CN110333881B - 一种基于星载fpga处理的载荷类设备软件在轨重构方法 - Google Patents

一种基于星载fpga处理的载荷类设备软件在轨重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于星载FPGA处理的载荷类设备软件在轨重构方法，涉及卫星通信星上载荷处理领域。本发明包含步骤如下：地面端与卫星端进行星地握手；地面端对卫星端存储区进行全部擦除操作；地面端对目标文件执行缓存、上注及比对操作，卫星端对目标文件执行写入、读取及校验操作；全部目标文件校验、比对；地面端通过遥控遥测信息实时监控星上的重构状态。本发明支持FPGA作为处理单元的载荷设备软件重构，可实现对在轨卫星技术状态的改变，使得卫星系统具备在轨软件可修复的能力，增加了卫星的可靠性与可用性。

Description

一种基于星载FPGA处理的载荷类设备软件在轨重构方法
技术领域
本发明属于卫星通信星上载荷处理领域，尤其涉及一种基于星载FPGA处理的载荷类设备软件在轨重构方法，具备对在轨卫星设备软件进行更新或者修复、不断提高完善系统的能力。
背景技术
传统的卫星载荷设备技术状态是固定的，卫星设备一旦发射，其状态不可改变，无法适应新技术的发展或者对软件程序的更新优化。近年来发展的载荷设备重构方案，虽然解决了上述问题，但大多采用嵌入式微型处理器作为载荷处理单元，对于只有FPGA的载荷设备显然不太适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种基于星载FPGA处理的载荷类设备软件在轨重构方法。本发明以FPGA作为载荷设备处理单元，帧格式设计中只需考虑到数据链路层，不需要复杂的通信协议栈作支撑，具备星上处理简单、快速等优点。
本发明采用的技术方案为：
一种基于星载FPGA处理的载荷类设备软件在轨重构方法，包括以下步骤：
(1)地面端与卫星端进行星地握手，确定当前是否能够进行重构，若能，则执行步骤(2)，否则继续进行星地握手；
(2)地面端控制软件发送存储区全部擦除指令数据帧到卫星端FPGA处理单元，卫星端FPGA处理单元对存储区全部擦除指令数据帧CRC校验无误后，根据帧头字段信息选择相应的存储区标志及扇区号，对存储区执行擦除操作，擦除完成后，下发擦除成功标志到地面端控制软件；
(3)地面端控制软件根据卫星端存储区的型号对目标文件按扇区进行缓存，并对每个扇区的目标文件及全部目标文件分别做MD5校验，将每个MD5校验结果储存；
(4)地面端控制软件按扇区对目标文件进行上注，每次传输当前扇区的目标文件至卫星端FPGA处理单元；
(5)卫星端FPGA处理单元解析接收到的地面端发送的数据帧，并对数据帧进行CRC校验及解析帧头字段，根据存储区标志和扇区号将去掉帧头后的数据写入存储区，写入完成后从存储区中读出数据做MD5校验，并将MD5校验结果组帧后下发给地面端控制软件；
(6)地面端控制软件接收到卫星端MD5校验结果数据帧后与存储的同一扇区MD5校验结果比对，如果两个MD5校验结果相同，则将下一个扇区作为当前扇区，返回步骤(4)，直到所有扇区目标文件上注完成；否则地面端控制软件控制卫星端FPGA处理单元对存储区当前扇区进行擦除，擦除后重新对当前扇区的目标文件进行上注，返回步骤(4)；
(7)卫星端FPGA处理单元从存储区中读出所有扇区的文件进行组帧，并将组好的数据帧发送到地面端控制软件进行MD5校验，若MD5校验结果与地面端控制软件存储的全部目标文件的MD5校验结果相同，则重构成功；
(8)地面端控制软件通过遥控遥测信息实时监控卫星端的重构状态。
其中，步骤(1)具体包括以下步骤：
