CN111737038A - 一种基于小卫星双机系统切机的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于小卫星双机系统切机的控制方法，属于星务计算机领域。本发明的基于小卫星双机系统切机的控制方法，双机由看门狗进行监视，包括以下操作：当主机当班时，主机定期向主机FIFO和备机FIFO中写入数据；若发生一次狗咬，则提交NMI中断，星务计算机应用程序记录并回卷，所述星务计算机应用程序重新运行；若发生连续两次狗咬，则主机系统复位，主机系统的软硬件均恢复到初始状态，程序重新运行；若发生连续三次狗咬，则备机加电，待备机复位完成之后，主机的FIFO自动传输数据至备机的FIFO中，备机提取数据后，完成数据迁移，重新运行系统。本发明解决了飞行任务切换过程中存在的长时间缝隙问题。
Description
技术领域
本发明属于星务计算机领域，尤其是一种基于小卫星双机系统切机的控制方 法。
背景技术
星务计算机作为卫星平台系统的核心部件，负责完成卫星的综合信息处理工 作，对星上各任务模块进行管理控制，监视全星状态，协调整星工作，配合有效 载荷实现各种控制和设置，完成整星的遥控遥测任务。传统星务计算机采用双机 冷备份构架，处于常加电工作模式。
针对星务计算机在整星所处地位的重要性，在面对复杂空间环境时，当星务 计算机出现单粒子翻转、死锁或程序跑飞等故障模式时，系统可通过双机系统的 故障切换和快速恢复控制电路逐级启动保护措施，从而保证星务系统在出现故障 时仍能满足系统响应性要求。
发明内容
本发明的目的在于解决卫星在飞行任务切换过程中存在的长时间缝隙问题， 提供一种基于小卫星双机系统切机的控制方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于小卫星双机系统切机的控制方法，双机由看门狗进行监视，包括以 下操作：
当主机当班时，主机定期向主机FIFO和备机FIFO中写入数据；
若发生一次狗咬，则提交NMI中断，星务计算机应用程序记录并回卷，所 述星务计算机应用程序重新运行；
若发生连续两次狗咬，则主机系统复位，主机系统的软硬件均恢复到初始状 态，程序重新运行；
若发生连续三次狗咬，则备机加电，待备机复位完成之后，主机的FIFO自 动传输数据至备机的FIFO中，备机提取数据后，完成数据迁移，重新运行系统， 并完成主机的关机操作。
进一步的，主机和备机互换。
进一步的，看门狗产生狗咬的具体过程为：
若2s之内，看门狗电路没有被清狗，则发生一次狗咬事件，系统产生200ms 负脉冲，触发NMI中断，进入中断之后软件保存信息；
若连续发生2次狗咬，则输出200ms的复位信号，对本机进行复位；
若连续发生3次狗咬，再输出200ms的切机指令，给对方机加电；
在上电复位、指令复位或清狗操作时，看门狗的时间计数器清零。
进一步的，所述看门狗的清狗周期不大于1s。
进一步的，若看门狗出现异常输出时，看门狗处于自身复位状态，不再对双 机进行监视。
进一步的，当切机时，双机利用信息交互通道进行数据交互，具体为：
备机加电之后，信息交互通道传输主机故障点之前的数据信息至备机，备机 提取数据之后，实现整星任务的快速恢复。
进一步的，主机、备机之间的数据交互的过程中进行如下校验：
主机向交互数据区写入3份相同的数据信息，在每64个字节增加一位CRC 进行校验；
待备机加电并复位后，按照RS-422的传输协议串行发送交互数据，进入备 机的缓冲区；
备机收到数据后，进行链路传输正确性检查，若链路传输出现错误，则重新 启动发送流程，直至链路传输正确；
之后对备机接收到的数据进行CRC运算，若接收到的CRC与发送的CRC 不同，则启动剩余交互数据的发送流程，直至接收到的CRC与发送的CRC的相 同，进入数据提取流程，等待备机提取和加载数据。
进一步的，在链路传输中引入奇偶校验错、帧错、溢出错、接收碎片的校验 策略，以检查链路传输是否正确。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的基于小卫星双机系统切机的控制方法，通过双机数据交互通道进行 数据交互，在双机自主切机过程中主动实现数据的可靠保存和双机数据安全交互， 使得切机后的任务之间的无缝切换，实现系统的快速恢复，解决了飞行任务切换 过程中存在的长时间缝隙问题，同时也提升了系统的可靠性和寿命。
