（仪器科学与技术专业论文）星载信号处理平台单粒子效应检测与加固技术研究.pdfVIP

国防科学技术大学研究生院博十学位论文 摘要 卫星技术在国民经济和以信息化为特征的新军事变革中发挥着越来越突出的 作用。随着技术的发展，卫星平台和载荷对诸如f p g a 、d s p 等超大规模集成电路 的依赖性越来越强。作为空间电子仪器设备的关键信号处理器件，f p g a 和d s p 自丌始应用以来，单粒子效应就备受关注。器件的集成度越高，单粒子效应的影 响就越显著，单粒子效应故障检测与加固设计已经成为空间电子仪器设计必须慎 重考虑的问题。 本文以星载测控通信信号处理平台的研制为背景，以提高f p g a 和d s p 的抗 单粒子效应能力为研究目标，研究了f p g a 和d s p 的单粒子效应故障分析模型与 故障特性、单粒子效应故障检测与加固设计方法和基于单粒子效应故障特性的故 障注入验证技术。主要研究内容如下： ( 1 ) 根据f p g a 和d s p 单粒子效应故障的特点，建立了单粒子效应故障分析 模型，提出了单粒子效应故障在f p g a 和d s p 中的伴随特性，为f p g a 和d s p 的 单粒子效应研究提供了一个新的途径；针对f p g a 和d s p 位置不可访问故障的注 入问题，以伴随特性为依据，研究了f p g a 和d s p 位置不可访问故障的模型修正 方法和注入过程，提高了单粒子效应故障注入的故障覆盖度和访问深度； ( 2 ) 针对f p g a 单粒子效应故障的检测与加固设计问题，根据单粒子效应故 障的伴随特性，从布局布线的角度提出了基于“逻辑探针”的f p g a 单粒子效应 故障间接检测方法，降低了单粒子效应故障检测带来的资源与性能的损失；分析 了f p g a 配置存储器单粒子翻转引起的多个功能模块同时故障( s e u m b e ) 的发 生条件，提出了解决s e u m b e 问题的区域约束法和命线修正算法，提高了f p g a 布线资源对单粒子效应故障的容错能力； ( 3 ) 针对d s p 程序和数据存储区单粒子效应引起的程序执行流程紊乱问题， 提出了基于缩短关键变量生存周期的三倍冗余设计、程序模块跳转区间监测和状 态脉冲监测等方法，在提高d s p 单粒子效应故障检测与容错性能的同时，减少了 存储资源的消耗； ( 4 ) 针对非宇航级f p g a 和d s p 在空间仪器工程中的应用问题，提出了星载 信号处理平台的金字塔形体系结构，研究了f p g a 与d s p 的高效动态重构技术， 使f p g a 和d s p 的单粒子效应可靠度分别从0 6 3 0 7 8 和0 9 5 3 3 6 提高到0 9 9 0 4 5 和 0 9 9 9 0 1 ( 工作时间为2 4 小时，重构间隔为0 5 小时) ，为非宇航级器件在空间仪 器中的应用提供了一个解决方案。 实验结果显示：f p g a 单粒子效应故障检测与加固设计方法能够在资源使用增 第i 页 国防科学技术人学研究生院博十学位论文 加1 5 、速度性能降低1 0 的情况下，实现9 9 2 的单粒子效应检错概率和9 9 6 的单粒子效应容错概率；d s p 单粒子效应故障检测与加固设计方法能够在程序存 储量增加1 8 、执行时间增加1 5 的条件下，实现9 7 4 的单粒子效应检错概率 和8 6 0 的单粒子效应容错概率；结合金字塔形结构与高效动态重构技术，星载信 号处理平台中f p g a 和d s p 的单粒子效应综合检错概率和综合容错概率分别达到 了9 8 9 和9 6 1 。 本文提出的设计方案与相关研究结论已经在多个型号的卫星信号处理平台中 得到了应用。 主题词：星载信号处理平台单粒子效应 故障注入布线修正算法 程序执行流程动态重构 第i i 页 国防科学技术人学研究生院博十学位论文 a b s t r a c t s a t e l l i t et e c h n o l o g yp l a y sag r o w i n gi m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a le c o n o m ya n d r e v o l u t i o ni nm i l i t a r ya f f a i r s ，w h i c hi sc h a r a c t e r i s t i co fi n f o r m a t i o n i z a t i o n a n dw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，s a t e l l i t ep l a t f o r mo rp a y l o a dr e l i e sd e e p l yo nv e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ( v l s i c ) ，s u c ha sf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) a n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a st h ek e yp r o b l e mi ns i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r