可抢占实时星载SpaceWire总线网络研究

为基于SpaceWire构建统一的星载总线网络,需要保证消息传输的确定性和实时性。针对传统时间触发通信灵活性不足的缺点,提出了一种支持通信任务传输标志符广播的改进时间触发通信SpaceWire总线网络;在此基础上建立了非破坏性可抢占通信机制,并讨论了经典的处理器实时调度算法在网络通信中的应用;最后分析比较了SpaceWire的事件触发通信、传统的时间触发通信与所提出的可抢占实时通信的延时性能。研究表明,提出的通信机制能够有效改善信息传输的最坏端到端延时,适合于多种优先级通信任务的实时调度。     

基于时间自动机的AADL端到端流的延迟分析

对复杂嵌入式系统的端到端信息流进行延迟分析是一种有效的实时性评估方法.体系结构分析与设计语言(AADL)是描述复杂嵌入式系统的标准语言,其中端到端流描述组件间的通讯.目前针对AADL模型中端到端流的延迟分析,手工方法能够深入剖析流语义,分析精确度高,但耗时且低效;自动化方法虽有较高的效率,但在延迟属性的覆盖度及语义精细度上都远远不足,导致分析结果精确度低.另外,这两类方法多只关注于最坏情况等典型场景,而无法分析不确定因素的影响.本文提出一种基于时间自动机的端到端流延迟分析方法,首先总结端到端流延迟的影响属性,并建立延迟属性的元模型,在此基础上提出面向流延迟分析的时间自动机模型生成方法,通过对时间自动机的仿真实现流延迟的分析.最后通过案例说明了该方法能够正确表达流的传输语义及延迟属性语义,即有足够的表达能力;展示了方法能灵活分析多样交互场景以及随机时间因素,即有灵活的分析能力;另外仿真过程的状态变迁及时间变量变化过程也为改进设计模型提供依据与建议.      

基于AFDX的航空电子系统可调度性分析

航空电子全双工交换式以太网(AFDX,Avionics Full Duplex Switched Ethernet)是新一代大型飞机机载网络的首选方案,构建其上的航空电子系统应保证强实时应用在时限内完成.针对现有AFDX实时性研究仅给出网络延迟上界的不足,综合考虑了任务的响应时间以及实时消息在AFDX网络中的传输延迟.建立了使用AFDX网络的航空电子系统模型,分析了分布式任务序列的整体时间需求.应用全局分析思想,给出任务序列的最坏情况响应时间,为系统实时性的评价和优化提供了理论依据.仿真结果表明该分析给出了紧凑的任务序列响应时间上界.     

星载子网1553B总线数据传输与管理

卫星正常运行要求星载子网的数据传输管理需具备可靠性、安全性与实时性,能够在规定的时间内完成传输任务,因此需要设计一种合理的数据传输管理方案来满足要求。考虑到1553B总线的数据传输具备速率高、可靠性好和实时性强等优点,选取1553B总线作为星载子网的数据总线,并提出了一种适用的数据传输管理方案。方案合理设计了星载子网的消息结构、消息种类、组网方式、消息传输机制、消息传输流程、消息传输时隙等。最后通过搭建测试平台对传输管理方案进行测试,测试结果表明此方案传输速率高、误码率低、实时性强,可以满足要求。     

星载子网1553B总线数据传输与管理CSCD

卫星正常运行要求星载子网的数据传输管理需具备可靠性、安全性与实时性,能够在规定的时间内完成传输任务,因此需要设计一种合理的数据传输管理方案来满足要求。考虑到1553B总线的数据传输具备速率高、可靠性好和实时性强等优点,选取1553B总线作为星载子网的数据总线,并提出了一种适用的数据传输管理方案。方案合理设计了星载子网的消息结构、消息种类、组网方式、消息传输机制、消息传输流程、消息传输时隙等。最后通过搭建测试平台对传输管理方案进行测试,测试结果表明此方案传输速率高、误码率低、实时性强,可以满足要求。     

星载子网1553B总线数据传输与管理

卫星正常运行要求星载子网的数据传输管理需具备可靠性、安全性与实时性，能够在规定的时间内完成传输任务，因此需要设计一种合理的数据传输管理方案来满足要求。考虑到1553B总线的数据传输具备速率高、可靠性好和实时性强等优点，选取1553B总线作为星载子网的数据总线，并提出了一种适用的数据传输管理方案。方案合理设计了星载子网的消息结构、消息种类、组网方式、消息传输机制、消息传输流程、消息传输时隙等。最后通过搭建测试平台对传输管理方案进行测试，测试结果表明此方案传输速率高、误码率低、实时性强，可以满足要求。     

