一种星载软件重构系统的设计与实现

针对航天器寿命延长与功能复杂度提升带来的对软件在轨重构和升级的迫切需求,基于SpaceWire设计了一种对星载软件升级与重构进行统一管理的网络,并设计实现了一款通用的软件维护控制器;星载软件重构网络通过SpaceWire路由器连接大容量存储模块以及星载计算机、载荷处理器等需要进行软件重构的终端设备,大容量存储器作为共享的存储资源池,用于接收各类星载设备的重构和升级软件程序,直接将软件程序通过SpaceWire分发到相应的设备,软件维护控制器位于终端设备内部,对软件重构数据进行统一格式封装,支持软件升级数据的片段化更新、软件ECC编码存储、软件APP切换控制等功能,解决星载软件升级缺乏统一操作流程、缺乏通用通信协议、缺乏高可靠设计支持的困境,并且该控制器采用抗辐射加固ASIC设计,满足宇航使用环境要求,为实现星载软件的灵活、便捷在轨重构奠定基础。

一种高速可靠的大体量星载软件重构方案设计

随着星载软件的复杂度与体量不断增加,对软件在轨重构并进行更新维护的功能愈发重要。当软件越来越大时,使用低速通道进行重构的方案在时间上难以满足在一个测控弧段内重构软件的需求。同时,大软件使得数据存储空间更为紧缺,无法使用三模冗余等传统方法保证程序数据的可靠安全。因此,本文提出了一种使用高速通道的可靠的大体量星载软件重构方案。以固化在PROM(可编程只读存储器)上的引导监控程序作为根本保障,构建一个存于MRAM(磁随机存储器)上专门用于高速重构软件的安全模式程序作为方案核心,并给星载软件加入自重构功能作为最常用的重构方式。通过地面测试与在轨实验表明:该方案能够保证大体量软件重构功能的高速度与高可靠性,让星载软件的更新与维护更加安全与便捷。

小卫星星载软件微内核的设计

随着小卫星功能的提升,星上软件需要操作系统的支持。该文分析星载软件所需的实时操作系统,根据星载软件的实际任务要求,提出一个适合于星上嵌入式系统的软件微内核设计架构,具有面向卫星、占固存少、可在轨软件重构、实时性强、可靠性高等特点。

一种提高星载软件可靠性的开发方法

星载软件工作环境的特殊性要求其具有高可靠性和容错性。现有软件可靠性低于硬件可靠性,星载软件失效在系统失效中占有很大比例。分析星载软件特点,根据其开发流程,阐述在软件开发各阶段提高其可靠性和容错性的措施。实践结果证明,此类容错技术是必要且有效的。

基于8051单片机的星载软件中断服务程序设计

8051系列单片机在卫星上的应用非常广泛,在基于8051单片机的软件中,中断服务程序往往发挥着关键作用;这里对8051中断系统进行了介绍,并结合具体实例阐述了基于8051单片机的星载软件中断服务程序的设计方法,重点从中断寄存器初始化、中断响应、中断处理、中断返回等几个方面介绍了进行中断服务程序设计时的注意事项和一些经验体会;这些方法和经验已在多台星载设备上应用,具有一定的应用价值。

一种星载软件系统测试环境的设计

系统测试在卫星星载软件的测试中起着重要作用。系统测试强调软件运行环境的真实性, 因此测试环境的建立是进行系统测试的难点, 也是决定软件系统测试效果的关键因素。这里介绍了一种星载软件系统测试环境的设计方案, 它由一套高性能的硬件设备和自动化测试软件组成, 能够自动完成星载软件功能和部分性能的测试, 支持对性能、余量等的手工测试, 该系统已在多颗卫星上得到了应用, 效果较好。

一种基于非面向对象语言的星载软件构件技术

为了进一步提高星载软件复用程度和解决航天器软件开发效率低下的问题,对星载软件特性和软件构件技术进行了分析和研究;对星载软件构件进行了定义,提出了一种基于非面向对象语言的、适用于星载软件开发和应用环境的星载软件构件模型。基于该模型开发的星载软件构件,具备独立性、完整性、可组装性和功能性。除此之外,对基于这种模型的星载软件构件设计、开发和使用方法进行了介绍,可以为采用非面向对象语言进行星载软件构件开发提供参考。在多个型号中对该技术展开实践,实践结果表明：提出的星载软件构件设计方法能够将星载软件开发效率提高2~5倍。

