可重構計算機技術在航天系統(tǒng)中的應用

孫龑昊，王文強，楊 凱，王俊超

（中國人民解放軍63687部隊，江蘇 江陰 214400）

0 引言

可重構計算機技術的應用，能夠保證航天系統(tǒng)的智能化、微型化發(fā)展，其在飛機系統(tǒng)設計中進行充分應用具有良好前景，對傳統(tǒng)的設計工藝帶來了巨大挑戰(zhàn)。該技術的多功能性，能夠簡化數(shù)據(jù)處理流程，節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸時間，提高功能密度。航天系統(tǒng)中采用可重構計算機技術，能夠對項目流程進行合理分配，完成多個任務內(nèi)容的分批處理。它可以讓衛(wèi)星平臺更好地判定正確的運行軌道，并實現(xiàn)遠距離指令發(fā)送，為控制平臺提供數(shù)據(jù)通信。

1 可重構計算機技術在航天系統(tǒng)中的應用

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，就需要通過可重構計算機技術的設計與應用，建立全新的航天系統(tǒng)結構，通過粗粒度軟硬件設置方式，充分發(fā)揮出航天系統(tǒng)的多功能作用，并通過仿真模擬實驗的驗證方式，將衛(wèi)星系統(tǒng)功能配置到重構體中，通過計算機編程完成多元化的航天系統(tǒng)項目任務，簡化操作流程，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（1）可重構計算機創(chuàng)新航天系統(tǒng)結構。航天系統(tǒng)中的可重構計算機技術，主要分為處理器單元模塊、數(shù)據(jù)配置與存儲、系統(tǒng)控制單元模塊等多個環(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。作為可重構計算機技術應用的核心體現(xiàn)，首先需要了解航天系統(tǒng)功能實現(xiàn)的載體，各功能區(qū)域將配置完成的數(shù)據(jù)信息，以文件的形式下載儲存到FPGA中，負責對衛(wèi)星的運行數(shù)據(jù)采集工作，自動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，對熱量進行管制，通過合理的手段進行設備的故障處理，同時具備遠程測控功能，全面提高信息數(shù)據(jù)的可靠性，航天系統(tǒng)的配置存儲與控制功能，需要微控制器與存儲器實現(xiàn)，系統(tǒng)中的FLASH能夠為FPGA的計算機功能數(shù)據(jù)配置與系統(tǒng)升級奠定基礎，通過微控制器完成FPGA中的數(shù)據(jù)下載。而航天系統(tǒng)中的射頻單元，運用可重構計算機技術完成星地測控與星間通信任務，并對星間距離進行測量，系統(tǒng)中心在射頻模塊上傳升級程序，發(fā)送系統(tǒng)重構命令，對計算機運行故障進行處理。

（2）發(fā)揮出航天系統(tǒng)的多功能作用。在航天系統(tǒng)設計的過程中，想要減少資金的投入，就需要科學使用現(xiàn)有的硬件資源，制定出合理的方案解決硬件互聯(lián)存在的問題，可重構計算機技術的應用需要使用FPGA結構，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)模會限制可重構計算機技術的實現(xiàn)。因此，工程人員需要分析粗粒度劃分可重構計算機的功能，通過硬件語言描述對多個功能模塊進行硬件編程，結合EDA軟件具有的虛擬仿真、邏輯分析、整體布局與系統(tǒng)驗證等功能，自動進行FPGA功能配置文件的下載和儲存。并在系統(tǒng)中心進行統(tǒng)一控制，在航天設備飛行的過程中，需要由控制中心下達重構指令，讓多個系統(tǒng)功能發(fā)揮出各自的應用價值，并在存儲器中獲取控制中心發(fā)送的升級文件包，并預留出固定的存儲地址。

