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航天嵌入式现代小卫星软件容错设计及测试系统研究

作　者: 李华旺
导　师: 杨根庆
学　校: 中国科学院上海冶金研究所
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 软件质量模型软件容错软件测试故障注入仿真测试平台
分类号: V446
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

本文的主要工作是研究航天嵌入式现代小卫星软件高可靠、强容错的设计及实现，以及如何评价软件的冗余、容错效果，并且应用于CX-1小卫星软件的容错设计及测试。软件质量是软件开发过程中所使用的各种开发技术和验证方法的最终体现。通常用软件质量模型来描述影响软件质量的特性。本文首先在众多经典软件质量模型的基础上，提出了一套动态的、实用的、可度量的适合于现代小卫星软件质量管理及开发的软件质量模型，该模型强调了软件质量应该与软件生存周期相对应，体现了质量模型的动态特性；同时针对航天环境的特殊性，强调了容错能力特性在软件质量度量中的重要性。该模型为“创新一号”现代小卫星软件的开发及质量管理提供了有益的手段。软件冗余、容错是现代小卫星软件质量模型的重要内容，本文对小卫星软件容错设计技术进行了研究。根据小卫星硬件冗余结构的特点，采用了以多版本编程、恢复块技术、前向恢复和后向恢复技术等软件容错技术来提高现代小卫星系统的容错能力。同时利用基于双机冗余备份的双机互检技术来提高整个系统的可靠性。软件容错效果需要通过软件容错测试来进行评估。测试用例生成、仿真测试环境及测试结果分析是软件容错测试的三个重要环节。本文将故障树分析方法应用于故障测试用例的分析与设计，利用软件故障树分析方法来分析软件故障模式有利于分析导致软件故障的起因，从而得到导致软件故障的集合；为了克服传统的随机抽样方法生成测试用例测试时间长的缺点，本文利用仿生学中的遗传算法来生成测试用例，测试结果表明这种方法可以在较短的时间内达到较高的覆盖率，因此可以大大缩短软件测试时间。空间宇宙射线易导致半导体器件发生单粒子效应，从而引起软件故障，因此评估软件对单粒子事件的容错能力是必不可少的。故障注入是一种非常有效的验证容错机制的方法。本文根据单粒子事件效应及内存故障模式，提出了一种事件驱动的单粒子事件故障模型，同时针对该模型的具体应用算法进行了详细阐述，提供了将故障注入技术应用于容错机制测评的具体试验中的一种方法。中国科学院博土研究生学位论文＊同时，本文在比较了众多故障注入方法的优点和缺陷之后，提出了以内存故障注入和总线故障注入相结合的故障注入方法，并在此基础上设计并实现了单粒子事件故障注入器。单粒子事件故障注入器具有成本低、通用性强、故障注入方便快捷。全动态实时和定量注入单粒子事件的能力等特点。软件测试环境的建立是软件容错测试中的另一关键环节。测试环境与具体工程相关。本文以CX4小卫星软件工程为基础，重点研究了小卫星仿真测试平台的分析、设计及实现。采用混合原型法构建的分布式小卫星软件仿真测试平台，具有成本低、配置灵活等特点。混合原型设计方法的关键是各分系统仿真模型的实现，本文结合CX－l小卫星的体系结构，对动力学仿真模型。能源仿真模型和 GPS及轨道仿真模型进行了具体的研究和设计。同时，利用确定性同步算法来减小分布式仿真系统的时空不一致性，保证了分布式仿真的真实性和有效性。实验结果表明，软件开发仿真测试平台可以用来进行软硬件集成实时仿真、故障模式仿真、软件功能验证、软件调度及控制算法验证等，对加速小卫星软件开发进程及软件自闭环测试具有重要意义。