附图说明
图1为双机切换迁移图；
图2为本发明的双机自主切换流程图；
图3为双机信息交互框图；
图4为本发明的数据检测流程框图；
图5为本发明的双机交互接口电路图；
图6为本发明的看门狗设计波形图；
图7为本发明的看门狗实测波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述 的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应 该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例 能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具 有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步 骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单 元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其 它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在现有的在星务计算机的体系结构中，采用了完全冷备份的冗余方案，工作 状态迁移涉及到主机开备机关、主机关备机开和主机和备机开3种状态，参见图 1，图1为双机切换迁移图：状态1表示主机当班、备机断电；状态2表示主机 和备机同时加电；状态3表示备机当班、主机断电。系统设计中根据应用软件的 定义，在状态2且主机工作正常时，主机的优先级高于备机。
星务计算机初始上电时，按继电器接通状态加电，保持上次关机前当班机状 态；无论在直接指令作用下，还是在自主切换过程中，系统状态均限制在以上3 个状态；系统切换过程如下：初始加电时，系统保持上次断电的状态，当为备机 当班，主机断电时；若备机工作异常，则看门狗电路溢出，发出“开主机”指令， 主机加电、备机复位；根据软件流程，主机工作正常后发出“关备机”指令，备 机断电。
双机冷备份切换流程如下：
a)正常开机后，主机或备机单机运行并输出控制；
b)当主机当班时，发生第一次狗咬，进NMI；连续2次狗咬，主机复位；连 续3次狗咬，仅备机加电；
c)当备机当班时，发生第一次狗咬，进NMI；连续2次狗咬，备机复位；连 续3次狗咬，仅主机加电。
星务计算机双机切换控制电路在硬件上设计完全一致，可由软件根据需求设 置主/备机的优先级。在信息化技术的推动下，卫星系统的性能不断提高，电子设 备不断向综合化、智能化方向发展，在空间和地面环境下，随着时间的推移电路 性能退化是一个必然结果。目前采用的双机冷备份的工作模式，当发生故障之后 才进行强制切机，切机之后计算机的备机重新加载程序，而前一时刻丢失的信息， 必然导致部分任务丢失或引起其它方面的严重后果。2012年某型号小卫星的星务 计算机因SRAM选型问题，在空间单粒子等复杂环境下，双机异常切换，导致 卫星任务频繁中断，并且在每次异常切机之后，需要地面强力干预，重新上注遥 控指令和轨道数据等信息。整个星务计算机需要完全恢复到正常工作模式大约需 要半天到一天的时间，其中备机从加电到正常运行约15s左右，地面上注指令数据时间则需要根据当时的轨道曲线确定。前15s的时间卫星属于不可控的危险状 态，后半天到一天的时间卫星无法正常进行飞行任务，导致卫星至少会丢失一轨 任务，特别是对于军用卫星，一轨数据的丢失可能就会带来致命的后果。
而本发明引入双机自主切换方法，是在原来当班机系统正常运行过程中，当 班机不停向非当班机的FIFO中更新关键数据或信息，在卫星正常运行过程中的 重要参数用于系统重构时使用，当发生连续三次狗咬备机加电时，当班机会自动 将FIFO中的关键数据或信息传递至非当班机，根据应用软件设置的抢权优先级， 当班机都会在第一时间获取卫星在轨的实际运行关键参数，从而可快速接管任务， 正常运行。当班机正常运行时定期向FIFO存入关键数据以及发生双机加电时将 关键信息利用双机之间的同步技术和数据交互技术，实现卫星关键数据、轨道数 据、姿控数据和任务数据等信息的可靠和透明传输，有效消除地面上注指令所需 要的繁琐过程和浪费的大量时间，为系统切机后的快速恢复，提供有效支持。
