汪宏浩，王慧泉，金仲和

（浙江大學(xué) 微小衛(wèi)星研究中心，浙江 杭州310027）

早期星載軟件通常是固化的，只有部分長(zhǎng)壽命航天器有軟件在軌更新功能［1-2］.隨著航天技術(shù)的發(fā)展，星載軟件復(fù)雜度越來(lái)越高，存在缺陷的可能性越來(lái)越大［3］，這對(duì)于功能密度非常高的皮衛(wèi)星尤為突出.因此，需要為星載軟件提供在軌更新功能，修復(fù)在軌故障，延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命［4-5］.此外，在衛(wèi)星壽命末期通過(guò)軟件在軌更新可以擴(kuò)展衛(wèi)星功能，對(duì)新任務(wù)進(jìn)行在軌試驗(yàn)［6］.

與地面系統(tǒng)相比，星載軟件在軌更新面臨諸多挑戰(zhàn)：如星地鏈路通信速率小［7］、通信時(shí)間有限，必須減少更新上注數(shù)據(jù)量；星載計(jì)算機(jī)的資源有限［8］，且須持續(xù)提供服務(wù)，因此不能執(zhí)行復(fù)雜的更新算法，要減少停機(jī)時(shí)間；衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)無(wú)法進(jìn)行人工維護(hù)，而軟件在軌更新對(duì)衛(wèi)星穩(wěn)定運(yùn)行有影響［9］，因此需要保證軟件在軌更新過(guò)程的可靠性，使之具有回滾到更新前穩(wěn)定狀態(tài)的能力；為了修復(fù)未知缺陷，按需完成新任務(wù)，要擴(kuò)大軟件更新范圍，保證在軌更新的靈活性.地面系統(tǒng)軟件動(dòng)態(tài)更新技術(shù)［10-13］旨在降低停機(jī)時(shí)間，更新復(fù)雜度和上注數(shù)據(jù)量均較大，需要復(fù)雜的操作系統(tǒng)支持，因此不適用于星載軟件更新.

目前也有對(duì)星載軟件在軌更新的相關(guān)研究.如將完整星載軟件上注至衛(wèi)星，重啟系統(tǒng)以完成更新［14-15］，這類(lèi)方法對(duì)星上軟件無(wú)特殊要求，可以任意擴(kuò)充軟件功能，但更新數(shù)據(jù)量大，會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用遙控通道，且重啟會(huì)造成星上軟件中斷時(shí)間長(zhǎng).李磊霞等［6，16-17］將軟件劃分成多個(gè)模塊，利用操作系統(tǒng)加載技術(shù)將修改過(guò)的模塊作為補(bǔ)丁替換原模塊，達(dá)到更新的目的.這類(lèi)方法可以顯著地減少上注數(shù)據(jù)量，降低遙控通道占用時(shí)間，但需要星載操作系統(tǒng)有模塊加載功能，且需預(yù)先決定模塊可否更新，降低了更新操作的靈活性.

軟件更新需要對(duì)舊代碼進(jìn)行修改得到新代碼，編譯生成二進(jìn)制目標(biāo)代碼并上注至衛(wèi)星.為了避免上注數(shù)據(jù)量過(guò)大，可將新舊版本目標(biāo)代碼的差異部分作為上注補(bǔ)丁，但源代碼的一個(gè)小改動(dòng)會(huì)使得目標(biāo)代碼變動(dòng)較大［18］，導(dǎo)致上注數(shù)據(jù)量過(guò)大.Kiyohara等［19-21］研究對(duì)差異部分壓縮的算法，但解壓縮算法較復(fù)雜，不適用于星載計(jì)算機(jī).增量鏈接是編譯器為提高鏈接速度提供的一種優(yōu)化功能，目前大多數(shù)編譯器都已實(shí)現(xiàn)了該功能［22］.增量鏈接可以使編譯器僅重排修改過(guò)的函數(shù)地址，而未修改函數(shù)的地址保持不變，從而降低軟件修改前、后內(nèi)存空間布局的差異.利用這一特性，提取修改前、后內(nèi)存空間差異部分制作補(bǔ)丁，星上根據(jù)補(bǔ)丁直接對(duì)原軟件內(nèi)存空間進(jìn)行修改，無(wú)需重啟即可完成軟件在軌更新操作.

基于上述特性，結(jié)合某型號(hào)皮衛(wèi)星的任務(wù)需求，本文提出一種無(wú)需重啟、上注數(shù)據(jù)量小、可以任意修改或增減軟件功能，并可使軟件回滾至更新前狀態(tài)的星載軟件在軌更新方法.

