CN116467183A - 一种星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，地面测控分系统和地面重构验证管理分系统三部分，三部分通过星地协同设计保障星地重构过程的一致性，包含可进行地面多种类故障注入试验验证架构，星上注入数据管理和重构管理框架，实现了一种应用于卫星单机软件在轨重构验证的平台架构，可以利用该架构快速进行单机在轨重构前的验证和演练，解决目前没有可应用于卫星单机软件在轨重构的验证演练平台的局面。

Description

一种星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统

技术领域

本发明涉及卫星管理系统领域，具体涉及一种带有故障自验证模式的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统。

背景技术

一颗卫星内部运行有大量的载荷单机，每个单机上都有很多CPU软件，这些软件互相配合保证卫星的正常运行和任务执行。卫星在轨运行过程中，往往存在一些地面难以预料或忽略的事情发生，从而导致卫星单机软件在轨运行出现一定的异常，这时就需要地面通过测控系统向卫星上注新的单机软件代码，更改现有星上软件的问题。另外有时由于任务的调整，也需要更新当前在轨卫星单机软件，这时也需要地面上注新的软件代码更新现有在轨软件。

一般卫星单机软件的重构分重构数据准备过程、地面上注过程、平台存储过程、平台注入单机过程以及启动过程。在重构数据准备过程中，需要在地面对需要上注的程序进行准备，然后将准备好的数据通过上注通道上注到在轨运行的卫星中，卫星接收到后会将接收到的代码转发给对应需要更新软件的载荷单机，最后卫星通过发送重启指令等方式启动单机内上注的代码，最后软件正常运行，卫星单机在轨重构就结束了。在这个过程中涉及环节较多，很容易出现各种各样的问题，这就需要提前在地面进行重构的演练，也就是在地面模拟在轨重构提前进行地面试验验证，以保证真实在轨重构不会出现问题，同时还需要确保在轨卫星平台需要准备上注给单机的代码与地面验证的代码一致，也需要确保注入的流程与地面预期一致。但是目前对单机在轨重构前进行地面充分性验证的手段还很少，而且很多简单的验证工作也独立于在轨重构过程，地面验证工作与在轨重构环节协同性很低，两者无法互补，导致卫星单机重构流程验证和在轨管理不充分，存在很多的隐患。

另外，现有技术还存在以下缺陷：

1)目前卫星单机在轨上注更新代码，所有的上注数据都需要经过卫星平台，但是很少有卫星平台对各载荷单机软件的上注数据进行管理，缺少为载荷单机提供在轨重构的星上管理支撑，大部分都依靠载荷单机自己进行上注数据的处理，基本都是透明转发，导致载荷单机的数据在载荷接收之前如果已经发生异常，依然会注入到载荷单机内，依赖单机自己的判断能力，存在较大的在轨安全风险；

2)目前卫星在轨软件重构过程仅依靠地面测控系统软件，地面缺少对在轨重构过程的自动监控和故障处置系统，没有与地面系统通过链路进行星地协同，导致卫星在轨重构过程出现任何异常情况，都需要地面人员进行数据读取判断，然后通过手动操作测控，重新上注软件，流程繁琐，环节复杂，在一些时间紧张情况下依然容易产生问题；

3)现有的在地面对在轨重构流程进行上注前的验证方式就是利用真实的地面卫星备份设备，在地面上注重构代码，验证重构结果是否正常。这种方式，会由于使用单机的整星测试设备，重构上注方式固定，地面无法灵活的模拟重构上注过程中的各种变化，而且如果在轨卫星运行过程中，地面设备缺失，会导致在轨上注重构软件前根本无法进行有效性验证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有故障自验证的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种带有故障自验证的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，包括地面重构验证管理分系统，星上单机重构管理分系统和地面测控分系统：所述地面重构验证管理分系统是卫星单机在轨重构的重要控制中枢，用于卫星单机重构数据的生成、地面重构流程演练、重构故障模拟和分析、卫星在轨状态监控和重构上注过程自动化管理功能；所述星上单机重构管理分系统是星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统的星上部组件，用于接收到卫星单机在轨重构数据后的在轨星上管理，配合地面重构验证管理分系统实现星地协同，以及卫星单机在轨重构；所述地面测控分系统用于将地面重构验证管理分系统最终生成的上注帧，在调度模块的管理下，在特定时间段，上注到在轨卫星上。