星务计算机与切换相关的直接遥控指令现定为4条，分别是：主机开、备机 关、主机关、备机开4种模态。在狗咬发生后双机都加电时，先加电的系统软硬 件已经都处于正常运行状态，后加电的系统需要在本系统硬件初始化都完成后才 能进行软件操作，此时双机的硬件都已初始化完成，存在抢权问题，根据星务计 算机应用程序设置，优先级高的系统此时要关掉对方机，实现抢权成功，成为当 班机，然后进行接口的使能操作。
为了提升星务计算机的可靠性，引入了双机自主切换方法，参见图2，图2 为双机自主切换流程图；当主机当班时，主机定期向双机FIFO中写入关键数据 或信息，若发生一次狗咬，则提交NMI中断，软件记录并回卷，程序重新运行； 若发生连续两次狗咬，则系统复位，硬件和软件都恢复到最初状态，程序重新运 行；若发生连续三次狗咬，则备机加电，等待备机复位完成之后，主机的FIFO 自动传输数据至备机的FIFO中，备机提取数据后，完成数据迁移，重新运行系 统，并完成主机的关机操作。
看门狗电路由FPG主机设计完成，与其他功能模块完全独立，外部采用独 立的24MHz晶振，采用全三模设计，用于产生看门狗电路内部1ms的计数脉冲， 该脉冲用于看门狗计时。仅上电复位、指令复位时或清狗操作，对看门狗时间计 数器清零。如果2s之内，看门狗电路没有被及时清狗，就会发生一次狗咬事件， 使系统产生200ms负脉冲，触发NMI中断，进入中断之后软件保存关键信息， 如果连续发生2次狗咬，则输出200ms的复位信号，对本机进行复位，如果连续 发生3次狗咬，再输出200ms的切机指令，仅给对方机加电。
为了保证狗咬电路的安全和有效性，在上电复位或指令复位之后，看门狗处 于使能状态。
为了提高电路的可靠性，在FPG主机设计中，对看门狗的全部逻辑进行了 TMR设计；为了保证软件的可靠性，要求清狗周期不大于1s；为防止看门狗异 常输出，系统提供了一条看门狗禁止指令，看门狗电路一旦接收到该命令，就会 一直处于自身复位状态，不再对系统进行监视。
星务计算机的快速恢复技术是基于双机之间的同步技术和数据交互作为基 本支撑来实现的，其中，同步技术实现了任务的连续，双机交互技术提供了任务 连续所需要的有效信息。同步技术主要分为周期级同步、任务级同步和指令级同 步，其中指令级同步为最高等级的同步，以双机或三机热备构架为基础，但是分 析目前和以后整星对星务计算机的技术需要，不存在指令同步的需求；任务级同 步为星务计算机每项功能任务的同步，该设计拟采取任务级同步的设计，为后续 星务计算机对实时性的更高需求，提供了软硬件支持，而任务级同步依靠双机之 间的高速信息通道来完成任务之间的连续；周期级同步为卫星一个完整的任务轮 询的同步，其中，每个完整的周期有众多的任务构成。
双机交互技术引入到星务计算机的主备机中，解决了切机之后任务恢复需要 的数据基础。卫星在轨运行过程，当星务计算机发生异常时，为了保证整星任务 的快速可靠切换，有效缩短整星不可控的时间。
在本发明中，星务计算机以三模冗余的方式，实时存储的整星关键数据、轨 道数据和姿控数据以及当前任务等信息，当星务计算机在轨运行出现故障时，通 过看门狗设计启动逐级保护措施，必要时计算机主动采取安全有效的切机操作。 备机加电之后，信息交互通道快速可靠的传输主机故障点之前的关键数据信息至 备机，备机提取数据之后，实现整星任务的快速恢复，避免了传统卫星在断电重 新加电之后卫星存在失控的状态，需要地面强力干预，重新上注遥控指令和轨道 数据等信息才能使卫星正常工作的弊端，双机信息交互设计框图如图3所示。
星务计算机双机中设计的数据交互通道，为获取计算机的快速恢复所需要的 信息提供了数据支持，设计框图如图所示。而在交互通道中数据传输的正确性则 直接影响到快速恢复的意义。如果数据信息错误轻则计算机无法实现快速恢复， 需要地面遥控干预，重则导致对错误信息的执行，引起不可预知的后果，所以双 机交互数据的正确性至关重要。为了保证传输数据的安全可靠，需要采用了多种 容错、校验技术和消除传输线路干扰以及双机交互硬件接口的潜通路隔离。
