CN105388384A - 一种整星单粒子软错误故障模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整星单粒子软错误故障模拟系统，包括主控计算机、高频信号机箱以及被测设备；被测设备中具备高频接口和低频接口；主控计算机通过网络连接所述高频信号机箱，并通过该高频信号机箱进行高频信号故障的模拟，然后通过高频信号机箱与被测设备的高频接口连接，将高频信号故障注入至被测设备中；主控计算机通过RS422接口和1553B接口连接被测设备的低频接口，直接由主控计算机进行低频信号故障的模拟，将低频信号故障注入至被测设备中；其中高频信号机箱中包括数据交换单元、本地显示控制单元、频综单元、导航信号生成单元以及信号调理单元。该系统能够同时模拟高频信号和低频信号故障并将故障注入待测设备。

Description

一种整星单粒子软错误故障模拟系统

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种整星单粒子软错误故障模拟系统。

背景技术

随着航天事业的发展，中国新一代北斗二号卫星首次增加上注、星间链路等空间通信功能，由于卫星所在的外空间环境中存在多种射线和粒子，会引发电路的各种不良效应，甚至使整个电路受到损坏，且随着电子器件的尺寸越来越小，单粒子效应对航天环境中电子设备造成的影响也越来越严重。为了防止故障发生时整星各单机无法纠错而影响正常工作，亟需设计单粒子软错误系统级多层次故障注入方法来模拟故障，以验证整星设备的抗干扰能力，在地面测试阶段及时发现问题，解决问题，将损失降低到最小。

目前已有的故障模拟设备只支持单一器件的故障模拟，没有针对多个器件的或系统级的故障模拟解决方案，在整星系统的测试评估领域也尚为空白，无法满足航天行业背景需要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种整星单粒子软错误故障模拟系统，能够同时模拟高频信号和低频信号故障，该系统能够自定义单粒子软错误系统级多层次故障并注入待测设备。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：包括主控计算机、高频信号机箱以及被测设备。

被测设备中具备高频接口和低频接口。

主控计算机通过网络连接高频信号机箱，并通过该高频信号机箱进行高频信号故障的模拟，然后通过高频信号机箱与被测设备的高频接口连接，将高频信号故障注入至被测设备中；主控计算机通过RS422接口和1553B接口连接被测设备的低频接口，直接由主控计算机进行低频信号故障的模拟，将低频信号故障注入至被测设备中。

高频信号机箱中包括数据交换单元、本地显示控制单元、频综单元、导航信号生成单元以及信号调理单元。

数据交换单元的功能是用于实现主控计算机和高频信号机箱进行仿真数据的交换，仿真数据包括故障参数；该数据交换单元与本地显示控制单元通过网络进行仿真数据通信。

本地显示控制单元的功能是一方面从导航信号生成单元获取导航信号生成的状态信息、并在其界面上进行显示；状态信息包括信号的调制方式、功率、故障类型和故障参数；另一方面向导航信号生成单元发送控制信息，控制信息包括信号的调制方式、功率控制字、载波环累加参数、码环累加参数、电文、故障类型、故障参数和系统运行参数；系统运行参数包括系统启动时间和运行时间。

导航信号生成单元中包括B1频点信号生成通道电路、B2频点信号生成通道电路和B3频点信号生成通道电路；三个通道电路相同，分别用于生成的B1频点信号、B2频点信号和B3频点信号，该处B1频点信号、B2频点信号和B3频点信号为北斗的三个频点的卫星导航信号。

通道电路包括：软核控制模块、定时启动模块、功率控制模块、载波环查找表模块、副载波/码环模块、码/副载波发生器模块、电文缓存模块、成型滤波器模块、以及FIR滤波器模块。

软核控制模块接收控制信息、并通过内总线发送控制信息以及接收反馈信息，反馈信息包括：载波环相位反馈信息、码环相位反馈信息以及电文更新标识。

定时启动模块通过内总线获得启动时间，由外部中断控制，等待外部中断有效后，定时启动模块输出系统启动标识以启动通道电路中的其他模块。

功率控制模块从内总线处获取功率控制字，并输出I、Q两路功率控制信号。

载波环模块包括载波环与查找表，其中载波环从内总线处获取载波环累加参数，根据直接数字频率合成器DDS原理，计算相位值，并在查找表中进行寻址，并输出I、Q两路载波数据。

