论文摘要
空间信息处理系统是航天器的重要组成部分,主要负责航天器的姿态控制、任务管理、数据处理等任务。狭义上讲,空间信息处理系统仅是指航天器中专门负责飞行任务规划、数据存储等单一任务的计算机系统。广义上讲,空间信息处理系统泛指航天器中参与信息处理的计算机系统。由于长期工作在恶劣的空间环境,并且缺乏有效的维护手段,空间信息处理系统需具备极高的可靠性,从而对其可靠性设计与分析提出了较高的技术要求。空间信息处理系统的可靠性设计包括硬件设计和软件设计两个方面。在软件可靠性设计中,除了在应用程序级采用可靠性设计之外,在操作系统级也需通过容错调度保证在应用程序发生瞬态错误时系统仍旧能够正常运行。本文将从操作系统的角度研究提高软件可靠性的容错实时调度算法。可靠性分析是通过定性和定量的方法,为系统的可靠性及失效特性建立可靠性模型。可靠性分析为系统能否完成预定任务提供科学的理论验证,以避免由于设计失误而导致整体任务的失败。由于采用了多种可靠性设计方案,空间信息处理系统的结构呈现出许多新特点,例如结构复杂、任务多阶段、参数多样化等。本文将针对空间信息处理系统的特点,从动态系统失效模式、多阶段系统可靠性分析、高可靠非Markov系统可靠性分析等3个角度深入研究适用于空间信息处理系统的可靠性分析模型。本文工作的主要贡献和创新总结如下:1.空间信息处理系统软件容错技术研究通过改进基于实时操作系统的软件容错模型,研究提高系统容忍软件错误能力的软件容错技术。重点关注单机中支持任务双版本运行的软件容错模型,深入研究容错实时调度算法中的反向调度和正向调度过程。提出反向调度与正向调度之间相互协调的特性,并探讨各种反向调度算法和正向调度算法对容错实时调度算法的影响。针对软件容错模型中主部分可执行性预测精度低的问题,提出基于预测表的容错实时调度算法PTBA。该算法根据替代部分通知时间的先后顺序构建预测表,用于精确预测主部分的执行情况。当主部分不发生错误时,算法依据预测表进行任务调度,减小了调度开销。经过模拟验证和与同类算法的比较,PTBA算法能够获得更多的主部分执行时间,并具有较少的CPU消耗。2.基于割序集的动态系统失效模式研究引入动态故障树作为空间信息处理系统可靠性分析的建模工具,提出割序和割序集的概念用于描述动态系统的失效模式。本文利用顺序失效表达式作为割序集中一条割序的表述方式,通过将动态门转换为相应的割序从而完成割序集的生成。在此基础上,研究割序集的定量分析方法,以多重积分的形式计算每条割序的发生概率,则系统的不可靠度即为割序集中所有割序的概率和。由于考虑失效顺序的割序集模型具有较高的计算复杂度,因此为了简化模型,本文提出了模块化、概率和的简化等多种简化方法以减小模型的时间和空间消耗。割序集的生成及其定量分析方法是研究动态系统失效模式的一种新的可靠性分析模型,解决了快速定位动态系统失效模式并获得系统不可靠度参数的问题。3.基于贝叶斯网络的动态多阶段系统可靠性分析模型研究针对多阶段系统的可靠性评估问题,提出了一种基于贝叶斯网络的可靠性分析模型PMS-BN。PMS-BN模型首先为系统的每个阶段构建各自的贝叶斯网络,其结果命名为phase-BN。为了描述阶段之间的相关性,（1）将所有phase-BN中表示同一部件但属于不同阶段的根节点用有向边连接;（2）将所有phase-BN中的叶节点与一个新的表示多阶段系统的节点用有向边连接,从而构建出用于刻画多阶段系统的贝叶斯网络,称之为PMS-BN。利用离散时间贝叶斯网络模型分析PMS-BN,从而获得多阶段系统的可靠度。PMS-BN模型为多阶段系统的可靠性分析提供了一种新的策略,不仅能够方便地实施系统故障诊断、重要度分析等应用,而且具有较小的计算复杂度。4.高可靠非Markov系统的可靠性仿真模型研究针对高可靠非Markov系统的可靠性分析问题,本文提出了两种可靠性仿真策略。为了获得准确的状态转移时间抽样,提出了一般分布的近似抽样方法ASRD,利用多个均匀分布拟合一般形式的剩余寿命分布,并用拟合参数d调整抽样精度和抽样效率。在此基础上,为了仿真具有高可靠度的非Markov系统,提出了基于强制转移策略的仿真模型FT-ASRD,以便能够在有限的仿真次数内获得系统的不可靠度。经过验证表明,当5≤d≤10时,FT-ASRD相对于常规仿真方法能够快速地完成高可靠非Markov系统的可靠性分析,并且仿真结果具有较小的相对误差。综上所述,本文主要从空间信息处理系统的可靠性设计（软件容错模型中的容错实时调度算法）和可靠性分析（针对系统不同特点的可靠性分析模型）两个角度开展关键技术研究。提出的容错实时调度算法为提高空间信息处理系统的软件容错能力提供了一种有效的设计策略,而各种可靠性分析模型则为判定系统能否完成预定任务提供了适用的评估手段。
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