| 题名 | 星载ATP 控制系统容错设计及单粒子效应加固技术研究 |
| 作者 | 王红举 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2016-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 杨文淑 ; 包启亮 |
| 关键词 | 星载ATP，故障诊断与容错控制，故障重构，单粒子效应，故障注入， 部分动态重构 |
| 中文摘要 |
空间激光数据传输技术被公认为将在未来 10~20 年内成为星间及星地间建
立高速宽带链路的主要方式。为了能够在极窄波束、通信距离较远的情况下建立
稳定持续的数据传输链路，空间激光数据传输系统广泛采用捕获、跟踪和瞄准技
术(ATP,Acqusition,Tracking and Pointing)，星载ATP 系统稳定可靠的工作是星间
或星地之间建立高质量通信链路的前提条件。因此，在空间环境影响下，研究如
何确保星载ATP 终端能够在其较长的任务周期内稳定可靠并保持较高精度的工
作具有非常重要的工程意义。
本文针对星载ATP 系统控制系统，分别从星载ATP 粗、精跟踪单元容错控
制方案和控制器抗空间辐射环境设计两方面展开研究，以期达到粗、精跟踪单元
能够在空间环境下稳定可靠工作的目的。主要研究内容如下：
为判断粗、精跟踪单元中执行器或传感器是否故障，深入研究了基于状态估
计的故障检测与诊断方法。针对确定线性系统，设计实现了一类故障检测滤波器
以完成故障的检测。针对含有噪声的随机系统，设计实现了一类Kalman 滤波器
组来完成故障的诊断和隔离，该滤波器组使用残差的加权平方和作为残差评价函
数，使用多个滤波器完成故障的隔离。为验证两类滤波器的有效性建立了精跟踪
半实物仿真平台，相比传统硬件冗余的方法，所设计方案无需额外的硬件资源即
可实现故障的诊断，降低了硬件成本和功耗的消耗。
为能够获得更多元的故障信息，从而为容错策略的制定和执行提供更真实、
直接的依据，研究了基于滑模观测器的故障重构技术。针对常规滑模观测器存在
的抖振及必须知道故障上边界等问题，提出了一类自适应PI 滑模观测器，使用
自适应PI 函数代替滑模观测器中切换项，无需任何故障信号的先验信息即可忠
实的重构出故障信号。
通过结合基于自适应PI 滑模观测器的故障重构技术和硬件冗余思想，针对
星载ATP 精跟踪单元，提出并设计了一种基于双模冷备份和故障重构的复合容
错方案。方案使用双模冷备份替代工程中常用的三模冗余（TMR），使用自适应
滑模观测器完成故障的检测与隔离，在冷备份传感器启动过程中，使用重构信号
修正故障测量值维持闭环系统的正常运行。相比传统的三模冗余方案，在可靠性
显著提升的情况下，该方案使用更少的传感器冗余和功耗消耗。经实验验证，在
传感器故障的情况下，采用该方案的精跟踪单元能够实现自动容错控制，控制器
结构和参数均不需要进行更改，具有高度自制性。
针对空间辐射环境对星载ATP 中控制器等电子设备的影响，系统的研究了
空间辐射效应中总剂量效应和单粒子效应的机理。以控制器等设备中广泛应用且对辐射效应最敏感的SRAM 型FPGA 为研究对象，从应用层的角度展开容错策
略的研究。提出并设计了基于动态部分重构技术的TMR 容错方案，该方案使用
动态部分重构技术消除了常规TMR 方案中单粒子翻转的累积现象，并设计了同
步控制电路以解决故障区域重构后与其他区域的同步问题。
为验证SRAM 型FPGA 抗空间辐射环境设计的有效性，设计实现了一套基
于故障注入技术的容错性能评估系统。该系统主要模拟单粒子效应引起的配置位
翻转故障，通过向动态区域反复加载含有错误配置位的配置文件来实现故障的注
入，将待测试设计的输出与参考设计的输出进行比较，统计待测试设计功能失效
的概率。经实验测试，该评估系统能够从功能上对抗辐射加固方案的性能进行测
试和评估。
本文提出的故障诊断和容错控制策略通过了实验验证，所提出的基于动态部
分重构技术的TMR 容错技术和基于故障注入的SEU 容错性能评估系统已在工
程中得到应用。 |
| 语种 | 中文 |
| 学科主题 | 信号与信息处理 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/8013]  |
| 专题 | 光电技术研究所_光电技术研究所博硕士论文 |
| 作者单位 | 中国科学院光电技术研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王红举. 星载ATP 控制系统容错设计及单粒子效应加固技术研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2016. |
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