航天器綜合電子系統在軌重構容錯技術研究

吳海超 欒家輝 張亮 許皓

（中國航天標準化研究所，北京 100071）

航天器綜合電子系統在軌重構容錯技術研究

吳海超 欒家輝 張亮 許皓

（中國航天標準化研究所，北京 100071）

重構容錯技術是指利用可重用的軟硬件資源，根據不同的任務需求或故障情況進行重新配置，從而可以實現在軌升級或故障修復。文章在介紹重構容錯技術的基礎上，以NASA的SpaceCube處理器和BittWare公司的重構處理器為典型案例，闡述了其系統構架、重構容錯設計和應用情況，總結分析了航天器綜合電子系統重構容錯技術的優勢，如減少系統的冗余和備份，降低制造和修復成本，實現系統內部局部故障的自修復等。借鑒國外重構容錯技術的發展和應用，總結出國內航天器綜合電子系統重構容錯技術應用存在的問題，如缺乏標準化的功能模塊設計、在軌故障診斷精度較低等，并提出應開展在軌重構需求分析，以及功能模塊化和可重構性的方案設計等建議，可為國內航天器綜合電子系統的在軌重構容錯設計及相關研究工作提供參考。

航天器綜合電子系統；在軌故障；重構容錯技術；故障探測；故障修復

1 引言

重構容錯是指在當前程序執行的同時對其中需要修改的部分邏輯單元進行重新加載和配置，且不影響其他邏輯單元的正常工作，從而進行程序升級或在軌故障容錯，利用有限的系統資源實現新任務的系統功能。重構容錯技術是指利用可重用的軟硬件資源，根據不同的應用需求，靈活地改變自身體系結構的設計方法。基于重構容錯技術設計的電子系統，在高速數字濾波器、圖像壓縮、硬件進化計算、定制計算、軟件無線電等方面，都有著廣泛的應用前景［1］。

傳統的航天器綜合電子系統一般采用板卡或器件冗余備份的容錯模式，其主要缺點有：①故障容錯能力十分有限；②制造和修復成本較高；③在軌修復通常需要地面指揮人員的參與；④無法修復越來越高度集成化的嵌入式電子系統（如片上系統（SOC））在運行中出現的故障。相對于冗余備份的容錯模式，重構容錯模式具有明顯的優點：①通過軟件重新加載的方式，為系統提供不同冗余級別的容錯模式，在一定程度上能提高故障容錯能力和可靠性；②重新加載的方法減少系統的冗余和備份，軟件重構替代硬件切換，制造和修復成本大大降低；③自動實現系統內部局部故障的自修復；④將重構容錯技術應用在航天器中，可以修復由于元器件老化等原因導致的器件或系統失效的在軌故障［24］。近年來發生在軌故障的俄羅斯子午線－1衛星、美國GPS－2RM－7衛星等，其實都只是因為衛星上的個別部組件故障而導致整星失效。如果能夠及時進行故障隔離，并及時通過在軌重構實現對衛星的容錯控制，就能使衛星繼續保持工作狀態，從而挽回由于整星報廢帶來的巨大損失。此外，重構容錯技術還可以及時修復輻射效應（如單粒子效應）、異常極端溫度等環境因素引起的嵌入式電子系統局部故障［5］。

航天器綜合電子系統的設計往往需要體系結構具有良好的開放性和較強的適應性，滿足系統集成化和接口電路模塊化、標準化要求，具備軟件在軌維護、系統級故障檢測及處理功能和動態調整系統資源配置的功能。上述這些設計原則和功能需求，恰恰是嵌入式技術和重構容錯技術相結合的特點和優勢。隨著深空探測等應用對航天器綜合電子系統低功耗和抗輻射容錯能力提出更高的要求，采用器件冗余備份設計的傳統航天器綜合電子系統亟需設計升級。因此，將重構容錯技術應用到航天器綜合電子系統的設計中，基于動態重構的容錯體系結構，在硬件層提高系統的容錯能力和擴展性，對未來工程應用具有重要意義。