（3）可重構計算機技術可靠性設計。可重構計算機技術在航天系統(tǒng)中的有效應用，能夠實現(xiàn)衛(wèi)星在軌的自動化升級，并對故障處理流程進行創(chuàng)新，工程設計人員需要充分了解，在進行在軌重構操作的過程中，需要保證系統(tǒng)功能可靠性，降低不穩(wěn)定因素，對衛(wèi)星運行狀態(tài)的影響。因此，想要全面提高航天系統(tǒng)中可重構技術的可靠性，就需要充分考慮電子系統(tǒng)的整體設置情況，以及計算機的輔助功能。一般情況下，航天電子系統(tǒng)都會采用雙機備份的工作模式，為可重構計算機技術的應用奠定有力基礎。雙機之間通過任務詳情、運行時間、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)重啟的過程中，清除空間輻射量，全面降低單擊單點損壞問題的出現(xiàn)，保證系統(tǒng)運行的可靠性，結合可重構計算機技術在航天系統(tǒng)中的應用情況來看，想要保證系統(tǒng)的可靠性，就需要對設計流程進行合理規(guī)劃。

一是控制單元實時監(jiān)控。想要保證航天系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，就需要對控制單元進行實時監(jiān)控，微控制器在航天系統(tǒng)中都有效應用能夠自動化完成處理器單元的重構后天系統(tǒng)運行過程中，需要針對控制單元的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行故障形成原因的判定并制定出合理的故障排除措施，并制定出針對性的解決方案，提高系統(tǒng)運行的可靠性。

二是系統(tǒng)故障處理機制。當航天系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時，通過可重構計算機技術進行自動化處理，首先需要明確微控制器得到的FPGA監(jiān)測數(shù)據(jù)，并自動下載配置文件完成FPGA重構任務，排除航天系統(tǒng)中單粒子故障問題，解決失效的運行功能，自動化技術處理后沒有解決故障，需要轉換成安全的使用模式進行FPGA的重新配置，控制衛(wèi)星的運行狀態(tài)，并等待控制中心下達的故障修復和排除指令。

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

四是地面監(jiān)測修正技術。可重構計算機技術在航天系統(tǒng)中的應用，能夠完成系統(tǒng)故障的自動化處理，當航天器無法進行自我修復時，地面控制中心能夠發(fā)送故障修復指令，通過人為干預提高故障修復的可能性。可重構計算機技術在航天系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢，就在于可以進行故障問題發(fā)生原因的檢測，當判斷產(chǎn)生故障的位置處于系統(tǒng)硬件時，地面控制中心通過多元化的計算方式進行重新設計，并通過射頻單元上傳升級配置文件，對航天系統(tǒng)的硬件進行邏輯重構，從而排除系統(tǒng)內(nèi)部故障。

2 可重構計算機技術在航天系統(tǒng)中的發(fā)展前景

以SRAM為基礎的FPGA是可重構計算機技術實現(xiàn)的主要硬件設備，在航天系統(tǒng)中的應用，需要了解空間輻射對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀瑫r要加大對半導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翻轉的幾率）。FPGA器件主要以SRAM為核心，運用FLASH具有的系統(tǒng)重構原理，分析FPGA的SEU易感性，當其超過正常標準值后，需要通過FPGA對可重構計算硬件在航天系統(tǒng)中的應用情況進行研究。航天領域的新技術研發(fā)需要經(jīng)過多次的驗證和篩選，需要耗費大量的研發(fā)資金，但NASA的JPL已經(jīng)完成了對航天系統(tǒng)中可重構計算機技術應用的可能性評估，通過系統(tǒng)化的研究結果表明，與傳統(tǒng)的低性能微處理器相比，可重構計算機技術擁有較強的抗輻射能力，具有微處理器無法比擬的高性能、多功能、低能耗特點，可以實現(xiàn)航天系統(tǒng)的自動化重構，保證通信協(xié)議的靈活性。

可重構計算機的性能發(fā)展首先需要了解系統(tǒng)內(nèi)部結構之間的關聯(lián)性，合理運用硬件電路獨特的并發(fā)執(zhí)行能力，進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的總結和計算，實現(xiàn)可重構計算機性能改進。與此同時，在特定的任務完成中，可重構計算機具有明顯的針對性，需要建立專用的邏輯電路，保證數(shù)據(jù)運算速度。

3 結束語

可重構計算機技術具有良好的開發(fā)前景，其在航天系統(tǒng)中的應用，創(chuàng)建了硬件分析平臺，工程技術人員與科研專家從不同角度，對以FPGA器件為基礎的可重構計算平臺進行了研究，并取得了良好的分析成果，全面認識到可重構計算機技術的整體結構，以及在航天系統(tǒng)應用過程中所具有的多功能作用，全面提高了航天系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。