进一步的，所述地面重构验证管理分系统包括重构故障注入模块，卫星在轨仿真运行模块，重构数据和上注帧生成模块，重构过程管理和调度模块以及卫星状态监控和判断模块：所述重构故障注入模块用于为卫星软件重构的验证提供各种类型的故障注入，为卫星软件的重构设计策略验证要点的各个阶段实现故障注入，并根据用户的各种需要进行定制；所述卫星在轨仿真运行模块是模拟卫星星上运行环境的仿真系统，仿真的被测软件的与重构相关的功能包括：重构程序的上注、重构程序的存储、重构程序的启用、重构程序的运行、被测软件的遥测遥控；所述重构数据和上注帧生成模块用于在地面将需要在轨重构的单机软件代码进行编译生成目标码数据，并将目标码数据打包为多个固定大小的可上注的数据帧，通过重构过程管理和调度模块发送给卫星在轨仿真运行模块中进行在轨重构演练，或者发送给地面测控分系统通过星地链路输送给卫星；所述卫星状态监控和判断模块负责采集卫星在轨仿真运行模块中仿真卫星的遥测数据和地面测控分系统接收的卫星真实在轨遥测数据，对卫星在轨仿真运行模块通过故障注入模拟的多种类卫星在轨重构状态进行特征识别和分类，对采集的真实卫星在轨遥测数据提取卫星在轨重构状态相关参数进行特征识别，与地面仿真运行存储的重构状态特征进行匹配，将匹配结果反馈到重构过程管理和调度模块中；所述重构过程管理和调度模块负责根据卫星在轨仿真运行模块在不同故障注入模式下，记录对应卫星重构状态下的重构数据帧上注相关指令操作过程，管理和调度真实卫星单机重构数据帧通过测控分系统上注相关指令操作过程，实现卫星单机在轨重构自动管理。

进一步的，所述卫星在轨仿真运行模块由遥测遥控设备、程序上注指令上注接口、遥测数据下行接口、被测件运行设备组成：程序上注指令上注接口用于接收程序上注和指令上注，是模拟卫星地面上注的外部接口，可以配置上行的相关协议；所述遥测数据下行接口用于向模拟卫星向地面下行遥测数据，是遥测下行的外部接口，用于配置下行的相关协议使用不同卫星种类；所述遥测遥控设备是上下行提供的具体硬件仿真设备，用于提供数据上行仿真和数据下行仿真，实现数据上下行的故障注入；所述被测件运行设备是被测软件仿真运行的平台。

进一步的，重构故障注入模块分5种注入方式：1)重构测控上行故障注入，根据实际需要对上行数据做处理，然后将已经加入故障的上行数据发送给数据上行接口；2)被测软件运行过程故障注入，主要包括重构指令上注顺序，重构过程中的其他指令和被测软件本身的各个进程任务；3)硬件设备故障模拟注入，通过重构故障注入模块直接读取更改被测件仿真系统运行主板上的CPU的各个寄存器、内存区域、flash区域、eeprom区域、prom区域，实现对被测件仿真运行系统的硬件设备故障模拟注入；4)太空辐射环境模拟即EDAC粒子翻转故障注入，是重构故障注入模块通过改变硬件数据的方式，模拟EDAC单粒子和双粒子翻转，形成EDAC粒子翻转的故障注入；5)重构数据生成过程中的故障注入，是对生成的目标码加入故障。

进一步的，所述遥测遥控设备存在故障注入接口和是否上行故障注入的选择端口，所述重构故障注入模块向遥测遥控设备发送指令，重构测控上行故障注入根据指令选择当前进行上行故障注入还是不进行上行故障注入。

进一步的，所述重构数据和上注帧生成模块中存在故障注入软件接口和是否数据故障注入选择模块，所述重构数据生成过程中的故障注入根据重构故障注入模块向重构数据和上注帧生成模块发送的指令通知决定当前是否进行生成数据的故障注入。

进一步的，重构故障注入模块还包括重构故障注入用例库，用于存放根据重构故障注入的需要试验验证的方式定制的用例，所述用例采用脚本化的语言编写，形成脚本文件保存起来。

进一步的，所述卫星状态监控和判断模块由仿真卫星数据采集模块、真实在轨卫星数据采集模块、采集数据收集模块、采集数据分析模块、被测软件运行遥测显示模块、卫星重构状态判读模块组成；仿真卫星数据采集模块采集卫星仿真系统在运行重构流程过程中下传的各种遥测数据，包括上注的带有插桩代码信息的程序运行成功时发送出去的关键标识数据的采集；真实在轨卫星数据采集模块采集卫星在轨真实系统在运行重构流程过程中下传的各种遥测数据；采集数据收集模块将软件运行数据采集到的信息收集汇总，将软件的遥测数据传递到被测软件运行遥测显示模块，以及重构过程的监控数据在经过初步分析处理后发送到卫星重构状态判读模块中进行卫星在轨重构状态判定，判定当前真实在轨卫星重构状态与地面仿真的各种卫星重构状态中哪一种类型匹配，调动重构过程管理和调度模块按照对应的重构状态响应策略进行对应的上注指令处理。

