為空間飛行器量身打造：可自修復(fù)的空間電子系統(tǒng)設(shè)計

　　設(shè)計摘要：

　　空間飛行器的電子系統(tǒng)設(shè)計面臨著一些問題。首先，太空飛行器執(zhí)行任務(wù)時會經(jīng)歷復(fù) 雜的空間環(huán) 境，包括溫度數(shù)百度的巨變，很強的電磁干擾和宇宙高能粒子輻射等。這對可靠性提出了很高的要求。第二，深空探測的航天器的目標(biāo)離地通常較遠(yuǎn)，飛行時間越來越長，甚至長達(dá)數(shù)年。迫切需要航天器的硬件系統(tǒng)能夠升級更新，實現(xiàn)功能擴展。第三，空間電子系統(tǒng)本身復(fù)雜度越來越高，當(dāng) 系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，需要進(jìn)行自主修復(fù)功能。

　　我們計劃采用 Xilinx 的 Virtex FPGA 實現(xiàn)一個能解決以上問題的空間電子系統(tǒng)。利用部分可重配置特性實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn) 程更新，并利用可重構(gòu)計算加上加速航天器姿態(tài)確定，姿態(tài)軌道控制等算法的運算。當(dāng) 系統(tǒng)受到高能粒子轟擊，發(fā)生單粒子事件翻轉(zhuǎn)故障時，利用 FPGA 的配置回讀特性實現(xiàn)故障檢測與自我修復(fù)。

　　系統(tǒng)原理及技術(shù)特點

　　2.1 系統(tǒng)原理

　　在本項目中，我們以空間飛行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制（GNC）系統(tǒng) 為具體實現(xiàn)對象，來設(shè)計可自修復(fù)空間電子系統(tǒng)。導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)在飛行器中的作用和工作原理如下圖所示。

　　圖表 1 導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)工作原理

　　首先，空間飛行器的 GNC 系統(tǒng)從地面站或?qū)Ш剿惴ǖ玫綀?zhí) 行本次任務(wù)的期望位置與姿態(tài)信息。接著，GNC 系統(tǒng)通過飛行器上轉(zhuǎn)載的敏感元件獲得飛行器本體目前真實的軌道位置與姿態(tài) 信息。敏感元件包括陀螺、加速度計、星敏感器、紅外地平敏感區(qū)等。這些信號經(jīng)過 AD 采用數(shù)字化、數(shù)字濾波、信號調(diào)理等處理后，經(jīng) 過制導(dǎo)和控制算法解算，得到飛行器推力器控制信號。由控制信號驅(qū)動推力器的開關(guān)為飛行器的航行或姿態(tài)調(diào) 整提供合適的力或力矩。當(dāng)這些力和力矩作用于空間飛行器本體上時，其軌道位置和姿態(tài)會發(fā)生改變。而位置和姿態(tài)的改變立即被敏感元件測量到，從形成一個閉環(huán) 的控制系統(tǒng) ，到達(dá)期望的控制結(jié)果。

　　圖表 2 GNC 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)組件框圖

　　2.2 可重構(gòu)加速計算

　　在空間飛行器不同的時間階段要執(zhí)行不同的任務(wù)算法。比如，當(dāng)飛行器剛剛到達(dá)預(yù)定軌道時，首先要執(zhí)行姿態(tài)確定任務(wù)，主要算法有擴展卡爾曼濾波算法等。之后要進(jìn)行姿態(tài) 調(diào)整控制，執(zhí)行姿態(tài) 控制算法。再運行軌道導(dǎo)航制導(dǎo)算法等等。可以看出在不同的任務(wù)階段，執(zhí)行的算法是不同的。對此，我們在 FPGA內(nèi)部規(guī)劃了 2 塊獨立的部分可重配置區(qū)域，在不同的任務(wù)階段，對其配置合適的算法硬件加速模塊，從而大大提供系統(tǒng)的運算性能。由于部分重配置時，F(xiàn)PGA的其他區(qū)域任然正常的工作運行，從而可以在不同任務(wù)階段平滑的切換硬件算法模塊，而不會對整個系統(tǒng)的運行造成中斷。FPGA 內(nèi)部規(guī)劃架構(gòu)圖如下。

　　圖表 3 FPGA 片上系統(tǒng)組件架構(gòu)圖

　　部分重配置設(shè)計流程

　　第一步：用 HDL 描述設(shè)計并綜合計可以用 VHDL 或 Verilog 語言描述，任何一種 ISE 支持的綜合工具都可以用來綜合。在綜合時，必須把其設(shè)置為在不同的設(shè)計層次間沒有優(yōu)化。另外應(yīng)該禁止 I/O 插入以防止 I/O buffers 插入到低層模塊中。每個部分重配置區(qū)域的模塊都必須分別綜合。

