1绪论
1.1课题研究的背景和现状
皮卫星通常是指质量在IKg至l0Kg范围内的微小卫星，与传统大卫星相比，其更广泛地釆用MNT (Micro-Nano Technology,微纳技术）和MEMS (MicroElectronic Mechanical System,微型机电系统）等高新技术，具有功能密度高、研制周期短、成本低、体积小、重量轻、发射方式灵活以及生存和机动能力强等特点⑴；此外，皮卫星通过信息共享及协同工作，能以较低的风险实现多星组网和在轨编队飞行，使得其能够胜任更加多样性和复杂性的空间应用任务[2]。上述特点决定了皮卫星在军事和民用领域内拥有巨大的潜力和良好的应用前景。在军事领域，皮卫星可承担空间电子侦察、电子监控、电子干扰与在轨目标栏截等任务；在民用领域，皮卫星能够胜任通信、导航、标校、环境监测等工作，也可作为空间高新技术验证平台，提供快速、廉价、高效的服务，加速研究成果向工程化和应用化的发展。因此，皮卫星已成为现代航天技术领域研究的热点。表1-1为2002年至2010年间全球已发射的质量范围为0.1-100kg航天器（包括皮卫星在内）的数量分布[3]。国外皮卫星的研制起步较早，皮卫星技术发展较为成熟，现巳步入实际应用阶段。例如，英国的Surrey大学自1981年发射第一颗微小卫星UoSAT-1起，先后研制并成功发射了 20余颗微小卫星，主要用于地球探测和空间试验[4]。美国已先后提出了“小卫星技术创新工程”、“大学纳卫星计划”等一系列微小卫星发展项目，其中“大学纳卫星计划”是由美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory), NASA以及AIAA等联合发起的项目，用于验证卫星的微型化及编队技术等[5]。
………
1.2论文研究的目的和意义
伴随着现代电子技术、徹纳技术以及自动控制理论的高速发展和空间在轨任务需求的复杂化，皮卫星需要实现更强的星上自主生存与管控能力，有效载荷挂载能力，更可靠的故障处置与恢复能力，更高的功能密度、更灵活的通用性与可扩展性。作者所在的项目组，承担着某型号皮纳卫星综合电子系统的设计与研制任务，该综合电子系统具备高性能、低功耗等特点，且需在轨稳定、可靠运行达3年以上。综合电子技术的核心思想是以资源共享和合理分配为手段，即超越以分系统划分资源和功能的范畴，实现软硬件和信息共享，从总体设计的高度出发，满足功能指标、性能指标与可靠性需求。首先，它抛弃传统的分级分布式体系结构，采用一体化设计思想，将各分系统的任务集中，并由主控徹处理完成指令收发、数据采集、运算及处理等功能，提高系统工作效率；其次，能够从整星层面考虑可靠性，建立一个更加系统、高效、通用的可靠性保障体系：简化硬件设计，并通过更加简洁、稳定的星上数据总线连接并管控星载电系统，缩短各分系统间通信链路的同时减小了误码率，并减少了资源浪费；采用基于时钟同步的三模冗余技术，降低了软件设计复杂度，在提高系统可靠性的同时，使其具备更好的通用性和可移植性；加入故障动态监测与修复、单粒子监控与刷新等加固措施，屏蔽了部分在轨故障，有效减小空间单粒子事件等因素带来的影响。
……………
2皮卫星综合电子系统的可靠性
2.1可靠性环境剖面研究
根据近年来对国内外卫星的故障和异常进行分析与汇总，结果表明空间环境的影响是卫星在轨运行时发生故障的主要诱因。空间环境对的卫星的影响表现为一种综合效应，即一个环境参数可以对航天器产生多方面的影响，一个航天器的状态也会受到多种环境因素的作用。表2-1归纳了部分空间环境因素对包括卫星在内的航天飞行器产生的不良影响以及失效模式。在各种环境参数之中，空间福射是造成星载电子设备出现各种损伤的重要因素[191。本文所涉及的某新型皮纳应用卫星将工作在近地太阳同步近圆极轨上，规划轨道高度范围为600km-1000km。近地太阳同步轨道的主要福射来源于地球福射带，也即Van Allen福射带。如图2-1所示，Van Allen福射带类似位于赤道上空围绕地球的多层环状结构，福射强度主要集中于内、外福射带两个区域，对位于近地极轨道航天器的影响主要来自内福射带的南大西洋异常区（SouthAtlantic Anomaly ,SAA)与地磁南北极。2012 年 9 月，NASA (National Aeronautics and Space Administration,美国航空航天局）在Van Allen Probes Mission(Van Allen福射带探索计划）中，将一个被称为REPT(Relativistic Electron-Proton Telescope,相对粒子望远镜)的有效载荷搭载于航天探测器，成功定位了一个尚未被人类发现的近地空间福射带，并称之为第三福射带，其高能电子福射强度数据如图2-2所示[2G，2i]。研究表明，近地空间福射带的粒子射线种类包括高能质子射线、高能电子射线、中子射线、X射线、Y射线等，福射强度可达百兆电子伏量级。上述粒子福射能够严重威胁包括卫星在内的轨道航天器的正常工作，对其造成暂时性或永久性的干扰与破坏。
