【摘要】：空間激光數(shù)據(jù)傳輸技術被公認為將在未來10~20年內成為星間及星地間建立高速寬帶鏈路的主要方式。為了能夠在極窄波束、通信距離較遠的情況下建立穩(wěn)定持續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸鏈路,空間激光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)廣泛采用捕獲、跟蹤和瞄準技術(ATP,Acqusition,Tracking and Pointing),星載ATP系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作是星間或星地之間建立高質量通信鏈路的前提條件。因此,在空間環(huán)境影響下,研究如何確保星載ATP終端能夠在其較長的任務周期內穩(wěn)定可靠并保持較高精度的工作具有非常重要的工程意義。本文針對星載ATP系統(tǒng)控制系統(tǒng),分別從星載ATP粗、精跟蹤單元容錯控制方案和控制器抗空間輻射環(huán)境設計兩方面展開研究,以期達到粗、精跟蹤單元能夠在空間環(huán)境下穩(wěn)定可靠工作的目的。主要研究內容如下:為判斷粗、精跟蹤單元中執(zhí)行器或傳感器是否故障,深入研究了基于狀態(tài)估計的故障檢測與診斷方法。針對確定線性系統(tǒng),設計實現(xiàn)了一類故障檢測濾波器以完成故障的檢測。針對含有噪聲的隨機系統(tǒng),設計實現(xiàn)了一類Kalman濾波器組來完成故障的診斷和隔離,該濾波器組使用殘差的加權平方和作為殘差評價函數(shù),使用多個濾波器完成故障的隔離。為驗證兩類濾波器的有效性建立了精跟蹤半實物仿真平臺,相比傳統(tǒng)硬件冗余的方法,所設計方案無需額外的硬件資源即可實現(xiàn)故障的診斷,降低了硬件成本和功耗的消耗。為能夠獲得更多元的故障信息,從而為容錯策略的制定和執(zhí)行提供更真實、直接的依據(jù),研究了基于滑模觀測器的故障重構技術。針對常規(guī)滑模觀測器存在的抖振及必須知道故障上邊界等問題,提出了一類自適應PI滑模觀測器,使用自適應PI函數(shù)代替滑模觀測器中切換項,無需任何故障信號的先驗信息即可忠實的重構出故障信號。通過結合基于自適應PI滑模觀測器的故障重構技術和硬件冗余思想,針對星載ATP精跟蹤單元,提出并設計了一種基于雙模冷備份和故障重構的復合容錯方案。方案使用雙模冷備份替代工程中常用的三模冗余(TMR),使用自適應滑模觀測器完成故障的檢測與隔離,在冷備份傳感器啟動過程中,使用重構信號修正故障測量值維持閉環(huán)系統(tǒng)的正常運行。相比傳統(tǒng)的三模冗余方案,在可靠性顯著提升的情況下,該方案使用更少的傳感器冗余和功耗消耗。經(jīng)實驗驗證,在傳感器故障的情況下,采用該方案的精跟蹤單元能夠實現(xiàn)自動容錯控制,控制器結構和參數(shù)均不需要進行更改,具有高度自制性。針對空間輻射環(huán)境對星載ATP中控制器等電子設備的影響,系統(tǒng)的研究了空間輻射效應中總劑量效應和單粒子效應的機理。以控制器等設備中廣泛應用且對輻射效應最敏感的SRAM型FPGA為研究對象,從應用層的角度展開容錯策略的研究。提出并設計了基于動態(tài)部分重構技術的TMR容錯方案,該方案使用動態(tài)部分重構技術消除了常規(guī)TMR方案中單粒子翻轉的累積現(xiàn)象,并設計了同步控制電路以解決故障區(qū)域重構后與其他區(qū)域的同步問題。為驗證SRAM型FPGA抗空間輻射環(huán)境設計的有效性,設計實現(xiàn)了一套基于故障注入技術的容錯性能評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要模擬單粒子效應引起的配置位翻轉故障,通過向動態(tài)區(qū)域反復加載含有錯誤配置位的配置文件來實現(xiàn)故障的注入,將待測試設計的輸出與參考設計的輸出進行比較,統(tǒng)計待測試設計功能失效的概率。經(jīng)實驗測試,該評估系統(tǒng)能夠從功能上對抗輻射加固方案的性能進行測試和評估。本文提出的故障診斷和容錯控制策略通過了實驗驗證,所提出的基于動態(tài)部分重構技術的TMR容錯技術和基于故障注入的SEU容錯性能評估系統(tǒng)已在工程中得到應用。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(光電技術研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.1

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本文編號：2433017