参见图4，图4为本发明的数据检测流程框图，主机向交互数据区写入3份 相同数据信息，每64个字节增加一位CRC校验，在备机加电并复位结束之后， 交互数据1按照RS-422的传输协议，串行发送数据进入备机的缓冲区，备机收 到数据后，首先进行链路传输正确性检查，在链路传输中引入奇偶校验错、帧错、 溢出错、接收碎片等多种校验策略，检查链路传输是否正确，如果错误则启动重 新发送流程，判断正确后，对接收后的数据进行CRC运算，如果与发送的CRC 相同则进入数据提取流程，等待备机提取和加载数据，如果数据错误，则启动交 互数据2发送流程，以此循环。
参见图5，图5为本发明的交互通道的接口电路，该接口电路使用发送数据 和接受数据的差分线驱动器，并按照对接单机的接口电路设计合理的上下拉参数 及匹配参数，该接口电路为状态标志和串行码的传输提供硬件支持，为了最大程 度的消除传输线路上的干扰和双机潜通路的隔离，采用了差分接口形式。
参见图6和图7，图6为本发明的看门狗设计波形，图7为本发明的看门狗 实测波形，通过比较，实测波形与设计波形相吻合。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡 是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发 明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于小卫星双机系统切机的控制方法，其特征在于，双机由看门狗进行监视，包括以下操作：
当主机当班时，主机定期向主机FIFO和备机FIFO中写入数据；
若发生一次狗咬，则提交NMI中断，星务计算机应用程序记录并回卷，所述星务计算机应用程序重新运行；
若发生连续两次狗咬，则主机系统复位，主机系统的软硬件均恢复到初始状态，程序重新运行；
若发生连续三次狗咬，则备机加电，待备机复位完成之后，主机的FIFO自动传输数据至备机的FIFO中，备机提取数据后，完成数据迁移，重新运行系统，并完成主机的关机操作。
2.根据权利要求1所述的基于小卫星双机系统切机的控制方法，其特征在于，主机和备机互换。
3.根据权利要求1所述的基于小卫星双机系统切机的控制方法，其特征在于，看门狗产生狗咬的具体过程为：
若2s之内，看门狗电路没有被清狗，则发生一次狗咬事件，系统产生200ms负脉冲，触发NMI中断，进入中断之后软件保存信息；
若连续发生2次狗咬，则输出200ms的复位信号，对本机进行复位；
若连续发生3次狗咬，再输出200ms的切机指令，给对方机加电；
在上电复位、指令复位或清狗操作时，看门狗的时间计数器清零。
4.根据权利要求3所述的基于小卫星双机系统切机的控制方法，其特征在于，所述看门狗的清狗周期不大于1s。
5.根据权利要求3所述的基于小卫星双机系统切机的控制方法，其特征在于，若看门狗出现异常输出时，看门狗处于自身复位状态，不再对双机进行监视。
6.根据权利要求1所述的基于小卫星双机系统切机的控制方法，其特征在于，当切机时，双机利用信息交互通道进行数据交互，具体为：
备机加电之后，信息交互通道传输主机故障点之前的数据信息至备机，备机提取数据之后，实现整星任务的快速恢复。
7.根据权利要求6所述的基于小卫星双机系统切机的控制方法，其特征在于，主机、备机之间的数据交互的过程中进行如下校验：
主机向交互数据区写入3份相同的数据信息，在每64个字节增加一位CRC进行校验；
待备机加电并复位后，按照RS-422的传输协议串行发送交互数据，进入备机的缓冲区；
备机收到数据后，进行链路传输正确性检查，若链路传输出现错误，则重新启动发送流程，直至链路传输正确；
之后对备机接收到的数据进行CRC运算，若接收到的CRC与发送的CRC不同，则启动剩余交互数据的发送流程，直至接收到的CRC与发送的CRC的相同，进入数据提取流程，等待备机提取和加载数据。
8.根据权利要求7所述的基于小卫星双机系统切机的控制方法，其特征在于，在链路传输中引入奇偶校验错、帧错、溢出错、接收碎片的校验策略，以检查链路传输是否正确。
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