1 硬件平臺(tái)與軟件結(jié)構(gòu)劃分

硬件平臺(tái)采用TI的C6000系列DSP作為中央處理器.該處理器包含定時(shí)器和DMA 模塊.為DSP配有2MB SDRAM 擴(kuò)展內(nèi)存，2 GB NAND Flash擴(kuò)展外存，使用FPGA 實(shí)現(xiàn)看門(mén)狗和邏輯資源擴(kuò)展.軟件存儲(chǔ)于NAND Flash 中，運(yùn)行時(shí)被加載到SDRAM 中.

為了實(shí)現(xiàn)在軌更新，將星載軟件分為監(jiān)測(cè)程序和業(yè)務(wù)邏輯程序兩部分.監(jiān)測(cè)程序包含保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的硬件驅(qū)動(dòng)程序（即驅(qū)動(dòng)DSP、SDRAM、NAND Flash和FPGA 的程序）和負(fù)責(zé)實(shí)施更新操作和監(jiān)控的模塊，監(jiān)測(cè)程序不能被更新；業(yè)務(wù)邏輯程序用于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的各項(xiàng)功能，如星務(wù)管理、電源管理、姿態(tài)控制運(yùn)算等，該部分可以更新.具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

系統(tǒng)上電時(shí)監(jiān)測(cè)程序首先自舉加載，然后初始化DSP、FPGA、SDRAM 和NAND Flash，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，接下來(lái)由更新操作模塊加載業(yè)務(wù)邏輯程序，執(zhí)行衛(wèi)星的各項(xiàng)功能.在業(yè)務(wù)邏輯程序加載后，監(jiān)測(cè)程序仍定時(shí)運(yùn)行，用于負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯程序的在軌更新.

為了保證監(jiān)測(cè)程序不被更新，鏈接階段將監(jiān)測(cè)程序和業(yè)務(wù)邏輯程序置于不同的內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)物理隔離.監(jiān)測(cè)程序僅對(duì)業(yè)務(wù)邏輯程序所在的內(nèi)存空間實(shí)施更新操作.

圖1 星載軟件結(jié)構(gòu)劃分Fig.1 On-board software structure design

2 軟件在軌更新方法

2.1 更新方法概述

一次完整更新過(guò)程如圖2所示.首先在地面完成補(bǔ)丁制作；然后通過(guò)地面站將補(bǔ)丁上傳至衛(wèi)星，衛(wèi)星解析和校驗(yàn)補(bǔ)??；最后根據(jù)補(bǔ)丁信息對(duì)星上軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改.補(bǔ)丁分為2類(lèi)，即更新補(bǔ)丁和回滾補(bǔ)丁，分別用于在軌更新軟件和使軟件回滾至更新前的狀態(tài).

2.2 更新補(bǔ)丁制作

首先在地面上對(duì)舊版本業(yè)務(wù)邏輯代碼（以下簡(jiǎn)稱(chēng)舊版本代碼）進(jìn)行修改得到新版本代碼；然后通過(guò)調(diào)試和測(cè)試保證新版本代碼可靠性，代碼編譯過(guò)程中采用增量鏈接形式，最后生成新版本代碼的目標(biāo)文件.

圖2 軟件在軌更新過(guò)程Fig.2 Process of on-board software upgrade

修改代碼可以歸納為修改函數(shù)、修改全局或靜態(tài)變量和修改復(fù)合類(lèi)型（如結(jié)構(gòu)體、共用體等），這些修改最終影響內(nèi)存空間.由于靜態(tài)變量和全局變量位于相同的內(nèi)存空間，修改靜態(tài)和全局變量統(tǒng)稱(chēng)為修改變量.修改函數(shù)影響內(nèi)存空間的.text段，修改變量會(huì)影響內(nèi)存空間的.data段和.bss段.由于復(fù)合類(lèi)型信息編譯后不保存至目標(biāo)文件，修改復(fù)合類(lèi)型會(huì)影響使用復(fù)合類(lèi)型定義的變量的大小以及函數(shù)對(duì)這些變量的解析，因此修改復(fù)合類(lèi)型可以歸結(jié)為修改函數(shù)或變量.在更新補(bǔ)丁制作過(guò)程中，須考慮代碼修改后函數(shù)和變量在內(nèi)存空間的變化，根據(jù)變化信息制作更新補(bǔ)丁，用于星上軟件的動(dòng)態(tài)修改.