进一步的，所述星上单机重构管理分系统由重构上注帧接收区、重构上注帧校验区、重构上注帧存储A区、重构上注帧存储B区、重构上注帧存储C区、重构上注帧判选和修正模块、单机重构指令序列区和单机重构执行模块组成：所述重构上注帧接收区负责接收地面测控分系统通过星地链路上传上来的卫星单机重构帧数据；所述重构上注帧校验区负责对接收到的重构上注帧进行数据校验；重构数据帧通过校验后，将每一个数据帧都同时存储到重构上注帧存储A区，重构上注帧存储B区，重构上注帧存储C区中；所述重构上注帧判选和修正模块会对存储区中的数据进行判选和修正；单机重构指令序列区存储地面仿真和故障注入训练出的多种类卫星在轨重构状态对应的卫星单机在轨重构相关应急处理指令序列，用于卫星在轨重构发生异常时触发卫星在轨快速应急响应和处理；所述单机重构执行模块负责触发重构上注帧判选和修正模块选择需要发送给单机的重构数据帧，从所述单机重构指令序列区中选取单机重构指令进行执行，同时将当前单机重构过程中的遥测参数发送给地面测控分系统，供地面重构验证管理分系统进行分析判断和处理。

进一步的，所述重构上注帧存储A、重构上注帧存储B区、重构上注帧存储C区互为备份，防止在轨星上数据被特殊事件篡改；所述重构上注帧判选和修正模块发现存储区的数据某一位有一个存储区与另外两个不一致，则判断此存储区该位数据发生了篡改，并对该位数据进行修正。

采用了上述技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：

1)实现一种应用于卫星单机软件在轨重构验证的平台架构，可以利用该架构快速进行单机在轨重构前的验证和演练，解决目前没有可应用于卫星单机软件在轨重构的验证演练平台的局面；

2)该自动管理系统需要实现对卫星单机在轨软件重构过程的全实时监控和故障实时诊断，方便重构人员随时关注重构过程中的各种数据变化，并能自动对重构过程进行动态调整；

3)实现地面重构验证管理模块与星上重构管理模块的星地协同工作，地面模块自动对星上管理模块通过测控链路进行管理和控制，对重构过程中的各种情况进行实时跟踪和触发控制；

4)实现星上平台对星上单机软件重构数据的处理，星上单机重构流程的管理，同时对星上重构数据和流程与地面的一致性进行监控和校验，确保在轨星上重构与地面验证演练的一致性，保障在轨重构过程的正确性。

附图说明

图1为带有故障自验证模式的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统结构图。

图2为地面重构验证管理分系统结构图。

图3为地面重构验证管理分系统的工作流程图。

图4为卫星在轨仿真运行模块结构图。

图5为重构故障注入模块结构图。

图6为重构测控上行故障注入工作流程图。

图7为被测软件运行过程故障注入工作流程图。

图8为被测件仿真运行系统结构图。

图9为重构数据生成过程中的故障注入工作流程图。

图10为卫星状态监控和判断模块结构图。

图11为星上单机重构管理分系统结构图。

图12为星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统模块图。

图13为星地协同单机在轨重构的星地闭环过程图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本方案提供的一种星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统由星上和地面共同闭环组成，如图1所示，该系统包含三个部分：星上单机重构管理分系统、地面测控分系统和地面重构验证管理分系统。

地面重构验证管理分系统主要负责卫星单机重构数据的生成、地面重构流程演练、重构故障模拟和分析、卫星在轨状态监控和重构上注过程自动化管理功能，是卫星单机在轨重构的重要控制中枢大脑，如图2所示，包括：重构故障注入模块、卫星在轨仿真运行模块、重构数据和上注帧生成模块、重构过程管理和调度模块以及卫星状态监控和判断模块。

重构故障注入模块为卫星软件重构的验证提供各种类型的故障注入，可以在卫星软件的重构设计策略验证要点的各个阶段实现故障注入：1)在程序上注过程中的故障注入，如上注数据中断、上注短时间大数据量等；2)程序存储时期的各种类型存储区的故障注入，如EDAC、存储区数据异常、写入异常等；3)程序启动时期的故障注入，如复位、切机等情况下下故障注入等；4)重构数据本身的故障注入，如协议错误、丢帧、校验异常等；5)重构故障处理过程中的故障注入，如上注数据缓存异常等等。另外重构故障注入模块还可以根据用户的各种需要进行定制。