本文在介紹重構容錯技術和調研國外典型重構容錯技術發展的基礎上，總結分析了重構容錯技術的優勢，同時指出了相關研究中存在的有待改進和提高之處，探討了重構容錯技術目前在國內航天器應用中存在的主要問題和應開展的相關研究工作。

2 重構容錯技術介紹

重構容錯技術的主要功能包括故障探測和故障修復兩部分。故障探測通過對各個處理器的狀態進行監視和對處理結果進行表決來完成；故障修復可以由系統軟件實現，也可由硬件控制器來實現，修復方法包括處理器復位、系統復位、FPGA部分重配置、FPGA全局重配置等，具體由控制策略決定。

重構容錯技術中的重構可以分為硬件重構和軟件重構。硬件重構包括靜態重構和動態重構。靜態重構的任務是不連續的（獨立的），在任務切換時，要在外部控制下對硬件電路進行重新配置。動態重構的任務是連續的（不間斷的），在系統實時運行時實現重構配置。動態重構又可細分為全局重構和部分重構。在動態全局重構過程中，系統功能會出現暫停，因為要對整個硬件進行全面重構。動態部分重構是通過在FPGA的可重構區域上以加載位流的方式實現不同的功能配置，對FPGA器件的部分區域進行重構，其他部分不受影響，整個系統可持續運行。因此，動態部分重構通過對FPGA硬件資源的分時復用，提高了硬件資源的利用率，增強了系統的靈活性。在動態部分重構中，FPGA系統分為靜態區域和可重構區域。其中，可重構區域是指在FPGA中指定的允許被動態重配置的區域，而靜態區域一般包含關鍵性任務和非重配置的基本組件。圖1為FPGA動態部分重構的結構。

軟件重構是以執行軟件指令的方式控制組件的連接和組件功能的重配置，實現系統的動態重構。它通過在FPGA開發中引入軟件化控制方法，借助IP重用技術和軟件方法，實現FPGA動態重構系統的快速開發。圖2為支持軟件部分重構的FPGA框架，包括控制層和數據層，各層模塊通過通用接口互連?？刂茖拥墓δ馨▽Φ讓幽K的配置/重配置、狀態控制和內存管理等。數據層的功能包括對各處理模塊和接口的連接，實現各個模塊之間的數據傳輸。通常每個模塊具有多個可配置的功能，支持分時執行不同的任務，而且多個模塊可以協同完成一個任務。軟件重構提高了硬件設計的抽象層次，為基于FPGA的動態重構系統開發提供了一種快速、可行的設計方法［6］。

圖2 軟件部分重構的FPGA框架Fig．2 FPGA frame of software partial reconfiguration

3 國外在軌重構容錯技術的發展情況

3．1 NASA的混合星載科學數據處理器SpaceCube

NASA新一代科學任務須要大幅提高星載計算能力，地球科學十年調查（ESDS）計劃中先進的激光測高儀、超光譜儀等設備，都要完成至少10年的探查任務，而所有這些儀器系統都需要先進的星載處理能力，以實時、方便地將地球科學數據轉換成地球科學信息。NASA要求新一代系統能夠承受因輻射導致的少量單粒子翻轉，而且能夠及時地進行故障處理。同時，在單位功耗上的運算速度（每秒處理的百萬級機器語言指令數，MIPS）方面，要提高10～100倍。表1中的數據對比表明了隨著宇航處理器的不斷發展，單位功耗上的運算速度正在不斷提高。為了完成檢測和應對故障事件，須要具備在軌重構的能力，提高處理能力的數量級，移植典型的地面數據處理功能來執行星載無損數據壓縮，減少星載數據存儲和下行鏈路的需要。NASA戈達德航天飛行中心（GSFC）、美國空軍和海軍科研試驗室合作開發了最新一代的SpaceCube 2．0星載數據處理器，以滿足未來ESDS計劃星載任務處理的需求［7］。

表1 處理器單位功耗的計算能力比較Table 1 Comparison of calculation capability for power unit of CPU

