CN111431651A - 一种适用于火星探测的多计算机同步运行与时间对准方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于火星探测的多计算机同步运行与时间对准方法，首先，星载计算机系统中的多计算机使用同一硬件脉冲信号，触发计算机软件开始执行控制功能，保证多计算机每个控制周期的运行起点同步；其次，计算机软件根据设计要求，识别出需要精确同步执行的子任务；最后，为第二步识别出的需精确同步运行子任务划分专门的运行时间起点，计算机软件使用同一硬件周期脉冲计时，保证子任务运行时间起点同步。

Description

一种适用于火星探测的多计算机同步运行与时间对准方法

技术领域

本发明涉及一种适用于火星探测的多计算机同步运行与时间对准方法，属于火星探测的星载计算机系统管理技术。

背景技术

我国将于2020年发射火星探测器，随着探测器飞往火星，器地距离增加，星地无法实施实时测控通讯链路，火星探测的星载计算机系统需要长期进行多计算机自主管理。火星探测要求星载计算机系统中的多计算机同步运行，以此长期保证三计算机的控制软件运行状态一致，当有权计算机故障时，星载计算机系统可以平稳地切换计算机权。

针对火星探测的特点，既需要保证星载计算机系统的稳定性，避免由于某台计算机运行过程中偶发的“失步”，而导致此计算机一直“失步”，最终导致整个星载计算机系统不再同步运行的情况；又要保证多计算机同步运行的精确性，若某台计算机由于“失步”不能及时的向表决器提供正确的表决信息，必须将此计算机隔离出表决系统。星载计算机系统既无需每个操作多计算机都精确同步运行，又需要在执行关键的操作精确同步，因此有必要发明一种适用于火星探测的多计算机同步运行与时间对准方法，为火星探测的星载计算机系统管理提供基础条件。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种适用于火星探测的多计算机同步运行与时间对准方法，解决了星载计算机系统的三计算机，既无需每个操作多计算机都精确同步运行，在执行关键的操作又可以精确同步的问题。

本发明的技术方案是：

一种适用于火星探测的多计算机同步运行与时间对准方法，包括步骤如下：

1)在火星探测器上设置3台星载计算机，将当前正在执行任务的计算机作为主份计算机，其余计算机作为备份计算机；同一时刻有且仅有一台主份计算机；

2)控制三台星载计算机的控制周期的起始时间点同步，具体为：每台计算机均设置有计数器，由同频同源的硬件信号触发三台星载计算机的计数器计数，该计数器按控制周期循环计数，星载计算机按计数器的值依次执行子任务；

3)将星载计算机每个控制周期需要执行的任务划分为五类子任务，所述五类子任务按执行顺序，依次为：数据采集子任务、数据计算子任务、控制输出子任务、表决信息输出子任务、启动表决子任务；

所述数据采集子任务需要三台星载计算机在同一时刻开始运行；

所述启动表决子任务需要三台星载计算机在同一时刻开始运行；

4)将星载计算机每个控制周期划分为三个时间段，依次为：第一时间段、第二时间段、第三时间段；所述第一时间段运行数据采集子任务，第二时间段运行数据计算子任务、控制输出子任务和表决信息输出子任务，第三时间段运行启动表决子任务；