卫星在轨仿真运行模块是为卫星星上软件系统提供的一个模拟真实运行环境的仿真系统，可以提供多种类CPU运行下的软件重构试验，包括龙芯处理器、SPARCTSC695/697处理器等。另外还提供多种类存储器下的重构验证，包括flash、EEPROM等。被测的卫星软件可以在该被测件仿真运行系统上独立运行，各项操作与被测软件在真实单机上的运行无差异。该系统可以仿真被测软件的重构相关的各项功能：重构程序的上注、重构程序的存储、重构程序的启用、重构程序的运行、被测软件的遥测遥控等。同时，卫星在轨仿真运行模块提供的卫星遥测参数反应的卫星重构正常异常相关的状态信息与在轨卫星真实遥测参数反应的卫星重构正常异常相关的状态信息一致，可以通过重构故障注入模块结合，将卫星在轨重构过程中的各种正常、异常状态情况模拟仿真出来并将各种状态情况进行标识存储下来。

重构数据和上注帧生成模块负责在地面将需要在轨重构的单机软件代码进行编译生成目标码数据，并自动将目标码数据进行拆分和按照一定协议打包为多个固定大小的可上注的数据帧，这些数据帧可直接通过重构过程管理和调度模块发送给卫星在轨仿真运行模块中进行在轨重构演练，也可以直接发送给地面测控分系统通过星地链路输送给卫星。

卫星状态监控和判断模块负责采集卫星在轨仿真运行模块中仿真卫星的遥测数据和地面测控分系统接收的卫星真实在轨遥测数据，对卫星在轨仿真运行模块通过故障注入模拟的多种类卫星在轨重构状态进行特征识别和分类，对采集的真实卫星在轨遥测数据提取卫星在轨重构状态相关参数进行特征识别，与地面仿真运行存储的重构状态特征进行匹配，将匹配结果反馈到重构过程管理和调度模块中。

重构过程管理和调度模块负责根据卫星在轨仿真运行模块在不同故障注入模式下，记录对应卫星重构状态下的重构数据帧上注相关指令操作过程，通过卫星在轨仿真运行模块对该过程管理和调度模块的训练，根据卫星真实在轨重构状态，管理和调度真实卫星单机重构数据帧通过测控分系统上注相关指令操作过程，实现卫星单机在轨重构自动管理。

如图3为地面重构验证管理分系统的工作流程。1)重构数据和上注帧生成模块中进行重构数据的准备和生成；2)将需要上注的重构数据在模块中生成可通过测控上行通道上注的帧；3)上注帧生成后，在重构过程管理和调度模块中负责将各上注帧调度注入卫星在轨仿真运行模块；4)在卫星在轨仿真运行模块中模拟在轨重构上注和重构过程；5)由卫星状态监控和判断模块监控重构仿真过程中卫星的各种状态数据，观察是否当前重构过程中存在异常或需要处理的特定状态；6)如果存在需要对重构过程进行处理调整的状态，则在重构过程管理和调度模块中调整重构帧的上注策略(比如重新上注特定帧数据，或重新生成特定数据，或重新调整上注顺序等)；7)在卫星在轨仿真运行模块中对调整后的重构过程进行仿真演练；8)卫星状态监控和判断模块继续监控重构仿真过程中卫星状态数据；9)如果依然存在异常情况，需要调整重构策略，则重复6、7、8状态，直至卫星状态数据满足在轨重构需求；10)当状态符合要求时，重构过程管理和调度模块会将上述1～9步过程中最终可以满足上注重构需求的有效策略和上注帧数据记录保存下来，包括其中遇到的各种异常情况和对应的处置方式，形成特定状态下特定处置流程和处置数据的记录表，为后续卫星真实在轨重构的自动化处理提供前期数据策略支持。

特别注意的是，在上述1～9步骤中，重构故障注入模块会将各种异常情况在1～9的步骤运行过程中进行自动或人工手动补充的故障注入，通过不停的训练卫星在轨重构策略，最终形成可应对各种在轨重构异常状态的有效策略表(即第10步)；在地面对重构过程进行充分验证后，可继续开展真实在轨重构过程；11)卫星状态监控和判断模块在真实在轨上注前，监控当前在轨卫星状态数据；12)重构过程管理和调度模块根据当前卫星的真实状态数据查找对应的卫星重构策略，控制地面测控分系统开展重构上注过程；13)卫星状态监控和判断模块在真实在轨上注过程中，实时监控当前在轨卫星状态数据；14)重构过程管理和调度模块根据当前卫星的真实状态数据实时查找对应的卫星重构策略，控制地面测控分系统开展重构上注过程；15)重复13、14步骤，直至重构过程管理和调度模块查找到当前卫星真实状态数据对应的策略为中止重构过程或完成重构过程；16)卫星状态监控和判断模块根据卫星在轨真实状态最终判定当前卫星重构是否成功。