1）SpaceCube簡介

SpaceCube是基于Xilinx公司Virtex FPGA開發的高性能、可重構科學數據處理器。它包含CPU、FPGA和數字信號處理器（DSP）邏輯資源，這些處理元素集成在一起形成一個混合科學數據處理平臺，通過元素之間的分布計算功能加速科學數據處理算法的執行，允許每種處理器發揮自己的優勢。這種方法使以前受限于地基系統的復雜星載功能得以實現，如星載產品的生成、數據壓縮、校準、分級、事件檢測和實時自主操作。重構容錯技術的應用節省了大量的時間和成本，在任務期間可以開發和測試，在軌重構使改變設計時不必更改印制電路板，升級修改時不必在任務操作期間打破系統集成，而且可以進行在軌算法的更新和支持自適應處理模式，對于新任務可以進行電子學重構［8］。

SpaceCube能提高星載計算能力（10～100倍），同時降低相關功耗和成本。其設計策略利用商業抗輻射FPGA技術，并與翻轉修復軟件結構相結合，以提升高輻射環境下綜合電子系統的計算能力。

2）SpaceCube發展歷程

SpaceCube 1．0基于Xilinx Virtex 4FPGA技術，在2009年5月的“哈勃”空間望遠鏡（HST）修復任務4中作為導航傳感器的相關部件進行首次飛行。系統在軌運行近60h，達到所有試驗目標。第2次飛行是作為“國際空間站”（ISS）試驗任務7中的有效載荷，2009年11月安裝在ISS上，試驗目的是測試和驗證抗輻射軟件加固（RHBS）修復技術。RHBS運用傳統的“內存刷”功能、程序執行錯誤檢測和更正軟件結構，以保證商業抗輻照處理器單元在空間的可靠使用，同時以更低的成本提供更強的計算能力。在試驗任務7中，SpaceCube在軌運行18個月，經歷了100多次單粒子翻轉（4個FPGA中的總翻轉次數），所有的翻轉都被成功修復，而且沒有發生功能錯誤［9］。

SpaceCube 1．5是在探空火箭上應用，同時作為SpaceCube 2．0的探路石，由地球科學技術辦公室（ESTO）資助開發，于2011年發射。SpaceCube 1．5由Virtex 4更換為Virtex 5系列FPGA，而且添加了幾個工業標準接口，如千兆比特級以太網接口和SATA－II接口。

ESTO在先進信息系統技術（AIST）研究計劃中資助了SpaceCube 2．0系統的開發，目的是提供先進的星載科學數據處理能力，以滿足ESDS的任務需要。SpaceCube 2．0系統基于Xilinx Virtex 5技術，在SpaceCube 1．5的基礎上增加了SpaceWire總線和cPCI接口。SpaceCube 2．0試驗板裝載在ISS上，作為美國空軍的空間測試負載（STP－H4）的一個試驗設備。試驗中，將SpaceCube 2．0試驗板和相機系統、伽馬射線檢測器、光度計、天線等集成在一起，初步目標是擴展SpaceCube RHBS研究，開發地球科學事件檢測算法和研究伽馬射線的爆發［10］。

3）SpaceCube應用

SpaceCube星載科學數據處理功能，已經在NASA戈達德航天飛行中心內部研究與開發資助項目中得到很好的應用和證明，其中包括合成孔徑雷達的處理和超光譜數據產品發生器。此外，在分級、產品產生、故障事件檢測等方面，也取得了一系列的應用成果。圖3為SpaceCube系列處理器的實際應用情況。

開發SpaceCube應用的方法包括獲得算法（通常是Matlab），采集科學團隊合作者的試驗數據，將算法轉換成C程序，在Virtex CPU上測試和驗證結果，測試計算函數，用超高速集成電路硬件描述語言（VHDL）和其他庫函數實現。與只具有CPU功能的處理器相比，其典型的混合處理結果在計算復雜函數上提高25～50倍的速度［1114］。

3．2 BittWare公司支持軟件程序重構的FPGA架構

重構容錯技術的一個重要應用領域是軟件無線電（Software Defined Radio，SDR）系統。SDR是指應用高速數字信號處理器上的軟件設計取代專用硬件電路的無線通信系統，具有靈活的多種模式、可重配置、易升級的特點。SDR系統采用數字信號處理技術，將標準化、模塊化的可編程硬件功能單元通過高速總線或網絡連接成一個通用的數字硬件平臺。