下面舉例說(shuō)明，假設(shè)舊版本代碼包含一組函數(shù)F＝｛f1，f2，f3｝和一組變量V＝｛v1，v2｝.其中f2調(diào)用f1、f3，f3調(diào)用f1；f1使用v2，f2、f3使用v1.為方便描述，令b（x）表示x 的目標(biāo)代碼，s（x）表示x的大小，a（x）表示x 的地址.函數(shù)f 被放置在.text段.若變量v 未初始化，則會(huì)放置在.bss段；若v 初始化，則放置在.data段.為了簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)程序更新操作，強(qiáng)制要求初始化每個(gè)變量v.這樣舊版本代碼編譯后，所有的b（f）緊挨著放置在.text段中，所有的b（v）緊挨著放置在.data段中.

首先考慮對(duì)修改函數(shù)造成的內(nèi)存空間變化.修改函數(shù)可以分為修改現(xiàn)有函數(shù)、引入新增函數(shù)、刪除現(xiàn)有函數(shù)3種情況.下面舉例說(shuō)明增量鏈接情況下修改函數(shù)造成的內(nèi)存空間變化情況.

當(dāng)修改現(xiàn)有函數(shù)時(shí)，設(shè)修改函數(shù)f1得到f′1，s（b（f′1））可能出現(xiàn)如下情況.

當(dāng)s（b（f′1））≤s（b（f1））時(shí)，b（f′1）仍放置于b（f1）空間內(nèi)，增量鏈接無(wú)需分配新地址，即a（f1′）＝a（f1）.多余的內(nèi)存空間記為空閑空間.

當(dāng)s（b（f′1））＞s（b（f1））時(shí)，b（f′1）無(wú)法放置于b（f1）的空間內(nèi)，增量鏈接為f′1分配新的地址，即把b（f′1）置于新空閑空間中.由于a（f′1）≠a（f1），而f2和f3調(diào)用f′1，需要對(duì)f2和f3中調(diào)用f′1的地址作相應(yīng)修改.原有f1的內(nèi)存空間記為空閑空間.上述函數(shù)內(nèi)存空間的變化如圖3所示.

新增函數(shù)時(shí)，假設(shè)新增了函數(shù)f4，且被f2、f3調(diào)用f4，由于f4是新引入的，因此f2、f3中須加入對(duì)f4的調(diào)用語(yǔ)句，從而導(dǎo)致f2、f3的內(nèi)存空間發(fā)生變化.f2、f3的內(nèi)存空間按照?qǐng)D3中的增量鏈接情形變化，而f4被分配新的內(nèi)存地址，b（f4）被放置在空閑空間中.

當(dāng)刪除現(xiàn)有函數(shù)時(shí)，假設(shè)刪除了函數(shù)f1，由于f1被f2、f3調(diào)用，需 要 在f2、f3中 刪 除 調(diào) 用f1的語(yǔ)句，從而導(dǎo)致f2、f3的內(nèi)存空間發(fā)生變化.f2、f3的內(nèi)存空間按照?qǐng)D3的情形變化，而b（f1）所在的空間記為空閑空間.

考慮修改變量造成的內(nèi)存空間變化.修改變量可以分為變量值修改、變量類(lèi)型修改、引入新變量、刪除現(xiàn)有變量4種情況.變量值修改只修改變量?jī)?nèi)存空間內(nèi)容，不會(huì)影響內(nèi)存空間的布局，而其他3種情況可能會(huì)影響內(nèi)存空間的布局.

當(dāng)修改變量值時(shí)，設(shè)修改v1的值得到v′1，由于v1的類(lèi)型不變，則其大小不會(huì)改變，無(wú)需為v′1分配新的地址，即有a（v′1）＝a（v1）和s（v′1）＝s（v1），內(nèi)存中只有b（a（v1））被修改為b（a（v′1））.

當(dāng)修改變量類(lèi)型時(shí)，設(shè)修改v1的類(lèi)型得到v′1，不同類(lèi)型的大小可能不一樣，因此會(huì)出現(xiàn)如下情況.

當(dāng)s（b（v′1））≤s（b（v1））時(shí)，b（v′1）仍置于b（v1）空間中，增量鏈接無(wú)需為v′1分配新地址，即a（v′1）＝a（v1）.多 余 的 內(nèi) 存 空 間（大 小 為s（b（v1））-s（b（v′1）））記為空閑空間.