如图4所示，卫星在轨仿真运行模块，由遥测遥控设备、程序上注指令上注接口、遥测数据下行接口、被测件运行设备组成。程序上注指令上注接口可以接收程序上注和指令上注，是模拟卫星地面上注的外部接口，可以配置上行的相关协议。遥测数据下行接口可以向模拟卫星向地面下行遥测数据，是遥测下行的外部接口，可以配置下行的相关协议使用不同卫星种类。遥测遥控设备是上下行提供的具体硬件仿真设备，提供数据上行仿真和数据下行仿真，在该设备中可以实现数据上下行的故障注入。被测件运行设备是被测软件仿真运行的平台，上面CPU处理，CPU处理器可以根据不同的软件需要进行选择，可提供龙芯、SPARCTSC695/697等处理器的运行，同时被测件运行设备中还包含硬件存储区，软件在内存中运行，固话的程序可以放在PROM中，上注的重构程序可以写入flash和eeprom中。同时被测件运行设备中的CPU、内存、FLASH、EEPROM、PROM都对外提供了相应的访问功能，可以方便卫星状态监控和判断模块随时查看各个硬件设备的状态和访问存储区内的数据，可以方便重构故障注入模块向其中注入相关的故障。

如图5所示，重构故障注入模块分5种注入方式：1)重构测控上行故障注入；2)被测软件运行过程故障注入；3)存储区、内存、CPU等硬件设备故障模拟注入；4)太空辐射环境模拟即EDAC粒子翻转故障注入；5)重构数据生成过程中的故障注入。

重构测控上行故障注入过程如图6所示，重构故障注入模块可以直接访问遥测遥控设备，对数据上行接口进行干预。在遥测遥控设备中存在故障注入接口和是否上行故障注入的选择端口。测试人员可以通过重构故障注入模块向遥测遥控设备发送指令，选择当前进行上行故障注入还是不进行上行故障注入。如果当前不进行上行故障注入，则上行的数据帧直接发送给数据上行接口，通过422串口发送给被测件运行软件；如果当前进行上行故障注入，则上行的数据先发送给故障注入接口模块，该模块对上行数据按照要求进行故障处理，一般可以对上行的数据进行数据包顺序的变化、上行数据内容的丢帧操作、上行数据中插入外来数据等，总之可以根据实际需要对上行数据做任意的处理，然后将已经加入故障的上行数据发送给数据上行接口，再通过422串口发送给被测件运行软件。

如图7所示，被测软件运行过程中的故障注入对重构过程影响关注点一般在被测软件正常重构过程中的重构指令上注顺序和重构过程中的其他指令的影响以及被测软件本身的各个进程任务的影响。其中被测软件本身的各个进行任务对重构的影响，是通过卫星状态监控和判断模块可直接进行观察的，不需要人为的故障注入。而重构指令上注顺序和重构过程中的其他指令的影响是可以通过故障注入的形式试验的。通过重构故障注入模块可以向遥测遥控设备发送不按要求顺序发送的重构指令，也可以在重构过程中，通过重构故障注入模块向遥测遥控设备上注会影响重构的外部指令进行干扰。

如图8所示，为存储区、内存、CPU等硬件设备故障模拟注入以及太空辐射环境模拟即EDAC粒子翻转故障注入结构图。重构故障注入模块可以直接读取更改被测件仿真系统运行主板上的CPU的各个寄存器、内存区域、flash区域、eeprom区域、prom区域，实现对被测件仿真运行系统的存储区、内存、CPU等硬件设备故障模拟注入。重构故障注入模块还可以通过改变这种更改硬件数据的方式，模拟EDAC单粒子和双粒子翻转，形成EDAC粒子翻转的故障注入。

如图9为重构数据生成过程中的故障注入工作流程图。重构数据生成过程中的故障注入主要是对生成的目标码加入故障，在重构数据和上注帧生成模块中存在故障注入软件的接口和是否数据故障注入选择模块。重构故障注入模块向重构数据和上注帧生成模块发送指令通知当前是否进行生成数据的故障注入，如果不进行故障注入，则生成的目标码直接发送给重构程序注入模块，发送给被测件仿真运行系统的遥测遥控设备；如果进行生成数据的故障注入，则将生成的目标码发送给故障注入接口，重构故障注入模块会更改目标码数据，向其中注入故障(比如增减文件中的二进制数据制造校验异常等)，生成的带有故障的数据再发送给重构程序注入模块发送出去。

重构故障注入用例库：重构故障注入模块中会提前根据重构过程中的故障注入的需要试验验证的方式定制好用例，放到用例库中，这些用例采用脚本化的语言编写，形成脚本文件保存起来。当使用时，可以直接选择某类故障的脚本执行，将故障注入到对应的重构流程中，方便测试人员操作故障注入过程。另外测试人员也可以根据实际需要定制化的编写故障注入脚本，实现特定的故障注入用例。

