微小卫星星载微内核实时操作系统设计及系统容错技术研究

微小卫星星载微内核实时操作系统设计及系统容错技术研究

论文摘要

小卫星有重量轻、体积小、功耗低等优点,它工作在无人干预的低温、高辐射的空间环境中,其星务系统需要满足集成度高、寿命长、可靠性高和抗干扰能力强等要求。本文的主要工作是研究如何设计高可靠、高容错的嵌入实时卫星操作系统,并在相关的软件工程领域进行必要的探索。在比较了多种操作系统结构模型的基础上,本文首先研究了采用微内核结构的小卫星操作系统结构设计思想。采用微内核结构能够大大简化系统内核内部以及系统内核与应用之间的接口,明显地降低模块之间调用的复杂性,从结构上保证了系统的高可靠性,并且具有易于扩展等优点。接下来本文讨论了操作系统内部任务结构和任务调度策略的设计。在分析时间驱动和事件驱动的优点和缺陷的基础上,研究了基于消息和定时任务处理的时间、事件混合驱动的抢占式卫星操作系统设计思想。这种思想综合了时间驱动和事件驱动的好处,既不会在负荷突然升高时造成失控,也不会降低关键任务的响应时间。其后,在分析容错实时系统面临的主要问题基础上,本论文对容错实时调度算法进行了深入地研究,提出了一种较通用的容错实时调度算法LP-FT,它可调度多种类型的任务,适用范围广泛。本文在理论上证明了该算法的正确性,给出了可调度条件,进行了算法分析,并基于实时操作系统VxWorks,设计其容错调度模块,实现了LP-FT容错实时调度算法,最后对容错调度模块进行了测试。结果表明,其时间和空间开销能够满足实时系统的要求。最后,本文着重分析了小卫星在空间环境中运行时的各类故障问题,针对小卫星数据存储提出了编码容错技术,并在ModelSim模拟平台上对编码容错技术方案进行了设计和验证。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 本课题的背景及意义
  • 1.3 国内外小卫星研究现状
  • 1.3.1 美国小卫星研究的带头地位
  • 1.3.2 俄罗斯庞大的小卫星规模
  • 1.3.3 日本小卫星快速发展
  • 1.3.4 欧洲星座平台设计
  • 1.3.5 中国小卫星发展现状
  • 1.4 本课题的工作关键和研究内容
  • 第二章 小卫星嵌入式实时操作系统及VXWORKS 内核的研究
  • 2.1 星载计算机操作系统要求及结构
  • 2.1.1 小卫星星载计算机操作系统要求
  • 2.1.2 客户/服务系统结构
  • 2.1.3 微内核结构
  • 2.2 嵌入式实时操作系统
  • 2.2.1 嵌入式系统中的重要概念和工作特点
  • 2.2.2 嵌入式系统设计原理
  • 2.3 VXWORKS操作系统介绍
  • 2.3.1 VxWorks 的特点
  • 2.3.2 Vxworks 操作系统结构分析
  • 2.3.3 VxWorks 内核
  • 2.4 TORNADO开发环境介绍
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 星载计算机嵌入式系统分析及设计
  • 3.1 星载计算机组成结构
  • 3.2 基于VXWORKS 的微内核操作系统设计方案
  • 3.2.1 小卫星操作系统设计方案
  • 3.2.2 小卫星操作系统运行模式
  • 3.3 小卫星微内核操作系统任务调度设计
  • 3.3.1 微内核操作系统任务结构
  • 3.3.2 进程的介绍和实现
  • 3.3.3 微内核操作系统进程管理、通信及调度
  • 3.3.4 微内核操作系统的初始化
  • 3.4 PC104 仿真平台
  • 3.5 板极支持包BSP 的开发实现
  • 3.6 本章小结
  • 第四章 容错实时任务调度算法研究
  • 4.1 系统失效及容错
  • 4.2 容错实时调度算法
  • 4.2.1 调度算法及其分类
  • 4.2.2 静态实时调度
  • 4.2.3 动态实时调度
  • 4.2.4 容错实时调度算法
  • 4.3 常用容错调度算法分析
  • 4.3.1 基于FT-EDF 的容错实时调度算法
  • 4.3.2 FTRM 容错实时调度算法
  • 4.4 小卫星容错实时任务调度的实现
  • 4.4.1 小卫星容错调度模块总体设计
  • 4.4.2 基于优先级的可抢占式调度
  • 4.4.3 LP-FT 容错调度算法的实现
  • 4.4.4 基于LP-FT 调度算法的系统性能测试
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 星载计算机系统容错控制策略及仿真
  • 5.1 容错体系介绍
  • 5.1.1 失效、错误和缺陷简述
  • 5.1.2 小卫星系统运行中的常见的故障问题
  • 5.1.3 系统可靠性保障
  • 5.1.4 小卫星容错技术
  • 5.2 编码容错技术
  • 5.3.1 海明码容错原理
  • 5.3.2 基于海明码的改进编码容错算法
  • 5.3.3 基于改进编码容错技术的RAM 存储数据容错
  • 5.4 基于MODELSIM 平台的编码容错纠错模拟仿真
  • 5.4.1 ModelSim 介绍
  • 5.4.2 MdelSim 平台下的编码容错技术仿真
  • 5.5 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • 6.1 本文工作总结
  • 6.2 后续工作展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文
  • 相关论文文献

    标签:;  ;  ;  ;  ;  

    微小卫星星载微内核实时操作系统设计及系统容错技术研究
    下载Doc文档

    猜你喜欢