星载ATP控制系统容错设计及单粒子效应加固技术研究

发布时间：2019-03-02 11:41

【摘要】：空间激光数据传输技术被公认为将在未来10~20年内成为星间及星地间建立高速宽带链路的主要方式。为了能够在极窄波束、通信距离较远的情况下建立稳定持续的数据传输链路,空间激光数据传输系统广泛采用捕获、跟踪和瞄准技术(ATP,Acqusition,Tracking and Pointing),星载ATP系统稳定可靠的工作是星间或星地之间建立高质量通信链路的前提条件。因此,在空间环境影响下,研究如何确保星载ATP终端能够在其较长的任务周期内稳定可靠并保持较高精度的工作具有非常重要的工程意义。本文针对星载ATP系统控制系统,分别从星载ATP粗、精跟踪单元容错控制方案和控制器抗空间辐射环境设计两方面展开研究,以期达到粗、精跟踪单元能够在空间环境下稳定可靠工作的目的。主要研究内容如下:为判断粗、精跟踪单元中执行器或传感器是否故障,深入研究了基于状态估计的故障检测与诊断方法。针对确定线性系统,设计实现了一类故障检测滤波器以完成故障的检测。针对含有噪声的随机系统,设计实现了一类Kalman滤波器组来完成故障的诊断和隔离,该滤波器组使用残差的加权平方和作为残差评价函数,使用多个滤波器完成故障的隔离。为验证两类滤波器的有效性建立了精跟踪半实物仿真平台,相比传统硬件冗余的方法,所设计方案无需额外的硬件资源即可实现故障的诊断,降低了硬件成本和功耗的消耗。为能够获得更多元的故障信息,从而为容错策略的制定和执行提供更真实、直接的依据,研究了基于滑模观测器的故障重构技术。针对常规滑模观测器存在的抖振及必须知道故障上边界等问题,提出了一类自适应PI滑模观测器,使用自适应PI函数代替滑模观测器中切换项,无需任何故障信号的先验信息即可忠实的重构出故障信号。通过结合基于自适应PI滑模观测器的故障重构技术和硬件冗余思想,针对星载ATP精跟踪单元,提出并设计了一种基于双模冷备份和故障重构的复合容错方案。方案使用双模冷备份替代工程中常用的三模冗余(TMR),使用自适应滑模观测器完成故障的检测与隔离,在冷备份传感器启动过程中,使用重构信号修正故障测量值维持闭环系统的正常运行。相比传统的三模冗余方案,在可靠性显著提升的情况下,该方案使用更少的传感器冗余和功耗消耗。经实验验证,在传感器故障的情况下,采用该方案的精跟踪单元能够实现自动容错控制,控制器结构和参数均不需要进行更改,具有高度自制性。针对空间辐射环境对星载ATP中控制器等电子设备的影响,系统的研究了空间辐射效应中总剂量效应和单粒子效应的机理。以控制器等设备中广泛应用且对辐射效应最敏感的SRAM型FPGA为研究对象,从应用层的角度展开容错策略的研究。提出并设计了基于动态部分重构技术的TMR容错方案,该方案使用动态部分重构技术消除了常规TMR方案中单粒子翻转的累积现象,并设计了同步控制电路以解决故障区域重构后与其他区域的同步问题。为验证SRAM型FPGA抗空间辐射环境设计的有效性,设计实现了一套基于故障注入技术的容错性能评估系统。该系统主要模拟单粒子效应引起的配置位翻转故障,通过向动态区域反复加载含有错误配置位的配置文件来实现故障的注入,将待测试设计的输出与参考设计的输出进行比较,统计待测试设计功能失效的概率。经实验测试,该评估系统能够从功能上对抗辐射加固方案的性能进行测试和评估。本文提出的故障诊断和容错控制策略通过了实验验证,所提出的基于动态部分重构技术的TMR容错技术和基于故障注入的SEU容错性能评估系统已在工程中得到应用。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.1

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本文编号：2433017