(1a)地面端控制软件将多个握手消息数据帧发送到卫星端，卫星端FPGA处理单元对握手消息数据帧CRC校验无误后，将相应的握手消息响应数据帧下发给地面端控制软件；
(1b)地面端控制软件等待接收卫星端的握手消息响应数据帧，若在设定的超时时间内接收到全部握手消息响应数据帧，则执行步骤(2)，否则返回步骤(1a)。
其中，步骤(6)具体包括以下步骤：
(6a)地面端控制软件接收到MD5校验结果数据帧后与缓存的同一扇区MD5校验结果比对，如果地面端控制软件存储的当前扇区的MD5校验结果与卫星端下发的同一扇区的MD5校验结果相同，则将下一个扇区作为当前扇区，返回步骤(4)，直到所有扇区目标文件上注完成；如果不同，则执行步骤(6b)；
(6b)地面端控制软件判断出当前扇区传输失败，地面端控制软件识别传输失败扇区的扇区号，根据该扇区号发送单个扇区擦除指令帧到卫星端，卫星端FPGA处理单元对存储区该扇区进行擦除，擦除完成后，卫星端FPGA处理单元下发擦除成功标志到地面端控制软件；
(6c)地面端控制软件接收到卫星端的擦除成功标志后，返回步骤(4)重新上注该扇区的目标文件。
其中，步骤(7)具体包括以下步骤：
(7a)地面端控制软件发送全部目标文件校验请求帧到卫星端FPGA处理单元；
(7b)卫星端FPGA处理单元接收全部目标文件校验请求帧后，进行CRC校验，校验无误后，识别帧头字段的信息，并对相应的存储区进行读操作；
(7c)卫星端FPGA处理单元对从存储区中读出的所有扇区的文件进行组帧操作，并将组好的数据帧发送到地面端控制软件；
(7d)地面端控制软件接收到由卫星端FPGA处理单元下发的全部目标文件后，进行MD5校验；
(7e)地面端控制软件将卫星端FPGA处理单元下发的全部目标文件的MD5校验结果与地面端控制软件缓存的全部目标文件的MD5校验结果进行对比，两个MD5校验结果相同，则重构成功。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1、本发明支持FPGA作为载荷设备处理单元。
2、本发明支持数据链路层传输，不需要协议栈作支撑。
3、本发明具有断点续传的能力。
4、本发明在工程实现具有实现简单、占用资源少等优点。
附图说明
图1是本发明的基于FPGA硬件处理的总体流程图。
图2是本发明的基于FPGA硬件处理的重构数据交互流程图。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2和具体实施例对本发明做进一步的说明。
本发明一种基于星载FPGA处理的载荷类设备软件在轨重构方法，步骤如下：
(1)地面端与卫星端进行星地握手，地面端计算星地时延。该步骤主要是为了判断当前状态下的星地链路状态，并确定当前链路状态下是否能够进行重构操作，具体处理流程说明如下：
(1a)地面端将多个握手消息数据帧发送到卫星端，卫星端对握手消息数据帧CRC校验无误后，将相应的握手消息响应数据帧下发给地面端控制软件；
(1b)地面端控制软件等待接收卫星端的握手消息响应数据帧，并在设定的超时时间内接收到全部握手消息响应数据帧后，计算星地平均延时及丢包状况；
(2)地面端发送全部擦除指令，卫星端执行存储区擦除操作。该步骤的主要目的是对卫星端存储区执行全部擦除操作，为下一步执行目标文件的上注准备条件，具体处理流程说明如下：
(2a)地面端控制软件发送存储区全部擦除指令数据帧到卫星端，卫星端FPGA处理单元对接收到的存储区全部擦除指令数据帧CRC校验无误后，根据帧头字段信息，选择相应的存储区型号及擦除位置等信息，对存储区执行擦除操作；
(2b)卫星端存储区擦除完成后，下发擦除成功标志到地面端。
(3)地面端控制软件根据卫星端存储区的型号对目标文件按扇区进行缓存，并对每个扇区的目标文件及全部目标文件分别做MD5校验，将每个MD5校验结果储存；