副载波/码环从内总线处获取码环累加参数，根据DDS原理，计算副载波/码相位，码相位的最高位作为码时钟，码时钟经过分频产生副载波时钟，码时钟和副载波时钟驱动码/副载波发生器产生I、Q两路的扩频码和副载波码进行输出。

电文缓存模块从内总线处获取电文并输出，电文包括I、Q两路；

I、Q两路的扩频码和副载波码分别与I、Q两路的电文进行异或计算之后再和除最高位以外的低位进行拼接生成矩形串行码流输入至成型滤波器中。

成型滤波器对矩形串行码流进行预滤波，即将矩形的上升沿和下降沿变缓，再调制到经功率调整后的载波上并输出I、Q两路滤波前的数字中频信号；成型滤波器中的码型滤波表存储模拟码型故障阻尼振荡波形和下降沿延迟波形，用于实现扩频码码型畸变故障模拟；码相位的除最高位以外的低位与扩频码一起作为码型滤波表的地址。

经功率调整的载波是指将I、Q两路功率控制字分别和I、Q两路载波数据相乘后的结果。

将I、Q两路滤波前的数字中频信号相加输入至FIR滤波器中进行滤波并输出最终的数字中频信号；并通过设置FIR滤波器的参数进行线性/非线性失真故障的模拟。

输出的B1频点信号、B2频点信号和B3频点信号经信号调理单元进行滤波、功率放大和合路处理并输出至被测设备的高频接口。

频综单元接收外部输入的10.23MHz的时钟信号并生成1309.44MHz和10.23MHz供导航信号生成单元使用。

主控计算机同时通过RS422接口与被测设备中的低频接口连接，并通过该RS422接口进行低频信号的故障模拟：主控计算机中具备FPGA芯片、第一故障注入器、第一故障用例库、第二故障注入器和第二故障用例库；主控计算机从外部获取所需模拟的RS422接口故障类型，根据该RS422接口故障类型，读取第一故障用例库，将相应RS422接口故障类型对应的故障参数输入至第一故障注入控制器中，进行解析，解析成FPGA识别的数据类型，然后将故障参数发送至FPGA中，并由FPGA按照故障参数对通过RS422接收到的数据进行故障处理，然后输出至被测设备的低频接口。

第一故障用例库所存的各种可模拟的RS422接口故障类型的故障参数。

主控计算机从外部获取所需模拟的1553B接口故障类型，根据该1553B接口故障类型，读取第二故障用例库，将相应故障类型对应的故障参数输入至第二故障注入控制器中，进行解析，解析成CPU识别的数据类型，然后将故障参数发送至CPU中，并由CPU按照故障参数对通过1553B总线接口芯片转换为符合1553B协议标准的数据，通过1553B总线输出至被测设备的低频接口。

第二故障用例库存储各种可模拟的1553B接口故障类型的故障参数。

进一步地，高频信号的故障模拟包括如下8种故障：信号中断故障、功率异常故障、模拟扩频码码型畸变故障、信号通道时延异常故障、数据比特流错误故障、伪码/载波相位/子载波相位不一致、电文编码错误故障、线性/非线性失真故障。

信号中断故障采用将功率控制字置为0的方式实现。

功率异常通过调整功率控制字的方式实现。

模拟扩频码码型畸变故障模拟通过在成型滤波器的码型滤波表存储模拟码型故障阻尼振荡波形和下降沿延迟波形来实现。

信号通道时延异常故障通过主控计算机更改系统启动时间来实现。

数据比特流错误故障通过主控计算机添加电文误码后、经电文模块缓存、调制到伪码上来实现。

伪码/载波相位/子载波相位不一致故障由上位机通过重新配置载波环/码环上的频率、相位控制字实现相位改变。

电文编码错误故障由上位机生成电文时加入编码错误，经电文模块缓存后，调制到伪码上。

线性/非线性失真通过设置FIR滤波器的的参数来实现。

有益效果：

本发明用于模拟由空间射线或粒子引起的单粒子翻转效应所引起的系统故障，主要包括北斗新体制导航信号故障模拟及其它设备的通信故障模拟，该系统能够自定义单粒子软错误系统级多层次故障并注入待测设备，测试整星各单机性能，对研究设计航天器系统级单粒子软错误故障的硬件注入方法及验证单粒子软错误系统级防护策略和改进型号设计有重要意义。