md e g i g n ， f p g aa n dd s p ss i n g l ee v e n te f f e c t ( s e e ) h a sb e e nw i d e l yc o n c e r n e de v e rs i n c ei t s f i r s ta p p l i c a t i o ni ns p a c ee l e c t r o n i ci n s t r u m e n t w i t ht h eg r o w t ho fi n t e g r a t e dc i r c u i t s s c a l e ，h i g he n e r g yp a r t i c l e sa f f e c tm o r es e v e r e l yo nd i g i t a ld e v i c e s t h u ss e ee r r o r d e t e c t i o na n dm i t i g a t i o nt e c h n i q u e ss h o u l db ep a y e dm o r ea t t e n t i o ni ns p a c ee l e c t r o n i c i n s t r u m e n td e s i g n t h er e s e a r c hi sb a s e do nt h ed e s i g no fs p a c e b o r n et t c ( t e l e m e t r y ，t r a c k i n ga n d c o m m a n d ) a n dc o m m u n i c a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r i l l ，a n da i m sa ti m p r o v i n g f p g aa n dd s p sa n t i - s e ea b i l i t yi ns p a c ee n v i r o n m e n t p r o b l e m ss u c ha sf p g aa n d d s p sa n a l y t i c a ls e ee r r o rm o d e la n de r r o rc h a r a c t e r i s t i c ，s e ee r r o rd e t e c t i o na n d m i t i g a t i o nt e c h n i q u e s ，f a u l ti n j e c t i o n - b a s e dv e r i f i c a t i o nm e t h o do fs e eh a r d e n e dd e s i g n a r es t u d i e di nt h et h e s i s a n dt h em a i nc o n t e n tc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w ( 1 ) b a s e do nf p g aa n dd s p ss e ee r r o rc h a r a c t e r i s t i c ，t h et h e s i sp r o p o s e san o v e l a n a l y t i c a ls e ee r r o rm o d e lf o rf p g aa n dd s p ，a n dt h e ns t u d i e st h ec o n c o m i t a n t c h a r a c t e r i s t i co fs e ee r r o r ，w h i c hi san e wc h a r a c t e r i s t i ci ne r r o rc o u p l i n ga n d p r o p a g a t i o n a c c o r d i n gt ot h ef a u l ti n j e c t i o np r o b l e mo fl o c a t i o n - i n a c c e s s i b l ee r r o r so f f p g aa n dd s p ，am o d i f i e ds e ef a u l tm o d e li sp r o p o s e do nt h eb a s i so fs e ee r r o r s c o n c o m i t a n tc h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hc a ni m p r o v et h ef a u l tc o v e r a g ea n da c c e s s i b l ed e p t h o fs e ef a u l ti n j e c t i o nm o d e l t h em o d i f i e ds e ee r r o rm o d e lg i v e san e wp o i n to fv i e w o fs e es t u d yf o