CN108052355B

CN108052355B - 星载载荷单元软件在轨重组方法

Info

Publication number: CN108052355B
Application number: CN201711173358.4A
Authority: CN
Inventors: 马传干; 胡丁锐
Original assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Current assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2037-11-22
Also published as: CN108052355A

Abstract

本发明公开了一种星载载荷单元软件在轨重组方法，利用本发明可以实现软件版本在轨切换、在轨更新、在轨纠错，显著提高软件版本应用灵活性和维护效率。本发明通过下述技术方案予以实现：在载荷单元中，现场可编程门阵列FPGA1、FPGA2共端相连数字信号处理器DSP，三者都具有n个独立完整功能的软件程序版本；上电后，载荷管理计算机依次向FPGA和DSP发送软件程序版本切换指令和信息，实现FPGA和DSP软件程序多版本之间的在轨切换功能；另外，载荷管理计算机向DSP发送软件程序版本维护指令和信息，DSP根据接收的命令配置相应的控制信号，实现Flash中FPGA和DSP软件程序版本的在轨更新和在轨纠错功能，并通过信息列表的方式来管理软件版本的状态，完成在轨重组。

Description

星载载荷单元软件在轨重组方法

技术领域

本发明涉及一种通信卫星、遥感卫星、侦察卫星、导航卫星等星载载荷单元软件在轨重组方法。其采用软件版本快速切换及更新方法，实现载荷单元软件重组的功能，使得载荷单元更具通用性、扩展性、灵活性和可维护性。

背景技术

随着卫星平台载荷容量的增大及功能的扩展，对卫星有效载荷提出了更高的要求。卫星载荷是卫星最为重要的组成部分，它决定着卫星规模、轨道需求及所形成的能力。对于采用现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)架构的载荷单元，在空间环境中的可靠性设计是一个难题。一方面，FPGA和DSP软件容易受到空间环境影响而产生各种问题，特别是单粒子效应造成的内存或程序存储器中的代码和数据出错，会导致程序跑飞、应用程序数据错误等临时、甚至永久的故障；另一方面，当FPGA和DSP软件存在设计缺陷或者由于卫星系统改变应用需求时，若能实现星载环境下FPGA和DSP软件的在轨更新升级，其软件系统的生命周期便可以得到延长，同时产生的经济效益也是不可估量的。

目前，对于星载软件在轨更新升级已经有一些相对比较成熟的方法，这些方法基本上都是将星载软件划分为固定部分程序和可变部分程序。固定部分程序代码存储在PROM中且不可改存，可变部分程序代码存储在EEPROM或Flash中且可以改存。固定部分程序只包含最小功能集：遥控遥测功能、总线通信功能、EEPROM或Flash读写功能、数据校验功能和程序加载功能；而可变部分程序实现星载软件的具体应用功能。上电后，设备首先运行固定部分程序，然后在地面指令的控制下，完成EEPROM或Flash中可变部分程序代码的改存和加载，从而实现星载软件的在轨更新升级功能。

上述在轨更新升级软件的方法仍然存在一些缺陷，主要有：(1)固定部分程序的功能无法更新升级；(2)可变部分程序多数情况只存在单一版本的程序，只能实现一个特定的应用功能；(3)当程序代码或数据受空间环境影响出错需要维护时，只能从地面重新上注软件；(4)无法满足多任务、多功能类卫星平台的应用，因为在软件更新过程中，由于受到过境时间和遥控弧段的限制，将会极大的影响卫星工作的时效性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种能够提高卫星应用效能，具有安全启动特性，通用性、灵活性强，且维护效率高的载荷单元软件在轨重组方法。

本发明的技术解决方案是：一种星载载荷单元软件在轨重组方法，具有如下技术特征：在载荷单元中，三者都具有n个独立完整功能的软件程序版本的现场可编程门阵列FPGA1、FPGA2共端相连数字信号处理器DSP；载荷单元每次上电后，FPGA和DSP默认加载PROM中的软件版本1，并工作在默认的功能模式下；在地面指令及载荷管理计算机的控制下，载荷管理计算机依次向FPGA和DSP发送软件程序版本切换指令和信息，FPGA和DSP根据接收的命令配置相应的控制信号，实现FPGA和DSP软件程序多版本之间的在轨切换功能；另外，载荷管理计算机向DSP发送软件程序版本维护指令和信息，DSP根据接收的命令配置相应的控制信号，实现Flash中FPGA和DSP软件程序版本的在轨更新和在轨纠错功能，并通过信息列表的方式来管理软件版本的状态，完成星载载荷单元软件在轨重组，其中n≥2。

