呂達(dá) 熊浩倫 王啓寧 李志剛

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

隨著商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射的爆發(fā)式增長，按照傳統(tǒng)3～5年的大衛(wèi)星研發(fā)周期已不能滿足商業(yè)航天的業(yè)務(wù)需求。航天器中廣泛應(yīng)用的宇航級器件經(jīng)常受到禁運(yùn)，供貨周期長，而且價格比同功能商用現(xiàn)貨(COTS)器件高數(shù)倍，且性能落后2～3代[1]，因此采用COTS產(chǎn)品替代宇航級產(chǎn)品成為商業(yè)航天發(fā)展的一個主要方向[2-3]。COTS產(chǎn)品在小衛(wèi)星上應(yīng)用時，普遍面臨空間輻射引發(fā)的單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)問題，星上重要數(shù)據(jù)(如程控指令、程控數(shù)據(jù)塊、相對程控指令、熱控數(shù)據(jù)及存儲的有效載荷數(shù)據(jù))都要進(jìn)行抗SEU設(shè)計。目前，抗SEU設(shè)計廣泛采用三模冗余(TMR)或錯誤檢測與糾正(EDAC)技術(shù)。使用TMR技術(shù)可以對抗SEU，但要占用3倍于要保護(hù)數(shù)據(jù)的存儲空間，當(dāng)需要保護(hù)的數(shù)據(jù)量比較大時，往往是不可行的。傳統(tǒng)EDAC技術(shù)是通過專用硬件電路或FPGA芯片實現(xiàn)[4-5]，但小衛(wèi)星受體積小、質(zhì)量小、功耗低、研制成本低及周期短的要求，往往應(yīng)用甚至整機(jī)采用COTS產(chǎn)品，通過修改電路實現(xiàn)硬件EDAC方法不適用。另外，對于含有時間信息的重要數(shù)據(jù)(如程控指令或程控數(shù)據(jù)塊)，由于程控緩沖區(qū)的維護(hù)策略，相同時間的程控指令或程控數(shù)據(jù)塊無法再次上注。對于其他重要數(shù)據(jù)，如相對程控、有效載荷數(shù)據(jù)、熱控數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)量大，小衛(wèi)星過境時間短，往往不足10 min，且需要上注必要的任務(wù)數(shù)據(jù)，若再要周期上注刷新其他重要數(shù)據(jù)會給在軌維護(hù)增加巨大的負(fù)擔(dān)。因此，針對重要數(shù)據(jù)的抗SEU設(shè)計，不能采用地面周期上注刷新的方法。

本文提出一種低成本小衛(wèi)星的重要數(shù)據(jù)抗SEU方法，采用軟件實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)差錯控制，在不增加硬件電路的前提下可實現(xiàn)抗SEU的效果。重要數(shù)據(jù)包括程控指令、相對程控指令、程控數(shù)據(jù)塊、有效載荷重要數(shù)據(jù)和熱控數(shù)據(jù)等，這些重要數(shù)據(jù)不常變化，每次變化都要重新上注，因此可以在上注前由地面完成每條重要數(shù)據(jù)的糾錯編碼，星上計算機(jī)收到數(shù)據(jù)且判斷正確后對數(shù)據(jù)及其糾錯編碼分別進(jìn)行存儲，重要數(shù)據(jù)使用前或到達(dá)檢測周期時對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯。由于錯誤發(fā)生有一定概率，大多數(shù)時候星上只運(yùn)行檢錯程序，不涉及糾錯，更不不涉及糾錯編碼，因此對CPU增加負(fù)擔(dān)不大，利于實時處理。