未來通信衛星的信息傳輸速率更高、實時交換數據量更大，SDR的通用性、模塊復用、軟件重構、在線故障修復優勢，使其更加適合復雜的航天應用。具有特殊功能用途的通信衛星，其在軌功能特性往往被完全固化，須要發射大量功能和軌道不同的衛星，而且，每顆衛星的有效載荷設備硬件同樣缺乏靈活性，難以適應變化的試驗任務或軌道環境，因此，將SDR系統應用到通信衛星上已經成為提高衛星利用率和節省研制成本的必由之路。

BittWare公司支持軟件程序重構的FPGA架構方案（見圖4），可以快速實現SDR系統的開發。該架構方案被分成2個不同的處理層次，每個層次利用通用接口進行標準器件的互聯。一個是控制層，用于控制、重構、狀態和內存管理，實現控制、配置和狀態監測的功能；另一個是流數據層，每個處理模塊連接到一個流數據結構，允許元件之間的點對點數據傳輸。架構方案利用一個可升級的FPGA架構提高硬件在器件級和應用級的重復使用。在一個器件內或者跨越多個器件，可以實現多個波形，器件構造模塊在不同的應用中可以重新使用。架構方案中軟核微處理器的集成，改進了系統的開發和測試，提供了一種控制狀態靈活和可實施自適應的軟件重配置方法，能代替每次改變時的重新設計、重新寫硬件描述語言（HDL）代碼、仿真、再綜合和最終重新編程FPGA的過程，而且，應用需求的整個范圍和所有必需的軟件重配置元件，都部署到一個小器件或跨越多個器件中，易于軟件重構［15］。

對于傳統的FPGA實現方法，開發者不僅要學習平臺本身，還要實現所有外部接口和內部構造。BittWare公司在整個應用中利用普通接口組成應用程序編程接口（API），用于控制、內存和數據傳輸，在內部構造中提供了元件之間的互聯，并且支持控制、配置和內存管理。處理器功能庫和第三方IP減少了研發精力、成本和風險，開發者能夠集中精力在FPGA器件本身，重構僅需要一個簡單寄存器寫操作或其他簡單軟件切換命令即可實現。

隨著FPGA技術的持續發展，BittWare公司計劃采用這種方法和支持工具滿足更多的工程需求，提供穩定、可重用、定義完整的FPGA框架，支持SPR系統應用。

圖4 BittWare公司FPGA架構框圖Fig．4 FPGA frame diagram of BittWare company

4 在軌重構容錯技術分析

航天器綜合電子系統在軌重構容錯技術的優點是可以在航天器總控單元的控制下，實時地檢測錯誤并自主地修復錯誤，或者接收地面控制系統的重構指令進行動態重構并修復錯誤。從NASA的SpaceCube處理器和BittWare公司的重構容錯FPGA的應用情況可知，航天器綜合電子系統在軌重構容錯技術具有以下優勢。

1）遠程故障維修

空間輻射造成FPGA器件損傷后，采用動態重構的方法可以進行在線糾正，經過器地鏈路上傳加載和重新配置，使有效載荷設備能夠恢復正常工作，從而達到遠程故障維修的目的。

2）硬件升級

在航天器設備出現預案之外的故障后，可以采用地面遠程配置，更改其工作模式，升級硬件電路程序。

3）減小設備體積、質量和復雜度

采用FPGA器件設計實現重構容錯系統，與傳統冗余備份的容錯模式相比，不但具有更低的研制費用，還能減少冗余部件或芯片的類型和用量，節省系統電路的空間，減少芯片間的互聯復雜度，降低系統功耗和設備的質量，增大處理能力，提高可靠性。