當(dāng)s（b（v′1））＞s（b（v1））時(shí)，b（v′1）無(wú) 法 置 于b（v1）的空間內(nèi)，增量鏈接為v′1分配新的地址，即把b（v′1）放置于新空閑空間中.由于f2和f3使用v′1，需要將f2和f3中v′1的地址改為a（v′1）.原v1的內(nèi)存空間（大小為s（b（v1）））記為空閑空間.

上述變量?jī)?nèi)存空間的變化如圖4所示.

當(dāng)新增變量時(shí)，設(shè)新增了變量v3，且f2、f3使用了v3；需要在f2、f3中加入使用v3的語(yǔ)句，從而導(dǎo)致f2、f3的內(nèi) 存 空 間 發(fā) 生 變 化.f2、f3的 內(nèi) 存 空間按照?qǐng)D3 的情形變化.v3被分配新內(nèi)存地址，b（v3）被放置在空閑空間中.

圖3 增量鏈接下函數(shù)內(nèi)存空間的變化Fig.3 Function memory space change under incremental linking

圖4 增量鏈接下變量?jī)?nèi)存空間的變化Fig.4 Function memory space change under incremental linking

當(dāng)刪除現(xiàn)有變量時(shí)，設(shè)刪除了現(xiàn)有變量v1，由于v1被f2、f3使用，需要?jiǎng)h除f2、f3中使用v1的語(yǔ)句，從而導(dǎo)致f2、f3的內(nèi)存空間發(fā)生變化.f2、f3的內(nèi)存空間按照?qǐng)D3的情形變化.b（v1）所在的空間記為空閑空間.

最后考慮復(fù)合類(lèi)型定義修改導(dǎo)致內(nèi)存空間變化的情況.修改復(fù)合類(lèi)型會(huì)影響到使用復(fù)合類(lèi)型定義的變量的大小以及函數(shù)對(duì)這些變量的解析，因此修改復(fù)合類(lèi)型相當(dāng)于修改函數(shù)和修改變量，只需找出受影響的函數(shù)和變量，再按照對(duì)函數(shù)的修改和對(duì)變量的修改的處理方式進(jìn)行即可.

上面分析了增量鏈接情況下對(duì)修改函數(shù)和變量造成的內(nèi)存空間變化，而星上軟件動(dòng)態(tài)修改的本質(zhì)是將星上軟件的內(nèi)存空間更改成地面修改后的軟件的內(nèi)存空間.因此，補(bǔ)丁需要包含代碼修改前、后的內(nèi)存空間的變化信息.上述變化可以用以下2類(lèi)操作描述.

1）刪除操作：Remove（起始地址，大?。瑒h除操作后的空間記為無(wú)效.

2）寫(xiě)入操作：Write（起始地址，大小，二進(jìn)制內(nèi)容），寫(xiě)入操作后的空間記為占用.

例如圖3（a）～（c）的內(nèi)存空間變化可以描述如下.

1）Remove（0xC1312311，0x73）：刪 除 以0xC1312311為首地址的原有函數(shù)f1的目標(biāo)代碼b（f1）.

2）Write（0xC13124A9，0x91，b（f′1））：將b（f′1）置于以0xC13124A9為首地址的空閑空間內(nèi).

3）Remove（0xC1312390，0x4）：刪除f2中調(diào)用f1的地址.

4）Write（0xC1312390，0x4，0xC13123A9）：增加f2中調(diào)用f′1的地址.

5）Remove（0xC1312424，0x4）：刪除f3中調(diào)用f1的地址.

6）Write（0xC1312424，0x4，0xC13123A9）：增加f3中調(diào)用f′1的地址.

更新補(bǔ)丁中只需包含上述操作信息，星上監(jiān)測(cè)程序收到補(bǔ)丁后按照上述操作修改內(nèi)存，即可完成更新.一個(gè)更新補(bǔ)丁中可以包含多個(gè)函數(shù)、變量以及復(fù)合類(lèi)型的修改，因此會(huì)包含多個(gè)Remove和Write操作.為了減小更新補(bǔ)丁的大小，將所有的Remove和Write操作放置在一起，為了方便解析以及保證可靠性，為Remove和Write操作的數(shù)據(jù)加入標(biāo)識(shí)頭和標(biāo)識(shí)尾以及CRC校驗(yàn).所設(shè)計(jì)的完整更新補(bǔ)丁的結(jié)構(gòu)如圖5所示.