附图说明

图1为本发明整星单粒子软错误故障模拟系统总体框图；

图2为信号生成通道结构图。

图3为同步/异步RS422接口数据转发故障注入原理。

图4为同步/异步RS422接口数据转发时序图。

图5为同步/异步RS422接口故障模拟时序图。

图6为1553B总线字格式。

图7为二级1553B总线故障注入原理。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，一种整星单粒子软错误故障模拟系统，包括主控计算机、高频信号机箱以及被测设备；被测设备中具备高频接口和低频接口。

主控计算机通过网络连接高频信号机箱，并通过该高频信号机箱进行高频信号的故障模拟：高频信号机箱中包括数据交换单元、本地显示控制单元、频综单元、导航信号生成单元以及信号调理单元。

数据交换单元的功能是用于实现主控计算机和高频信号机箱进行仿真数据的交换，仿真数据包括故障参数、导航信号参数；该数据交换单元与本地显示控制单元通过网络进行仿真数据通信。

显示控制单元的功能是一方面从导航信号生成单元获取导航信号生成的状态信息、并在本地界面上进行显示；状态信息包括信号的调制方式、功率、故障类型和故障参数；另一方面向导航信号生成单元发送控制信息，控制信息包括信号的调制方式、功率控制字、载波环累加参数、码环累加参数、电文、故障类型、故障参数和系统运行参数；系统运行参数包括系统启动时间和运行时间。

导航信号生成单元中包括B1频点信号生成通道电路、B2频点信号生成通道电路和B3频点信号生成通道电路；三个通道电路相同，分别用于生成的B1频点信号、B2频点信号和B3频点信号。

通道电路如图2所示，包括：软核控制模块、定时启动模块、功率控制模块、载波环查找表模块、副载波/码环模块、码/副载波发生器模块、电文缓存模块、成型滤波器模块、以及FIR滤波器模块；

软核控制模块通过内总线发送控制信息并接受反馈信息，控制信息包括启动时间、功率控制字、载波环累加参数、码环累加参数、以及电文；反馈信息包括：载波环相位反馈信息、码环相位反馈信息以及电文更新标识；

定时启动模块通过内总线获得启动时间，由外部中断控制，等待外部中断有效后，定时启动模块输出系统启动标识以启动通道电路中的其他模块；

功率控制模块从高内总线处获取I、Q两路功率控制字，并输出I、Q两路功率控制信号。

载波环模块包括载波环与查找表，其中载波环从内总线处获取载波环累加参数，(包括配置频率和相位控制字，)根据直接数字频率合成器DDS原理，计算相位值，并在查找表中进行寻址，并输出I、Q两路载波数据。

副载波/码环从内总线处获取码环累加参数，根据DDS原理，计算副载波/码相位，码相位的最高位作为码时钟，码时钟经过分频产生副载波时钟，码时钟和副载波时钟驱动码/副载波发生器产生I、Q两路的扩频码和副载波码进行输出。

电文缓存模块从内总线处获取电文并输出，电文包括I、Q两路。

I、Q两路的扩频码和副载波码分别与I、Q两路的电文进行异或计算之后再和除最高位以外的低位进行拼接生成矩形串行码流输入至成型滤波器中。

成型滤波器对矩形串行码流进行预滤波，即将矩形的上升沿和下降沿变缓，再调制到经功率调整后的载波上并输出I、Q两路滤波前的数字中频信号；成型滤波器中的码型滤波表存储模拟码型故障阻尼振荡波形和下降沿延迟波形，用于实现扩频码码型即便故障模拟；码相位的除最高位以外的低位与扩频码一起作为码型滤波表的地址。