4）縮短研發周期、延長工作壽命

基于FPGA器件的重構容錯系統，其生產費用相對于傳統系統有很大程度的降低，同時也能縮短研發周期，通過動態改變其內部配置滿足多項功能需要，具有遠程修復能力，進而延長系統工作壽命。深空探測器到達目的地須要飛行很長時間，要具有更長的壽命，FPGA器件在軌動態重構技術的應用，會及時對在軌探測器進行技術更新，延長使用壽命。

目前，重構容錯技術研究依然存在一些有待改進和提高之處。例如：對于復雜模塊的重構容錯設計，缺少良好的指導方法；當系統時鐘頻率較高時，要求用戶參與到布局過程中，增加了系統設計的難度；存在緊耦合模塊間的通信和動態部分重構問題。重構和容錯的策略和機制在真正實際應用到航天器之前，須要進行嚴格的可靠性仿真試驗，覆蓋到系統的各種工作狀況和切換時序，以確保系統的安全性和可靠性。

5 國內存在的問題和應開展的工作

重構容錯技術可以及時糾正入軌后發生的軟件和硬件錯誤，根據不同的空間環境和任務條件改變系統功能，通過控制和數據算法的重新加載來提高處理性能，降低飛行任務的風險，提高航天器的可靠性。開展航天器在軌故障早期辨識和定位、在軌故障仿真與維修、在軌可靠性增長和延壽等前沿技術研究和創新，能有效提升航天器管理技術的自主創新能力和在軌航天器應用效能。

重構容錯技術在國內的研究與應用尚處于初級階段，大部分是以重構容錯概念性研究為主，尚未實現在軌系統動態重構功能。針對國內航天器綜合電子系統設計和可編程處理器研制驗證情況，提出存在的主要問題和應開展的相關工作建議如下。

5．1 存在的問題

1）航天器缺乏統一和標準的功能模塊化設計

實現在軌重構設計的關鍵是將航天器的關鍵分系統或單機進行統一和標準的功能模塊化設計，確保關鍵功能相對獨立，便于在發生故障、開展重構過程中，不影響其他任務功能的實現。目前，國內航天器各平臺之間的差異較大，分系統往往要重新設計，這樣不但耗費了大量的人力和資金等資源，而且不能保證每次設計的產品具有高可靠性。關鍵分系統或單機缺乏通用和標準的功能模塊，出現在軌故障后，需要各自的設計人員和專家才能有效定位和診斷故障，為在軌重構和故障修復增加了工作量和難度。

2）航天器在軌故障診斷精準度較低、耗時較長

當航天器的分系統或單機發生故障時，能夠及時、準確地對故障進行診斷分析是開展航天器在軌重構的前提和基礎。這要求在軌故障診斷具有故障預測、故障檢測（預警）、故障識別、系統重組、狀態恢復及任務規劃等功能，但目前在軌故障診斷主要依賴技術專家和地面模擬試驗。例如，某通信衛星出現無法收發信號的故障，相關技術人員和龐大的專家團隊在地面進行了大量模擬試驗，深層次分析原因以及時排除故障。這就導致故障定位和診斷精準度較低，耗時較長，極大地影響了系統重構的效果。

3）重構容錯過程可靠性驗證要加強

重構容錯技術能夠實現航天器綜合電子系統的在軌升級、維護和故障處理，可以增強綜合電子系統的靈活性和容錯能力，但同時也會給系統的可靠性和安全性增加不確定因素。通常，綜合電子系統都采用冗余備份模式，可重構的系統以任務、功能時段以及運行情況為觸發進行切換，在切換和啟動過程中要對各個模塊之間的工作時序、潛在路徑、單點失效等進行綜合的可靠性分析、驗證和權衡。因此，須要加強重構容錯過程的可靠性驗證和分析。

5．2 應開展的工作

從NASA的SpaceCube處理器研制和發展歷程可以看出，NASA根據航天器應用需求對處理器的重構設計進行了精確的需求分析，并且在功能模塊和外部接口上進行了方案設計和試驗。在試驗任務7中，成功檢測和及時修復了大量單粒子翻轉，可見NASA的在軌故障檢測、診斷、修復具有很高的實時性，幾次科學試驗的圓滿成功也證實了其對航天器在軌重構過程的可靠性設計與驗證的系統性和充分性。針對國內存在的實際問題，借鑒國外的發展和航天器應用情況，建議國內著重開展以下幾個方面的重構容錯技術研究。