在圖5 的更新補(bǔ)丁中，有一組包含m 個(gè)Remove操作的數(shù)據(jù)占用6＋6m 字節(jié)，一組包含n 個(gè)Write操作的數(shù)據(jù)占用6＋（6＋）n 字節(jié)，為二進(jìn)制目標(biāo)碼的平均占用字節(jié)數(shù).因此，一個(gè)更新補(bǔ)丁占用12＋6m＋（6＋k）n字節(jié).

圖5 完整更新補(bǔ)丁結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of updating patch

在具體實(shí)施過(guò)程中，利用編譯器前端識(shí)別出所有修改過(guò)的函數(shù)、變量和自定義類(lèi)型的函數(shù)調(diào)用圖（Call Graph），可以得到受影響的函數(shù)和變量的符號(hào)；利用這些符號(hào)，依照ELF 文件格式［23］，從可執(zhí)行文件中抽取出每個(gè)受影響的函數(shù)和變量的二進(jìn)制目標(biāo)代碼；將這些代碼與原目標(biāo)代碼進(jìn)行對(duì)比，可以獲取更新補(bǔ)丁中所需要的信息.

2.3 回滾補(bǔ)丁制作

回滾操作所做的是更新操作的逆操作，即修改內(nèi)存空間至最近一次更新前的狀態(tài)，因此回滾補(bǔ)丁只需包含一個(gè)控制命令，即可以設(shè)計(jì)成衛(wèi)星的一個(gè)遙控指令.遙控指令占用10個(gè)字節(jié)，具體的遙控指令設(shè)計(jì)見(jiàn)文獻(xiàn)［7］.

2.4 補(bǔ)丁上注

由于更新補(bǔ)丁包含大量數(shù)據(jù)塊，需要通過(guò)地面站以注入數(shù)據(jù)的方式上注至衛(wèi)星.為了保證安全性和可靠性，需要約定數(shù)據(jù)幀格式［24］.

我國(guó)主要采用PCM 遙控標(biāo)準(zhǔn)，上行碼速率一般為2 000bit／s［7，24］，所以設(shè)計(jì)的注入數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)為2 000／8＝256字節(jié).一個(gè)補(bǔ)丁可能需要多個(gè)數(shù)據(jù)幀才能上注完畢，為了保證星上監(jiān)測(cè)程序可以按順序還原補(bǔ)丁，在數(shù)據(jù)幀格式中加入分組數(shù)和分組編碼.設(shè)計(jì)的注入數(shù)據(jù)幀格式如表1所示.

表1 注入數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Format of injected data frame

補(bǔ)丁上注的過(guò)程是將制作生成的補(bǔ)丁按照上述幀格式打包成一個(gè)或多個(gè)注入數(shù)據(jù)幀，通過(guò)地面站將注入數(shù)據(jù)幀發(fā)送至目標(biāo)衛(wèi)星.

2.5 星上動(dòng)態(tài)修改

為了避免數(shù)據(jù)接收引起星上任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間中斷，星載計(jì)算機(jī)通過(guò)DMA 接收注入數(shù)據(jù).在接收到注入數(shù)據(jù)后，監(jiān)測(cè)程序根據(jù)表1的格式對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析和校驗(yàn)，在收取所有數(shù)據(jù)幀后，拼接補(bǔ)丁數(shù)據(jù)塊形成更新補(bǔ)丁.具體過(guò)程如圖6所示.

圖6 解析和校驗(yàn)注入數(shù)據(jù)幀的過(guò)程Fig.6 Process of parsing and validating injected data frame

監(jiān)測(cè)程序接下來(lái)要根據(jù)圖5的更新補(bǔ)丁結(jié)構(gòu)對(duì)補(bǔ)丁進(jìn)行解析和CRC 校驗(yàn).若解析失敗或CRC 校驗(yàn)不通過(guò)，則需地面重傳該補(bǔ)丁.解析成功且CRC校驗(yàn)通過(guò)后，監(jiān)測(cè)程序可以得到一組Remove操作和一組Write操作.

為了能回滾至更新前的狀態(tài)，監(jiān)測(cè)程序需要在星上制作逆操作補(bǔ)丁，即為每個(gè)Remove操作生成對(duì)應(yīng)的Write操作，為每個(gè)Write操作生成對(duì)應(yīng)的Remove操作.把生成的Write和Remove操作按圖5的更新補(bǔ)丁格式組織成逆操作補(bǔ)丁，并保存至NAND Flash中.