1 重要數(shù)據(jù)抗SEU方法

本文提出的小衛(wèi)星重要數(shù)據(jù)抗SEU方法，主要步驟包括對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯編碼、錯誤檢測及糾錯。考慮到軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)差錯控制會增加CPU的負(fù)擔(dān)，因此合理分配了運(yùn)算量，將重要數(shù)據(jù)的糾錯編碼由地面實現(xiàn)，星上計算機(jī)只進(jìn)行重要數(shù)據(jù)的檢錯和糾錯。以程控指令為例，多條程控指令以數(shù)據(jù)塊形式上注，上注幀格式包含同步字、幀長、每條程控指令及對應(yīng)的糾錯編碼，以及所有數(shù)據(jù)對應(yīng)的循環(huán)冗余校驗碼(CRC)值，幀格式如圖1所示。星上計算機(jī)收到數(shù)據(jù)后，對同步字、幀長判斷正確后，再對CRC進(jìn)行判斷，由于CRC有很強(qiáng)的糾錯能力，如CRC16可檢測出所有的1 bit錯誤、2 bit錯誤、任意奇數(shù)個比特錯誤及長度小于16 bit的突發(fā)錯誤[6-7]，因此若CRC判斷正確后，則認(rèn)定數(shù)據(jù)正確，并對每條程控指令及糾錯碼分別進(jìn)行存儲。當(dāng)程控指令執(zhí)行或檢測周期來臨時，針對該條程控指令按對應(yīng)的糾錯碼進(jìn)行檢錯。若發(fā)現(xiàn)錯誤，則針對錯誤類型情況進(jìn)行處理；對于每n個比特數(shù)據(jù)，可以檢測2 bit錯誤，同時糾正1 bit錯誤。若是1 bit錯誤，則1 bit錯誤計數(shù)加1，且糾錯；若是2 bit錯誤，則2 bit錯誤計數(shù)加1。

圖1 多條程控指令上注的幀格式Fig.1 Format of multiple uplink program control instructions

1.1 地面糾錯編碼

重要數(shù)據(jù)能否實現(xiàn)檢錯及糾錯的基礎(chǔ)是糾錯編碼。通常使用的糾錯編碼有里所(RS)碼、漢明碼、BCH碼、交織碼、循環(huán)漢明碼等，它們各自具有不同的檢錯、糾錯能力，糾錯編碼的選擇就是在譯碼效率、碼率和最小漢明距離(檢糾錯性能)之間進(jìn)行折中。RS碼是一種編碼效率和糾錯性能都很高的特殊多進(jìn)制BCH碼，它以符號為單位，具有糾單字檢雙字的功能，糾錯能力強(qiáng)，但譯碼過程較復(fù)雜，若考慮到系統(tǒng)的實時性，此類碼不是最好的選擇。漢明碼優(yōu)點是譯碼較為簡單，占用資源較小，譯碼實時性較強(qiáng)，在實際工程中使用較普遍，因此本文選擇漢明編碼。漢明碼是由n位信息位和k位檢測位構(gòu)成的一種線性分組碼，因此對于漢明碼的編碼，需要監(jiān)督位位數(shù)確定和監(jiān)督位的計算。

(1)監(jiān)督位位數(shù)的確定。若信息位為k位，增加r位監(jiān)督位，構(gòu)成n=k+r位碼字。為了用r個監(jiān)督關(guān)系式產(chǎn)生的r個校正子區(qū)分無錯和在碼字的n個不同位置的1 bit錯誤，要求滿足式(1)。由于同時能夠檢測2 bit錯誤，需要再增加1個全局監(jiān)督位，因此要求滿足式(2)。增加1 byte(8 bit)監(jiān)督位，最多可以對15 byte(120 bit)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗。表1為監(jiān)督位和信息位的位數(shù)對應(yīng)關(guān)系。

2r-1≥k+r

(1)

2r-1-1≥k+(r-1)

(2)

表1 監(jiān)督位和信息位的位數(shù)對應(yīng)關(guān)系Table 1 Relationship between number of supervision bits and information bits

編碼后數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。編碼后數(shù)據(jù)為系統(tǒng)碼，便于軟件處理。其中：信息位為Di(i=0,1,2,…,r-1)；監(jiān)督位為Pi(i=0,2,…,r-1)，Pr-1為全局監(jiān)督位，用于檢測偶數(shù)位錯誤。

圖2 線性分組編碼的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of linear block coding