全文目录

第1章概述  9-22
  1．1 小卫星的发展史  9-11
    1．1．1 现代小卫星的发展阶段  10
    1．1．2 现代小卫星的技术特点  10
    1．1．3 发展小卫星的意义  10-11
  1．2 小卫星软件的发展  11-13
    1．2．1 早期星务管理系统——星上数管系统  11-12
    1．2．2 CX-1小卫星的星务管理系统——星载计算机系统  12-13
  1．3 软件测试发展的历史与现状  13-19
    1．3．1 软件的发展和软件危机  13-15
    1．3．2 软件工程过程和软件生存期  15-18
    1．3．3 软件测试的发展历程  18-19
  1．4 本文研究的主要内容  19-20
  1．5 本文的主要结构  20-22
第2章航天嵌入式软件质量  22-38
  2．1 软件质量概念  22-23
  2．2 经典软件质量模型  23-26
    2．2．1 McCall质量模型  24-25
    2．2．2 Boehm质量模型  25
    2．2．3 ISO软件质量模型  25-26
    2．2．4 经典软件质量模型的缺陷  26
  2．3 CX-1小卫星软件质量模型  26-34
    2．3．1 需求质量  28-29
    2．3．2 产品质量  29-32
    2．3．3 测试质量  32-33
    2．3．4 CX-1小卫星软件质量特点  33-34
  2．4 CX-1小卫星软件质量模型应用效果  34-37
  2．5 小结  37-38
第3章小卫星软件容错设计  38-49
  3．1 星载计算机系统软件故障的主要错误源  38-39
  3．2 CX-1小卫星软件容错设计原则  39-40
  3．3 CX-1小卫星软件容错设计方法  40-47
    3．3．1 CX-1小卫星软件容错技术  41-46
    3．3．2 CX-1小卫星软件容错设计  46-47
  3．4 小结  47-49
第4章小卫星软件容错测试用例设计研究  49-63
  4．1 CX-1小卫星软件容错测试过程及测试方法  49-52
    4．1．1 CX-1小卫星软件容错测试流程  49-50
    4．1．2 CX-1小卫星软件容错测试方法  50-51
    4．1．3 CX-1小卫星软件容错测试环境  51-52
  4．2 CX-1小卫星软件容错测试用例设计流程  52
  4．3 CX-1小卫星软件故障分析  52-57
    4．3．1 故障模式影响分析（FMEA）  53
    4．3．2 故障模式影响及危害性分析（FMECA）  53-54
    4．3．3 故障树分析（FTA）  54
    4．3．4 CX-1小卫星软件故障树研究  54-57
  4．4 CX-1小卫星软件测试用例自动生成研究  57-62
    4．4．1 软件测试用例生成准则  58-59
    4．4．2 软件测试用例生成最小化函数  59-60
    4．4．3 CX-1小卫星软件测试用例自动生成方法研究  60-61
    4．4．4 应用效果  61-62
  4．5 小结  62-63
第5章单粒子事件故障注入系统研究  63-86
  5．1 故障注入方法  63-66
    5．1．1 重离子辐射注入法  63-64
    5．1．2 模拟方法。  64-65
    5．1．3 软件故障注入法。  65
    5．1．4 硬件故障注入法。  65-66
  5．2 单粒子事件故障模型  66-70
    5．2．1 单粒子效应  66-67
    5．2．2 RAM的故障模型分析  67-69
    5．2．3 单粒子事件故障模型  69-70
  5．3 单粒子事件故障注入算法  70-75
    5．3．1 FARM模型  70-71
    5．3．2 单粒子故障注入模型  71-73
    5．3．3 单粒子事件故障注入算法  73-75
  5．4 单粒子事件故障注入系统  75-85
    5．4．1 单粒子事件故障注入系统结构及功能  75-76
    5．4．2 单粒子事件故障注入实现原理  76-77
    5．4．3 故障注入器硬件实现技术  77-80
    5．4．4 故障注入系统软件结构  80-83
    5．4．5 仿真及结果分析  83-85
  5．5 小结  85-86
第6章 CX-1小卫星软件仿真测试（S＆T）平台研究  86-108
  6．1 嵌入式软件可靠性测试环境  86-87
  6．2 S＆T系统体系结构  87-90
    6．2．1 CX-1小卫星OBDH体系结构  87-88
    6．2．2 S＆T体系结构  88-90
  6．3 S＆T系统仿真模型  90-99
    6．3．1 动力学仿真模型  90-92
    6．3．2 能源仿真模型  92-97
    6．3．3 轨道仿真模型  97-99
  6．4 S＆T系统时钟同步问题  99-101
    6．4．1 时钟同步的重要性  99-100
    6．4．2 时钟同步方法  100
    6．4．3 时钟同步中的软件同步方法  100-101
    6．4．4 S＆T系统时钟同步方法  101
  6．5 仿真测试结果  101-107
    6．5．1 仿真测试流程  101-102
    6．5．2 动力学仿真机仿真测试结果  102-105
    6．5．3 能源系统等效器仿真测试结果  105-106
    6．5．4 GPS仿真机仿真结果  106-107
    6．5．5 S＆T系统特点  107
  6．6 小结  107-108
第7章结论  108-110
  7．1 本文工作总结  108-109
  7．2 工作展望  109-110
发表文章目录  110-111
致谢  111-112
参考文献  112-117

航天嵌入式现代小卫星软件容错设计及测试系统研究

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