星载软件复用技术探讨

星载软件的开发效率是制约卫星研制能力的因素之一,研究星载软件复用技术就是为了提高星载软件的开发效率和软件的质量;文中对星载软件复用的现状进行了分析,指出了影响星载软件复用的技术因素,探讨了实施星载软件复用的方法,并以举例的方式重点阐述了如何以领域工程的方式对星载软件进行领域分析、构造可复用构件和建立软件复用库;最后,介绍了软件沿用这一特殊的星载软件复用形式,这些方法都已进入实践阶段,具有一定的应用前景。

基于扩展块的星载软件控制流容错评价方法

空间环境因素引发的星载软件瞬态的控制流错误可能对系统执行效能造成严重影响,为避免容错算法存储开销和执行开销给系统带入过多的计算压力,提出在容错算法开销和所取得的系统的可靠性提升上取得一定折衷,这是星载软件可靠性设计的合理方向。设计了一种适合于弹性添加容错代码的容错方法:扩展块数字签名的控制流检测方法ESCFC(Extend block Signatures for Control Flow Checking)。由空间高能粒子的实验结果和在轨实测结果为系统可靠度建模,提出了算法开销和可靠性效能提升的平衡关系的工程参考和理论依据。定性分析和模拟,充分说明了将该方法运用于航天工程的可行性。

星载软件可测试性设计方法

随着星载软件复杂度的增加,提高软件测试效率对保证软件质量越来越重要,软件的可测试性设计成为提高软件测试效率的关键手段。文中针对星载软件的可测试性设计提出了四种方法:设计可测试的分层体系结构可将软件故障限制在层次范围内;合约式任务模板可规范任务的输入输出,降低任务间的耦合性;状态序列编码可用于动态指示软件的切换与流向;多任务调度记录与堆栈使用记录可用于静态复现一段时间内软件的详细工作过程。可测试性设计方法应用在某项目的软件研制中,软件测试效率有明显提高,证明方法可行有效。

一种星载软件配置流程管理工具的设计

星载软件配置管理是星载软件工程化的一项重要内容,目前国内的软件配置管理基本上是采用国外的通用配置管理工具,由于工具没有和具体的流程相结合,因此对软件的出入库流程只能采用手工管理的方式;为了解决手工方式配置管理手续繁琐、效率低下及容易导致文实不符等问题,这里介绍了一种自主开发的星载软件配置流程管理工具的设计方案,它基于B/S结构,实现了配置管理流程审批过程的电子化和网络化,还通过和通用配置管理工具ClearCase接口,实现了软件源程序和目标代码的出、入库随流程审批过程自动完成;该工具大大提高了星载软件配置管理的质量和效率。

应用EDAC容错技术的星载软件堆栈溢出实时检测方法

针对常见的星载软件堆栈溢出问题,提出了一种应用错误监测与纠正(EDAC)容错技术的堆栈溢出实时检测方法。以采用BM3803处理器的星载软件为例,通过处理器提供的内存造错和EDAC机制,对软件堆栈设置雷区和隔离区,通过陷阱程序感知堆栈生长过程,记录堆栈使用深度,并实时检测堆栈溢出。对核心模块的性能测试及堆栈检测实例验证表明:该方法实现简单,对软件性能几乎没有影响,使软件可以在线实时检测堆栈使用深度。软件在堆栈溢出时仍能自主可控,避免"跑飞"崩溃,大大提高其可靠性。

星载软件可靠性仿真测试环境研究

软件可靠性测试是验证和评估软件可靠性水平的重要方法,要求软件运行环境的真实性,因此,测试环境的建立是进行可靠性测试的难点,也是决定测试结果正确性的关键因素。论文阐述了针对某星载嵌入式软件可靠性测试环境的设计,包括测试平台的构建,以及测试脚本的构造,该环境已成功应用于某星载嵌入式软件的可靠性测试,效果较好。

基于宏定义动态链接的模块化星载软件升级方法研究

提出了基于宏定义动态连接的软件模块化设计思路,并针对某小卫星平台的体系结构,对其星载软件进行了具体的模块化实现,同时提出了一种在轨升级方案.经实验验证分析,所提出的模块化设计思路提高了星载软件在轨升级的效率和灵活性,升级过程中对结构化模块信息上载和验证,提高了升级方法的可靠性和安全性.