rv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ( v l s i ) c i r c u i t ( 2 ) b a s e do ns e ee r r o r sc o n c o m i t a n tc h a r a c t e r i s t i c ，an o v e li n d i r e c t e r r o r d e t e c t i o nm e t h o di s p r o p o s e d f r o mt h e a s p e c t o ff p g a sp l a c ea n dr o u t i n g s t r a t e g y ，w h i c hi sn a m e dl o g i cp r o b e ( l p ) a n da i m e dt od e c r e a s et h el o s s e si nr e s o u r c e a n dp e r f o r m a n c e c o n f i g u r a t i o nm e m o r y s s i n g l ee v e n tu p s e t ( s e u ) c a ni n d u c e f p g a sm u l t i b l o c ke r r o r ( s e u m b e ) t h et h e s i sa n a l y z e st h ec o n d i t i o nb yw h i c h s e u m b eh a p p e n sa n dg i v e st w os o l u t i o n st os e u m b e ，a r e ac o n s t r a i nm e t h o d ( a c m ) a n di n c r e m e n t a lr o u t i n ga l g o r i t h m ( i r a ) t h ep r o p o s e da p p r o a c h e ss h o wa r e m a r k a b l ei n c r e a s eo fs e ei m m u n i t yf o rf p g a sr o u t i n gr e s o u r c e ( 3 ) a c c o r d i n gt op r o g r a mr u nf l o w sd i s t u r b a n c ew h i c hi si n d u c e db yt h es e u o f d s p sp m ( p r o g r a mm e m o r y ) o rd m ( d a t am e m o r y ) ，t h et h e s i sp r o p o s e sal i f e - s h o r t e n t r i p l em o d u l a rr e d u n d a n c e ( l s - t m r ) m e t h o d ，ab a s i cb l o c kj u m p i n gb o u n dm o n i t o r i n g 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 m e t h o d ( j b m m ) a n das t a t ep u l s em o n i t o r i n gm e t h o d ，w h i c hc a nr e d u c et h eu p s e tr a t e o fd s p sk e yv a r i a b l e sa n dt h em e m o r yc o n s u m p t i o no fe r r o rd e t e c t i o nd e s i g n ( 4 ) o nt h eb a s i so fs e ee r r o rd e t e c t i o na n dm i t i g a t i o nt e c h n i q u e so ff p g aa n d d s p ，ap y r a m i d - l i k em o n i t o r i n ga r c h i t e c t u r ef o rs p a c e b o r n es i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r m ( s s p p ) i sp r o p o s e d t h ep y r a m i d - l i k em o n i t o r i n ga r c h i t e c t u r et o g e t h e rw i t ht h eh i g h e f f i c i e n c yd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o nt e c h n i q u ep r o v i d e ap o s s i b i l i t yo fa p p l y i n g n o n r a d i a t i o nh a r d e n e df p g ao rd s pi n s