经功率调整的载波是指将I、Q两路功率控制字分别和I、Q两路载波数据相乘后的结果。

将I、Q两路滤波前的数字中频信号相加输入至FIR滤波器中进行滤波并输出最终的数字中频信号；并通过设置FIR滤波器的参数进行线性/非线性失真故障的模拟。

输出的B1频点信号、B2频点信号和B3频点信号经信号调理单元进行滤波、功率放大和合路处理并输出至被测设备的高频接口。

频综单元接收外部输入的10.23MHz的时钟信号并生成1309.44MHz和10.23MHz供导航信号生成单元使用。

主控计算机同时通过RS422接口与被测设备中的低频接口连接，并通过该RS422接口进行低频信号的故障模拟，如图3所示：主控计算机中具备FPGA芯片、第一故障注入器、第一故障用例库、第二故障注入器和第二故障用例库；主控计算机从外部获取所需模拟的故障类型，根据该RS422接口故障类型，读取第一故障用例库，将相应RS422接口故障类型对应的故障参数输入至第一故障注入控制器中，进行解析，解析成FPGA识别的数据类型，然后将故障参数发送至FPGA中，并由FPGA按照故障参数对通过RS422接收到的数据进行故障处理，然后输出至被测设备的低频接口；

第一故障用例库所存的各种可模拟的RS422接口故障类型的故障参数；

同步/异步RS422数据通信采用端到端的通信方式，可以通过高频率工作时钟的FPGA芯片实现较小的转发和处理时延。故障注入方案框图如图3所示。

通过FPGA实现串口数据的收发，可实现对每一比特数据的实时接收和处理，当整星单粒子软错误故障模拟系统接收到来自单机A的第一比特串行数据后，即可开始对其进行转发，由于FPGA的工作时钟远高于RS422的数据传输速率，因此在几个工作时钟周期内就能开启对单机B的数据传输，其转发时延可以减小到3时钟周期，工作时序如图4所示。

进行故障注入时，整星单粒子软错误故障模拟系统根据故障用例以及相应单机的422通信协议确定需要发送故障数据的位置，识别到目标位到达后，发送故障位，其处理时延同样可以减小到3时钟周期，工作时序如图5所示。

另外，能够对RS422通信接口的输出数据建立保持时间进行故障模拟，如对于在时钟上升沿数据输出，下降沿采样数据的接口，整星单粒子软错误故障模拟系统能够通过高频信号，在邻近时钟下降沿时将数据输出，反之对于上升沿采样数据的接口，也能够在邻近时钟上升沿时将数据输出。

主控计算机从外部获取所需模拟的1553B接口故障类型，根据该1553B接口故障类型，读取第一故障用例库，将相应故障类型对应的故障参数输入至第二故障注入控制器中，进行解析，解析成CPU识别的数据类型，然后将故障参数发送至CPU中，并由CPU按照故障参数对通过1553B总线接口芯片转换为符合1553B协议标准的数据，通过1553B总线输出至被测设备的低频接口；

第二故障用例库存储各种可模拟的1553B接口故障类型的故障参数。

可模拟的1553B总线接口的故障类型包括按通信协议模拟制定字段的数据错误、随机翻转数据位和模拟通信中断，其故障类型定义和实现方法与同步/异步RS422接口故障相同，下面结合1553B总线接口的工作方式详细介绍其故障注入实现方法。

二代导航二期卫星采用了1553B串行数据总线作为综合电子分系统内部以及和电源分系统PCU、导航任务处理机、相机通讯的介质，此外导航任务处理机通过另一条1553B总线实现与上行注入接收机的通讯。

1553B总线是主从式总线，即每一次总线通讯是由总线的控制端(BC端)发起，由终端(RT端)相应完成，RT不能作为通讯的主动发起方，只能作为通讯的被动接收方。总线上的传输单位为字，共有指令字、数据字和状态字三种字格式，如图6所示。

