可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫龑昊，王文強(qiáng)，楊 凱，王俊超

（中國(guó)人民解放軍63687部隊(duì)，江蘇 江陰 214400）

0 引言

可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，能夠保證航天系統(tǒng)的智能化、微型化發(fā)展，其在飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分應(yīng)用具有良好前景，對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工藝帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。該技術(shù)的多功能性，能夠簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理流程，節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，提高功能密度。航天系統(tǒng)中采用可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠?qū)?xiàng)目流程進(jìn)行合理分配，完成多個(gè)任務(wù)內(nèi)容的分批處理。它可以讓衛(wèi)星平臺(tái)更好地判定正確的運(yùn)行軌道，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離指令發(fā)送，為控制平臺(tái)提供數(shù)據(jù)通信。

1 可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用

要想充分發(fā)揮出航天系統(tǒng)的功能，提高航天系統(tǒng)的可靠性，就需要通過(guò)可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，建立全新的航天系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)粗粒度軟硬件設(shè)置方式，充分發(fā)揮出航天系統(tǒng)的多功能作用，并通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證方式，將衛(wèi)星系統(tǒng)功能配置到重構(gòu)體中，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程完成多元化的航天系統(tǒng)項(xiàng)目任務(wù)，簡(jiǎn)化操作流程，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（1）可重構(gòu)計(jì)算機(jī)創(chuàng)新航天系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。航天系統(tǒng)中的可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)，主要分為處理器單元模塊、數(shù)據(jù)配置與存儲(chǔ)、系統(tǒng)控制單元模塊等多個(gè)環(huán)節(jié)組成，處理器的選擇要與航天系統(tǒng)發(fā)展的需求相一致。作為可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的核心體現(xiàn)，首先需要了解航天系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的載體，各功能區(qū)域?qū)⑴渲猛瓿傻臄?shù)據(jù)信息，以文件的形式下載儲(chǔ)存到FPGA中，負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集工作，自動(dòng)化處理龐大的信息內(nèi)容。工作人員需要了解電源的使用情況，對(duì)熱量進(jìn)行管制，通過(guò)合理的手段進(jìn)行設(shè)備的故障處理，同時(shí)具備遠(yuǎn)程測(cè)控功能，全面提高信息數(shù)據(jù)的可靠性，航天系統(tǒng)的配置存儲(chǔ)與控制功能，需要微控制器與存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中的FLASH能夠?yàn)镕PGA的計(jì)算機(jī)功能數(shù)據(jù)配置與系統(tǒng)升級(jí)奠定基礎(chǔ)，通過(guò)微控制器完成FPGA中的數(shù)據(jù)下載。而航天系統(tǒng)中的射頻單元，運(yùn)用可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)完成星地測(cè)控與星間通信任務(wù)，并對(duì)星間距離進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)中心在射頻模塊上傳升級(jí)程序，發(fā)送系統(tǒng)重構(gòu)命令，對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行故障進(jìn)行處理。

（2）發(fā)揮出航天系統(tǒng)的多功能作用。在航天系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，想要減少資金的投入，就需要科學(xué)使用現(xiàn)有的硬件資源，制定出合理的方案解決硬件互聯(lián)存在的問(wèn)題，可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用需要使用FPGA結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)功能的多樣化發(fā)展，但航天系統(tǒng)的芯片規(guī)模會(huì)限制可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。因此，工程人員需要分析粗粒度劃分可重構(gòu)計(jì)算機(jī)的功能，通過(guò)硬件語(yǔ)言描述對(duì)多個(gè)功能模塊進(jìn)行硬件編程，結(jié)合EDA軟件具有的虛擬仿真、邏輯分析、整體布局與系統(tǒng)驗(yàn)證等功能，自動(dòng)進(jìn)行FPGA功能配置文件的下載和儲(chǔ)存。并在系統(tǒng)中心進(jìn)行統(tǒng)一控制，在航天設(shè)備飛行的過(guò)程中，需要由控制中心下達(dá)重構(gòu)指令，讓多個(gè)系統(tǒng)功能發(fā)揮出各自的應(yīng)用價(jià)值，并在存儲(chǔ)器中獲取控制中心發(fā)送的升級(jí)文件包，并預(yù)留出固定的存儲(chǔ)地址。

（3）可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)可靠性設(shè)計(jì)。可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)在航天系統(tǒng)中的有效應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星在軌的自動(dòng)化升級(jí)，并對(duì)故障處理流程進(jìn)行創(chuàng)新，工程設(shè)計(jì)人員需要充分了解，在進(jìn)行在軌重構(gòu)操作的過(guò)程中，需要保證系統(tǒng)功能可靠性，降低不穩(wěn)定因素，對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)的影響。因此，想要全面提高航天系統(tǒng)中可重構(gòu)技術(shù)的可靠性，就需要充分考慮電子系統(tǒng)的整體設(shè)置情況，以及計(jì)算機(jī)的輔助功能。一般情況下，航天電子系統(tǒng)都會(huì)采用雙機(jī)備份的工作模式，為可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用奠定有力基礎(chǔ)。雙機(jī)之間通過(guò)任務(wù)詳情、運(yùn)行時(shí)間、系統(tǒng)狀態(tài)等因素與數(shù)據(jù)之間的有效交換，在數(shù)據(jù)切換與系統(tǒng)重啟的過(guò)程中，清除空間輻射量，全面降低單擊單點(diǎn)損壞問(wèn)題的出現(xiàn)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，結(jié)合可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用情況來(lái)看，想要保證系統(tǒng)的可靠性，就需要對(duì)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行合理規(guī)劃。