p a c ee l e c t r o n i ci n s t r u m e n t w i t ht h e m o n i t o r i n ga r c h i t e c t u r e f p g aa n dd s p sa n t i s e er e l i a b i l i t yi n c r e a s ef r o m0 6 3 0 7 8 a n d0 9 5 3 3 6t o0 9 9 0 4 5a n d0 9 9 9 01 w h e nt h ew o r kp e r i o di s2 4h o u r sa n d r e c o n f i g u r a t i o ni n t e r v a li s0 5h o u r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tf p g a se r r o rd e t e c t i o nr a t ei s9 9 2 a n de r r o r t o l e r a n c er a t ei s9 9 6 u n d e rt h ec o n d i t i o no f15 r e s o u r c ei n c r e a s ea n d1o s p e e d d e c r e a s e a l s of o rd s p e r r o rd e t e c t i o nr a t ei s9 7 4 a n de r r o rt o l e r a n c er a t ei s8 6 o u n d e rt h ec o n d i t i o no f18 p mi n c r e a s ea n d15 r u nt i m ei n c r e a s e w i t ht h e p y r a m i d - l i k em o n i t o r i n ga r c h i t e c t u r ea n dt h eh i g he f f i c i e n c yd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n t e c h n i q u e o v e r a l le r r o rd e t e c t i o na n dt o l e r a n c er a t eo ff p g aa n dd s pi ns s p pc a n r e a c ht o9 8 9 a n d9 6 1 m o s to ft h et e c h n i q u e sa n dc o n c l u s i o n sp r o p o s e di nt h et h e s i sh a v eb e e na p p l i e di n s e v e r a ls a t e l l i t es p a c e b o r n es i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r m k e yw o r d s ：s p a c e b o r n es i g n a lp r o c e s s i n gp i a t f o r m ，s i n g l ee v e n te f f e c t ， f a u l ti n j e c t i o n ，i n c r e m e n t a lr o u t i n ga l g o r i t h m ，p r o g r a m sr u nf l o w ， d y n a m i cr e c o n f j g u r a t i o n 第i v 页 国防科学技术人学研究生院博十学位论文 表目录 表1 1 内俘获带粒子中心位置和积分通量2 表1 2 单粒子效应在空间仪器设备上造成故障的统计数据3 表1 3 目前发现的主要单粒子效应形式9 表2 1f p g a 和d s p 功能模块的单粒子翻转故障特性2 9 表2 2f p g a 和d s p 功能模块的单粒子瞬态脉冲故障特性2 9 表2 3f p g a 和d s p 功能型模块的单粒子功能中断故障特性3 0 表2 4 单粒子效应故障分析模型和t a l i s e s 模型的分析复杂度对比3 5 表2 5 计数器基本电路单元的组成3 8 表3 1x c v l 0 0 0 各类模块的单粒子效应截面比重5 3 表3 2 配置存储器中各类功能模块对应的配置位所占的比例5 4 表3 3f p g a 中t m r 和d m r 设计的资源使用情况5 6 表3 4l p 间接检测法对f p g a 设计资源与速度性能的影响5 9 表3 5 采用a c m 前后f p g a 相关参数的变化情况6 4 表3 6a c m 的布线失败率与资源占用率之间的关系6 5 表3 7i r a 对f p g a 设计的影响6 7 表3 8i r a 的布线失败率与资源占用率之间的关系6 8 表3 9 基于“逻辑探针”的单粒子效应故障间接检测性能6 9 表3 1 0 区域约束法的s e u m b e 容错性能7 l 表3 1 li r a 法的s e u m b e 容错性能7 1 表4 1d s p 发生单粒子效应故障的情况统计列表7 4 表4 2 