(2)監(jiān)督位的計算。將編碼后的數(shù)據(jù)位進(jìn)行編號，監(jiān)督位編號為2i，如第1，2，4，8，16，32，…[8]。信息碼編號為非2i，如第3，5，6，7，9，10，11，12，13，…。將編號轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制編碼，用校正子Sr-2～S0表示，全局監(jiān)督校正子由Sr-1表示，可得出校正子Sr-2～S0與錯碼的位置關(guān)系，從而得出校正子計算公式，進(jìn)一步得出監(jiān)督位計算公式。

以相對程控為例進(jìn)行說明，k=48,r=7，校正子與錯碼位置對應(yīng)關(guān)系如表2所示，S6為全局監(jiān)督位，Sr-2～S0表示錯碼出現(xiàn)的位置。

表2 校正子與錯碼位置對應(yīng)關(guān)系Table 2 Relationship between checker and error code location

由表2可見，僅當(dāng)1 bit錯碼出現(xiàn)在D0，D1，D3，D4，D6，D8，…，P0時，S0為1，否則為0，說明這幾個碼元構(gòu)成監(jiān)督關(guān)系，如式(3)所示。同理，其他監(jiān)督關(guān)系，如式(3)～(9)所示。校正子Si(i=0,1,2,3,4,5,6)為構(gòu)成監(jiān)督關(guān)系的信息位Di(i=1,2,3，…,47)和監(jiān)督位Pi(i=0,1,2,3,4,5,6)的異或和。

S0=D0+D1+D3+D4+D6+D8+…+P0

(3)

S1=D0+D2+D3+D5+D6+D9+…+P1

(4)

S2=D1+D2+D3+D7+D8+D9+…+P2

(5)

S3=D4+D5+D6+D7+D8+D9+…+P3

(6)

S4=D11+D12+D13+D14+D15+

D16+…+P4

(7)

S5=D26+D27+D28+D29+D30+

D31+…+P5

(8)

S6=D0+D1+D2+D3+D4+D5+…+P6

(9)

編碼計算時，令Si(i=0,1,2,3,4,5,6)為0，表示編成的碼組中無錯碼，則可以得到監(jiān)督位Pi計算公式如下。

P0=D0+D1+D3+D4+D6+D8+…+D46

(10)

P1=D0+D2+D3+D5+D6+D9+…+D47

(11)

P2=D1+D2+D3+D7+D8+D9+…+D47

(12)

P3=D4+D5+D6+D7+D8+D9+…+D40

(13)

P4=D11+D12+D13+D14+D15+

D16+…+P47

(14)

P5=D26+D27+D28+D29+D30+

D31+…+D47

(15)

P6=D0+D1+D2+D3+D4+D5+…+D47

(16)

1.2 星上檢錯糾錯

每條程控指令執(zhí)行前或到達(dá)檢測周期時，按式(3)～(9)計算校正子Si(i=0,1,2,3,4,5,6)。大量試驗數(shù)據(jù)表明，靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)發(fā)生SEU大多數(shù)是1 bit錯誤，產(chǎn)生2 bit轉(zhuǎn)的次數(shù)占總翻轉(zhuǎn)次數(shù)的1%左右，而產(chǎn)生3 bit、4 bit翻轉(zhuǎn)的概率僅為0.1%～0.01%[9]。因此，若S5～S0不等于0，且S6等于0，說明發(fā)生偶數(shù)比特錯誤，2 bit錯誤計數(shù)加1。若S5～S0不等于0，且S6等于1，說明發(fā)生1 bit錯誤，1 bit錯誤計數(shù)加1，并且根據(jù)校正子與錯碼位置的對應(yīng)關(guān)系，確定錯碼發(fā)生位置，并完成糾錯。如S6～S0等于1000011，則表明該組數(shù)據(jù)D0位置出錯，對D0取反即可實現(xiàn)糾錯。本文檢錯糾錯流程如圖3所示。

重要數(shù)據(jù)檢錯任務(wù)還可周期運(yùn)行，1次可以對m條指令進(jìn)行檢錯，m根據(jù)處理器處理能力確定，不給CPU增加過多負(fù)擔(dān)而影響處理器原來的任務(wù)。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 測試結(jié)果