如图10所示，卫星状态监控和判断模块由仿真卫星数据采集模块、真实在轨卫星数据采集模块、采集数据收集模块、采集数据分析模块、被测软件运行遥测显示模块、卫星重构状态判读模块组成。仿真卫星数据采集模块采集卫星仿真系统在运行重构流程过程中下传的各种遥测数据，包括上注的带有插桩代码信息的程序如果成功运行起来之后发送出去的关键标识数据的采集。真实在轨卫星数据采集模块采集卫星在轨真实系统在运行重构流程过程中下传的各种遥测数据。采集数据收集模块将软件运行数据采集到的信息收集汇总之后，将软件的遥测数据传递到被测软件运行遥测显示模块，以及重构过程的监控数据在经过初步分析处理分类整理后发送到卫星重构状态判读模块中进行卫星在轨重构状态判定，判定当前真实在轨卫星重构状态与地面仿真的各种卫星重构状态中哪一种类型匹配，调动重构过程管理和调度模块按照对应的重构状态响应策略进行对应的上注指令处理。

地面测控分系统作为星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统中星地桥联的中间部件，直接使用现有的地面测控分系统相关软件和硬件即可，主要负责将地面重构验证管理分系统最终生成的一条条上注帧，在调度模块的管理下、在特定时间段，上注特定数据帧到在轨卫星上。

星上单机重构管理分系统作为星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统的星上部组件，是整个星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统的一个重要组成部分，完成接收到卫星单机在轨重构数据后的在轨星上管理，配合地面重构验证管理分系统实现星地协同，最终完成卫星单机在轨重构。

如图11所示，星上单机重构管理分系统由重构上注帧接收区、重构上注帧校验区、重构上注帧存储A区、重构上注帧存储B区、重构上注帧存储C区、重构上注帧判选和修正模块、单机重构指令序列区和单机重构执行模块组成，如下图所示。其中重构上注帧接收区负责接收地面测控分系统通过星地链路上传上来的卫星单机重构帧数据，重构上注帧校验区负责对接收到的重构上注帧进行数据校验，每一个接收到的帧都通过CRC校验的方式与帧头自带的校验码进行比对，判断当前地面上传上来的重构数据帧是否存在数据丢失、数据错误的情况，在重构数据帧通过校验后，将每一个数据帧都同时存储到三个不同的重构上注帧存储区(A\B\C)中，三个存储区位置不同，互为备份，防止在轨星上数据被单粒子等特殊事件篡改，因为三区备份，同时在不同存储区同一个bit点被篡改的几率非常低，重构上注帧判选和修正模块负责对重构上注帧存储A区、重构上注帧存储B区、重构上注帧存储C区同一位置数据通过两两比对的方式进行判定，如果某一bit位三个存储区都一样则未发生篡改，可以直接读取，如果某一bit位有一个存储区与另外两个不一致，则该存储区该bit位发生了篡改，重构上注帧判选和修正模块会对该bit位进行修正，修正结果为另外两个一致的bit位的值，单机重构指令序列区中存储的是地面仿真和故障注入训练出的多种类卫星在轨重构状态对应的卫星单机在轨重构相关应急处理指令序列，可以在卫星在轨重构发生异常时触发卫星在轨快速应急响应和处理，单机重构执行模块负责触发重构上注帧判选和修正模块选择需要发送给单机的重构数据帧，从单机重构指令序列区中选取单机重构指令进行执行，同时将当前单机重构过程中的遥测参数发送给地面测控分系统，供地面重构验证管理分系统进行分析判断和处理。

如图12所示，最终，通过星上单机重构管理分系统和地面重构验证管理分系统的综合协作工作，以及地面测控分系统的星地通信保障，实现了星地协同的卫星单机在轨重构自动管理。

如图13所示，整个星地协同单机在轨重构的星地闭环过程为：地面通过仿真运行模块和重构故障注入模块反复验证演练训练在轨重构过程，将每一种卫星在轨正常异常的状态下对应的重构流程和指令序列都记录和存储下来，不停的监控卫星在轨真实状态，选择合适的时机将准备好的上注数据帧和指令序列通过地面测控分系统上注到在轨卫星中，在轨星上单机重构管理分系统中对上注的数据帧进行接收校验存储，通过多存储区判定修正保障在轨数据的抗太空异常环境能力，星上单机重构管理分系统实时将当前卫星星上状态通过地面测控分系统下传给地面重构验证管理分系统，地面分系统自动根据当前卫星状态进行分析和归类，调整选择合适的对应上注数据更新帧和对应应急处理指令序列，通过地面测控分系统上注回在轨卫星中，在轨卫星再对新上注的数据进行相应处理和执行，如此反复，直到最终地面重构验证管理分系统判定当前卫星单机重构成功，至此结束整个重构闭环过程。