对于1553B标准所规定的10种消息格式，二代导航二期卫星只使用其中的2格式：

BC→RT的数据传送：BC向RT发送一个接收指令字，后面跟随特定长度的数据(1-32字)。RT在接收到命令和数据后，进行消息合法性证实后发送一个状态字给BC；

RT→BC的数据传送：BC首先向RT发送一个发送指令字，RT在接收到命令并进行合法性证实后发送一个状态字给BC，后面跟随特定长度的数据；

1553B总线的工作模式为是指令/响应型，根据GJB289A-97标准，当BC发出指令字后，RT响应有效指令字的间隔时间一般为4～12us，若14us内无RT对其响应，即BC判定为无响应做超时处理。因此1553B总线接口的实时性要求14us，考虑RT设备固有的响应时延，处理转发时延要求为小于2us。理论上可以采用FPGA的处理转发方案，但是由于1553B协议较复杂，工程实践中往往通过标准芯片实现(如61580)来实现通讯功能，故采用了二级总线的方案实现对1553B总线接口的故障注入，如图7所示。

本实施例中，高频信号的故障模拟包括如下8种故障：

信号中断故障、功率异常故障、模拟扩频码码型畸变故障、信号通道时延异常故障、数据比特流错误故障、伪码/载波相位/子载波相位不一致、电文编码错误故障、线性/非线性失真故障；

信号中断故障采用将功率控制字置为0的方式实现；

功率异常通过调整功率控制字的方式实现；

模拟扩频码码型畸变故障模拟通过在成型滤波器的码型滤波表存储模拟码型故障阻尼振荡波形和下降沿延迟波形来实现；

信号通道时延异常故障通过主控计算机更改系统启动时间来实现；

数据比特流错误故障通过主控计算机添加电文误码后、经电文模块缓存、调制到伪码上来实现；

伪码/载波相位/子载波相位不一致故障由上位机通过重新配置载波环/码环上的频率、相位控制字实现相位改变。

线性/非线性失真通过设置FIR滤波器的的参数来实现。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种整星单粒子软错误故障模拟系统，其特征在于，包括主控计算机、高频信号机箱以及被测设备；

被测设备中具备高频接口和低频接口；

主控计算机通过网络连接所述高频信号机箱，并通过该高频信号机箱进行高频信号故障的模拟，然后通过高频信号机箱与被测设备的高频接口连接，将高频信号故障注入至被测设备中；主控计算机通过RS422接口和1553B接口连接被测设备的低频接口，直接由主控计算机进行低频信号故障的模拟，将低频信号故障注入至被测设备中；

所述高频信号机箱中包括数据交换单元、本地显示控制单元、频综单元、导航信号生成单元以及信号调理单元；

所述数据交换单元的功能是用于实现主控计算机和高频信号机箱进行仿真数据的交换，所述仿真数据包括故障参数；该数据交换单元与本地显示控制单元通过网络进行仿真数据通信；

所述本地显示控制单元的功能是一方面从导航信号生成单元获取导航信号生成的状态信息、并在其界面上进行显示；状态信息包括信号的调制方式、功率、故障类型和故障参数；另一方面向导航信号生成单元发送控制信息，控制信息包括信号的调制方式、功率控制字、载波环累加参数、码环累加参数、电文、故障类型、故障参数和系统运行参数；系统运行参数包括系统启动时间和运行时间；

所述导航信号生成单元中包括B1频点信号生成通道电路、B2频点信号生成通道电路和B3频点信号生成通道电路；三个通道电路相同，分别用于生成的B1频点信号、B2频点信号和B3频点信号，该处B1频点信号、B2频点信号和B3频点信号为北斗的三个频点的卫星导航信号；

所述通道电路包括：软核控制模块、定时启动模块、功率控制模块、载波环查找表模块、副载波/码环模块、码/副载波发生器模块、电文缓存模块、成型滤波器模块、以及FIR滤波器模块；

软核控制模块接收所述控制信息、并通过内总线发送控制信息以及接收反馈信息，所述反馈信息包括：载波环相位反馈信息、码环相位反馈信息以及电文更新标识；

所述定时启动模块通过内总线获得所述启动时间，由外部中断控制，等待外部中断有效后，定时启动模块输出系统启动标识以启动通道电路中的其他模块；

所述功率控制模块从内总线处获取功率控制字，并输出I、Q两路功率控制信号；

所述载波环模块包括载波环与查找表，其中载波环从内总线处获取载波环累加参数，根据直接数字频率合成器DDS原理，计算相位值，并在查找表中进行寻址，并输出I、Q两路载波数据；

