CN116737649A - 商业航天器的多层冗余可重构计算系统和实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天飞行器电子领域，具体涉及一种商业航天器的多层冗余可重构计算系统和实现方法。系统包括数据和任务分配单元、姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元，三个单元之间通过总线通信，三个单元与外部单机通过总线通信，数据和任务分配单元采用一个Flash型FPGA和一个ARM芯片组成的SOC单元结合外部驱动电路，姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元均采用ARM芯片结合外部驱动电路。本发明三个单元使用低功耗高主频的ARM芯片，功能上相互独立，且又各自具备一套外设，同时系统各个单元互为冗余备份，采用多级硬件冗余和故障诊断实现系统级的备份和容错，保障了航天器电子系统的高可靠性。

Description

商业航天器的多层冗余可重构计算系统和实现方法

技术领域

本发明属于航天飞行器电子领域，具体涉及一种商业航天器的多层冗余可重构计算系统和实现方法。

背景技术

随着商业航天的快速发展，低成本、快速研制的需求促使航天产业开始广泛关注工业级和货架产品，同时传统的卫星系统以平台和载荷为设计对象，以单一类型载荷任务为工作目标，无法满足当前服务型需求快速增长的航天器发展要求。

目前已经出现的搭载多服务对象的航天飞行器，以其星务系统为计算核心，多采用航天级或军工级器件，在考虑冗余备份的设计时仍以星务CPU为中心，通过双机或多机冷备份或热备份实现可靠性的提高。目前的星务系统可扩展性较差，每套卫星均需定制星务计算系统，以满足不同的接口、控制和通信要求。

而为了满足现在商业航天的发展，需要快速响应、低成本，并以服务为导向的计算系统。使用低成本工业级器件，通过冗余和可配置方案支持不同类型的航天器多变的使用要求，并实现通用化和高可靠性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种商业航天器的多层冗余可重构计算系统和实现方法，以满足服务型商业航天器的计算系统为目标，设计包括三个计算单元的多层冗余系统，以ARM芯片和flash型FPGA为核心实现三模冗余计算，采用多种总线相连，数据实时通信、存储备份和计算仲裁，可重构软件和故障诊断实现重配置。

本发明是这样实现的，提供一种商业航天器的多层冗余可重构计算系统，包括数据和任务分配单元、姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元，数据和任务分配单元与姿轨控制管理单元、可扩展服务管理单元分别通过总线通信，数据和任务分配单元、姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元与外部单机通过总线通信，数据和任务分配单元采用一个Flash型FPGA和一个ARM芯片组成的SOC单元结合外部驱动电路，姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元均采用ARM芯片结合外部驱动电路。

优选的，所述数据和任务分配单元、所述姿轨控制管理单元和所述可扩展服务管理单元均包括的功能模块有：传感和采样模块、开关驱动模块、通信驱动模块、供电和保护模块、重启复位模块、外部存储模块。

进一步优选，所述数据和任务分配单元、所述姿轨控制管理单元和所述可扩展服务管理单元与外部单机的总线通信方式包括CAN总线、SPI总线、I2C总线、RS422和LVDS。

进一步优选，所述数据和任务分配单元、所述姿轨控制管理单元和所述可扩展服务管理单元采用的ARM芯片均为400Mhz主频。

本发明还提供一种利用上述的商业航天器的多层冗余可重构计算系统进行商业航天器的多层冗余可重构实现方法，包括如下内容：

1)在高频或关键任务执行阶段，所述数据和任务分配单元、所述姿轨控制管理单元和所述可扩展服务管理单元对同一任务执行高频计算，数据和任务分配单元的Flash型FPGA对三个冗余的计算结果和存储数据实施计算仲裁，并对计算错误的单元进行快速重启，实现同一任务计算数据并行计算比较；