5)设定数据采集子任务对应的第一同步阈值a和启动表决子任务对应的第三同步阈值c；

6)在每个控制周期按下述步骤，运行上述五类子任务，具体为：

61)在每个控制周期开始后，分别判定每个星载计算机对应的计数器是否达到第一同步阈值a，若计数器达到第一同步阈值a，则进入步骤63)；反之，则进入步骤62)；

62)按等时间间隔Δ循环判定计数器是否达到第一同步阈值a，直至计数器达到第一同步阈值a，则进入步骤63)；

63)运行数据采集子任务，然后依次运行数据计算子任务、控制输出子任务和表决信息输出子任务，再进入步骤64)；

64)分别判定每个星载计算机对应的计数器是否达到第三同步阈值c，若计数器达到第三同步阈值c，则进入步骤66)；反之，则进入步骤65)；

65)按等时间间隔Δ循环判定计数器是否达到第三同步阈值c，直至计数器达到第三同步阈值c，则进入步骤66)；

66)运行启动表决子任务；

所述时间间隔Δ等于星载计算机运行单条指令所需的时间。

步骤3)所述划分五类子任务的方法，具体为：

将采集火星探测器上安装的敏感器原始数据的任务，划分为数据采集子任务；所述敏感器包括：加速度计、陀螺仪、星敏感器、模拟太阳角计；

将根据敏感器原始数据，解算火星探测器的加速度、角速度、姿态信息的任务，划分为数据计算子任务；

将根据火星探测器的加速度、角速度、姿态信息计算出动量轮转速、喷气脉宽的控制信息，并将控制信息发送给动量轮、推进系统执行的任务，划分为控制输出子任务；

将从火星探测器星载计算机内存中选取若干关键信息，作为表决信息，并将这些表决信息发送给表决器的任务，划分为表决信息输出子任务；

将向表决器发送启动表决的任务，划分为启动表决子任务。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明使用同频同源的硬件信号触发三台星载计算机的计数器计数，，星载计算机按计数器的值依次执行子任务，同步运行的精确性得到提高。

2)本发明将星载计算机每个控制周期需要执行的任务，按同步要求的划分为若干子任务，仅对某些需要精确同步的任务进行同步运行，既满足了系统同步运行的需求，又减少系统设计的复杂性，提高稳定性。

附图说明

图1为本发明多计算机同步运行与时间对准示意图。

具体实施方式

针对火星探测的特点，火星探测过程中要求，星载计算机系统的多计算机同步运行，以此长期保证三计算机的控制软件运行状态一致，从而保证当有权计算机故障时，星载计算机系统可以平稳地切换计算机权。多计算机同步运行既需要保证同步运行的稳定性，又要保证精确性；既无需每个操作多计算机都精确同步运行，又需要在执行关键的操作精确同步。

本发明提供一种适用于火星探测的多计算机同步运行与时间对准方法，为识别出的需精确同步运行子任务进行时间对准。在一个控制周期内划分专门的运行时间片。计算机软件使用同一硬件周期脉冲作为时间计数器。每当程序运行到需要精确同步的任务的起点时，判断此时硬件周期脉冲计数是否已到达预设的值，若已到达，则继续运行；若未到达，则继续等待，直到满足条件后，再继续运行。以此在运行较快的计算机上的任务中插入一定的等待时间，使它与运行较慢的计算机实现子任务的时间对准。

其主要包括以下内容：

第一步：星载计算机系统中的多计算机使用同一硬件脉冲信号，触发计算机软件开始执行控制功能，保证多计算机每个控制周期的运行起点同步；

第二步：计算机软件将整个控制周期所需执行的功能划分为若干子任务，这些子任务中根据设计要求，识别出哪些子任务需精确同步运行，有些则不进行精确的同步运行。子任务的颗粒度不宜太大，一般控制在50条语句以内；

第三步：为第二步识别出的需精确同步运行子任务进行时间对准。在一个控制周期内划分专门的运行时间起点。计算机软件使用同一硬件周期脉冲作为时间计数器。每当程序运行到需要精确同步的任务的起点时，判断此时硬件周期脉冲计数是否已到达预设的值，若已到达，则继续运行；若未到达，则继续等待，直到满足条件后，再继续运行。以此在运行较快的计算机上的任务中插入一定的等待时间，使它与运行较慢的计算机实现时间对准。

一种适用于火星探测的多计算机同步运行与时间对准方法，包括步骤如下：

1)在火星探测器上设置3台星载计算机，将当前正在执行任务的计算机作为主份计算机，其余计算机作为备份计算机；同一时刻有且仅有一台主份计算机；

2)控制三台星载计算机的控制周期的起始时间点同步，具体为：每台计算机均设置有计数器，由同频同源的硬件信号触发三台星载计算机的计数器计数，该计数器按控制周期循环计数，星载计算机按计数器的值依次执行子任务；即3台星载计算机使用同一硬件脉冲信号，触发计算机软件开始执行控制功能。

