一種三機(jī)熱備份的時間同步方法
【專利摘要】本發(fā)明針對空間計算機(jī)三機(jī)熱備份設(shè)計的系統(tǒng)同步問題，提出了一種三機(jī)熱備份的時間同步方法。該方法首先細(xì)化三機(jī)各自的硬件時鐘分辨率，而后在系統(tǒng)運(yùn)行時利用三機(jī)共有的同步信號以及三機(jī)各自的硬件時鐘信息進(jìn)行GNC星時的獲取，此外設(shè)計策略控制三機(jī)硬件差異所造成的三機(jī)小尺度GNC星時發(fā)散問題，保證了GNC星時與數(shù)管星時同步。本發(fā)明不需要系統(tǒng)硬件為三機(jī)提供高精度的時鐘信息，減少了應(yīng)用軟件對硬件環(huán)境的依賴。我國探月二期GNC系統(tǒng)主控計算機(jī)采用了該發(fā)明，從而在不做任何硬件改動的情況下，實現(xiàn)了三機(jī)星時同步誤差在100微秒以下，滿足了任務(wù)需求。
【專利說明】一種三機(jī)熱備份的時間同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天計算機(jī)控制領(lǐng)域，涉及一種三機(jī)熱備份的時間同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國探月二期工程要實現(xiàn)月面軟著陸。月面軟著陸過程具有時間短、不可逆的特點，要求控制系統(tǒng)計算機(jī)具有較好的容錯性以及故障快速隔離處理的能力?；谝陨险J(rèn)識，我國探月二期GNC系統(tǒng)(導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制系統(tǒng))中主控計算機(jī)采用三機(jī)熱備份的體系結(jié)構(gòu):主控計算機(jī)中包含三塊相同的CPU板和一塊時鐘仲裁板:CPU板實現(xiàn)三機(jī)熱備份，時鐘仲裁板同步CPU板的任務(wù)調(diào)度、進(jìn)行當(dāng)班機(jī)仲裁。具體過程為時鐘仲裁板周期性給出同步中斷信號，CPU板根據(jù)所收到同步中斷信號啟動任務(wù)調(diào)度，三塊CPU板運(yùn)行同樣的程序，完成敏感器信號采集、控制量的計算、三機(jī)數(shù)據(jù)交換比對等工作；時鐘仲裁板收集三機(jī)各自的比對結(jié)果，并根據(jù)一定的邏輯擇優(yōu)選擇某一 CPU板為當(dāng)班機(jī)，由當(dāng)班機(jī)代表主控計算機(jī)進(jìn)行控制量輸出。在設(shè)計階段認(rèn)為，由于三機(jī)任務(wù)同時調(diào)度，輸入信號和運(yùn)行程序完全一致，正常情況下不應(yīng)出現(xiàn)三機(jī)比對數(shù)據(jù)不一致的情況。而在實際研制過程中時三機(jī)時常出現(xiàn)比對數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象，原因是由于三機(jī)采用各自CPU板的定時器進(jìn)行控制任務(wù)星時計算，而三塊CPU板的硬件不可避免的存在個性差異，造成三機(jī)長時間運(yùn)行時的系統(tǒng)星時差異，進(jìn)而導(dǎo)致比對數(shù)據(jù)的差異，從而影響時鐘仲裁板選擇當(dāng)班機(jī)，導(dǎo)致非預(yù)期的切機(jī)操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種三機(jī)熱備份系統(tǒng)的時間同步方法，使得我國探月二期GNC系統(tǒng)主控計算機(jī)實現(xiàn)了三機(jī)GNC星時的同步，消除了因三機(jī)星時不一致導(dǎo)致的非預(yù)期切機(jī)問題，滿足了任務(wù)的需要。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種三機(jī)熱備份的時間同步方法，步驟如下:
[0005]I)確定三機(jī)熱備份系統(tǒng)中三機(jī)`各自硬件時鐘的分辨率s ;其中硬件星時分辨率小于GNC星時分辨率I個數(shù)量級以上；所述的GNC星時為設(shè)定的用于控制計算的星時；
