一种星载计算机软件检错技术的研究与实现

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近年来,采用商用器件构建航天器已经成为国内外的发展趋势。相比于传统的宇航级器件,商用器件具有高性能、低功耗、成本低和数量足等优点,能够满足航天器的日益增长的性能需求。但商用器件的缺陷在于抗辐射能力低。在恶劣的太空环境下,商用器件受高能粒子辐射极容易发生故障。因此,在空间应用中必须提高商用器件的抗辐射能力。国内外空间研究机构、学术界对此问题进行了深入研究,取得了一些研究成果。美国ARGOS(Advanced Research and Global Observations Satellite)卫星对商用器件抗辐射的主要方法进行了在轨实验,取得了重要的实验数据。其中,软件容错技术SIHFT(Software Implemented Hardware Fault Tolerance)达到了大于99%的检错覆盖率,引起了人们的关注。这项实验说明了在不需要专用硬件的情况下,使用软件技术也能达到航天应用的可靠性要求。因为我国很难从国外获得辐射加固的硬件,所以,这项软件容错技术对我国航天事业的发展具有较大意义。863计划项目“小型智能飞行机器人系统”所用的计算机平台采用商用器件,其卫星的运行轨道与ARGOS卫星轨道近似,面临的辐射环境与ARGOS卫星相似,要求具有高可靠性。因此,小型智能飞行机器人系统有必要在验证SIHFT技术有效的基础上,应用软件容错技术,提高其空间抗辐射能力。本文在研究了SIHFT的两项关键技术—复制签名检错技术和软件签名控制流检错技术的基础上,针对小型智能飞行机器人系统的硬件平台,对软件检错技术的关键问题进行了分析并给出了解决问题的算法,提出了适于小型智能飞行机器人硬件平台的软件检错技术方案。首先,对基本块划分,软件签名检错指令生成,影子指令生成和指令调度等关键问题进行了理论分析,给出了适于目标平台的算法。然后,介绍了软件检错技术系统的设计,包括总体设计和详细设计。最后,通过仿真实验测试了适于目标平台的软件检错技术的检错覆盖率。实验数据表明,对寄存器注入故障,适于目标平台的软件检错技术的检错覆盖率达99.4%;对存储器注入故障,检错覆盖率为92.3%。实验结果表明了适于目标平台的软件检错技术的有效性。
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