1）航天器在軌重構需求分析

根據航天器在軌故障的統計結果和機理研究，梳理導致航天器故障或失效的關鍵分系統及單機，總結對航天器壽命和可靠性影響較大的關鍵因素。對關鍵分系統或單機進行在軌重構可行性及影響分析，歸納出在軌重構的實際需求，為進一步開展航天器在軌重構容錯設計和可靠性分析提供依據。

可見，在相似商標權益爭奪大戰中，在遵循“在先使用、在先注冊”兩條原則的前提下，農資企業可以對侵權的相似商標依法進行反擊，從而保護自身權益。

2）功能模塊化和可重構性的航天器方案設計

針對在軌重構需求開展功能模塊化的方案設計，同時從軟件和硬件2個方面按照邏輯功能進行模塊化設計，統一接口定義。根據飛行需求或故障情況設計功能重構方案，解決資源限制與多種功能需求之間的矛盾；針對空間輻射影響可能出現的異常情況，設計故障重構方案，通過對異常區域的查找、定位、屏蔽等手段，進行系統自我修復；根據航天器在軌期間面臨的新任務、需要的新功能，設計升級重構方案，通過地面上傳升級文件，完成對綜合電子系統的軟硬件升級。

3）基于故障仿真的在軌故障診斷技術研究

傳統的故障診斷方法主要依賴航天器設計專家的經驗和地面模擬試驗，故障定位精度低，故障診斷耗時長，因此，應通過基于故障仿真的在軌故障診斷方法，建立航天器故障仿真平臺和故障知識庫，運用虛擬樣機技術，充分分析航天器所有可能存在的故障及其影響域，實現對航天器正常功能與潛在故障的模擬。故障仿真能夠對系統中的任意環節提供虛擬故障重現，并提供故障修復建議和措施；能夠有效解決故障診斷、數據獲取和故障知識庫建立過程困難、耗時長的問題，降低故障知識獲取的工作量，以及對專業故障診斷方法、專家經驗的依賴性，具有成本低、可靠性高、覆蓋性強的優點。

4）航天器在軌重構過程可靠性設計與分析

在精準快速的故障定位與診斷后，在軌重構是修復航天器故障、維持正常工作的最關鍵措施。分系統重構的過程既要保持本身的平穩過渡，也要保持其他分系統的正常工作，避免重構或切換過程中發生航天器電源掉電、控制時序紊亂、任務之間對硬件資源產生競爭等新故障及可靠性問題。因此，對航天器在軌重構過程要開展嚴格的可靠性設計與分析工作，綜合潛在通路分析和最壞情況分析等可靠性分析技術，協助設計師在航天器研制早期建立系統重構容錯方案；綜合考慮在軌空間環境和工作任務，通過仿真方法分析在軌重構方案能否在最壞情況下有效修復故障，以及在切換過程中是否存在潛在通路等新故障或可靠性問題，從而降低重構過程中的誤操作和發生新故障的概率。

（

）

［1］周盛雨．基于FPGA的動態部分重構系統實現［D］．北京：中國科學院空間科學與應用中心，2007 Zhou Shengyu．A dynamically partial reconfigurable system based on FPGA［D］．Beijing：Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，2007（in Chinese）

［3］杜文志．航天器FPGA在系統局部重構容錯設計研究［J］．中國空間技術科學，2005，25（5）：10－16 Du Wenzhi．Research on FPGA fault tolerant method by ISP partial reconstruction［J］．Chinese Space Science and Technology，2005，25（5）：10－16（in Chinese）

［4］張宇，范建華，呂遵明，等．FPGA動態部分可重構技術概述［J］．計算機與現代化，2014（3）：210－214 Zhang Yu，Fan Jianhua，Lyu Zunming，et al．A summarization of dynamic partial reconfiguration based on FPGA［J］．Computer and Modernization，2014（3）：210－214（in Chinese）