舉例說(shuō)明，操作Remove（0xC1312311，0x73）的 逆 操 作 是 Write（0xC1312311，0x73，bin（0xC1312311，0x73）），其 中bin（0xC1312311，0x73）是內(nèi)存空間0xC1312311～0xC1312383 的二進(jìn)制內(nèi)容，意思是將刪除的內(nèi)容寫(xiě)回至原內(nèi)存空間.操作Write（0xC13124A9，0x91，b（f′1））的逆操作是Remove（0xC13124A9，0x91），意思是將內(nèi)存空間中寫(xiě)入的內(nèi)容刪除.

更新補(bǔ)丁中只包含Remove操作和Write操作，因此對(duì)星上軟件作動(dòng)態(tài)修改的方式很簡(jiǎn)單，即直接尋址到對(duì)應(yīng)的內(nèi)存空間，根據(jù)起始地址、大小進(jìn)行相應(yīng)的操作.具體的監(jiān)測(cè)程序應(yīng)用更新補(bǔ)丁和逆操作補(bǔ)丁的算法如下.

在未執(zhí)行更新操作前，初始化當(dāng)前程序版本號(hào)ver為0.然后監(jiān)測(cè)程序獲取程序控制權(quán)，根據(jù)更新補(bǔ)丁生成逆操作補(bǔ)丁并保存至NAND Flash中，再按順序執(zhí)行所有Remove操作和所有Write操作.最后將控制權(quán)交換給修改后的業(yè)務(wù)邏輯程序，并將ver加1.

同樣地，需要執(zhí)行回滾操作時(shí)，監(jiān)測(cè)程序從NAND Flash中找到最近一次保存的逆操作補(bǔ)丁，解析并按圖7所示的算法執(zhí)行，并將ver減1.在執(zhí)行逆操作時(shí)不需再生成逆操作的逆操作補(bǔ)丁，因?yàn)槟娌僮鞯哪娌僮骷礊橹暗母虏僮?

2.6 出錯(cuò)情況應(yīng)對(duì)

為了應(yīng)對(duì)程序跑飛和掉電重啟等出錯(cuò)情況，監(jiān)測(cè)程序保留每個(gè)更新補(bǔ)丁和逆操作補(bǔ)丁.

若更新過(guò)程出現(xiàn)程序跑飛，導(dǎo)致看門(mén)狗將整星軟件復(fù)位或整星掉電重啟，則需要重新加載星載軟件.監(jiān)測(cè)程序會(huì)首先加載最原始版本的業(yè)務(wù)邏輯程序，并按更新順序應(yīng)用ver次更新補(bǔ)丁，將業(yè)務(wù)邏輯程序恢復(fù)到出錯(cuò)前的版本.若恢復(fù)過(guò)程中依然出現(xiàn)程序跑飛或整星重啟等問(wèn)題，則將ver減1，再執(zhí)行一次恢復(fù)過(guò)程，直到ver為0時(shí)為止.具體算法如下.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于某型號(hào)皮衛(wèi)星星載計(jì)算機(jī)平臺(tái)，對(duì)所提出的軟件在軌更新方法進(jìn)行試驗(yàn)，主要針對(duì)補(bǔ)丁大小、上注時(shí)間、更新操作執(zhí)行情況、回滾操作執(zhí)行情況和更新出的應(yīng)對(duì)情況進(jìn)行測(cè)試.

雖然試驗(yàn)是在地面進(jìn)行，但為了模擬星地鏈路通信速率，補(bǔ)丁通過(guò)地面站以2 000bit／s的PCM遙控模式上注.

3.1 更新和回滾操作試驗(yàn)

原始版本業(yè)務(wù)邏輯程序的目標(biāo)代碼大小為275 kB，進(jìn)行了4 次版本修改，共得到4 個(gè)更新補(bǔ)丁.表2顯示了更新補(bǔ)丁應(yīng)用的試驗(yàn)結(jié)果，包含每個(gè)版本目標(biāo)代碼大小、更新補(bǔ)丁大小、補(bǔ)丁上注時(shí)間、代碼修改信息和補(bǔ)丁包含的Remove操作數(shù)m、Write操作數(shù)n和二進(jìn)制目標(biāo)碼的平均字節(jié)數(shù).

在星上運(yùn)行版本4程序時(shí)，上注回滾補(bǔ)丁（即發(fā)送用于回滾的遙控指令），星上業(yè)務(wù)邏輯程序成功回滾至版本3.