本发明相比于现有技术具有如下优点：

提高了卫星应用效能。具有软件版本在轨数据纠错的功能；载荷单元上电后，FPGA和DSP都默认加载PROM中的软件版本，工作在默认的功能模式下，并通过CAN总线与载荷管理计算机进行通信；在工作过程中，当需要改变功能模式或者由于故障或任务变动需求功能更改时，通过地面指令、数据上注以及载荷管理计算机的控制，载荷单元中的FPGA和DSP可以从FLASH中动态加载或者在线更新不同的软件版本，采用软件技术，实现软件在轨重组的功能。当功能模式需要变动时，通过软件版本在轨的快速切换(5秒以内)即可实现星载载荷单元软件在轨重组，从而提高了卫星应用效能。

具有安全启动的特性。本发明根据PROM芯片具有高可靠性以及存储后不可改写的特性，将上电后默认运行功能模式的软件版本存储在PROM中，确保了上电后默认启动的安全特性；另外当动态加载Flash版本失败导致运行异常时，可以由载荷管理计算机通过OC复位重新加载默认PROM版本，避免了死机问题。

通用性、灵活性强。本发明采用FPGA+DSP架构的载荷单元，通过指令控制，载荷单元中的FPGA和DSP可以动态加载或者在线更新不同的软件版本，实现软件在轨重组的功能，通过软件重组，不仅能满足星载环境下FPGA和DSP软件的更新升级，还能实现FPGA和DSP软件功能模块的自身故障修复。不但通用性强，载荷单元还能够灵活地实现卫星应用功能的领域扩展、不同功能的软件切换，极大地提高了灵活性，最大限度提高卫星系统的利用率。

维护效率高。本发明载荷单元中Flash的每个软件版本分别存储在三个不同的物理空间，加载时按三取二的原则进行数据读取，确保了Flash中软件版本的可靠性；另外当某一物理空间的软件版本数据由于单粒子效应出错时，通过采用三取二的bit纠错方法进行在线纠错，提高了版本维护效率，避免了数据出错后必须重新从地面上注的过程。

具有软件版本整体在轨更新的功能。本发明中PROM和Flash的程序是独立完整功能的软件版本，通过更新Flash的软件版本，可以实现载荷单元整体功能的变更，增强扩展性。

附图说明

下面结合附图对本技术发明进行详细描述。

图1是本发明星载载荷单元软件在轨重组的硬件实现框图。

图2是本技术发明的软件在轨切换流程图。

图3是本技术发明的软件在轨维护流程图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在载荷单元中，三者都具有n个独立完整功能的软件程序版本的现场可编程门阵列FPGA1、FPGA2共端相连数字信号处理器DSP，其中版本1的软件程序存储在PROM中不可改存，其余版本的软件程序存储在Flash中且可以改存；载荷单元每次上电后，FPGA和DSP默认加载PROM中的软件版本1，并工作在默认的功能模式下；当需要改变功能模式或者由于故障或任务变动需求功能更改时，载荷单元在地面指令及载荷管理计算机的控制下，载荷管理计算机依次向FPGA和DSP发送软件程序版本切换指令和信息，FPGA和DSP根据接收的命令配置相应的控制信号，实现FPGA和DSP软件程序多版本之间的在轨切换功能；另外，载荷管理计算机向DSP发送软件程序版本维护指令和信息，DSP根据接收的命令配置相应的控制信号，实现Flash中FPGA和DSP软件程序版本的在轨更新和在轨纠错功能，并通过信息列表的方式来管理软件版本的状态，完成星载载荷单元软件在轨重组，其中n≥2。

本实施例中，载荷单元中Flash的每个软件版本分别存储在三个不同的物理空间，加载时按三取二的原则进行数据读取；当某一物理空间的软件版本数据由于单粒子效应出错时，通过采用三取二的bit纠错方法进行在线纠错。

参阅图2。软件在轨切换过程中，

(1)系统上电后，载荷单元加载并运行PROM版本，同时等待地面站的软件版本切换指令；地面站发送版本切换指令，载荷管理计算机接收地面站的指令后，首先给载荷单元的DSP发送FPGA2的版本切换指令及信息；

