辐照加固等可靠性保障措施，提升了对于空间辐射环境的抵抗能力，增强了空间环境适应性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种面向航天器的高速运算方法，其特征在于，将第一远程终端和第二远程终端分别接入航天器上高速运算系统的1553B总线，且分别接入Space Wire总线；该方法包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果总线控制器选择的工作模式为并行模式，该方法还包括：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果总线控制器判断第一远程终端和第二远程终端中有一个异常，该方法还包括：

总线控制器向正常工作的远程终端发送冷备工作指令；

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果总线控制器选择的工作模式为热备模式，该方法还包括：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将传送所述最终计算结果的远程终端称为被选举远程终端，另一远程终端称为未被选举远程终端，该方法还包括：

6.一种面向航天器的高速运算系统，其特征在于，该系统置于航天器上，包括总线控制器、第一远程终端和第二远程终端，两个远程终端通过串行接口连接；第一远程终端和第二远程终端分别接入1553B总线，且分别接入SpaceWire总线；

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，第一远程终端和第二远程终端分别包括总线区接口、CPU、存储区和供电区，两个CPU之间通过串行接口相连；

所述存储区，用于为CPU运算过程中的数据提供存储；

所述供电区，用于为总线接口区、CPU和存储区提供供电。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述总线区接口包括变压器、1553B收发器、专用接插件和Space Wire模块，CPU包括Space Wire接口、1553B接口和CPU子单元，所述供电区包括对外接口和电源模块；

所述变压器接入1553B总线，并与1553B收发器相连，1553B收发器与1553B总线接口连接；所述专用接插件接入Space Wire总线，并与Space Wire模块连接，所述Space Wire模块与Space Wire总线接口连接；1553B总线接口和SpaceWire总线接口分别与CPU子单元连接；所述对外接口接收开关命令，控制打开或关闭电源模块。