…………
2.2综合电子系统可靠性分析
如上文2.1.2和2.1.3节所述，综合电子系统工作在复杂多变的可靠性环境剖面下，其中以空间福射效应与热学效应为主，包括力学、静电与真空在内的环境效应，均会对其可靠工作造成较大影响，因此需要在可靠性设计和设备研制过程中采取相应措施加以消除或减轻。综合电子系统可靠性保证措施如下：第一，采用综合电子技术，较多地使用能力较强的工业级器件搭建硬件平台。应用综合电子系统技术能够大幅度减少电子元器件种类与数量，从而减小了两个或多个器件同时发生故障的概率；采用能力较强的商用器件，在满足功能需求的同时，降低了硬件复杂度，有利于提高和保证系统的可靠性。需要指出的是，一体化设计增加了核心器件的工作压力，它们的可靠性成为重中之重。例如，综合电子系统FPGA需要设计27个主从机，进行多路数据通信。针对上述情况，应对核心器件进行加固设计，以提高其可靠性。第二，在可靠性设计过程中，引入三模冗余（Triple Modular Redundancy,TMR)技术和与部分可重构（Partial Reconfiguration，PRC)技术等单粒子防护技术能够有效应对空间福射对系统的影响。图2-7为XQVR300在不同轨道高度测试单粒子翻转率的实验情况125]。观察结果可以发现，受地球福射带结构影响，不同轨道高度的单粒子翻转率不同，且不同的单粒子应对措施能够对结果产生较大的影响。若不釆取保护措施，单粒子翻转率超过IEEE1156.4-1997标准；若在上述器件上采取三模冗余技术和部分可重构技术，单粒子翻转率将会大大降低。
…………
3 三模冗余技术研究与工程化验证........... 18
3.1 三模冗余技术.......... 18
3.2 基于同构MCU的三模冗余系统设计.......... 20
3.3 基于同构MCU的三模冗余系统实现.......... 23
3.4 基于同构MCU的三模冗余系统工程化验证.......... 26
3.5 本章小结 ..........38
4 皮卫星综合电子系统方案设计.......... 40
4.1综合电子系统主要功能和技术指标.......... 40
4.1.1综合电子系统主要功能.......... 40
4.1.2综合电子系统技术指标.......... 41
4.2综合电子系统的总体方案设计.......... 42
4.3综合电子系统的外部接口设计 ..........45
4.4 基于DSP的三模冗余系统设计.......... 46
4.5 故障监测与恢复系统设计.......... 50
4.6 本章小结 ..........53
5 皮卫星综合电子系统的实现.......... 54
5.1 基于DSP的三模冗余系统.......... 56
5.1.1 时钟同步技术.......... 56
5.1.2可调节闭合互反馈同步校准.......... 70
5.2 故障恢复系统 ..........72
5.3 综合电子系统功能实现与验证.......... 73
5.4 本章小结.......... 80
5皮卫星综合电子系统的实现
本文在第四章中，根据综合电子系统的主要功能参数和性能指标，提出了系统总体设计方案，并介绍了三模冗余系统和故障监测与恢复系统的设计方法。本章将以第四章的设计框架为基础，详细阐述综合电子系统的实现和验证过程。图5-1和图5-2为综合电子系统硬件实物图。如图所示，综合电子系统硬件电路的主要模块包含3台同构DSP及其外围电路、FPGA及其外围电路、指令执行单元、NANDFLASn、EEPROM、SPI FLASH, RTC芯片、测控分系统的GPS平台以及电源分系统和姿控分系统的部分电路。作者主要负责上述第二、第三和第四项工作以及综合电子系统初样设计。本章将首先研究基于DSP的三模冗余技术，再以卫星三次系统联合调试及验收测试的实验结果为依据，详细介绍综合电子系统的功能（主要指与各分系统通信）实现和验证过程。
…………
结论
作者所在的项目组，承担了某新型皮纳卫星高可靠综合电子系统的设计与研制任务。本文针对该新型应用卫星的功能需求和性能指标，在“ZDPS-1A”卫星星务计算机设计与工程化研究工作的基础上，设计了 一种高可靠皮卫星综合电子系统，以适应空间飞行任务。目前，项目组已经成功完成综合电子系统原理样机阶段的设计、实现与验证工作，通过了专家评审，进入到初样的研制阶段。本文主要致力于以下几个方面的工作：
(1)开展综合电子系统可靠性环境剖面研究，并针对皮卫星综合电子系统的空间应用环境，对综合电子系统进行可靠性分析，提出其可靠性保证措施。
(2) 研究基于时钟同步的三模冗余技术，设计并实现基于MCU处理器的三模冗余系统应用平台。参照“ZDPS-1A”卫星星务计算机在轨任务，在此平台上完成了包括星务管理、测控通信、姿控通信以及综合测试在内的工程应用实例，对三摸冗余技术进行工程化验证。在满足上述功能需求的条件下，设计了故障注入实验，证明该三模冗余系统具备一定的容错能力。
……………
参考文献（略）