［5］楊玲．數字電路多目標進化設計研究［D］．南京：南京航空航天大學，2010 Yang Ling．Researches on multi－objective evolution of digital circuit［D］．Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010（in Chinese）

［6］Sverre Vigander．Evolutionary fault repair of electronics in space applications［D］．Sussex：University of Sussex，2001

［7］趙謙，趙小冬，劉作龍．機載嵌入式動態可重構計算機設計［J］．航空計算技術，2013，43（3）：113－119 Zhao Qian，Zhao Xiaodong，Liu Zuolong．Design of airborne embedded dynamic reconfigurable computer［J］．Aeronautical Computing Technique，2013，43（3）：113－119（in Chinese）

［8］Petrick D，Espinosa D，Ripley R，et al．Adapting the reconfigurable SpaceCube processing system for multiple mission applications［C］//Proceedings of Aerospace Conference．New York：IEEE，2014：1－4

［9］Petrick D，Geist A，Albaijes D，et al．SpaceCube v2．0 space flight hybrid reconfigurable data processing system［C］//Proceedings of Aerospace Conference．New York：IEEE，2014：1－3

［10］Flatley T．SpaceCube：A family of reconfigurable hybrid on－board science data processors［C］//Proceedings of Adaptive Hardware and Systems（AHS）．New York：IEEE，2012：1－2

［11］Tom Flatley．Advanced hybrid on－board science data processor―SpaceCube 2．0［C］//Proceedings of Arlington，NASA/GSFC，ESTO Earth Science Technology Forum．Washington D．C．：NASA，2010：1－10

［12］Walters J P，Zick K M，French M．A practical characterization of a NASA SpaceCube application through fault emulation and laser testing［C］//Proceedings of Dependable Systems and Networks（DSN），2013 43rd Annual IEEE/IFIP International Conference．New York：IEEE，2013：1－8

［13］Zick K M，Chien－Chih Yu，Walters J P，et al．Silent data corruption and embedded processing with NASA’s SpaceCube［J］．Embedded Systems Letters，2012，4（2）：33－36

［14］Cristo A，Fisher K，Gualtieri A J，et al．Optimization of processor－to－hardware module communications on spaceborne hybrid FPGA－based architectures［J］．Embedded Systems Letters，2013，5（4）：77－80

［15］David Rupe．A FGPA framework supporting software programmable reconfiguration and rapid development of SDR applications［EB/OL］．［2015－08－15］http：//notesapplication．abcelec－tronique．com/038/38－21407．pdf，2007－09

（編輯：夏光）

Research of On－orbit Reconfigurable Fault－tolerant Technology for Spacecraft Avionics System

WU Haichao LUAN Jiahui ZHANG Liang XU Hao
（China Astronautics Standards Institute，Beijing 100071，China）

The reconfigurable fault－tolerance technology is the use of reusable hardware and software resources to reconfigure the system according to different mission requirements or failures，so as to upgrade or repair fault on orbit．The reconfigurable fault－tolerance technology is introduced in the paper．Taking massive information processor SpaceCube developed by NASA and reconfigurable processor developed by BittWare company for example，their system architecture，reconfigurable fault－tolerant design and applications are expatiated．The advantages of reconfigurable fault－tolerant technology for spacecraft avionics system are summarized and analyzed，such as reducing the redundancy and backups，reducing manufacturing and repair costs，and realizing the local failure repair by oneself．From the development process and application of reconfigurable design technology，the problems in the reconfigurable design of the Chinese spacecraft avionics system are pointed out，such as lack of standardized function modules and low accuracy of fault diagnosis．Some suggestions are proposed，including the on－orbit reconfigurable requirement analysis，and the scheme of block－based design and reconfigurable fault－tolerant design．The paper can provide a reference for spacecraft avionics system’s on－orbit reconfigurable design and related research work．

spacecraft avionics system；on－orbit fault；reconfigurable fault－tolerant technology；fault detection；fault repair

TP302．8

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．016

2015－07－15；

2015－11－10

吳海超，男，碩士，工程師，從事航天電子系統可靠性研究工作。Email：wuhaichao163@126．com。