不同条件下l s t m r 方法的性能7 7 表4 3l s t m r 设计对程序性能的影响7 8 表4 4j b m m 设计对d s p 程序性能的影响8 3 表4 5 跳转区间监测法与其他方法的对比8 5 表4 6l s t m r 的容错性能8 7 表4 7 关键指令时间滤波冗余设计的容错性能8 7 表4 8 基本模块冗余设计的检错性能8 8 表4 9 基本模块跳转区间监测法的检错性能8 9 表5 1 基本模块执行时间的统计9 7 表5 2f p g a 配置存储器动态回读的时间特性1 0 l 表5 3f p g a 局部动态重构的时间特性1 0 4 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表5 4f p g a 周期重构的时问特性10 4 表5 5d s p 动态重构的时间特性10 5 表5 6d s p 周期重构的时间特性1 0 6 表5 7f p g a 和d s p 在不同环境中的故障率比较表1 0 7 表5 8f p g a 和d s p 周期重构的性能列表1 0 9 表6 1f p g a 单粒子效应故障检测设计的性能11 2 表6 2f p g a 抗单粒子效应加固设计的容错性能1 1 4 表6 3 程序状态脉冲监测法的s e e 故障检测性能1 1 5 表6 4d s p 单粒子效应故障的检测与容错性能1 1 6 表6 5d s p 单粒子效应故障检测方法和其他方法的性能对比1 1 6 表6 6p o w e r p c 软件故障特性及修复方法的统计情况1 1 7 表6 7d s p 单粒子效应故障修复方法的统计情况1 1 7 表6 8 各种修复方法所需的平均修复时间1 1 8 表6 9s s p p 单粒子效应故障检测与容错设计的综合性能1 1 9 附表8 1f p g a 配置存储器回读命令列表15 6 附表8 2f p g a 配置存储器动态重配置命令列表15 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图目录 图1 1空间辐射环境2 图1 2 质子和c 【粒子入射硅片时产生的能量沉积分布特性8 图1 3 质子和0 【粒子入射硅片时能量沉积过程的时间响应8 图1 4 单粒子瞬念脉冲宽度随入射粒子l e t 值的变化特性9 图1 5基于计算机的f p g a 配置存储器故障注入方法1 2 图1 6 高速卫星通信系统可配置平台结构1 5 图1 7 一种通用的可重构平台结构1 5 图1 8s m a r t s a t 1 卫星采用的可配置星载信号处理平台结构1 5 图1 9 一种星载可重构计算机体系结构1 7 图1 1o 小卫星星务计算机故障注入系统17 图1 1 l论文的组织结构2 l 图2 1f p g a 内部组成的简化结构2 3 图2 2c l b 局部结构图2 4 图2 3开关矩阵的故障类型2 4 图2 4p i p s 配置位s e u 故障类型2 4 图2 5缓冲器配置位s e u 故障类型2 5 图2 6 多路切换器配置位s e u 故障情况2 5 图2 7 时序和组合电路的s e t 故障一2 6 图2 8d s p 内部电路单元分类图2 7 图2 9f p g a 和d s p 的内部结构分类一2 8 图2 1 0f p g a 和d s p 的单粒子效应故障分析模型3 2 图2 1 lc l b 和程序模块与故障分析模型的对应关系3 3 图2 1 2 功能模块之间单粒子效应故障的伴随特性3 6 图2 1 3伴随特性引起相临功能模块故障的概率直方图3 9 图2 14故障注入原理图4 0 图2 1 5故障注入模型元素之间的关系4 1 图2 1 6 故障空间之间的从属关系4 3 图2 1 7 位置不可访问故障集的修正过程4 4 图2 1 8d c m 硬件电路s e t 故障的等效注入4 6 图2 1 9 布线资源s e t 故障的等效注入4 6 图2 2 0 开关矩阵s e t 故障的等效注入4 6 第v i 页 国防科学技术人学研究生院博十学位论文 图2 2 1 图2 2 2 图2 2 3 图2 2 4 图2 2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图4 图4 图4 图4 图4 5 图4 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 基于j t a g 和c c s 的d s p 故障等效注入4 8 外设接口总线s e t 故障的等效注入4 9 单粒子效应故障注入器的组成结构5 0 单粒子效应故障注入实验流程51 单粒子效应故障注入系统计算机控制软件5 2 t m r 和d m r 的逻辑图一5 5 布线引起的单粒子效应伴随故障5 7 “逻辑探针”的逻辑图5 7 采用l p 前后4 b i t s 计数器的布线情况6 0 8 b i t s 加法器的局部布线图6 1 可配置布线资源抽象结构6 2 s e u m b e 布线资源故障6 2 基于区域约束的抗s e u m b e 设计6 4 f p g a 单粒子效应故障注入实验结构图6 8 功能逻辑故障引起s e u m b e 的示意图7 2 关键变量的l s t m r 设计方法7 6 d s p 软件基本模块执行流程模型7 9 指令的时间滤波冗余设计8 0 