采用本自动管理系统，具有以下优点：

1)创新性地采用了地面重构验证管理分系统的工作流程，在轨真实重构过程利用了地面仿真体系的介入，将仿真模块有效的与在轨重构过程相融合，利用仿真模块为单机在轨重构提供了测试验证、重构演练和卫星重构状态训练与归类；

2)创新性地将全方位故障注入融合到了真实卫星在轨单机重构过程中，通过多层级多角度的重构故障注入提供在轨重构演练，对卫星在轨重构过程中可能遇到的各种状态进行训练，提升卫星单机在轨重构的可靠性和提前预测相关异常状态的能力；

3)创新性地在星上单机重构管理中通过上注帧校验、重构上注帧存储三区比对和重构上注帧判选修正结合的方式，对重构上注数据进行了多重正确性保障；

4)创新性地将地面仿真和故障注入训练出多种类卫星在轨重构状态对应的卫星单机在轨重构相关应急处理指令序列，并将各状态下的对应指令序列存储在星上单机重构指令序列区中，实现星地协同快速重构应急响应机制，能迅速发现并处理在轨单机重构过程中的各种异常状态；

5)创新性地通过地面重构验证管理分系统与星上单机重构管理分系统相互配合，实现了地面系统与在轨卫星系统的星地协同联动，将卫星在轨重构过程从传统的地面仅提供遥控上行和遥测下行能力，改变为提供完整的地面重构过程管理体系和故障演练和实时调整能力，形成了完整的在轨单机重构星地协同大闭环。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，其特征在于，包括地面重构验证管理分系统，星上单机重构管理分系统和地面测控分系统：

所述地面重构验证管理分系统是卫星单机在轨重构的重要控制中枢，用于卫星单机重构数据的生成、地面重构流程演练、重构故障模拟和分析、卫星在轨状态监控和重构上注过程自动化管理功能；

所述星上单机重构管理分系统是星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统的星上部组件，用于接收到卫星单机在轨重构数据后的在轨星上管理，配合地面重构验证管理分系统实现星地协同，以及卫星单机在轨重构；

所述地面测控分系统用于将地面重构验证管理分系统最终生成的上注帧，在调度模块的管理下，在特定时间段，上注到在轨卫星上。

2.根据权利要求1所述的一种带有故障自验证的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，其特征在于，所述地面重构验证管理分系统包括重构故障注入模块，卫星在轨仿真运行模块，重构数据和上注帧生成模块，重构过程管理和调度模块以及卫星状态监控和判断模块：

所述重构故障注入模块用于为卫星软件重构的验证提供各种类型的故障注入，为卫星软件的重构设计策略验证要点的各个阶段实现故障注入，并根据用户的各种需要进行定制；

所述卫星在轨仿真运行模块是模拟卫星星上运行环境的仿真系统，仿真的被测软件的与重构相关的功能包括：重构程序的上注、重构程序的存储、重构程序的启用、重构程序的运行、被测软件的遥测遥控；

所述重构数据和上注帧生成模块用于在地面将需要在轨重构的单机软件代码进行编译生成目标码数据，并将目标码数据打包为多个固定大小的可上注的数据帧，通过重构过程管理和调度模块发送给卫星在轨仿真运行模块中进行在轨重构演练，或者发送给地面测控分系统通过星地链路输送给卫星；

所述卫星状态监控和判断模块负责采集卫星在轨仿真运行模块中仿真卫星的遥测数据和地面测控分系统接收的卫星真实在轨遥测数据，对卫星在轨仿真运行模块通过故障注入模拟的多种类卫星在轨重构状态进行特征识别和分类，对采集的真实卫星在轨遥测数据提取卫星在轨重构状态相关参数进行特征识别，与地面仿真运行存储的重构状态特征进行匹配，将匹配结果反馈到重构过程管理和调度模块中；

所述重构过程管理和调度模块负责根据卫星在轨仿真运行模块在不同故障注入模式下，记录对应卫星重构状态下的重构数据帧上注相关指令操作过程，管理和调度真实卫星单机重构数据帧通过测控分系统上注相关指令操作过程，实现卫星单机在轨重构自动管理。

3.根据权利要求2所述的一种带有故障自验证的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，其特征在于，所述卫星在轨仿真运行模块由遥测遥控设备、程序上注指令上注接口、遥测数据下行接口、被测件运行设备组成：

程序上注指令上注接口用于接收程序上注和指令上注，是模拟卫星地面上注的外部接口，可以配置上行的相关协议；

所述遥测数据下行接口用于向模拟卫星向地面下行遥测数据，是遥测下行的外部接口，用于配置下行的相关协议使用不同卫星种类；

所述遥测遥控设备是上下行提供的具体硬件仿真设备，用于提供数据上行仿真和数据下行仿真，实现数据上下行的故障注入；所述被测件运行设备是被测软件仿真运行的平台。

4.根据权利要求2或3所述的一种带有故障自验证的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，其特征在于，重构故障注入模块分5种注入方式：