一种高可靠的星载软件时间管理方法

时间管理是星载软件中一项基本且重要的功能,准确的获取星上时间是星载软件部分重要功能正确执行的必要前提条件;星载软件在处理获取星上时间码函数中曾发生多次质量问题,文中对软件设计过程中遇到的时间获取与时间维护冲突的问题进行了机理分析,并提出了3种有效的解决办法,保证了在各种复杂情况下星上时间获取的正确性;最后,给出了一种高可靠的星载软件时间管理方法,从设计要求、设计方法和设计实现3个方面对其进行了描述;此方法已成功应用于多个航天器中。

基于信息流的星载软件需求分析方法

针对星载软件数量多且设计分散,各自承担不同的信息处理任务,难以进行有效的总体软件需求分析的问题,文章提出一种基于信息流的软件需求分析方法,以系统级信息流设计为核心,首先进行信息流构架设计,明确卫星上各级总线架构;其次确定星上接口类型、数据传输协议等,并形成整星软件信息接口关系;最后根据信息流分解的结果,确定软件配置项的需求。此方法已在通信卫星领域中实际使用,结果表明它可以有效地制定星上处理规则,优化软件设计流程,增强软件设计的完备性和健壮性。

基于增量链接的可回滚星载软件在轨更新方法

为了减少对测控通道的占用时间,提高在轨更新过程的安全性和可靠性,提出基于增量链接、并可回滚至更新前状态的星载软件在轨更新方法.通过固定未修改的函数和变量内存空间,降低软件修改前、后内存空间布局的差异,将更新操作归结为对内存空间的写入和删除操作,减少上注补丁数据量,简化星上更新操作过程;针对安全性和可靠性,星上生成更新操作的逆操作补丁用于回滚,提供应对更新出错的回滚策略.试验结果表明,利用该方法进行更新,卫星无需重启,补丁上注时间短,更新操作正确,回滚操作有效,并成功应对各种更新出错情况.

基于设计模式的星载软件体系结构设计方法

星载软件是整个卫星系统设计和开发的中心,而体系结构是整个软件开发的蓝图,在软件开发中占有十分重要的位置。为了提高星载软件开发效率,降低研制成本,同时满足实时性、可重构和可维护性要求,从体系结构的前3个视图方面采用基于设计模式的方法提出了一种满足要求的星载软件体系结构。

一种基于文件的嵌入式星载软件在轨升级方法

提出了基于文件系统的星载软件在轨维护方法。该方法采用配置数据与程序代码独立存储的方式实现星载信息流实时在轨重构;采用引导软件、启动配置文件和应用软件相结合的方式,实现软件全功能状态下的整体升级及升级异常情况下的版本回退;采用压缩程序映像和加载后打补丁的方式,减少程序更新时的数据上注量。在某星载计算机平台上对该方法进行了试验验证,结果表明,该方法可对星载信息数据流进行在轨重构,软件异常情况下可进行版本自动回退,补丁上注量少,提升了星载软件在轨维护的效率和可靠性。

星载软件的语句级高效更新方法

为减少星载软件在轨更新过程对测控资源的需求量,缩短更新上注时间,提出了一种无需操作系统支持、上注数据量低、版本可灵活控制的语句级软件更新方法。该方法首先利用预编译命令进行程序空间优化,使得不同模块的代码在编译后存储于不同的段中,减少代码修改对加载文件的影响;其次通过逐段求解参考段与更新段之间匹配路径,并基于此进行各段的差异内容提取,大大降低差异补丁规模;然后通过版本引导程序设计,实现对卫星软件版本的灵活控制;最后通过对文件和程序进行可靠性设计,保证整个更新过程的安全性。结果表明:该方法在ZDPS-3A卫星平台进行了充分的测试,所提出的更新方法可应用于无操作系统的星载计算机,支持软件状态可回滚且更新过程可靠,同时相比传统的差异内容提取方法,补丁文件的规模降低量均值超过50.00%,可显著缩短更新上注时间。本方法能够充分满足星载软件低数据量更新的需求,可推广应用至包括微小卫星在内的多种航天器。