基本模块冗余设计的模块跳转关系8l 测试用例的基本模块跳转图8 4 d s p 单粒子效应故障注入实验结构图8 6 星载信号处理平台体系结构9 2 星载信号处理平台模块化设计过程9 3 “菊花链”式互补结构9 5 “星形”互补结构9 5 f p g a 布局布线的列结构9 9 b u sm a c r 0 的物理实现1o o f p g a 配置存储器的回读流程10 0 配置存储器的回读时序1 0 1 配置存储器回读数据的直接比较检验1 0 2 编码校验流程图1 0 2 16 位c r c 运算串行实现电路10 3 局部动态重构时序图1 0 3 d s p 的动态重构流程1 0 5 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 1 4 图5 1 5 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图8 1 图8 2 图8 3 图8 4 星载信号处理平台的可靠性分析模型1 0 6 星载信号处理平台单粒子效应可靠性分析模型1 0 7 c 卫星非相干扩频应答机单粒子效应故障注入实验连接图1 2 1 a 卫星扩频通信信号处理平台实物图1 2 2 d 卫星扩频应答机测控信号处理平台实物图1 2 2 基于故障注入的星载信号处理平台单粒子效应研究流程1 2 4 漏斗模型的电荷聚集过程1 5 1 漏斗模型示意图15 2 粒子分流模型示意图15 3 粒子分流模型的等效电路15 4 第v i i i 页 国防科学技术人学研究生院博十学位论文 主要符号与缩略语 功能模块集合 功能模块集合b 中的第f 个元素 n t 时刻b 的状态矢量 功能模块6 在疗丁时刻的状态 与6 ，相邻的功能模块在，z 丁时刻的状态矢量 与匆相邻的功能模块在聆丁通过故障耦合对6 ，输入状态的影响 参的状态耦合因子矢量 b 对匆的状态耦合权重因子 f p g a 中b 对应的布线区域集合 f p g a 中b 对应的可编程布线资源集合 d s p 程序的非交基本模块集合 程序基本模块集尸对应的跳转矩阵 程序基本模块集p 当前的跳转状态矩阵 程序基本模块集p 对应的跳转状态检验矩阵 单粒子效应故障修复间隔 单粒子效应故障重构效率 单粒子效应故障检测的成功概率 单粒子效应故障检测的虚警概率 单粒子效应故障检测的“反伴随概率 受主离子浓度 瞬时收集电荷 电荷收集时间 有效电荷收集长度 粒子分流电流 粒子分流通路输运电荷 非平衡载流子存在的平均时间 电荷收集效率 第v 页 b包聊一泐ws矿p，f c瓦f跏肌q。t厶级靠 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 a c m b i s t c l b c o t s d c m d m a d m r d s p f p g a h p i h r u i r a j b m m j t a g l e t l u t l p l s t m r p i p s p o r r h b d s e e s e u s e f i s e l s e m u s e t s e u m b e s m s s p p t m r v l s i a r e ac o n s t r a i nm e t h o d 区域约束法 b u i l t i ns e l f - t e s t 嵌入式自检 c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k 可配置逻辑模块 c o m m e r c i a lo f f - t h e s h e l f商用现成技术 d i g i t a lc l o c km a n a g e r 数字时钟管理单元 d i r e c tm e m o r ya c c e s s直接内存访问 d u a lm o d u l a rr e d u n d a n c y 双模块冗余 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 数字信号处理器 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y现场可编程逻辑门阵列 h o s tp o r ti n t e r f z l c e主机接口 h i g hr e l i a b i l i t yu n i t 高可靠性单元 i n c r e m e n t a lr o u t i n ga l g o r i t h m 布线修正算法 j u m pb o u n d sm o n i t o r i n gm e t h o d 跳转区问监测法 j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p联合测试行动小组 l i n e a re n e r g yt r a n s f e r线性能量传递 l o o ku pt a b l ef p g a 的查找表 l o g i cp r o b e “逻辑探针” l i f es h o r t e nt r i p l em o d u l a rr e d u n d a n c y 缩短( 变量) 生存周期的三模块冗余 p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c