[0006]2)三級熱備份系統(tǒng)中的時鐘仲裁板以Td為周期向三機(jī)周期性發(fā)送同步信號；三機(jī)每收到一次同步信號后，三機(jī)各自的同步信號計數(shù)器的計數(shù)值加1，同時對三機(jī)各自的硬件時鐘清零；
[0007]3)當(dāng)三機(jī)收到數(shù)管分系統(tǒng)發(fā)送的校時指令時，三機(jī)硬件產(chǎn)生校時中斷，并記錄數(shù)管分系統(tǒng)發(fā)送的星時T1、當(dāng)前時刻的同步信號計數(shù)器的計數(shù)值r^_以及當(dāng)前時刻的三機(jī)各自的硬件時鐘值tXj ；
[0008]4)根據(jù)步驟2)和步驟3)記錄的結(jié)果，可分別獲得任意時刻三機(jī)各自的GNC星時zTfroundC^+O^-npiVKtXe-tXj) s),其中n。、tx。分別為當(dāng)前時刻的同步信號計數(shù)器的計數(shù)值和三機(jī)各自的硬件時鐘值，round ()為對括號內(nèi)的量以GNC星時分辨率為最小當(dāng)量進(jìn)行四舍五入取整。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:[0010]在原實現(xiàn)方案中，系統(tǒng)運(yùn)行5分鐘會造成三機(jī)GNC星時約3~4毫秒的誤差，長時間運(yùn)行會導(dǎo)致三機(jī)程序運(yùn)行分支的差異，進(jìn)而導(dǎo)致計算機(jī)切機(jī)。本發(fā)明利用三機(jī)共有的同步信號以及三機(jī)各自的硬件時鐘信息進(jìn)行任務(wù)星時計算；并且設(shè)計策略控制三機(jī)硬件差異造成的三機(jī)任務(wù)星時發(fā)散問題，最后設(shè)計算法保證任務(wù)星時與數(shù)管星時的同步。我國探月二期GNC主控計算機(jī)采用本發(fā)明后，在不做任何硬件更改的情況下，即使是長時間在軌運(yùn)行(15天以上)，三機(jī)GNC星時誤差也在100微秒以下，遠(yuǎn)小于控制任務(wù)要求的I毫秒的星時分辨率，因此從控制任務(wù)的角度上三機(jī)星時完全一致，從根本上消除了因三機(jī)星時不一致導(dǎo)致的計算機(jī)切機(jī)問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為GNC星時計算示意圖；
[0012]圖2為GNC星時計算流程框圖。
【具體實施方式】
[0013]系統(tǒng)硬件配置上,采用三塊相同的CPU板(簡稱三機(jī))和一塊時鐘仲裁板組成的三機(jī)熱備份系統(tǒng)，仲裁板定期(如周期128毫秒)向CPU板提供同步信號，同時CPU板采用自己的時鐘信號，例如CPU采用TSC695F芯片(具體參見:TSC695F32位SPARC航天專用處理器用戶手冊)時采用General Purpose Timer (GPT通用定時器)進(jìn)行相關(guān)操作,CPU板自己的時鐘可提供微秒量級的時間信號。 [0014]首先明確三機(jī)系統(tǒng)包含兩種時間:一種是應(yīng)用軟件用于控制計算的星時，可稱為GNC星時，應(yīng)用軟件根據(jù)GNC星時進(jìn)行系統(tǒng)控制以及對分系統(tǒng)內(nèi)各導(dǎo)航敏感器的校時，GNC星時根據(jù)數(shù)管校時指令進(jìn)行修正；另一種是硬件時間，包括仲裁板提供的128毫秒定時中斷以及三機(jī)時鐘各自的GPT時間。硬件時間是GNC星時的基礎(chǔ)，直接決定著GNC星時的最小分辨率。
[0015]具體實現(xiàn)流程見圖2所示，首先根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)特點選擇合適的硬件星時分辨率(記為S)，硬件星時分辨率應(yīng)小于GNC星時分辨率I個數(shù)量級以上，如GNC星時精度要求I毫秒，則硬件星時分辨率應(yīng)為100微秒以下，如可取為S=IO微秒，該參數(shù)可通過設(shè)置CPU相應(yīng)寄存器來實現(xiàn)。
