硬X射線調制望遠鏡衛星載荷數據存儲系統設計與驗證

梁中堅 高振良 胡萍 李渝昕 薛小龍 丁琳

(1北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)(2北京遙測技術研究所,北京 100076)(3空間電子信息技術研究院,西安 710100)

硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星實現了對宇宙X射線的探測,其中數據存儲系統的主要功能是完成有效載荷和衛星平臺數據的接收、處理、記錄、存儲以及回放。對于存儲介質,早期的星上存儲設備主要是磁帶機或其它磁存儲器,目前星上存儲設備主要使用靜態隨機存取存儲器(SRAM)、動態隨機存取存儲器(DRAM)和FLASH 器件[1-3]。HXMT衛星使用了NAND型FLASH器件作為核心的存儲介質,其主要優點是掉電時數據不丟失,單片存儲容量大。但其存在讀寫速度較慢,寫數據前必須進行擦除操作,不能按字節操作等問題[4],因此需要合適的系統設計,從前端的數據復接編碼到后端的控制存儲等一系列的環節保證來解決這些問題。在數據的處理、格式編排、編碼、控制存儲等操作上,使用了SRAM型的現場可編程門陣列(FPGA)來實現。從任務特點上看,常規低軌遙感衛星一般是短時成像后將圖像數據記錄到存儲器中,而HXMT衛星是對空間中不同目標的不同能量射線進行探測,因此需要長期記錄,并對不同的載荷數據分類進行存儲。常規低軌遙感衛星的載荷數據(例如一副圖像)是確定數據量的,在存儲時會以一定的數據率記錄,而HXMT衛星隨觀測目標的不同,數據率會有近百倍的差別,需要具備對不同數據率的適應能力。此外,科學探測數據較圖像數據有更高的準確性和可靠性要求,因此必須對空間中的高能粒子給系統造成的影響,尤其是單粒子效應造成的錯誤進行防護[5]。

本文對HXMT衛星數據存儲系統的需求進行了分析,并針對工作模式靈活豐富和在軌長期工作下的高可靠性存儲這兩個最主要特點的設計及驗證情況進行了說明。

1 功能需求分析

HXMT衛星數據存儲系統主要包括數據處理器和固態存儲器兩臺設備,數據處理器主要完成所有存儲數據的復接、AOS格式編排、低密度奇偶校驗(LDPC)信道編碼、加擾以及數據存儲或回放流向的控制,固態存儲器主要完成各類數據正確穩定的分區記錄、存儲和回放。數據存儲系統組成及主要接口如圖1所示。

圖1 數據存儲系統組成及主要接口示意圖Fig.1 Sketch of DSS composition and major interface

在HXMT衛星中,需要進行存儲的數據包括兩大類。

第一類是有效載荷分系統的科學數據和工程數據,包括高能科學數據包1/2/3、高能工程數據包1/2/3、中能科學數據包、低能科學數據包、低能工程數據包共9類數據,經LVDS接口傳送給數據處理器,在AOS格式編排、循環冗余校驗(CRC)、LDPC信道編碼及加擾后送固態存儲器存儲。其中,科學數據包的數據率隨不同的觀測源變動,存放在固態存儲器的B、C、D分區;工程數據的數據率不發生變化,存放在固態存儲器的A分區。

第二類是來自整星各分系統的所有遙測數據和輔助數據,共53類,總數據率約為49 kbit/s,由數管分系統整理后經1553總線傳送給數傳控制單元,數傳控制單元再經422接口傳到數據處理器,然后再完成AOS格式編排、CRC校驗、LDPC信道編碼及加擾后送固態存儲器存儲,存放在固態存儲器的A分區(見表1)。

任務要求在觀測最強爆發源時,衛星數據存儲系統通過數據下傳和星上存儲,可以滿足不少于3天的數據平衡能力。以最大數據量來考慮,衛星24 h連續觀測時,產生載荷科學數據約636.1 Gbit的數據,載荷工程數據約0.31 Gbit的數據,以及衛星平臺數據約3.96 Gbit的數據。平均每天約24.7%的時間會經過南大西洋異常區,此時載荷科學數據會明顯減少,則實際每天產生的最大數據量約為636.1×(1－24.7%)＋0.31＋3.96＝483.25 Gbit≈483 Gbit。以日平均過境時間3000 s的80%可用于數傳來計算,單站時用120 Mbit/s的數傳碼速率每天可下傳數據約120×3000×80%×7/8＝252000 Mbit≈246 Gbit(7/8為所用LDPC碼的編碼效率)。HXMT衛星數據存儲系統設計的存儲量為571.5 Gbit×2,則從表1中可以看出,若只用主份或備份(571.5 Gbit),則可以保證連續2.4天的爆發源觀測,將未下傳的數據存儲后再逐步下傳;若同時啟用主份和備份(1143 Gbit),則最多可以保證連續4.8天的爆發源觀測,將未下傳的數據存儲后再逐步下傳(見表2)。

