一种三机热备份的时间同步方法技术

本发明专利技术针对空间计算机三机热备份设计的系统同步问题，提出了一种三机热备份的时间同步方法。该方法首先细化三机各自的硬件时钟分辨率，而后在系统运行时利用三机共有的同步信号以及三机各自的硬件时钟信息进行GNC星时的获取，此外设计策略控制三机硬件差异所造成的三机小尺度GNC星时发散问题，保证了GNC星时与数管星时同步。本发明专利技术不需要系统硬件为三机提供高精度的时钟信息，减少了应用软件对硬件环境的依赖。我国探月二期GNC系统主控计算机采用了该发明专利技术，从而在不做任何硬件改动的情况下，实现了三机星时同步误差在100微秒以下，满足了任务需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航天计算机控制领域，涉及。
技术介绍
我国探月二期工程要实现月面软着陆。月面软着陆过程具有时间短、不可逆的特点，要求控制系统计算机具有较好的容错性以及故障快速隔离处理的能力。基于以上认识，我国探月二期GNC系统(导航、制导和控制系统)中主控计算机采用三机热备份的体系结构:主控计算机中包含三块相同的CPU板和一块时钟仲裁板:CPU板实现三机热备份，时钟仲裁板同步CPU板的任务调度、进行当班机仲裁。具体过程为时钟仲裁板周期性给出同步中断信号，CPU板根据所收到同步中断信号启动任务调度，三块CPU板运行同样的程序，完成敏感器信号采集、控制量的计算、三机数据交换比对等工作；时钟仲裁板收集三机各自的比对结果，并根据一定的逻辑择优选择某一 CPU板为当班机，由当班机代表主控计算机进行控制量输出。在设计阶段认为，由于三机任务同时调度，输入信号和运行程序完全一致，正常情况下不应出现三机比对数据不一致的情况。而在实际研制过程中时三机时常出现比对数据不一致的现象，原因是由于三机采用各自CPU板的定时器进行控制任务星时计算，而三块CPU板的硬件不可避免的存在个性差异，造成三机长时间运行时的系统星时差异，进而导致比对数据的差异，从而影响时钟仲裁板选择当班机，导致非预期的切机操作。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供了一种三机热备份系统的时间同步方法，使得我国探月二期GNC系统主控计算机实现了三机GNC星时的同步，消除了因三机星时不一致导致的非预期切机问题，满足了任务的需要。本专利技术的技术方案是:，步骤如下:I)确定三机热备份系统中三机`各自硬件时钟的分辨率s ;其中硬件星时分辨率小于GNC星时分辨率I个数量级以上；所述的GNC星时为设定的用于控制计算的星时；2)三级热备份系统中的时钟仲裁板以Td为周期向三机周期性发送同步信号；三机每收到一次同步信号后，三机各自的同步信号计数器的计数值加1，同时对三机各自的硬件时钟清零；3)当三机收到数管分系统发送的校时指令时，三机硬件产生校时中断，并记录数管分系统发送的星时T1、当前时刻的同步信号计数器的计数值r^_以及当前时刻的三机各自的硬件时钟值tXj ；4)根据步骤2)和步骤3)记录的结果，可分别获得任意时刻三机各自的GNC星时zTfroundC^+O^-npiVKtXe-tXj) s),其中n。、tx。分别为当前时刻的同步信号计数器的计数值和三机各自的硬件时钟值，round ()为对括号内的量以GNC星时分辨率为最小当量进行四舍五入取整。本专利技术与现有技术相比的优点在于:在原实现方案中，系统运行5分钟会造成三机GNC星时约3~4毫秒的误差，长时间运行会导致三机程序运行分支的差异，进而导致计算机切机。本专利技术利用三机共有的同步信号以及三机各自的硬件时钟信息进行任务星时计算；并且设计策略控制三机硬件差异造成的三机任务星时发散问题，最后设计算法保证任务星时与数管星时的同步。我国探月二期GNC主控计算机采用本专利技术后，在不做任何硬件更改的情况下，即使是长时间在轨运行(15天以上)，三机GNC星时误差也在100微秒以下，远小于控制任务要求的I毫秒的星时分辨率，因此从控制任务的角度上三机星时完全一致，从根本上消除了因三机星时不一致导致的计算机切机问题。【附图说明】图1为GNC星时计算示意图；图2为GNC星时计算流程框图。【具体实施方式】系统硬件配置上,采用三块相同的CPU板(简称三机)和一块时钟仲裁板组成的三机热备份系统，仲裁板定期(如周期128毫秒)向CPU板提供同步信号，同时CPU板采用自己的时钟信号，例如CPU采用TSC695F芯片(具体参见:TSC695F32位SPARC航天专用处理器用户手册)时采用General Purpose Timer (GPT通用定时器)进行相关操作,CPU板自己的时钟可提供微秒量级的时间信号。 