本文方法在小衛(wèi)星綜合電子計算機(jī)上進(jìn)行了測試。針對的數(shù)據(jù)包括小衛(wèi)星的相對程控指令、程控指令、程控數(shù)據(jù)塊、有效載荷數(shù)據(jù)等，主要進(jìn)行故障注入，程控指令糾錯算法選用(80,72)擴(kuò)展?jié)h明碼，相對程控指令糾錯算法選用(56,48)擴(kuò)展?jié)h明碼，程控數(shù)據(jù)塊選用(128,120)擴(kuò)展?jié)h明碼。數(shù)據(jù)上注后，通過修改星務(wù)中心計算機(jī)內(nèi)存的方法將以上數(shù)據(jù)產(chǎn)生1 bit錯誤及2 bit錯誤。每種數(shù)據(jù)類型故障隨機(jī)注入100次，測試結(jié)果如表3所示，表明本文方法可以有效地檢錯并糾錯。

表3 重要數(shù)據(jù)檢錯糾錯方法測試結(jié)果Table 3 Test results of error detection and correction method for important data

2.2 性能分析

(1)本文通過軟件實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)檢錯糾錯，不改變原硬件結(jié)構(gòu)，不需增加硬件EDAC芯片或FPGA，可大大節(jié)約成本，適合采用COTS產(chǎn)品體系的低成本衛(wèi)星使用。

(2)本文方法同三模冗余方法相比，占用內(nèi)存量少，僅需要給監(jiān)督位分配存儲空間。若需要保護(hù)數(shù)據(jù)長度的字節(jié)數(shù)為N，對于相對程控指令選用(56,48)擴(kuò)展?jié)h明碼，本文方法占用存儲空間約為1.16N，對于程控指令選用(80,72)擴(kuò)展?jié)h明碼，本文方法占用存儲空間約為1.11N，而三模冗余方法占用存儲空間為3N。由于星務(wù)中心計算機(jī)要存儲上千條程控指令、程控數(shù)據(jù)塊、相對程控指令和有效載荷重要數(shù)據(jù)，因此本文方法可以大大節(jié)約存儲空間，解決內(nèi)存緊張的問題。

(3)本文方法可以周期性進(jìn)行檢錯，若在軌長期使用，由于SEU會發(fā)生積累，三模冗余方法有失效的風(fēng)險。本文方法采用數(shù)據(jù)檢錯任務(wù)周期運(yùn)行，每周期可以完成m條重要數(shù)據(jù)的檢錯糾錯，避免由于SEU效應(yīng)長期積累造成三模冗余方法2份數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤的風(fēng)險。

(4)本文方法實現(xiàn)檢錯的運(yùn)算復(fù)雜度大于三模冗余方法，但由于合理分配運(yùn)算量，每條重要數(shù)據(jù)的糾錯編碼在地面完成，星上只對該數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯，因此對CPU增加負(fù)擔(dān)小，利于實時處理。

3 結(jié)束語

本文提出一種軟件實現(xiàn)的小衛(wèi)星重要數(shù)據(jù)抗SEU方法，不增加硬件電路，適合基于COTS產(chǎn)品體系研制的低成本小衛(wèi)星平臺。該方法事先對程控指令等重要數(shù)據(jù)每條指令設(shè)計相應(yīng)糾錯碼并完成上注，星上將重要數(shù)據(jù)及對應(yīng)糾錯碼進(jìn)行存儲，重要數(shù)據(jù)使用前或周期進(jìn)行檢錯，出現(xiàn)錯誤時可以有效檢錯并糾錯。由于星上每次只對一定條數(shù)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯，發(fā)現(xiàn)錯誤進(jìn)行糾錯解碼，所有重要數(shù)據(jù)均不進(jìn)行糾錯編碼，不會給CPU增加過多負(fù)擔(dān)；而且，相對于三模冗余方法，在很大程度上節(jié)約了內(nèi)存空間。