CCIPS的分布实时容错一体化研究

论文摘要

分布式航天器系统(简称DSS)由多颗微小卫星组成,通过微小卫星的相互协作来完成预定的科研、军事任务。分布式航天器协同控制信息处理子系统(简称CCIPS)运行于分布式航天器系统中,该子系统要满足DSS 姿态控制、位置控制、通信管理等协同控制及数据处理的要求。本文重点对CCIPS 的分布实时容错一体化进行了研究,提出了相关的设计方案,并对此方案进行了实现。本文首先对普通系统中所采用的容错技术和实时容错技术进行了研究。容错技术常采用冗余的方式:硬件冗余、软件冗余、时间冗余和信息冗余。而实时容错的研究可以从两个方面入手:一种是调度算法,另外一种是容错结构。从调度算法入手就提出了容错实时调度算法,从容错结构入手就提出了软件容错库概念。在对容错和实时容错研究的基础上,本文对CCIPS 中所采用的实时容错进行了设计和实现。首先,在CCIPS 容错设计时引入了“免疫”和“自愈”的概念,系统中每一个节点都相当于一个自治的个体,对自身出现的故障具有一定的“免疫”和“自愈”能力。其次,提出了把单节点的容错与系统节点间容错相结合的思想,以此来设计CCIPS 的实时容错。在节点内部采用软件的方法、软件和硬件相结合及硬件备份的方法,对节点上运行的任务和通信接口进行容错处理。而且,充分利用分布式系统的特点,实现了节点级的容错。系统的每个节点都相当于一个自治的个体,能通过对系统其他节点的信息收集,对系统出现的失效情况进行判断,并使用负载平衡的思想来采取相应的容错措施。最后,本文还对CCIPS 系统采取的实时容错措施进行了相关测试,结果证明该系统在节点任务异常、节点通信接口出现故障和节点失效的情况下,能够按要求完成预定的实时任务。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 课题的研究内容
• 1.3 国内外的研究现状
• 1.3.1 三角形（Three Corner Sat Constellation）飞行编队
• 1.3.2 绿宝石（Emerald）飞行编队
• 1.3.3 电离层观测飞行编队系统
• 1.3.4 TecSat21 编队飞行自主控制体系结构
• 1.4 本文的组织
• 第二章 容错研究
• 2.1 容错基本概念
• 2.1.1 故障、错误和失效
• 2.1.2 故障、错误和失效之间的关系
• 2.1.3 失效模式分类
• 2.1.4 故障分类
• 2.2 容错流程
• 2.3 容错基本技术
• 2.4 软件容错技术
• 2.4.1 恢复块（RB）
• 2.4.2 多版本技术（NVP）
• 2.4.3 数据多样性
• 2.5 分布式系统中的容错
• 2.5.1 分布式系统中容错的基本概念
• 2.5.2 节点故障的容错
• 2.5.3 通信故障的容错
• 2.5.4 软件故障的容错
• 2.6 小结
• 第三章 实时容错研究
• 3.1 实时系统
• 3.2 实时调度
• 3.2.1 实时调度算法分类
• 3.2.2 常用实时系统
• 3.3 容错实时调度算法
• 3.4 容错实时调度算法分析
• 3.4.1 RM 基础上的静态容错实时调度算法
• 3.4.2 EDF 基础上的动态容错实时调度算法
• 3.4.3 基于非精确计算的容错实时调度算法
• 3.5 分布式系统中的实时容错研究
• 3.5.1 利用静态负载来实现实时容错
• 3.5.2 利用动态负载分配进行实时容错
• 3.6 实时系统中的软件容错库
• 3.7 小结
• 第四章 CCIPS 的实时容错研究
• 4.1 CCIPS 的容错需求
• 4.1.1 空间环境的影响
• 4.1.2 分布式航天器系统对CCIPS 的容错要求
• 4.1.3 CCIPS 容错的实时性要求
• 4.1.4 CCIPS 容错的分布式特点
• 4.1.5 商用现货（COTS）对CCIPS 的容错要求
• 4.2 CCIPS 中的故障类型
• 4.3 CCIPS 的容错模型
• 4.4 CCIPS 的容错设计
• 4.4.1 单节点的容错
• 4.4.2 节点间的容错
• 4.5 CCIPS 中的实时容错
• 4.6 小结
• 第五章 CCIPS 实时容错的实现
• 5.1 系统环境的仿真
• 5.2 CCIPS 容错软件体系结构
• 5.3 分布控制模块的实现
• 5.4 同步控制模块的实现
• 5.5 容错控制模块的实现
• 5.5.1 系统节点状态和节点间通信容错
• 5.5.2 节点运行任务容错
• 5.5.3 节点通信接口容错
• 5.6 CCIPS 容错中实时性的实现
• 5.7 CCIPS 实时容错的测试
• 5.8 小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果