(4)地面端控制软件按扇区对目标文件进行上注，每次传输当前扇区的目标文件至卫星端FPGA处理单元；
(5)卫星端FPGA处理单元解析接收到的地面端发送的数据帧，并对数据帧进行CRC校验及解析帧头字段，根据存储区标志和扇区号将去掉帧头后的数据写入存储区，写入完成后发送读取指令，从存储区中将当前扇区的全部文件读出，放入缓存，并对文件做MD5校验，并将MD5校验结果组帧后下发给地面端控制软件；
(6)地面端控制软件接收到卫星端MD5校验结果数据帧后与存储的同一扇区MD5校验结果比对，如果两个MD5校验结果相同，则将下一个扇区作为当前扇区，返回步骤(4)，直到所有扇区目标文件上注完成；否则地面端控制软件控制卫星端FPGA处理单元对存储区当前扇区进行擦除，擦除后重新对当前扇区的目标文件进行上注，返回步骤(4)；具体处理流程说明如下：
(6a)地面端控制软件接收到MD5校验结果数据帧后与缓存的同一扇区MD5校验结果比对，如果地面端控制软件存储的当前扇区的MD5校验结果与卫星端下发的同一扇区的MD5校验结果相同，则将下一个扇区作为当前扇区，返回步骤(4)，直到所有扇区目标文件上注完成；如果不同，则执行步骤(6b)；
(6b)地面端控制软件判断出当前扇区传输失败，地面端控制软件识别传输失败扇区的扇区号，根据该扇区号发送单个扇区擦除指令帧到卫星端，卫星端FPGA处理单元对存储区该扇区进行擦除，擦除完成后，卫星端FPGA处理单元下发擦除成功标志到地面端控制软件；
(6c)地面端控制软件接收到卫星端的擦除成功标志后，返回步骤(4)重新上注该扇区的目标文件。
(7)卫星端FPGA处理单元从存储区中读出所有扇区的文件进行组帧，并将组好的数据帧发送到地面端控制软件进行MD5校验，若MD5校验结果与地面端控制软件存储的全部目标文件的MD5校验结果相同，则重构成功；由于卫星端FPGA处理单元缓存的限制，因此将对全部目标文件的校验放到地面端控制软件，具体处理流程说明如下：
(7a)地面端控制软件发送全部目标文件校验请求帧到卫星端FPGA处理单元；
(7b)卫星端FPGA处理单元接收全部目标文件校验请求帧后，进行CRC校验，校验无误后，识别帧头字段的信息，并对相应的存储区进行读操作；
(7c)卫星端FPGA处理单元对从存储区中读出的所有扇区的文件进行组帧操作，并将组好的数据帧发送到地面端控制软件；
(7d)地面端控制软件接收到由卫星端FPGA处理单元下发的全部目标文件后，进行MD5校验；
(7e)地面端控制软件将卫星端FPGA处理单元下发的全部目标文件的MD5校验结果与地面端控制软件缓存的全部目标文件的MD5校验结果进行对比，两个MD5校验结果相同，则重构成功。
(8)地面端控制软件通过遥控遥测信息实时监控卫星端的重构状态。该步骤的主要目的是实时监控星上的重构状态。
本发明地面端控制软件可在普通的PC机上实现，卫星端处理单元可采用Xilinx厂生产的FPGA系列产品XC7VX690T型号上实现，而卫星端存储设备可采用复旦微电子的JFM29LV641-E型64M bit Flash存储器。

Claims (4)

1.一种基于星载FPGA处理的载荷类设备软件在轨重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)地面端与卫星端进行星地握手，确定当前是否能够进行重构，若能，则执行步骤(2)，否则继续进行星地握手；
(2)地面端控制软件发送存储区全部擦除指令数据帧到卫星端FPGA处理单元，卫星端FPGA处理单元对存储区全部擦除指令数据帧CRC校验无误后，根据帧头字段信息选择相应的存储区标志及扇区号，对存储区执行擦除操作，擦除完成后，下发擦除成功标志到地面端控制软件；