表1 數據存儲區域及數據率Table 1 Data storage partition and data rate

2 數據存儲系統的特點及其設計、驗證

2.1 工作模式靈活豐富

HXMT衛星有效載荷全天時觀測生成了大量的數據,數據存儲系統工作模式設計的主旨就是在考慮衛星故障模式的基礎上,盡可能的提高數據應用的時效性和準確性,更便利地滿足用戶需求。因此在設計上,除了最基本的記錄模式和傳統的全盤回放模式、分區回放模式,還增加了按時間回放、按地址回放的檢索回放模式,以及記錄和回放同時工作的模式。針對載荷數據類型多、數據率動態變化大的特點,以及可能出現的某些通道數據的故障等問題,設計了存儲空間重新分配、下傳優先級調整的模式。又針對NAND型FLASH存儲芯片可能出現的壞塊問題以及地面測試的需求[6],設計了擦除模式和自檢模式。各模式間轉換關系如圖2所示。

圖2 數據存儲系統工作模式轉換示意圖Fig.2 Sketch of DSS work modes transferring

數據存儲系統在正常上電或復位初始化后會自動進入記錄模式,以保證在故障出現時,數據存儲系統能盡快地記錄衛星狀態以輔助排除故障和定位原因,以及盡快地開始業務運行。衛星在軌正常工作期間,會一直處于記錄模式,當需要進行數據下傳時,會根據星上自主產生或地面上注的回放指令,按要求回放數據,變為邊記邊放模式,在軌一般不會使用單回放模式。在回放形式上,為用戶提供了如下4種子模式。

(1)全盤回放。全盤回放從最高優先級分區的回放斷點處開始,按照優先級從高到低的順序依次回放4個分區數據,各分區回放均從本分區回放斷點處開始,至各分區當前記錄的位置處結束。待4個分區回放一遍則自動停止回放。

(2)分區回放。分區回放從本分區回放斷點處開始,至本分區當前記錄的位置處結束,本分區回放一遍則自動停止回放。

(3)按時間回放。根據按時間回放指令中指定的時間段和對應的分區號,一段接一段的進行數據的回放,可以回放A、B、C、D這4個分區的至多4個時間段的數據,回放一遍則自動停止回放。

(4)按地址回放。根據按地址回放指令中指定的起止地址段和對應的分區號,一段接一段的進行數據的回放,可以回放A、B、C、D這4個分區的至多4個地址段的數據,回放一遍則自動停止回放。

此外,固態存儲器采用各個分區單獨循環記錄的方式,當某分區數據記滿時,會從分區起始地址覆蓋記錄,保證星上存放最新的數據。

HXMT衛星于2017年6月15日發射升空,于2017年6月16日4點數據存儲系統加電工作,之后除了配合相關功能測試以及2017年9月數日的大規模太陽耀斑事件有過關機操作外,一直處于連續工作狀態。到2018年7月15日,衛星數據存儲系統共記錄存儲數據約112 Tbits,固態存儲器主份存儲區覆蓋記錄存儲約200次,共實現2439次回放數據下傳,存儲的數據未出現錯誤。

2.2 在軌長期工作下的高可靠性存儲

由于載荷全天時的對空間進行科學探測,產生載荷數據,因此要求衛星的數據存儲系統同樣也得長期工作。對于這種特點,首先對存儲的數據采用了RS糾錯編譯碼和增加冗余芯片的方式來保證數據的可靠安全存儲。此外,為防護單粒子翻轉效應造成的錯誤,數據存儲系統還采用了“三模冗余＋定時刷新”的措施。在數據處理器的AOS編碼模塊和LDPC編碼模塊,以及固態存儲器的控制模塊和存儲模塊的實現上,使用了SRAM型的FPGA,采用三模冗余的方式來加強抗單粒子翻轉的能力,通過三備份多數表決來抑制單粒子翻轉對程序或數據造成的錯誤。再使用對單粒子事件免疫的反熔絲型FPGA對SRAM型的FPGA進行定時刷新,及時糾正已發生的單粒子翻轉造成的錯誤,保證系統長期、連續、穩定運行。

