寬頻通信衛星有效載荷數字處理容錯技術研究

《寬頻通信衛星有效載荷數字處理容錯技術研究》是依託中山大學，由陳翔擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：寬頻通信衛星有效載荷數字處理容錯技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳翔
• 依託單位：中山大學

中文摘要

具有星上信號處理和交換能力的數字處理有效載荷以其大系統容量、高頻譜效率、良好抗干擾特性而成為寬頻衛星通信系統的主流載荷。然而，由於宇航級器件禁運及傳統三模冗餘消耗大量資源，我國星上處理載荷及系統性能受太空輻射尤其是單粒子翻轉效應影響而發展緩慢。本項目以具有星上信號處理和交換能力的寬頻通信衛星轉發器為研究對象，面向未來寬頻衛星系統高可靠需求展開研究，主要包括：針對三模冗餘開銷大的問題，融合餘數定理與多採樣判決信號處理技術，實現保護開銷從3模降低至低於2.5模；進而利用電路子模組敏感性分析對目標系統進行分級保護，在不降低系統可靠性前提下進一步降低保護開銷至接近2模；最後通過對星載交換結構的故障和可靠性進行分析與建模，引入互連交換平面提高寬頻交換載荷可靠性。本項目研究成果將為我國未來寬頻衛星系統星上處理和交換可靠性設計提供理論及技術參考。

結題摘要

具有星上信號處理和交換能力的數字處理有效載荷因其優良的系統性能已經成為寬頻衛星通信系統的主流載荷；但其受太空輻射尤其是單粒子翻轉效應影響顯著，仍需提出低冗餘高可靠的數字容錯技術以提高數字載荷的效率。本項目主要針對寬頻通信衛星轉發器數字處理載荷的高可靠性和大容量交換需求展開研究，以滿足我國未來寬頻衛星系統發展需求。主要研究內容包括： 首先，針對傳統三模冗餘開銷大的問題，融合中國剩餘定理與多採樣信號處理技術，提出針對星上線性處理常用模組（FIR濾波器、FFT模組）的低開銷容錯方案，將保護開銷從3模降低至2.5模左右；並進一步將BCH碼融合至FIR濾波器實現並行容錯方案，獲得高穩定性的多支路同時容錯能力。 其次，針對數字處理載荷系統不同部件模組的不同等級容錯需求，採用高層次綜合技術，將電路模組劃分為敏感、次敏感和無敏感三類節點，分別採用三模冗餘、gate sizing、不保護的分級容錯方案，實現了保護開銷降低至接近2模，並根據系統對面積開銷的要求實現面積-延時的折衷設計。 然後，針對星載交換高吞吐量高可靠性要求，首先提出了一種基於業務預測的單多播集成調度算法，擴展了多播業務穩定支持的比例區間；針對星載交換資源受限及匹配效率方面的特殊需求，提出基於共享快取的逆向調度算法，顯著提高資源利用率和調度效率；針對平面內Clos網路容錯能力，結合備份與互連思想，提出外部相鄰互連OX結構，相對傳統結構提高交叉點容錯能力1.5倍，平均失效時間更長，從而實現更穩定均衡的容錯能力。 最後，面向所提算法的工程驗證需求，設計了基於Xilinx公司Zynq系列FPGA晶片的軟體無線電自動化故障注入平台，實現了自動、連續的故障注入，以充分驗證所提容錯算法的有效性和可靠性。項目還整理了所提分級保護數字載荷設計方案和高速星載交換互聯結構及調度算法成果，撰寫了《寬頻通信衛星數字處理載荷的可靠性設計建議書》並提交至相關總體單位，為我國寬頻衛星系統星上處理和交換可靠性設計提供了理論及技術參考。