[0016]其次，GNC星時應(yīng)結(jié)合時鐘仲裁板提供的同步信號和CPU板各自的GPT時間來計算，如圖1所示，系統(tǒng)通過時鐘仲裁板提供的周期性同步信號(同步周期為Td)進(jìn)行大尺度的星時計算(最小分辨率為時鐘仲裁板提供的同步信號的周期，如Td=128毫秒)，兩次同步信號間利用系統(tǒng)的GPT時鐘進(jìn)行小尺度的星時計算(精度可達(dá)10微秒)，大小尺度的硬件時鐘相結(jié)合來計算GNC星時。為了消除三機(jī)GPT時鐘硬件差異造成的誤差累計效應(yīng)，在每次同步中斷信號到來時對GPT時鐘進(jìn)行清零初始化操作。
[0017]在軌衛(wèi)星以數(shù)管分系統(tǒng)的星時作為整器的系統(tǒng)星時，GNC星時應(yīng)與系統(tǒng)星時保持一致，因此數(shù)管系統(tǒng)每隔固定周期(如300秒)對GNC系統(tǒng)進(jìn)行校時。三機(jī)同步時必須考慮數(shù)管校時的影響，解決方法如附圖1所示，三機(jī)各自記錄數(shù)管分系統(tǒng)發(fā)送的星時T1、當(dāng)前時刻的同步信號計數(shù)器的計數(shù)值1以及當(dāng)前時刻的各自的硬件時鐘值t\。則當(dāng)前時刻各自的 GNC 星時 Tc 為 JjrouncKl^+Oic-njTd+Uxc-tXj) skrouncKl^+Oic-nJxI^Sms+Uxc-tXj)x0.01ms)，其中n。、tx。分別為當(dāng)前時刻的同步信號計數(shù)器的計數(shù)值和各自的硬件時鐘值，round ()為對括號內(nèi)的量以GNC星時分辨率為最小當(dāng)量進(jìn)行四舍五入取整。
[0018]上述公式中(nc;-np*Td為計算所得的大尺度星時，該項僅與時鐘仲裁板所給的同步信號有關(guān)，三機(jī)計算結(jié)果相同；(tXe-tXj)*s為計算所得的小尺度星時，該項與三機(jī)各自的硬件時鐘相關(guān)，可能造成三機(jī)星時計算結(jié)果不同步。由于系統(tǒng)在每個同步信號到來時都對GPT時鐘進(jìn)行了清零，三機(jī)硬件時鐘個性差異造成的累積誤差僅在Td周期(如128毫秒)內(nèi)進(jìn)行累計，如硬件GPT時鐘穩(wěn)定度為10_5，則128毫秒內(nèi)三機(jī)硬件時鐘累計誤差最多為
0.00128毫秒，遠(yuǎn)小于GNC星時I毫秒分辨率的要求，因此在進(jìn)行四舍五入取整后，三機(jī)各自計算的GNC星時T。結(jié)果一致，從而實現(xiàn)在存在三機(jī)硬件差異的情況下，三機(jī)GNC星時的同
止/J/ O
[0019]本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
【權(quán)利要求】
1.一種三機(jī)熱備份的時間同步方法，其特征在于步驟如下: O確定三機(jī)熱備份系統(tǒng)中三機(jī)各自硬件時鐘的分辨率S ;其中硬件星時分辨率小于GNC星時分辨率I個數(shù)量級以上；所述的GNC星時為設(shè)定的用于控制計算的星時； 2)三級熱備份系統(tǒng)中的時鐘仲裁板以Td為周期向三機(jī)周期性發(fā)送同步信號；三機(jī)每收到一次同步信號后，三機(jī)各自的同步信號計數(shù)器的計數(shù)值加1，同時對三機(jī)各自的硬件時鐘清零； 3)當(dāng)三機(jī)收到數(shù)管分系統(tǒng)發(fā)送的校時指令時，三機(jī)硬件產(chǎn)生校時中斷，并記錄數(shù)管分系統(tǒng)發(fā)送的星時T1、當(dāng)前時刻的同步信號計數(shù)器的計數(shù)值r^_以及當(dāng)前時刻的三機(jī)各自的硬件時鐘值tXj ； 4)根據(jù)步驟2)和步驟3)記錄的結(jié)果，可分別獲得任意時刻三機(jī)各自的GNC星時zTfroundC^+O^-npiVKtXe-tXj) s),其中n。、tx。分別為當(dāng)前時刻的同步信號計數(shù)器的計數(shù)值和三機(jī)各自的硬件時鐘值，round ()為對括號內(nèi)的量以GNC星時分辨率為最小當(dāng)量進(jìn)行四舍五入取整。`
【文檔編號】G06F1/12GK103677080SQ201310646792
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】趙宇, 于萍, 楊巍, 梁俊, 程銘, 于潔, 胡洪凱, 吳坤, 陳堯, 王佳佳, 張洪華 申請人:北京控制工程研究所