表2的結(jié)果表明，該方法的更新和回滾操作功能正確，更新補(bǔ)丁大小遠(yuǎn)小于目標(biāo)代碼大小，補(bǔ)丁上注時(shí)間僅為秒級(jí).其中，即使版本4相對(duì)于版本3進(jìn)行了大量修改，補(bǔ)丁上注時(shí)間也僅為46s.與上注完整軟件的軟件在軌更新方法相比，采用該方法顯著減小了上注數(shù)據(jù)量，降低了上注時(shí)間.

3.2 更新出錯(cuò)試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)星上運(yùn)行版本3程序.為了模擬各類(lèi)出錯(cuò)情況，對(duì)上注數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤碼、更新的軟件存在缺陷使得程序跑飛、更新過(guò)程中整星斷電這3種出錯(cuò)情況進(jìn)行模擬.

出錯(cuò)情況1：上注數(shù)據(jù)誤碼.在注入數(shù)據(jù)幀中隨機(jī)注入多比特錯(cuò)誤，再將注入錯(cuò)誤后的數(shù)據(jù)上注至衛(wèi)星，觀察其更新?tīng)顟B(tài).

出錯(cuò)情況2：更新軟件存在缺陷使程序跑飛.故意修改版本4代碼使之隨意修改.text段而使程序跑飛，再將該版本的代碼制作成更新補(bǔ)丁上注至衛(wèi)星，觀察其更新?tīng)顟B(tài).

出錯(cuò)情況3：在更新過(guò)程中整星斷電.在星上執(zhí)行更新操作的時(shí)候人為重啟整星.一般情況下為單次重啟.在實(shí)際中可能會(huì)出現(xiàn)更新至上一個(gè)版本時(shí)仍發(fā)生整星斷電的情況，為了更好地模擬實(shí)際情況，引入多次重啟操作，即在重啟后的系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中，再次實(shí)施重啟操作，該重啟操作不斷實(shí)施20次，并觀察其更新?tīng)顟B(tài).

上述出錯(cuò)試驗(yàn)的結(jié)果如表3所示.結(jié)果表明，該方法能夠成功應(yīng)對(duì)各種更新出錯(cuò)情況，滿(mǎn)足任務(wù)需求.

表2 更新補(bǔ)丁應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experiment result of performing updating patch

表3 更新出錯(cuò)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment result of exception simulations

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于編譯器的增量鏈接特性，提出一種無(wú)需重啟、上注數(shù)據(jù)量小、并且可回滾至更新前狀態(tài)的星載軟件在軌更新方法.該方法將更新操作歸結(jié)為內(nèi)存空間的寫(xiě)入操作和刪除操作，能夠隨意修改或增減星載軟件功能，簡(jiǎn)化了補(bǔ)丁的結(jié)構(gòu)和星上監(jiān)測(cè)程序的更新操作過(guò)程，并能夠回滾至更新之前的狀態(tài).試驗(yàn)結(jié)果表明，利用本文方法進(jìn)行更新，補(bǔ)丁上注時(shí)間短，更新操作正確，回滾操作有效，并成功應(yīng)對(duì)各種更新出錯(cuò)情況.本文方法高效可行，具有較好的安全性，可以應(yīng)用在包括皮衛(wèi)星在內(nèi)的各種航天器中.

（

）：

［1］包海超，楊根慶，李華旺.小衛(wèi)星星載軟件微內(nèi)核的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2008，34（9）：81-82.BAO Hai-chao，YANG Gen-qing，LI Hua-wang.Micro kernel design of small satellite software［J］.Computer Engineering，2008，34（9）：81-82.

［2］ZHANG Y，JIANG J.Bibliographical review on reconfigurable fault-tolerant control systems［J］.Annual Reviews in Control，2008，32（2）：229-252.

［3］LEVESON N G.Role of software in spacecraft accidents［J］.Journal of spacecraft and Rockets，2004，41（4）：564-575.

［4］張然峰，郝賢鵬，金龍旭，等.空間相機(jī)軟件在軌重注方法研究與實(shí)現(xiàn)［J］.光機(jī)電信息，2011，28（6）：30-34.ZHANG Ran-feng，HAO Xian-peng，JIN Long-xu，et al.Study and realization on method of software in space camera on-board reprogramming ［J］.OME Information，2011，28（6）：30-34.

［5］ROSA J，CRAVEIRO J，RUFINO J.Exploiting AIR composability towards spacecraft onboard software update［C］∥Actas do INForum-Simposio de Informatica.Braga：［s.n.］，2010：675-686.