(2)DSP解析指令后，由FPGA1控制FPGA2的加载模式和外挂Flash中相应版本的地址空间，同时通知载荷管理计算机软件版本切换准备就绪；载荷管理计算机发送FPGA2的OC复位信号，FPGA2复位后主动从Flash中完成相应软件版本的加载；FPGA2加载成功后，载荷管理计算机发送FPGA1的版本切换指令及信息；FPGA1在FPGA2和载荷管理计算机的协同控制下，完成版本在轨切换，其过程与FPGA2的版本切换过程完全一样；

(3)FPGA1也加载成功后，载荷管理计算机发送DSP的版本切换指令及信息；DSP解析指令后，由FPGA1控制其外挂Flash中相应DSP版本的地址空间，使其映射到0地址空间，然后在FPGA1控制下DSP最后完成版本切换；DSP完成版本切换后，判断切换后功能是否运行正常，是则结束程序，不是则通过载荷管理计算机发送OC复位信号，返回加载并运行PROM版本；另外，在版本切换过程中，FPGA1、FPGA2和DSP三者是相互独立的，即可以对任意一个芯片的任意版本进行单独切换，因此极大的提高了载荷单元的灵活性和通用性。

参阅图3。软件在轨维护的设计过程如下：

(1)系统上电后，载荷单元加载并运行PROM版本，同时等待地面站的软件维护指令(包括在轨更新指令和在轨纠错指令)；

(2)如果在轨预设软件版本的工作模式都不能满足要求，或者有新增任务需求时，则需要地面站发送在轨更新指令，载荷管理计算机接收地面站的指令后，具体执行步骤如下：

(2.1)载荷单元接收软件更新指令并解析，获得软件类型、软件版本号等信息，并根据软件更新指令，判断指令信息的正确性；指令正确，则开始逐包接收软件更新数据，并执行数据校验操作，校验数据的正确性；否则，回复指令错误信息；

(2.2)数据校验正确，则根据数据包的编号，将数据包同时写入Flash的3个不同物理空间中，并继续接收新的数据包，回复正确接收信息；否则，发送请求数据包重传信息；判断本次数据包是否接收完毕，如果本次更新数据包接收完毕，则将接收数据包的详细信息：软件版本总数据包量、本次接收数据包量等存入信息列表中，并结束程序；否则，等待接收新的数据包。

(3)如果经过数据校验发现在轨预设软件版本有数据异常的情况，则需要地面站发送在轨纠错指令，载荷管理计算机接收地面站的指令后，具体执行步骤如下：

(3.1)载荷单元接收软件纠错指令并解析，获得软件类型，软件版本号等信息，根据软件纠错指令，判断指令信息的正确性；指令不正确，DSP回复指令错误信息；指令正确，DSP根据指令信息，从Flash中读取相应软件的3份程序数据，依次对3份程序数据中相同位置的32bit数据进行按bit比较，采取3取2的原则对异常的数据位进行纠错；得到纠错后的数据值，重新写回Flash的原地址空间；

(3.2)载荷单元将数据写入Flash相应程序的3个地址空间后，判断所有程序数据是否纠错完毕，如果纠错未完毕，返回DSP，继续从Flash中读取程序数据并纠错；如果纠错完毕，则对整个程序数据进行重新校验；如果校验失败，则向管理计算机发送纠错失败信息，如果校验成功，结束程序。

以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，文中描述的FPGA和DSP可以替换成为其他任何处理类的芯片，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如可以增加一片MCU，只用于管理载荷单元中处理类芯片的软件重组功能。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权利要求范围之内。另外，本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种星载载荷单元软件在轨重组方法，具有如下技术特征：

在载荷单元中，三者都具有n个独立完整功能的软件程序版本的现场可编程门阵列FPGA1、FPGA2共端相连数字信号处理器DSP；载荷单元每次上电后，FPGA和DSP默认加载PROM中的软件版本1，在地面指令及载荷管理计算机的控制下，通过载荷管理计算机依次向FPGA和DSP发送软件程序版本切换指令和信息，FPGA和DSP根据接收的命令配置相应的控制信号；载荷单元加载并运行PROM版本，同时等待地面站的软件版本切换指令；地面站发送版本切换指令，载荷管理计算机接收地面站的指令后，首先给载荷单元的DSP发送FPGA2的版本切换指令及信息；DSP解析指令后，由FPGA1控制FPGA2的加载模式和外挂Flash中相应版本的地址空间，同时通知载荷管理计算机软件版本切换准备就绪；载荷管理计算机发送FPGA2的OC复位信号，FPGA2复位后主动从Flash中完成相应软件版本的加载；FPGA2加载成功后，载荷管理计算机发送FPGA1的版本切换指令及信息；FPGA1在FPGA2和载荷管理计算机的协同控制下，实现FPGA和DSP软件程序多版本之间的在轨切换功能；另外，载荷管理计算机向DSP发送软件程序版本维护指令和信息，DSP根据接收的命令配置相应的控制信号，实现Flash中FPGA和DSP软件程序版本的在轨更新和在轨纠错功能，并通过信息列表的方式来管理软件版本的状态，完成星载载荷单元软件在轨重组，其中n≥2。