所述副载波/码环从内总线处获取码环累加参数，根据DDS原理，计算副载波/码相位，码相位的最高位作为码时钟，码时钟经过分频产生副载波时钟，码时钟和副载波时钟驱动码/副载波发生器产生I、Q两路的扩频码和副载波码进行输出；

所述电文缓存模块从内总线处获取电文并输出，所述电文包括I、Q两路；

I、Q两路的扩频码和副载波码分别与I、Q两路的电文进行异或计算之后再和除最高位以外的低位进行拼接生成矩形串行码流输入至成型预滤器中；

所述成型预滤器对矩形串行码流进行预滤波，即将矩形的上升沿和下降沿变缓，再调制到经功率调整后的载波上并输出I、Q两路滤波前的数字中频信号；所述成型预滤器中的码型滤波表存储模拟码型故障阻尼振荡波形和下降沿延迟波形，用于实现扩频码码型畸变故障模拟；码相位的除最高位以外的低位与扩频码一起作为码型滤波表的地址；

所述经功率调整的载波是指将I、Q两路功率控制字分别和I、Q两路载波数据相乘后的结果；

将I、Q两路滤波前的数字中频信号相加输入至FIR滤波器中进行滤波并输出最终的数字中频信号；并通过设置FIR滤波器的参数进行线性/非线性失真故障的模拟；

输出的B1频点信号、B2频点信号和B3频点信号经信号调理单元进行滤波、功率放大和合路处理并输出至被测设备的高频接口；

所述频综单元接收外部输入的10.23MHz的时钟信号并生成1309.44MHz和10.23MHz供导航信号生成单元使用；

所述主控计算机同时通过RS422接口与被测设备中的低频接口连接，并通过该RS422接口进行低频信号的故障模拟：主控计算机中具备FPGA芯片、第一故障注入器、第一故障用例库、第二故障注入器和第二故障用例库；主控计算机从外部获取所需模拟的RS422接口故障类型，根据该RS422接口故障类型，读取第一故障用例库，将相应RS422接口故障类型对应的故障参数输入至第一故障注入控制器中，进行解析，解析成FPGA识别的数据类型，然后将故障参数发送至FPGA中，并由FPGA按照故障参数对通过RS422接收到的数据进行故障处理，然后输出至被测设备的低频接口；

第一故障用例库所存的各种可模拟的RS422接口故障类型的故障参数；

主控计算机从外部获取所需模拟的1553B接口故障类型，根据该1553B接口故障类型，读取第二故障用例库，将相应故障类型对应的故障参数输入至第二故障注入控制器中，进行解析，解析成CPU识别的数据类型，然后将故障参数发送至CPU中，并由CPU按照故障参数对通过1553B总线接口芯片转换为符合1553B协议标准的数据，通过1553B总线输出至被测设备的低频接口；

第二故障用例库存储各种可模拟的1553B接口故障类型的故障参数。

2.如权利要求1所述的一种整星单粒子软错误故障模拟系统，其特征在于，所述高频信号的故障模拟包括如下8种故障：

信号中断故障、功率异常故障、模拟扩频码码型畸变故障、信号通道时延异常故障、数据比特流错误故障、伪码/载波相位/子载波相位不一致、电文编码错误故障、线性/非线性失真故障；

所述信号中断故障采用将功率控制字置为0的方式实现；

所述功率异常通过调整功率控制字的方式实现；

所述模拟扩频码码型畸变故障模拟通过在成型滤波器的码型滤波表存储模拟码型故障阻尼振荡波形和下降沿延迟波形来实现；

所述信号通道时延异常故障通过主控计算机更改系统启动时间来实现；

所述数据比特流错误故障通过主控计算机添加电文误码后、经电文模块缓存、调制到伪码上来实现；

所述伪码/载波相位/子载波相位不一致故障由上位机通过重新配置载波环/码环上的频率、相位控制字实现相位改变；

所述电文编码错误故障由上位机生成电文时加入编码错误，经电文模块缓存后，调制到伪码上；

所述线性/非线性失真通过设置FIR滤波器的的参数来实现。