2)数据和任务分配单元的Flash型FPGA接收外部重构程序并保存，通过总线通信将重构数据流发送给姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元，分别保存在外部存储模块中，并控制各自的开关驱动模块、供电和保护模块、重启复位模块，收到重构指令后，读取外部存储模块中的重构程序，校验通过，并在断电重启后重新加载数据，完成重构。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供了一种商业航天器的多层冗余可重构计算系统和实现方法，以服务对象为根本目标，三个单元采用工业级器件和可扩展接口的功能驱动单元，有效减少了计算系统的成本，使航天计算系统货架产品化。系统三个单元使用低功耗高主频的ARM芯片，功能上相互独立，且又各自外设，同时系统各个单元互为冗余备份，采用多级硬件冗余和故障诊断实现系统级的备份和容错，保障了航天器电子系统的高可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的多层冗余可重构计算系统中数据和任务分配单元、姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元连接关系以及三个单元与航天器平台、服务载荷的关系示意图；

图2为本发明提供的多层冗余可重构计算系统中数据和任务分配单元、姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元具体构成及与外部单机通信方式示意图；

图3为本发明提供的多层冗余可重构计算系统具体应用示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的一个实施例中，提出一种商业航天器的多层冗余可重配置计算系统，选择主控为ARM芯片，采用数据总线通信和多模块交互控制，结合外部驱动模块的冗余设计，可实现不同计算单元间功能区分，同时可互为备份，FPGA实施仲裁和重配置控制，实现三模冗余备份的计算系统。

如图1所示，在本发明的一个实施例中航天器计算系统包括姿轨控制管理单元、可扩展服务管理单元、数据和任务分配单元，基于can总线相互连接，各个单元间的通信可实现最小500KBps的速度，满足任务管理的实时要求，每个单元有相应的状态采集和电流检测，并交互分布，三个单元间互相监控工作状态和安全控制。

三个单元有明确的功能区分，支持计算数据并行计算比较，在高频或关键任务执行阶段，三个单元对同一任务执行高频计算，FPGA对三单元的计算结果和存储数据实施计算仲裁，并对错误单元快速重启，提高系统的可靠性。

数据和任务分配单元采用flash型FPGA和一个ARM芯片组成的SOC，flash型FPGA单粒子辐射免疫，且自带EDAC存储维护，结合选用的纠一检二功能的存储芯片，可有效防止单粒子翻转造成的存储错误；高速可编程接口可扩展多任务数据处理和高速数据通信；支持在轨重构功能，FPGA接收重构程序并保存，同时通过总线发送到姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元，实现所有计算单元的重构。

姿轨控制管理单元采用400MHz主频的ARM芯片，结合外部驱动模块，实现姿轨系统的单机控制和传感数据采集，高频计算完成敏捷机动和高精度闭环控制。内部存储关键的数据矩阵、地磁场表和任务模式，并与数据和任务分配单元、可扩展服务管理单元的存储内容共享和备份。

可扩展服务管理单元为不同服务对象提供服务支持，采用400MHz主频的ARM芯片，结合外部驱动模块满足不同的接口通信、数据存储、精确供电和数据采集等要求。与其他两个计算单元的总线互联可实时共享存储数据，实现服务关键对象数据的备份，通过数据和任务分配单元的FPGA完成数据管理和遥测数据下发。

如图2和图3所示，姿轨控制管理单元有较高的实时性要求，选用400Mhz主频的ARM芯片，RTOS系统将各个驱动模块按照工作模式调度，可实现多种单机、不同通信方式下的并行数据采集。各类姿轨单机使用不同的通信方式控制，例如：OC指令控制各个单机的开关；模拟量数据采集多个太敏的光照数据；RS422通信下三个方向的反作用轮转速控制，采集星敏感器定姿数据；一线网测量姿轨单机的温度；CAN总线连接GNSS获得轨道数据、I2C总线挂接数字磁强计，SPI总线挂载陀螺等。另外，ARM外设包括功率驱动模块，可驱动磁棒电流开关以及多个推进阀门的开关。选用的单机多使用总线通信，冗余备份占用资源少，有较高的采集和响应速度，满足空间机动和精准操作的实时性要求。