(3)地面端控制软件根据卫星端存储区的型号对目标文件按扇区进行缓存，并对每个扇区的目标文件及全部目标文件分别做MD5校验，将每个MD5校验结果储存；
(4)地面端控制软件按扇区对目标文件进行上注，每次传输当前扇区的目标文件至卫星端FPGA处理单元；
(5)卫星端FPGA处理单元解析接收到的地面端发送的数据帧，并对数据帧进行CRC校验及解析帧头字段，根据存储区标志和扇区号将去掉帧头后的数据写入存储区，写入完成后从存储区中读出数据做MD5校验，并将MD5校验结果组帧后下发给地面端控制软件；
(6)地面端控制软件接收到卫星端MD5校验结果数据帧后与存储的同一扇区MD5校验结果比对，如果两个MD5校验结果相同，则将下一个扇区作为当前扇区，返回步骤(4)，直到所有扇区目标文件上注完成；否则地面端控制软件控制卫星端FPGA处理单元对存储区当前扇区进行擦除，擦除后重新对当前扇区的目标文件进行上注，返回步骤(4)；
(7)卫星端FPGA处理单元从存储区中读出所有扇区的文件进行组帧，并将组好的数据帧发送到地面端控制软件进行MD5校验，若MD5校验结果与地面端控制软件存储的全部目标文件的MD5校验结果相同，则重构成功；
(8)地面端控制软件通过遥控遥测信息实时监控卫星端的重构状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于星载FPGA处理的载荷类设备软件在轨重构方法，其特征在于，步骤(1)具体包括以下步骤：
(1a)地面端控制软件将多个握手消息数据帧发送到卫星端，卫星端FPGA处理单元对握手消息数据帧CRC校验无误后，将相应的握手消息响应数据帧下发给地面端控制软件；
(1b)地面端控制软件等待接收卫星端的握手消息响应数据帧，若在设定的超时时间内接收到全部握手消息响应数据帧，则执行步骤(2)，否则返回步骤(1a)。
3.根据权利要求1所述的一种基于星载FPGA处理的载荷类设备软件在轨重构方法，其特征在于，步骤(6)具体包括以下步骤：
(6a)地面端控制软件接收到MD5校验结果数据帧后与缓存的同一扇区MD5校验结果比对，如果地面端控制软件存储的当前扇区的MD5校验结果与卫星端下发的同一扇区的MD5校验结果相同，则将下一个扇区作为当前扇区，返回步骤(4)，直到所有扇区目标文件上注完成；如果不同，则执行步骤(6b)；
(6b)地面端控制软件判断出当前扇区传输失败，地面端控制软件识别传输失败扇区的扇区号，根据该扇区号发送单个扇区擦除指令帧到卫星端，卫星端FPGA处理单元对存储区该扇区进行擦除，擦除完成后，卫星端FPGA处理单元下发擦除成功标志到地面端控制软件；
(6c)地面端控制软件接收到卫星端的擦除成功标志后，返回步骤(4)重新上注该扇区的目标文件。
4.根据权利要求1所述的一种基于星载FPGA处理的载荷类设备软件在轨重构方法，其特征在于，步骤(7)具体包括以下步骤：
(7a)地面端控制软件发送全部目标文件校验请求帧到卫星端FPGA处理单元；
(7b)卫星端FPGA处理单元接收全部目标文件校验请求帧后，进行CRC校验，校验无误后，识别帧头字段的信息，并对相应的存储区进行读操作；
(7c)卫星端FPGA处理单元对从存储区中读出的所有扇区的文件进行组帧操作，并将组好的数据帧发送到地面端控制软件；
(7d)地面端控制软件接收到由卫星端FPGA处理单元下发的全部目标文件后，进行MD5校验；
(7e)地面端控制软件将卫星端FPGA处理单元下发的全部目标文件的MD5校验结果与地面端控制软件缓存的全部目标文件的MD5校验结果进行对比，两个MD5校验结果相同，则重构成功。
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