［6］李磊霞，王宇，林寶軍，等.基于宏定義動(dòng)態(tài)鏈接的模塊化星載軟件升級(jí)方法研究［J］.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（2）：180-184.LI Lei-xia，WANG Yu，LIN Bao-jun，et al.Research of software updating for micro-satellite in the orbit based on dynamic link with macros［J］.Chinese Journal of Space Science，2010，30（2）：180-184.

［7］GJB 1198.1A-2004，航天器測(cè)控和數(shù)據(jù)管理第l部分：PCM 遙控［S］.北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，2004.

［8］楊牧，王昊，張鈺，等.抗輻射加固的皮衛(wèi)星用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，45（6）：1021-1026.YANG Mu，WANG Hao，ZHANG Yu，et al.Design of radiation-hardened real-time operating system for pico-satellite［J］.Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2011，45（6）：1021-1026.

［9］BUTLER R，PENNOTTI M.The evolution of software and its impact on complex system design in robotic spacecraft embedded systems ［J］.Procedia Computer Science，2013，16：747-756.

［10］KIM D K，TILEVICH E，RIBBENS C J.Dynamic software updates for parallel high-performance applications［J］.Concurrency and Computation：Practice and Experience，2011，23（4）：415-434.

［11］NEAMTIU I，HICKS M，STOYLE G，et al.Practical dynamic software updating for C［C］∥Proceedings of the 2006 ACM SIGPLAN Conference on Programming Language Design and Implementation. New York：ACM，2006：72-83.

［12］HICKS M，NETTLES S.Dynamic software updating［J］.ACM Transactions on Programming Languages and Systems，2005，27（6）：1049-1096.

［13］KIM D K，TILEVICH E，RIBBENS C J.Shortening time-to-discovery with dynamic software updates for parallel high performance applications［R］.Virginia Tech：Department Of Computer Science，2009.

［14］STEIGER C，F(xiàn)URNELL R，MORALES J.OBSM operations automation through the use of on-board control procedures［C］∥Space OPS 2004Conference.Montreal：AIAA，2004：1-15.

［15］徐偉，樸永杰.航天相機(jī)控制器在軌軟件重注［J］.光電工程，2013，40（4）：65-71.XU Wei，PIAO Yong-jie.Re-injection technology for software in aerospace camera controller on orbit［J］.Opto-Electronic Engineering，2013，40（4）：65-71.

［16］安軍社，劉艷秋，孫輝先.軟件的動(dòng)態(tài)維護(hù)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2003，29（2）：238-239.AN Jun-she，LIU Yan-qiu，SUN Hui-xian.Implementation of on-board software maintenance［J］.Computer Engineering.2003，29（2）：238-239.

［17］THI A T，TSO K S，ALKALAI L，et al.On-board guarded software upgrading for space missions［C］∥Proceedings of the 18th Digital Avionics Systems Conference.St Louis：IEEE，1999：7.B.4-1-7.B.4-8.

［18］LI W，ZHANG Y，YANG J，et al.UCC：update-conscious compilation for energy efficiency in wireless sensor networks［C］∥Proceedings of the 2007ACM SIGPLAN Conference on Programming Language Design and Implementation.New York：ACM，2007：383-393.

［19］KIYOHARA R，MII S，MATSUMOTO M，et al.A new method of fast compression of program code for OTA updates in consumer devices［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2009，55（2）：812-817.

［20］BELLAACHIA A，RASSAN I A.Efficiency of prefix and non-prefix codes in string matching over compressed databases on handheld devices［C］∥Proceedings of the 2005 ACM Symposium on Applied Computing.New York：ACM，2005：993-997.

［21］BESZéDES á，F(xiàn)ERENC R，GYIMóTHY T，et al.Survey of code-size reduction methods［J］.ACM Computing Surveys（CSUR），2003，35（3）：223-267.

［22］田祖?zhèn)?，楊恒伏，羅陽(yáng)旭.基于增量鏈接的PE文件信息隱藏技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2012，39（12）：91-93.TIAN Zu-wei， YANG Heng-fu， LUO Yang-xu.Research of PE file information hiding based on incremental link［J］.Computer Science，2012，39（12）：91-93.

［23］TIS C.Executable and linking format（ELF）specification［S］.［S.l.］：Tool Interface Standard Committee，1995.

［24］何熊文.一種通用遙控注入數(shù)據(jù)格式的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.航天器工程，2008，17（1）：94-99.HE Xiong-wen.Design and application of a common spacecraft telecommand data format ［J］.Spacecraft Engineering，2008，17（1）：94-99.