tp o i n t s 可编程互连点 p o w e ro nr e s e t上电复位 r a d i a t i o nh a r d e nb yd e s i g n 设计加固 s i n g l ee v e n te f f e c t 单粒子效应 s i n g l ee v e n tu p s e t 单粒子翻转 s i n g l ee v e n t f u n c t i o n a li n t e r r u p t 单粒子功能中断 s i n g l ee v e n tl a t c h u p 单粒子闭锁 s i n g l ee v e n tm u l t i p l eu p s e t 单粒子多位翻转 s i n g l ee v e n tt r a n s i e n t 单粒子瞬态脉冲 s i n g l ee v e n tu p s e ti n d u c e dm u l t i b l o c ke r r o r 单粒子翻转引起的多个模块同时故障 s w i t c hm a t r i x开关矩阵 s p a c e b o m es i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r m 星载信号处理平台 t r i p l em o d u l a rr e d u n d a n c y 三模块冗余 v a r yl a r g es c a l ei n t r e g a t i o n 超大规模集成电路 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：三幸j 吐 日期：- 唧年9 月这日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：盔挚妇蛩 作者指导教师签名：抖 日期：四年罗月巧日 日期：伽俨彳月砌 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 第一章绪论弟一早殖v 匕 1 1 研究背景和意义 1 1 1 空间仪器与星载信号处理平台 自1 9 5 7 年1 0 月4 同前苏联发射第一颗卫星以来，已有2 0 多个国家发射了自 己制造的卫星。卫星和航天技术推动了人类社会的进步，促进了地球资源开发， 但同时也导致了太空军事活动和外层空间的军事竞争。 新世纪的第一个月( 2 0 0 0 年1 月2 2 日2 6r ) ，美国空军空间作战中心首 次举行了代号为“施里弗1 ”的太空战演习，这次演习以未来太空作战可能面临的 情况为背景，动用了多种卫星系统；在最近的2 0 0 7 年3 月，美国空军进行了“施 里弗4 ”太空战模拟，对未来太空战中面临的情况，包括临近空间入侵、空间系统 防护、空天军事集成等进行了更为具体的演习。2 1 世纪的国防已经开始向遥远的 太空延伸，空间必将成为继陆、海、空之外的第四维战场，空间应用、空间攻防 能力必将成为未来国防空问威慑力的重要筹码。 空间应用和空间攻防以卫星星座、航天飞机、载人飞船、航天母舰和空间站 为信息交互平台，展丌对地球和太空目标信息的获取与可靠传输，其中起关键作 用的是空间仪器( s p a c ei n s t r u m e n t ) 。空间仪器工程综合利用光、机、电、热和 系统工程等多学科的知识，针对空间环境的强辐射、真空、微重力及高可靠性等 特殊应用需求，开展仪器体系结构、统一时间系统、传感器系统、信号处理、抗 辐射设计等方面的研究，是仪器工程向太空应用的延伸。星载信号处理平台( s s p p ： s p a c e b o m es i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r m ) 负责空间仪器中的数据获取、处理和传输， 是空间仪器乃至整个卫星的信息交互枢纽。 应用环境的特殊性对空间仪器的可靠性设计，尤其是抗辐射加固设计提出了 更高的要求。空间仪器中易受辐射干扰的星载信号处理平台能否高速可靠地运行， 影响着未来空间国防的决策效率。从最近的海湾战争、伊拉克战争来看，基于卫 星的通信指挥、精确定位、导航制导扮演着越来越重要的角色，这对星载信号处 理平台的处理能力和可靠性提出了更高的要求。超大规模集成电路( v l s i ：v e r y l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) ，尤其是欧美近年来逐步开始大量采用的现场可编程逻辑 门阵列( f p g a f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 和数字信号处理器( d s p ：d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) ，依靠其强大的信号处理能力和优越的接口性能逐渐取代传统的 单片机，成为星载高速信号处理平台的重要组成部分，它们在空间仪器工程中的 广泛应用势在必行，其抗辐射加固设计也迫在眉睫。 第l 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 1 1 2 空间辐射环境与单粒子效应 空问中充满了来自浩瀚宇宙的各种粒子：质子、电子、0 【粒子