2.如权利要求1所述的星载载荷单元软件在轨重组方法，其特征在于：FPGA2、FPGA1和DSP相连载荷管理计算机，工作在默认的功能模式下，载荷管理计算机依次发送FPGA2、FPGA1的OC复位信号，使FPGA从FLASH中动态加载不同的软件版本；当动态加载FLASH版本失败导致运行异常时，将由载荷管理计算机进行OC复位重新加载默认PROM版本，以避免死机；具备软件在轨更新时实时判断更新数据以及发现错误请求重传的机制,并通过信息列表的方式来管理软件版本的状态。

3.如权利要求1所述的星载载荷单元软件在轨重组方法，其特征在于：在n个独立完整功能的软件程序版本中，软件版本1的软件程序存储在PROM中,不可改存，其余版本的软件程序存储在可改存的Flash中；在工作过程中，当需要改变功能模式或者由于故障或任务变动需求功能更改时，通过地面指令、数据上注以及载荷管理计算机的控制，载荷单元中的FPGA和DSP从Flash中动态加载或者在线更新不同的软件版本，实现FPGA和DSP软件在轨切换和在轨维护的功能。

4.如权利要求1所述的星载载荷单元软件在轨重组方法，其特征在于：载荷单元中Flash的每个软件版本分别存储在三个不同的物理空间，加载时按三取二的原则进行数据读取；当某一物理空间的软件版本数据由于单粒子效应出错时，通过采用三取二的bit纠错进行在轨纠错。

5.如权利要求1所述的星载载荷单元软件在轨重组方法，其特征在于：FPGA1加载成功后，载荷管理计算机发送DSP的版本切换指令及信息；DSP解析指令后，由FPGA1控制其外挂Flash中相应DSP版本的地址空间，使其映射到0地址空间，然后在FPGA1控制下DSP最后完成版本切换；DSP完成版本切换后，判断切换后功能是否运行正常，是则完成切换，否则通过载荷管理计算机发送OC复位信号，返回加载并运行PROM版本。

6.如权利要求1所述的星载载荷单元软件在轨重组方法，其特征在于：载荷单元接收软件更新指令并解析，获得软件类型、软件版本号信息，并根据软件更新指令，判断指令信息的正确性；指令正确，则开始逐包接收软件更新数据，并执行数据校验操作，校验数据的正确性；否则，回复指令错误信息。

7.如权利要求6所述的星载载荷单元软件在轨重组方法，其特征在于：数据校验正确，载荷单元则根据数据包的编号，将数据包同时写入Flash的3个不同物理空间中，并继续接收新的数据包，回复正确接收信息；否则，发送请求数据包重传信息；判断本次数据包是否接收完毕，如果本次更新数据包接收完毕，则将接收数据包的详细信息，软件版本总数据包量、本次接收数据包量存入信息列表中，并结束程序；否则，等待接收新的数据包。

8.如权利要求7所述的星载载荷单元软件在轨重组方法，其特征在于：如果经过数据校验发现在轨预设软件版本有数据异常的情况，载荷单元执行在轨纠错指令，接收软件纠错指令并解析，获得软件类型，软件版本号信息，根据软件纠错指令，判断指令信息的正确性；指令不正确，DSP回复指令错误信息；指令正确，DSP根据指令信息，从Flash中读取相应软件的3份程序数据，依次对3份程序数据中相同位置的32bit数据进行按bit比较，采取3取2的原则对异常的数据位进行纠错；得到纠错后的数据值，重新写回Flash的原地址空间。

9.如权利要求1所述的星载载荷单元软件在轨重组方法，其特征在于：载荷单元写入Flash相应程序的3个地址空间后，判断所有程序数据是否纠错完毕，如果纠错未完毕，返回DSP，继续从Flash中读取程序数据并纠错；如果纠错完毕，则对整个程序数据进行重新校验；如果校验失败，则向管理计算机发送纠错失败信息，如果校验成功，结束纠错。