3)将星载计算机每个控制周期需要执行的任务划分为五类子任务，所述五类子任务按执行顺序，依次为：数据采集子任务、数据计算子任务、控制输出子任务、表决信息输出子任务、启动表决子任务；

所述数据采集子任务需要三台星载计算机在同一时刻开始运行；

所述启动表决子任务需要三台星载计算机在同一时刻开始运行；

所述数据计算子任务、控制输出子任务、表决信息输出子任务不要求三台星载计算机在同一时刻开始运行。

4)将星载计算机每个控制周期划分为三个时间段，每个时间段的时间长短不一定相同，与该时间段的任务需求时间对应，依次为：第一时间段、第二时间段、第三时间段；所述第一时间段运行数据采集子任务，第二时间段运行数据计算子任务、控制输出子任务和表决信息输出子任务，第三时间段运行启动表决子任务；

5)设定数据采集子任务对应的第一同步阈值a和启动表决子任务对应的第三同步阈值c；

6)在每个控制周期按下述步骤，运行上述五类子任务，具体为：

61)在每个控制周期开始后，分别判定每个星载计算机对应的计数器是否达到第一同步阈值a，若计数器达到第一同步阈值a，则进入步骤63)；反之，则进入步骤62)；

62)按等时间间隔Δ循环判定计数器是否达到第一同步阈值a，直至计数器达到第一同步阈值a，则进入步骤63)；

63)运行数据采集子任务，然后依次运行数据计算子任务、控制输出子任务和表决信息输出子任务，再进入步骤64)；

64)分别判定每个星载计算机对应的计数器是否达到第三同步阈值c，若计数器达到第三同步阈值c，则进入步骤66)；反之，则进入步骤65)；

65)按等时间间隔Δ循环判定计数器是否达到第三同步阈值c，直至计数器达到第三同步阈值c，则进入步骤66)；

66)运行启动表决子任务；

所述时间间隔Δ等于星载计算机运行单条指令所需的时间。本发明实施例中Δ＝9/16μs。

步骤3)所述划分五类子任务的方法，具体为：

将采集火星探测器上安装的敏感器原始数据的任务，划分为数据采集子任务；所述敏感器包括：加速度计、陀螺仪、星敏感器、模拟太阳角计等；

将根据敏感器原始数据，解算火星探测器的加速度、角速度、姿态信息的任务，划分为数据计算子任务；

将根据火星探测器的加速度、角速度、姿态信息计算出动量轮转速、喷气脉宽的控制信息，并将这些控制信息发送给动量轮、推进系统执行的任务，划分为控制输出子任务；

将从火星探测器星载计算机内存中选取若干关键信息，作为表决信息，并将这些表决信息发送给表决器的任务，划分为表决信息输出子任务；

将向表决器发送启动表决的任务，划分为启动表决子任务。

实施例

第一步：星载计算机系统中的多计算机接收同一时钟源产生的500ms周期的硬件脉冲信号，每台计算机收到此脉冲信号后均进入中断，在中断处理程序中设置控制功能开始执行标志。退出中断后，计算机软件开始执行控制功能。使用同一时钟源产生的500ms周期的硬件脉冲信号，保证多计算机每个控制周期的运行起点同步；

第二步：计算机软件将整个控制周期所需执行的功能划分为若干子任务，包括：“数据采集”、“数据计算”、“控制输出”、“表决信息输出”、“启动表决”五类子任务。为了能够长期可靠的三计算机同步运行，采取同步子任务最少化的原则，对“数据采集”、“启动表决”两个子任务进行三计算机精确的同步执行，而对“数据计算”、“控制输出”、“表决信息输出”三个子任务则不进行同步运行。计算机软件根据设计要求，识别出哪些子任务需精确同步运行，有些则不进行精确的同步运行；识别出三个需要精确同步执行的子任务：单机数据采集子任务、向控制器发送控制指令子任务和向表决器发送表决信息子任务。在执行这三个子任务时，多计算机必须精确同步。