1)重构测控上行故障注入，根据实际需要对上行数据做处理，然后将已经加入故障的上行数据发送给数据上行接口；

2)被测软件运行过程故障注入，主要包括重构指令上注顺序，重构过程中的其他指令和被测软件本身的各个进程任务；

3)硬件设备故障模拟注入，通过重构故障注入模块直接读取更改被测件仿真系统运行主板上的CPU的各个寄存器、内存区域、flash区域、eeprom区域、prom区域，实现对被测件仿真运行系统的硬件设备故障模拟注入；

4)太空辐射环境模拟即EDAC粒子翻转故障注入，是重构故障注入模块通过改变硬件数据的方式，模拟EDAC单粒子和双粒子翻转，形成EDAC粒子翻转的故障注入；

5)重构数据生成过程中的故障注入，是对生成的目标码加入故障。

5.根据权利要求3所述的一种带有故障自验证的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，其特征在于，所述遥测遥控设备存在故障注入接口和是否上行故障注入的选择端口，所述重构故障注入模块向遥测遥控设备发送指令，重构测控上行故障注入根据指令选择当前进行上行故障注入还是不进行上行故障注入。

6.根据权利要求2所述的一种带有故障自验证的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，其特征在于，所述重构数据和上注帧生成模块中存在故障注入软件接口和是否数据故障注入选择模块，所述重构数据生成过程中的故障注入根据重构故障注入模块向重构数据和上注帧生成模块发送的指令通知决定当前是否进行生成数据的故障注入。

7.根据权利要求4所述的一种带有故障自验证的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，其特征在于，重构故障注入模块还包括重构故障注入用例库，用于存放根据重构故障注入的需要试验验证的方式定制的用例，所述用例采用脚本化的语言编写，形成脚本文件保存起来。

8.根据权利要求2所述的一种带有故障自验证的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，其特征在于，所述卫星状态监控和判断模块由仿真卫星数据采集模块、真实在轨卫星数据采集模块、采集数据收集模块、采集数据分析模块、被测软件运行遥测显示模块、卫星重构状态判读模块组成：

仿真卫星数据采集模块采集卫星仿真系统在运行重构流程过程中下传的各种遥测数据，包括上注的带有插桩代码信息的程序运行成功时发送出去的关键标识数据的采集；

真实在轨卫星数据采集模块采集卫星在轨真实系统在运行重构流程过程中下传的各种遥测数据；

采集数据收集模块将软件运行数据采集到的信息收集汇总，将软件的遥测数据传递到被测软件运行遥测显示模块，以及重构过程的监控数据在经过初步分析处理后发送到卫星重构状态判读模块中进行卫星在轨重构状态判定，判定当前真实在轨卫星重构状态与地面仿真的各种卫星重构状态中哪一种类型匹配，调动重构过程管理和调度模块按照对应的重构状态响应策略进行对应的上注指令处理。

9.根据权利要求1所述的一种带有故障自验证的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，其特征在于，所述星上单机重构管理分系统由重构上注帧接收区、重构上注帧校验区、重构上注帧存储A区、重构上注帧存储B区、重构上注帧存储C区、重构上注帧判选和修正模块、单机重构指令序列区和单机重构执行模块组成：

所述重构上注帧接收区负责接收地面测控分系统通过星地链路上传上来的卫星单机重构帧数据；

所述重构上注帧校验区负责对接收到的重构上注帧进行数据校验；

重构数据帧通过校验后，将每一个数据帧都同时存储到重构上注帧存储A区，重构上注帧存储B区，重构上注帧存储C区中；

所述重构上注帧判选和修正模块会对存储区中的数据进行判选和修正；

单机重构指令序列区存储地面仿真和故障注入训练出的多种类卫星在轨重构状态对应的卫星单机在轨重构相关应急处理指令序列，用于卫星在轨重构发生异常时触发卫星在轨快速应急响应和处理；

所述单机重构执行模块负责触发重构上注帧判选和修正模块选择需要发送给单机的重构数据帧，从所述单机重构指令序列区中选取单机重构指令进行执行，同时将当前单机重构过程中的遥测参数发送给地面测控分系统，供地面重构验证管理分系统进行分析判断和处理。

10.根据权利要求9所述的一种带有故障自验证的星地协同卫星单机在轨重构自动管理系统，其特征在于，所述重构上注帧存储A、重构上注帧存储B区、重构上注帧存储C区互为备份，防止在轨星上数据被特殊事件篡改；所述重构上注帧判选和修正模块发现存储区的数据某一位有一个存储区与另外两个不一致，则判断此存储区该位数据发生了篡改，并对该位数据进行修正。