首先明确三机系统包含两种时间:一种是应用软件用于控制计算的星时，可称为GNC星时，应用软件根据GNC星时进行系统控制以及对分系统内各导航敏感器的校时，GNC星时根据数管校时指令进行修正；另一种是硬件时间，包括仲裁板提供的128毫秒定时中断以及三机时钟各自的GPT时间。硬件时间是GNC星时的基础，直接决定着GNC星时的最小分辨率。具体实现流程见图2所示，首先根据系统任务特点选择合适的硬件星时分辨率(记为S)，硬件星时分辨率应小于GNC星时分辨率I个数量级以上，如GNC星时精度要求I毫秒，则硬件星时分辨率应为100微秒以下，如可取为S=IO微秒，该参数可通过设置CPU相应寄存器来实现。其次，GNC星时应结合时钟仲裁板提供的同步信号和CPU板各自的GPT时间来计算，如图1所示，系统通过时钟仲裁板提供的周期性同步信号(同步周期为Td)进行大尺度的星时计算(最小分辨率为时钟仲裁板提供的同步信号的周期，如Td=128毫秒)，两次同步信号间利用系统的GPT时钟进行小尺度的星时计算(精度可达10微秒)，大小尺度的硬件时钟相结合来计算GNC星时。为了消除三机GPT时钟硬件差异造成的误差累计效应，在每次同步中断信号到来时对GPT时钟进行清零初始化操作。在轨卫星以数管分系统的星时作为整器的系统星时，GNC星时应与系统星时保持一致，因此数管系统每隔固定周期(如300秒)对GNC系统进行校时。三机同步时必须考虑数管校时的影响，解决方法如附图1所示，三机各自记录数管分系统发送的星时T1、当前时刻的同步信号计数器的计数值1以及当前时刻的各自的硬件时钟值t\。则当前时刻各自的 GNC 星时 Tc 为 JjrouncKl^+Oic-njTd+Uxc-tXj) skrouncKl^+Oic-nJxI^Sms+Uxc-tXj)x0.01ms)，其中n。、tx。分别为当前时刻的同步信号计数器的计数值和各自的硬件时钟值，round ()为对括号内的量以GNC星时分辨率为最小当量进行四舍五入取整。上述公式中(nc;-np*Td为计算所得的大尺度星时，该项仅与时钟仲裁板所给的同步信号有关，三机计算结果相同；(tXe-tXj)*s为计算所得的小尺度星时，该项与三机各自的硬件时钟相关，可能造成三机星时计算结果不同步。由于系统在每个同步信号到来时都对GPT时钟进行了清零，三机硬件时钟个性差异造成的累积误差仅在Td周期(如128毫秒)内进行累计，如硬件GPT时钟稳定度为10_5，则128毫秒内三机硬件时钟累计误差最多为0.00128毫秒，远小于GNC星时I毫秒分辨率的要求，因此在进行四舍五入取整后，三机各自计算的GNC星时T。结果一致，从而实现在存在三机硬件差异的情况下，三机GNC星时的同止/J/ O本专利技术未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三机热备份的时间同步方法，其特征在于步骤如下：1）确定三机热备份系统中三机各自硬件时钟的分辨率s；其中硬件星时分辨率小于GNC星时分辨率1个数量级以上；所述的GNC星时为设定的用于控制计算的星时；2）三级热备份系统中的时钟仲裁板以Td为周期向三机周期性发送同步信号；三机每收到一次同步信号后，三机各自的同步信号计数器的计数值加1，同时对三机各自的硬件时钟清零；3）当三机收到数管分系统发送的校时指令时，三机硬件产生校时中断，并记录数管分系统发送的星时T1、当前时刻的同步信号计数器的计数值nj以及当前时刻的三机各自的硬件时钟值txj；4）根据步骤2）和步骤3）记录的结果，可分别获得任意时刻三机各自的GNC星时:Tc=round(T1+(nc?nj)Td+(txc?txj)s)，其中nc、txc分别为当前时刻的同步信号计数器的计数值和三机各自的硬件时钟值，round（）为对括号内的量以GNC星时分辨率为最小当量进行四舍五入取整。

【技术特征摘要】
1.一种三机热备份的时间同步方法，其特征在于步骤如下: O确定三机热备份系统中三机各自硬件时钟的分辨率S ;其中硬件星时分辨率小于GNC星时分辨率I个数量级以上；所述的GNC星时为设定的用于控制计算的星时； 2)三级热备份系统中的时钟仲裁板以Td为周期向三机周期性发送同步信号；三机每收到一次同步信号后，三机各自的同步信号计数器的计数值加1，同时对三机各自的硬件时钟清零； 3)当三机收到数管分系统发送的校时指令时，三机硬...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇，于萍，杨巍，梁俊，程铭，于洁，胡洪凯，吴坤，陈尧，王佳佳，张洪华，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：