基于强化学习的时间触发通信调度方法

未来航空电子系统中将会更广泛地选择基于时间触发的通信机制进行信息传输,以保证信息交互的确定性。如何合理地进行时间触发通信调度设计是时间触发应用于航空电子互连系统的关键。针对时间触发调度的周期性任务,提出了一种基于强化学习的周期调度时刻表生成方法。首先,将流量调度任务转换为树搜索问题,使之具有强化学习所需要的马尔可夫特性;随后,利用基于神经网络的强化学习算法对调度表进行探索,不断缩短延迟时间以优化调度表,且在训练完成后,可以直接使用到消息分布相近的任务中。与使用Yices等可满足模理论（SMT）形式化求解时间触发调度表方法相比,所提方法不会出现无法判定的问题,能够保证时间触发调度设计结果的正确性和优化性。对于包含1 000条消息的大型网络,所提方法的计算速度为SMT方法的数十倍以上,并且调度生成消息的端到端延迟在SMT方法的1%以下,大大提高了消息传输的及时性。      

结构使用寿命评定的功能失效概率控制方法

提出了结构关键件功能失效概率、单机功能失效概率和机群功能失效概率的概念.以二项分布为基础,建立了从结构关键件功能失效概率、单机功能失效概率直至机群功能失效概率分析计算模型,并建立了基于功能失效概率控制的结构修理时间确定和使用寿命评定方法,给出了型号结构使用寿命评定计算分析实例.     

一种数据链传输延迟建模及其补偿方法

在分析数据链信息传输过程的基础上,运用排队理论对影响数据传输延迟的系统服务时间和排队等待时间进行建模;并提出了一种基于"当前"统计模型的数据传输延迟补偿的自适应卡尔曼滤波方法.仿真结果表明,该数据传输延迟误差补偿方法不仅使目标测量误差明显降低,而且大大提高了对目标的截获概率.     

基于CAN总线的控制系统地面仿真测试平台研究

针对采用CAN总线进行数据传输的小卫星和运载火箭控制系统开展地面仿真测试评估研究。基于CAN总线和以太网构成总线网络,构建卫星和运载火箭控制系统地面仿真测试评估平台,给出总线上各仿真节点和实物节点的软硬件设计方案,设计了机内测试模拟方案。仿真验证分析表明,利用该平台可以对卫星和运载火箭控制系统信号、总线运行情况、控制周期和网络时延等进行正确分析,为卫星和运载火箭控制系统方案评估、控制方法和快速测试方法研究等提供理论依据和技术支持。     

软件定义时间触发网络的调度算法优化

软件定义时间触发以太网（TTE）作为优化航空电子系统中消息调度的一种新模式，其动态在线调度算法必须尽力保证任何情况下所有消息的传输确定性。针对时间触发（TT）消息调度间隔小于消息帧长（小时隙）时，速率约束RC消息延迟增大、传输确定性降低的问题，对TT消息调度算法进行改进。首先，构建了TTE的系统模型，阐明了最小延迟（MID）调度算法和背靠背（B2B）调度算法的机制；然后在其基础上提出了大孔隙（MAV）调度算法，以减少（RC）消息的等待延迟；最后，利用OMNeT++实验分析这3种调度算法的性能。实验结果表明:当无小时隙TT消息时，B2B算法的消息延迟最大、MAV调度算法和MID调度算法的消息延迟接近。当有小时隙TT消息时，MAV调度算法的消息传输确定性更好，相比于MID调度算法，MAV调度算法下RC消息的传输确定性提高了87.3%。      

TT-RMS:时间触发网络通信表生成算法

针对时间触发网络依据全局时间进行触发数据通信的特点,提出了一种基于单调速率调度(RMS)调度机制的通信表生成算法时间触发单调速率调度(TT-RMS),来生成时间触发网络的通信表.TT-RMS算法在安排消息时间槽过程中,首先根据消息周期,计算出各个链路的总负载,再根据链路的消息周期和总负载,通过RMS机制进行消息排序,确定出消息调度的先后顺序,最后根据时间槽的分配状态进行消息调度,优化了消息的调度过程.所提算法的计算时间复杂度为O(n2),空间复杂度为O(n).目前广泛研究和应用的可满足性理论(SMT)通信表生成方法,其计算时间复杂度通常是多项式级,有时计算时间不收敛.实验结果显示,TT-RMS调度的网络单个链路负载最大可接近100%,计算时间在1 ms左右,平均可调度网络负载是SMT方法可调度网络负载的两倍.TT-RMS通信表生成算法具有计算时间短,可调度消息负载多等优点,可以更好地满足航空航天复杂系统中上千条实时消息流的调度需要.      