　　第二步：設(shè)置設(shè)計的約束

　　為布局布線設(shè)置約束。除了時序約束外（ PERIOD，etc）還必須設(shè)置 AREAGROUP， AREA GROUP RANGE， MODE 和 LOC 約束。

　　第三步：實現(xiàn)非部分重配置區(qū)域的設(shè)計

　　第四步：時序/布局分析

　　第五步：實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)計

　　第六步：實現(xiàn)各個重配置模塊

　　第七步：融合頂層，基礎(chǔ)及部分配置模塊設(shè)計，并生成最終的配置 bit 文件在兩個部分重配置區(qū) 域中，我們將在不同的任務(wù)階段根據(jù)其算法特點配置不同的算法硬件加速模塊。在航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)中要實現(xiàn) 對系統(tǒng)參數(shù)的估計，最常用的技術(shù) 就是基于擴展卡爾曼濾波（EKF）技術(shù)的姿態(tài)確定算法。該方法除了可以估計航天器的姿態(tài)參數(shù)外，還可以估計矢量觀測中的一些不確定性參數(shù)。因此，該方法能夠獲得很高的姿態(tài)確定精度。

　　圖表 4 卡爾曼濾波算法流程

　　其中，姿態(tài)四元數(shù)q=［q13 q4］T=［q1 q2 q3 q4］，其中q13 為矢量部分，q4 為標(biāo) 量部分。u（t）為三個陀螺的測量輸出值，ω（t）為沿三個陀螺輸入軸的真實姿態(tài)角速率，b（t）為三個陀螺的常值漂移，d（t）為三個陀螺的相關(guān)漂移，n1 為三個陀螺的測量白噪聲，且n1 的三個分量服從N（0，σgi ），（i=x，y，z）。我們將把此算法用HDL語言編制成硬件并行執(zhí)行模塊。當(dāng)航天器當(dāng)前任務(wù)階段需要執(zhí) 行此算法時，將其加載入部分重構(gòu)模塊。為此，我們將在航天器姿態(tài)確定任務(wù)階段時，在其中一個可重配置區(qū)域載入其算法硬件加速模塊。其工作流程圖如下：

　　圖表 5 算法部分重配置工作流程圖

　　2.3 硬件故障檢測與修復(fù)

　　在太空中惡劣的環(huán)境下，電子系統(tǒng)在高能帶電粒子的轟擊下很能會發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo) 致功能出錯，甚至發(fā) 生致命的控制錯誤。為此，我們設(shè)計模塊來回讀 FPGA 中的配置數(shù)據(jù) 并進(jìn)行 CRC 校驗，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤后重新配置出錯區(qū)域，及時修復(fù)系統(tǒng)。

　　Virtex 系列 FPGA 系列包含了一個叫做回讀的特性。它最初是設(shè)計來方便芯片生產(chǎn)時的測試。它提供了一種非侵入式的讀取 FPGA 中的每個鎖存器和配置存儲器狀態(tài)的方法。要利用這個特性，需要在設(shè)計中例化回讀組件。這個功能實在后臺運行的，不會影響 FPGA 的運行性能。FPGA 的設(shè)計可以全速運行而同時運行回讀功能。

　　在所有的讀出的比特之上會產(chǎn)生一個 CRC 校驗和，并把這個校驗和插入到回讀序列流的末尾。這個校驗和通過和當(dāng)前配置下期望的校驗和比對。如果不匹配，一個 SEU 很可能就發(fā)生了。

　　我們將設(shè)計控制邏輯來運行和獲取回讀。這個過程需要執(zhí)行下面的步驟：

　　1，開始回讀：把 RT 置高并保持住直到回讀結(jié)束。

　　2，從回讀的開始到結(jié)束都不能打斷 CLOCK。CLOCK 信號必須在 1Mhz

　　和 2Mhz 之間。

　　3，把回讀數(shù)據(jù)輸入一個 6 位的解碼器，以便尋找數(shù)據(jù)頭《111110》。

　　4，當(dāng)字頭被找到時，開始計數(shù)時鐘周期，當(dāng)達(dá)到前面表格所示的計數(shù)值時，

　　接下來就是一個 0，接著就是 11bit 的 CRC。

　　5，把這個 CRC 與期望的 CRC 比對。