為驗證數據存儲系統對單粒子翻轉錯誤的防護能力,開展了軟件注錯試驗和輻照試驗對“三模冗余＋定時刷新”的設計進行驗證。

1)軟件注錯試驗

設計了軟件注錯平臺,包括控制計算機、注錯控制器、目標FPGA系統、地面檢測設備,其組成結構如圖3所示。控制計算機主要實現注入錯誤的位置及速率的上層控制及統計地面檢測設備的結果;注錯控制器主要承擔了注入錯誤的功能,按照控制計算機的指令實現對目標FPGA系統的注錯;目標FPGA系統包括程序功能使用的SRAM型的FPGA及用于定時刷新的反熔絲型FPGA;地面檢測設備用于接收并判斷目標FPGA系統的輸出結果[7-8]。

圖3 軟件注錯平臺示意圖Fig.3 Sketch of software fault injection platform

試驗設計了3種不同的樣本程序來對比對單粒子翻轉錯誤的防護性能,試驗樣本情況見表3。

表3 試驗樣本程序情況Table 3 Condition of test samples

表3中,M0為未采用防護措施的版本,即不進行三模冗余和定時刷新的版本;M1為只進行定時刷新但不進行三模冗余的版本;M2為產品實際設計的狀態,即進行三模冗余＋定時刷新的版本。

注錯采用隨機的方式,通過軟件注錯平臺設置注錯的幀個數以及每幀內的注錯比特個數后,注錯軟件自動隨機選擇注錯幀及注錯位置,并以幀為單位進行注錯。針對上述3個樣本,對其幀個數、每幀注錯數以及注錯時間間隔進行相同的設置,在同樣的注錯條件下,檢測目標FPGA系統發生看門狗復位的次數。通過對比復位次數來比對各樣本之間容錯能力的差別。為了增強測試結果的可信度,對每個樣本進行10次注錯測試,將結果取平均值作為每個樣本的測試結果。

試驗結果見表4。由表4可知,樣本M1的容錯能力為樣本M0的2.7倍,樣本M2的容錯能力約為樣本M0的22.3倍。說明采用三模冗余＋定時刷新防護措施后,對目標受邏輯錯誤干擾的容錯能力提高為未采取防護措施的22.3倍。

表4 注錯試驗測試結果Table 4 Result of software fault injection test

2)輻照試驗

利用軟件注錯平臺中的目標FPGA系統進行輻照試驗,試驗組成如圖4所示。

圖4 輻照試驗示意圖Fig.4 Sketch of radiation test

試驗束流粒子為Bi離子,能量為923.2 MeV,折算后其線性能量傳遞(LET)為99.9 MeV·cm2/mg,射程為53.7μm,束斑面積為2.2 cm×2.2 cm,能夠覆蓋器件的晶片區域。受試器件的單粒子翻轉閾值約為2 Me V·cm2/mg左右,因此試驗粒子能夠誘發受試器件發生單粒子翻轉,并且翻轉概率能夠達到該器件的最大翻轉概率。

輻照試驗同樣使用了表3的3種試驗樣本程序,對每個樣本進行了5次重復試驗,通過出現故障時已經注入的粒子注量來衡量樣本對單粒子翻轉的容錯能力,粒子注量越多,則代表該樣本對單粒子翻轉的容錯能力越強。

試驗結果見表5。由表5可知,樣本M1的容錯能力為樣本M0的1.7倍,樣本M2的容錯能力約為樣本M0的36.7倍。說明采用三模冗余＋定時刷新防護措施后對目標受單粒子翻轉效應干擾的容錯能力提高為未采取防護措施的36.7倍。這個結果在數量級上與注錯試驗的2.7倍和22.3倍一致,兩個試驗也相互印證了試驗方法的有效性和結果的可信度。

表5 輻照試驗測試結果Table 5 Result of radiation test

3 結束語

HXMT衛星數據存儲系統實現了有效載荷和衛星平臺數據的接收、處理、記錄、存儲以及回放。針對載荷數據類型多、數據率動態變化大的特點,為方便用戶使用,設計了記錄、全盤回放、分區回放、按時間回放、按地址回放、存儲空間重新分配、下傳優先級調整、自檢、擦除等工作模式;針對在軌長期工作下的高可靠性存儲的要求,設計了“三模冗余＋定時刷新”的防護措施。通過軟件注錯試驗、輻照試驗,以及在軌長期連續運行的結果表明:HXMT衛星的數據存儲系統靈活性高、可靠性好、運行穩定,完全滿足用戶需求,為HXMT衛星科學目標的實現奠定了基礎,也可為后續空間科學衛星或有類似需求航天器的數據存儲系統的設計和驗證提供參考。

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