基于DDQN的片上网络混合关键性消息调度方法

对片上网络（NoC）承载的混合关键性消息进行实时调度是其应用于航空电子系统片上多核通信的关键。为解决可满足性模理论（SMT）法求解效率低、低优先级消息等待延迟大的问题,提出了一种基于双深度Q网络（DDQN）的混合关键性消息调度方法。将虫孔交换机制下的消息调度问题建模为马尔可夫决策过程,建立包含环境、动作、状态、奖励的多层感知调度模型;随机生成多组分布不同的混合关键性消息作为训练样本,采用DDQN算法求解该调度模型;在此基础上,提出并实现了带孔隙DDQN算法,在保证时间触发（TT）消息可调度前提下为速率约束（RC）消息预留用于虫孔交换的时隙。算例研究表明:所提方法的求解时长及TT消息确定性端到端延迟的平均值均低于SMT法;带孔隙DDQN算法的RC消息延迟较不带孔隙DDQN算法和SMT法显著降低。      

基于一次性突发原则的TTE网络实时性能优化

确定性通信的发展，促进了时间触发概念的引入。时间触发以太网（TTE）通过提供3种流量类别来支持混合安全性的实时应用:时间触发（TT）流量，具有完全的时间确定性；速率约束（RC）流量，具有确界的端到端延迟；尽力传（BE）流量。如何实现时间触发机制下RC流量实时性能的紧性分析，仍然是决定TTE网络顺利应用的开放式问题。在FIFO服务策略的假设下，将“一次性突发原则”的分析方法引入到TTE网络中，以观察该原则在时间触发网络性能分析中的影响。不同于航空电子全双工以太网（AFDX），具有更高优先级的TT流量会对RC流量的延迟分析产生关键影响，从而导致一次性突发分析的复杂性。通过建立聚合TT流量在及时阻断模式下的到达曲线模型，从而获得单条RC流量端到端的服务曲线模型，基于此实现了RC流量的最坏情况端到端延迟（WCD）评估，进一步完成了一次性突发原则下的分析对比。相较于已有工作，一次性突发原则可以得到RC流量更精确的最坏端到端延迟上界评估结果，有助于改善TTE网络性能评价紧性。通过A380拓扑组网案例的对比分析，相比于传统方法，所提方法RC流量平均延迟减少了12.05%。      

基于优先级赤字轮询调度的WAIC网络延迟分析

航空电子机内无线通信（WAIC）在降低飞机重量和节省成本等方面的优势让其在航空电子系统的应用上具有可观的前景。为了研究基于802.11的WAIC网络的传输延迟并保证其可靠性，提出了一种优先级赤字轮询调度（PDRR）的介质访问控制（MAC）协议。首先，通过确定性网络演算方法为MAC层协议的活动建立了到达曲线和服务曲线模型。其次，充分考虑无线通信物理层的特点和所结合信道反转方法，给出了WAIC网络流量调度最坏情况下的端到端延迟的评价方法，可以发现信道反转后稳定的信道容量提供了较为保守的延迟界限。最后，通过案例分析对比了高优先级的WAIC节点与普通优先级节点的延迟界限以及信道反转的影响。结果表明:高优先级节点比普通优先级节点具有更好的实时性，并且可以通过增加平均信噪比来改善传输的延迟界限。      

基于TTE的改进加权轮询调度算法

在时间触发以太网(TTE)中,TT消息优先级最高,RC消息只能在TT消息调度的离散时间片内传输,因此,TT消息离线调度表的设计会对RC消息调度产生一定影响。针对这一问题,提出了基于最优时间片的改进加权轮询(MWRR)调度算法。首先,通过TT消息约束条件限制获得TT消息离线调度表,进而得到保证RC消息较大资源利用率的时间片信息;其次,在离散时间片对不同类型RC消息进行调度,并运用网络演算方法对其最坏端到端延迟进行分析;最后,通过实验仿真证实了本文算法不仅具有较低的复杂度和较好的公平性,保证了实际应用中算法的可行性,而且在时延性方面均优于先到先得(FIFO)、优先级(PQ)和加权轮询(WRR)调度算法。     

离散拓扑业务模型中多媒体LEO网络性能分析

针对快速发展的多媒体卫星网络,提出一种新的低地球轨道卫星网络性能的定量研究模型。该模型考虑了星座动态拓扑变化和全球业务需求变化的复杂特点,建立了离散时间下的业务和拓扑映射关系;依据马尔科夫过程理论和卫星链路带宽约束条件,对实时和非实时两种类型业务采用概率分析方法,推导出定量计算阻塞概率、排队时延等网络性能参数的公式。大量仿真结果表明理论分析方法的正确性和有效性。该研究方法可用于多媒体低地球轨道卫星网络QoS路由管理和资源分配设计的参考。