第三步：为第二步识别出的需精确同步运行的“数据采集”、“启动表决”两个子任务进行三计算Δ机软件使用同一硬件周期脉冲作为三计算机同步运行对准计数器，每个控制周期该计数器从0累加到500，控制周期结束后自动清零。某计算机需要运行“数据采集”子任务时，计算机软件查询此时同步运行对准计数器是否等于5，若等于则开始运行，若不是，则计算机软件继续等待，以此保证三计算机同时在对准计数器等于5时，启动采集数据；“数据采集”子任务执行完毕后，各个计算机自行继续执行“数据计算”、“控制输出”、“表决信息输出”三个子任务，无需同步运行；计算机需要运行“表决信息输出”子任务时，计算机软件查询此时同步运行对准计数器是否等于400，若等于则开始运行，若不是，则计算机软件继续等待，以此保证三计算机同时启动表决。计算机软件使用同一时钟源产生的5ms周期的硬件周期脉冲作为时间计数器。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种适用于火星探测的多计算机同步运行与时间对准方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)在火星探测器上设置3台星载计算机，将当前正在执行任务的计算机作为主份计算机，其余计算机作为备份计算机；同一时刻有且仅有一台主份计算机；

2)控制三台星载计算机的控制周期的起始时间点同步，具体为：每台计算机均设置有计数器，由同频同源的硬件信号触发三台星载计算机的计数器计数，该计数器按控制周期循环计数，星载计算机按计数器的值依次执行子任务；

3)将星载计算机每个控制周期需要执行的任务划分为五类子任务，所述五类子任务按执行顺序，依次为：数据采集子任务、数据计算子任务、控制输出子任务、表决信息输出子任务、启动表决子任务；

所述数据采集子任务需要三台星载计算机在同一时刻开始运行；

所述启动表决子任务需要三台星载计算机在同一时刻开始运行；

4)将星载计算机每个控制周期划分为三个时间段，依次为：第一时间段、第二时间段、第三时间段；所述第一时间段运行数据采集子任务，第二时间段运行数据计算子任务、控制输出子任务和表决信息输出子任务，第三时间段运行启动表决子任务；

5)设定数据采集子任务对应的第一同步阈值a和启动表决子任务对应的第三同步阈值c；

6)在每个控制周期按下述步骤，运行上述五类子任务，具体为：

61)在每个控制周期开始后，分别判定每个星载计算机对应的计数器是否达到第一同步阈值a，若计数器达到第一同步阈值a，则进入步骤63)；反之，则进入步骤62)；

62)按等时间间隔Δ循环判定计数器是否达到第一同步阈值a，直至计数器达到第一同步阈值a，则进入步骤63)；

63)运行数据采集子任务，然后依次运行数据计算子任务、控制输出子任务和表决信息输出子任务，再进入步骤64)；

64)分别判定每个星载计算机对应的计数器是否达到第三同步阈值c，若计数器达到第三同步阈值c，则进入步骤66)；反之，则进入步骤65)；

65)按等时间间隔Δ循环判定计数器是否达到第三同步阈值c，直至计数器达到第三同步阈值c，则进入步骤66)；

66)运行启动表决子任务；

所述时间间隔Δ等于星载计算机运行单条指令所需的时间。

2.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测的多计算机同步运行与时间对准方法，其特征在于，步骤3)所述划分五类子任务的方法，具体为：

将采集火星探测器上安装的敏感器原始数据的任务，划分为数据采集子任务；所述敏感器包括：加速度计、陀螺仪、星敏感器、模拟太阳角计；

将根据敏感器原始数据，解算火星探测器的加速度、角速度、姿态信息的任务，划分为数据计算子任务；

将根据火星探测器的加速度、角速度、姿态信息计算出动量轮转速、喷气脉宽的控制信息，并将控制信息发送给动量轮、推进系统执行的任务，划分为控制输出子任务；

将从火星探测器星载计算机内存中选取若干关键信息，作为表决信息，并将这些表决信息发送给表决器的任务，划分为表决信息输出子任务；

将向表决器发送启动表决的任务，划分为启动表决子任务。

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