基于COTS器件的微纳卫星星载计算机故障建模和注入技术研究(2)
6 仿真过程与验证23
6.1 故障模型仿真步骤 23
6.2 仿真结果统计学分析 24
6.3 仿真结果多文分析 25
6.4 故障模型有效性分析 25
6.5 故障模型局限性分析 26
7 结论与未来展望 27
7.1 结论 27
7.2 未来研究展望 27
致谢 28
参考文献29
附录A SPENVIS参数设置33
附录B MATLAB故障率计算算法35
附录C MATLAB计算LET平均值算法36
附录D 故障注入器生成Fault schedule文件37
1 引言
星载计算机（OBC）是卫星进行信息收发与数据处理的中心子系统，也是最重要的控制系统。由于其工作在恶劣的辐射环境中，对OBC性能衰退和软硬件容错技术效率的研究应该作为卫星系统设计的重要组成部分。
近几年随着微纳卫星尤其是CubeSat的发展，开始使用低成本的COTS器件，COTS器件相对于宇航级器件抗辐射性能较差，对辐射效应敏感，因此运行原始的星上软件可靠性差。针对这一问题，辐射容错技术已经成为越来越活跃的研究课题。
接下来的小节内容分别介绍了本文的研究目的、开发基于仿真技术的OBC故障模型的必要性、本研究的主要贡献以及本论文的主要架构。
1.1 研究目的
辐射诱导故障的容错技术研究是微纳卫星OBC的主要研究方向之一。但是随着元器件和片上系统的复杂度不断增加，现有的容错技术分析方法已经不可能完成对现在各式各样的复杂的片上系统，尤其是那些集成电路对设计者透明的COTS器件进行原理分析。如果想要兼顾容错性能与低成本设计，有一种折中的方法是在OBC设计中使用飞行继承和航天级铝板防护的COTS器件。但不足的是，这样会降低电池效率和性能，增加发射成本。研究表明，我们可以直接在卫星上使用市场上最新的高性能的COTS器件，前提是需要额外的容错技术分析并对辐射效应的后果有非常清晰的预测。因此，摆在我们面前的问题就是，如何评价容错技术应用在特定的设备或软件上的效率呢？
当然，我们可以在设计的最后验证阶段直接对应用了容错技术后的设备进行辐射测试，并根据输出结果的正确率来评价容错效率。但是，一旦这时的辐射测试失败了，所有的设计只能推倒重来。这个过程相当的耗时且成本极高。而且在进行辐射测试时，我们不能确定注入的错误类型，这也意着我们无法研究此时的系统行为和故障发生本质。同时这种IC级的OBC容错技术仿真对于最终用户是透明的，而且由于过程非常耗时，我们根本无法进行大量的统计分析。
由于以上这些原因，我们需要使用某种高度抽象的建模语言（SystemC）来进行系统级的建模与仿真。利用抽象建模语言构造的仿真框架必须满足以下条件：一是仿真速度足够快，以满足统计分析的需要；二是软件开发人员和系统设计者必须可以基于本框架进行OBC软件开发，并且进行故障模式与效应分析（FMEA）；三是对于典型的CubeSat任务，故障注入模型必须能够反映真实的辐射效应。总之，我们首先要对空间辐射环境有足够的分析了解，然后在建立相应的故障模型。
1.2 主要贡献
本文的主要贡献点有：
基于一种新型的抽象建模语言SystemC建立了OBC模型与辐射故障模型，并构建了一种可以满足统计分析需要的系统级容错分析平台框架。采用软硬件协同设计与协同仿真的方法进行事务级建模。
通过对ESA的SPENVIS（the Space Environment Information System）系统的使用,预测CubeSat任务的辐射环境。为故障率和容错效率的评价提供一个相对可靠的基准。
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