可扩展服务管理单元，设计预留了多类通信接口，和其他两个单元相同的驱动和通信模块，外接各个姿轨单机的总线通信接口，可作为姿轨控制管理单元的冗余备份；外部扩展大容量Flash，满足服务对象数据的存储，并通过高速总线LVDS将数据共享到数据和任务分配单元；采集各个服务对象的状态量，读取电压范围±5V、电流小于1A的模拟量数据；为服务对象控制精确到±0.1℃的温度环境；OC指令控制各个服务对象的供电开关；可驱动小于50W的电机工作；实施服务对象与航天器的分离控制。通信支持满足多类接口，包括TCP/IP、RS422、LVDS、USB等，支持定制协议格式，满足多个类型服务对象数据交互。

数据与任务分配单元，通过高速数据接口LVDS实现与测控数传单元的通信，完成大数据向数传单元转发和遥控遥测数据的读取和发送；CAN总线通信对测控数传和GNSS短报文单机的通信和控制；遥控指令通过CAN总线转发到可扩展服务管理单元和姿轨控制管理单元，遥测量数据也由两个单元发送回数据与任务分配单元；遥控和遥测数据保存在数据和任务单元的外接Flash存储，同时转发至另外两个计算单元的存储模块实现数据的冗余备份；指令控制大功率驱动实现加热器和功率型器件的开关控制；该单元的FPGA控制输出的OC驱动可实现对三个计算单元的重启或关闭，在仲裁反复错误下，系统发出重启指令，并开始新一轮的仲裁；地面上行发送的软件重构代码通过总线同时发送到其他两个单元并存储，每个单元ARM芯片读取代码并重启后完成各个单元的软件更新或修正。

Claims (5)

1.商业航天器的多层冗余可重构计算系统，其特征在于，包括数据和任务分配单元、姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元，数据和任务分配单元与姿轨控制管理单元、可扩展服务管理单元分别通过总线通信，数据和任务分配单元、姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元与外部单机通过总线通信，数据和任务分配单元采用一个Flash型FPGA和一个ARM芯片组成的SOC单元结合外部驱动电路，姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元均采用ARM芯片结合外部驱动电路。

2.根据权利要求1所述的商业航天器的多层冗余可重构计算系统，其特征在于，所述数据和任务分配单元、所述姿轨控制管理单元和所述可扩展服务管理单元均包括的功能模块有：传感和采样模块、开关驱动模块、通信驱动模块、供电和保护模块、重启复位模块、外部存储模块。

3.根据权利要求1所述的商业航天器的多层冗余可重构计算系统，其特征在于，所述数据和任务分配单元、所述姿轨控制管理单元和所述可扩展服务管理单元与外部单机的总线通信方式包括CAN总线、SPI总线、I2C总线、RS422和LVDS。

4.根据权利要求1所述的商业航天器的多层冗余可重构计算系统，其特征在于，所述数据和任务分配单元、所述姿轨控制管理单元和所述可扩展服务管理单元采用的ARM芯片均为400Mhz主频。

5.根据权利要求2所述的商业航天器的多层冗余可重构计算系统进行商业航天器的多层冗余可重构实现方法，其特征在于，包括如下内容：

1)在高频或关键任务执行阶段，所述数据和任务分配单元、所述姿轨控制管理单元和所述可扩展服务管理单元对同一任务执行高频计算，数据和任务分配单元的Flash型FPGA对三个冗余的计算结果和存储数据实施计算仲裁，并对计算错误的单元进行快速重启，实现同一任务计算数据并行计算比较；

2)数据和任务分配单元的Flash型FPGA接收外部重构程序并保存，通过总线通信将重构数据流发送给姿轨控制管理单元和可扩展服务管理单元，分别保存在外部存储模块中，并控制各自的开关驱动模块、供电和保护模块、重启复位模块，收到重构指令后，读取外部存储模块中的重构程序，校验通过，并在断电重启后重新加载数据，完成重构。