一是控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)控。想要保證航天系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，就需要對(duì)控制單元進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，微控制器在航天系統(tǒng)中都有效應(yīng)用能夠自動(dòng)化完成處理器單元的重構(gòu)后天系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要針對(duì)控制單元的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行故障形成原因的判定并制定出合理的故障排除措施，并制定出針對(duì)性的解決方案，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

二是系統(tǒng)故障處理機(jī)制。當(dāng)航天系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化處理，首先需要明確微控制器得到的FPGA監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)下載配置文件完成FPGA重構(gòu)任務(wù)，排除航天系統(tǒng)中單粒子故障問(wèn)題，解決失效的運(yùn)行功能，自動(dòng)化技術(shù)處理后沒(méi)有解決故障，需要轉(zhuǎn)換成安全的使用模式進(jìn)行FPGA的重新配置，控制衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)，并等待控制中心下達(dá)的故障修復(fù)和排除指令。

三是應(yīng)急存儲(chǔ)器的應(yīng)用。想要保證航天系統(tǒng)的可靠性，需要提前制定故障應(yīng)急方案，其中FPGA掉電問(wèn)題的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，不利于后續(xù)工作的進(jìn)行，因此，需要在系統(tǒng)的處理器單元模塊配置應(yīng)急存儲(chǔ)器，將得到的數(shù)據(jù)信息備份儲(chǔ)存到應(yīng)急儲(chǔ)存器中。在進(jìn)行FPGA重新配置過(guò)程中，發(fā)送內(nèi)存訪問(wèn)地址，將容易遺失的FPGA數(shù)據(jù)編寫(xiě)到應(yīng)急存儲(chǔ)器中，在航天系統(tǒng)重新連接后，自動(dòng)完成FPGA配置文件下載工作，讀取應(yīng)急存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

四是地面監(jiān)測(cè)修正技術(shù)。可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠完成系統(tǒng)故障的自動(dòng)化處理，當(dāng)航天器無(wú)法進(jìn)行自我修復(fù)時(shí)，地面控制中心能夠發(fā)送故障修復(fù)指令，通過(guò)人為干預(yù)提高故障修復(fù)的可能性。可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，就在于可以進(jìn)行故障問(wèn)題發(fā)生原因的檢測(cè)，當(dāng)判斷產(chǎn)生故障的位置處于系統(tǒng)硬件時(shí)，地面控制中心通過(guò)多元化的計(jì)算方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并通過(guò)射頻單元上傳升級(jí)配置文件，對(duì)航天系統(tǒng)的硬件進(jìn)行邏輯重構(gòu)，從而排除系統(tǒng)內(nèi)部故障。

2 可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)在航天系統(tǒng)中的發(fā)展前景

以SRAM為基礎(chǔ)的FPGA是可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要硬件設(shè)備，在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用，需要了解空間輻射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀瑫r(shí)要加大對(duì)半導(dǎo)體器件的抗輻射研究力度，抗輻射需要分析TID特性（承受總粒子劑量最大值），SEU特性（單粒子造成SEU翻轉(zhuǎn)的幾率）。FPGA器件主要以SRAM為核心，運(yùn)用FLASH具有的系統(tǒng)重構(gòu)原理，分析FPGA的SEU易感性，當(dāng)其超過(guò)正常標(biāo)準(zhǔn)值后，需要通過(guò)FPGA對(duì)可重構(gòu)計(jì)算硬件在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行研究。航天領(lǐng)域的新技術(shù)研發(fā)需要經(jīng)過(guò)多次的驗(yàn)證和篩選，需要耗費(fèi)大量的研發(fā)資金，但NASA的JPL已經(jīng)完成了對(duì)航天系統(tǒng)中可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的可能性評(píng)估，通過(guò)系統(tǒng)化的研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的低性能微處理器相比，可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)擁有較強(qiáng)的抗輻射能力，具有微處理器無(wú)法比擬的高性能、多功能、低能耗特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)航天系統(tǒng)的自動(dòng)化重構(gòu)，保證通信協(xié)議的靈活性。

可重構(gòu)計(jì)算機(jī)的性能發(fā)展首先需要了解系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性，合理運(yùn)用硬件電路獨(dú)特的并發(fā)執(zhí)行能力，進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的總結(jié)和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)計(jì)算機(jī)性能改進(jìn)。與此同時(shí)，在特定的任務(wù)完成中，可重構(gòu)計(jì)算機(jī)具有明顯的針對(duì)性，需要建立專(zhuān)用的邏輯電路，保證數(shù)據(jù)運(yùn)算速度。

3 結(jié)束語(yǔ)

可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)具有良好的開(kāi)發(fā)前景，其在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用，創(chuàng)建了硬件分析平臺(tái)，工程技術(shù)人員與科研專(zhuān)家從不同角度，對(duì)以FPGA器件為基礎(chǔ)的可重構(gòu)計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行了研究，并取得了良好的分析成果，全面認(rèn)識(shí)到可重構(gòu)計(jì)算機(jī)技術(shù)的整體結(jié)構(gòu)，以及在航天系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中所具有的多功能作用，全面提高了航天系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。