宽带通信卫星有效载荷数字处理容错技术研究

Due to the advantages on larger system capacity, higher spectrum efficiency and strong anti-jamming capability, the digital processing payload with on-boarding signal processing and switching has been the mainstream payload for future broadband satellite communication systems. However, since aerospace grade devices are embargoed and traditional Triple Modular Redundancy (TMR) consumes a lot of on-board resources, the onboard processing payload and system performance of our country is developing slowly, especially affected by space radiation and Single Event Upset (SEU). In this proposal, our research focuses on broadband communication satellite transponders with onboard signal processing and switching capabilities. With the increasing requirements of broadband communication satellite systems in the future, the research contents include: In order to reduce the heavy overhead of TMR, the remainder theorem is integrated with the multi-sampling decision technology, which can help to reduce the protection overhead from 3 modules to less than 2.5 modules; Further, based on the sensitivity analysis of sub-modules in the circuit, graded protection can be applied to the objective system, which can help to minimize the protection overhead to approach 2 modules without reliability degradation; Finally, by the analysis and modeling of faults and reliability for onboard switching fabrics, multiple switching planes are added into the input stage and the output stage to improve the reliability with high throughput. The research achievements of this project will help to provide theoretical and technical references for the reliability design of future broadband satellite systems' onboard processing and switching in our country.

具有星上信号处理和交换能力的数字处理有效载荷以其大系统容量、高频谱效率、良好抗干扰特性而成为宽带卫星通信系统的主流载荷。然而，由于宇航级器件禁运及传统三模冗余消耗大量资源，我国星上处理载荷及系统性能受太空辐射尤其是单粒子翻转效应影响而发展缓慢。本项目以具有星上信号处理和交换能力的宽带通信卫星转发器为研究对象，面向未来宽带卫星系统高可靠需求展开研究，主要包括：针对三模冗余开销大的问题，融合余数定理与多采样判决信号处理技术，实现保护开销从3模降低至低于2.5模；进而利用电路子模块敏感性分析对目标系统进行分级保护，在不降低系统可靠性前提下进一步降低保护开销至接近2模；最后通过对星载交换结构的故障和可靠性进行分析与建模，引入互连交换平面提高宽带交换载荷可靠性。本项目研究成果将为我国未来宽带卫星系统星上处理和交换可靠性设计提供理论及技术参考。

具有星上信号处理和交换能力的数字处理有效载荷因其优良的系统性能已经成为宽带卫星通信系统的主流载荷；但其受太空辐射尤其是单粒子翻转效应影响显著，仍需提出低冗余高可靠的数字容错技术以提高数字载荷的效率。本项目主要针对宽带通信卫星转发器数字处理载荷的高可靠性和大容量交换需求展开研究，以满足我国未来宽带卫星系统发展需求。主要研究内容包括：.首先，针对传统三模冗余开销大的问题，融合中国剩余定理与多采样信号处理技术，提出针对星上线性处理常用模块（FIR滤波器、FFT模块）的低开销容错方案，将保护开销从3模降低至2.5模左右；并进一步将BCH码融合至FIR滤波器实现并行容错方案，获得高稳定性的多支路同时容错能力。.其次，针对数字处理载荷系统不同部件模块的不同等级容错需求，采用高层次综合技术，将电路模块划分为敏感、次敏感和无敏感三类节点，分别采用三模冗余、gate sizing、不保护的分级容错方案，实现了保护开销降低至接近2模，并根据系统对面积开销的要求实现面积-延时的折衷设计。.然后，针对星载交换高吞吐量高可靠性要求，首先提出了一种基于业务预测的单多播集成调度算法，扩展了多播业务稳定支持的比例区间；针对星载交换资源受限及匹配效率方面的特殊需求，提出基于共享缓存的逆向调度算法，显著提高资源利用率和调度效率；针对平面内Clos网络容错能力，结合备份与互连思想，提出外部相邻互连OX结构，相对传统结构提高交叉点容错能力1.5倍，平均失效时间更长，从而实现更稳定均衡的容错能力。.最后，面向所提算法的工程验证需求，设计了基于Xilinx公司Zynq系列FPGA芯片的软件无线电自动化故障注入平台，实现了自动、连续的故障注入，以充分验证所提容错算法的有效性和可靠性。项目还整理了所提分级保护数字载荷设计方案和高速星载交换互联结构及调度算法成果，撰写了《宽带通信卫星数字处理载荷的可靠性设计建议书》并提交至相关总体单位，为我国宽带卫星系统星上处理和交换可靠性设计提供了理论及技术参考。