基于VxWorks的深空探测器姿轨控系统软件设计

论文摘要

随着深空探测技术的不断发展和探测器系统复杂性的不断提高,探测器姿轨控系统软件的设计成为一个重要的研究课题,而将实时系统应用到航天领域更是当前研究的热点。本文针对深空探测器姿轨控系统高实时性、高可靠性、高复杂性等特点,结合软件体系结构的理论,在基于具有微内核结构的嵌入式实时操作系统VxWorks的前提下,设计了满足深空探测器姿轨控系统要求的系统软件和关键的功能模块,并运用实时操作系统VxWorks的集成开发环境对所设计的模块功能进行了仿真。首先,本文对深空探测器姿轨控系统各个模块的功能及相互之间的联系作了全面的分析,设计了最适合深空探测器姿轨控系统的层次结构和上层软件的层次结构;设计了针对80x86系列处理器体系结构的BSP,构造了基于VxWorks运行环境的VxWorks映像文件以及引导程序bootRom,并对必要的外部设备驱动程序进行了设计编写,为深空探测器姿轨控系统提供了底层软件支持。其次,针对深空探测器姿轨控系统的事件特点,本文设计了基于中断驱动与时间驱动并用的混合驱动模式,满足系统中各个模块对事件响应的不同要求;针对单粒子翻转现象对系统软件容错性进行了设计;根据系统结构及其特点,对系统任务进行了合理的划分,设计了任务调度模块。本文针对深空探测器姿轨控系统的各个模块对内存占用情况的特点,设计了合理的内存管理机制,不但从内存调度方面提高了系统的实时性,也确保了系统的稳定性。最后,在对深空探测器姿轨控系统软件可重入性要求前提下,设计了基于VxWorks的在轨编程方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 深空探测器多任务星载软件技术发展
• 1.3.1 嵌入式操作系统在星载软件中的应用现状
• 1.3.2 嵌入式实时操作系统VxWorks
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 深空探测器姿轨控系统结构与功能分析
• 2.1 深空探测器姿轨控系统组成
• 2.2 深空探测器姿轨控系统软件组成
• 2.2.1 深空探测器姿轨控系统底层软件组成
• 2.2.2 深空探测器姿轨控系统上层软件组成
• 2.3 系统功能分析
• 2.3.1 各模块的功能分析
• 2.3.2 轨道机动分析
• 2.4 系统逻辑关系与数据关系
• 2.5 数据描述
• 2.6 深度撞击任务姿轨控系统软件性能需求分析
• 2.6.1 时间特性（实时性）
• 2.6.2 数据精确度
• 2.7 本章小结
• 第3章 深空探测器姿轨控系统软件体系结构设计
• 3.1 基于VxWorks 微内核的姿轨控系统软件层次研究与设计
• 3.1.1 操作系统的结构类型研究与比较
• 3.1.2 基于VxWorks 的深空探测器姿轨控系统软件层次设计
• 3.2 深空探测器姿轨控系统驱动模式的实现方法
• 3.2.1 事件驱动模式
• 3.2.2 时间驱动模式
• 3.2.3 深空探测器姿轨控系统的驱动模式设计
• 3.2.4 中断驱动模式的仿真
• 3.3 深空探测器姿轨控系统实时性设计方案的研究
• 3.3.1 保证系统实时性的设计方案
• 3.3.2 实例说明
• 3.4 提高深空探测器姿轨控系统软件容错性的方法研究
• 3.4.1 特殊编码设计
• 3.4.2 数据三取二处理
• 3.4.3 流程的容错设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 姿轨控系统软件主要模块的设计及实现
• 4.1 深空探测器姿轨控系统底层程序主要部分设计
• 4.1.1 板级支持包（BSP）的设计
• 4.1.2 设备驱动程序的设计
• 4.2 深空探测器姿轨控系统资源管理模块设计
• 4.2.1 VxWorks 采用的动态内存管理方式及存在的问题
• 4.2.2 Binning 算法用于深空探测器姿轨控系统时存在的问题
• 4.2.3 对Binning 算法的优化
• 4.2.4 利用消息队列实现内存的快速分配与回收
• 4.2.5 动态内存管理仿真
• 4.3 深空探测器姿轨控系统任务调度模块设计
• 4.3.1 任务调度模块设计时需要解决的问题
• 4.3.2 任务的划分
• 4.3.3 任务优先级的确定
• 4.3.4 任务调度仿真
• 4.4 基于VxWorks 的在轨编程模块设计与实现
• 4.4.1 在轨编程的现实意义
• 4.4.2 设计思想
• 4.4.3 实现方法设计
• 4.4.4 在轨编程仿真
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