神舟飞天的秘密:揭秘神舟九号的太空计算机

来源:电脑报

2012年6月16日18时37分,酒泉发射中心,神舟九号飞船搭载三名宇航员发射升空,起飞后583秒,船箭分离之际,控制计算机开始输出指令,神舟九号入轨。17日,神九完成三次变轨,逐步运行至对接高度。18日,神九追上天宫一号,完成自动对接……在这些关键时刻,飞船和天空一号上的控制计算机发挥了至关重要的作用。

天宫一号的大脑

人们常用一个天上,一个地上来形容事物给人印象的巨大反差。

“天宫一号”的大脑,准确说是“天宫一号”的控制计算机,初看就是一个黑色的方盒子,有十几公斤重,与地面上电脑的差别不是一星半点。

“刚毕业来这里第一次见到太空用计算机,我也惊诧它与一般计算机的不同。”航天部502所电子中心设计部副主任刘波说,十几年来,它的外形一直没变过。

但就是这个简朴的黑盒子,它的造价是地面普通商用计算机的500倍以上,因此,设计开发人员在工作中分外严格遵守操作流程,大家开玩笑说,如果不小心烧毁一个芯片,一辆奥迪车就没了。

刘波他们自行设计的全封闭机箱可以承受火箭起飞加速带来的一瞬间几千公斤的冲力和巨大的震动,进入太空后,为了防辐射,方盒子5个面都涂上黑色, 计算机与天宫一号连接的一面非常光滑,保持金属本色,可以确保与天宫一号紧密结合,方便传导散热,(太空中没有空气,不能使用普通电脑的散热风伞)。输入 输出则通过数排特殊的插拨接口与天宫一号其他系统相连。

控制计算机被安装在天宫一号轨道舱内,主要负责采集敏感器姿态与轨道状态,完成控制规律的计算,发出控制指令控制CMG、推力器工作,完成天宫一号单独飞行、以及天宫一号与神舟飞船对接后组合飞行体两种状态下的姿态、轨道控制。

“神舟九号飞船的控制计算机也是这样的外貌和结构,只是个头比天宫一号的略大一些。”曾经在实验室里,神九的大脑和天宫一号的大脑就在相邻的两张桌子上同时测试着,如今在太空中,这两台计算机再次相逢。
神舟飞天的秘密:揭秘神舟九号的太空计算机

稳定运行于太空的计算机该有怎样独特的内芯?

刘波的团队负责硬件部分,彭飞负责的软件组完成了我国航天第一个具有自主知识产权的嵌入式实施操作系统—–SpaceOS的研发,保证了将交会对接由纸面上的一个方案变成一个完美的工程实现。

据介绍,整个计算机系统由三个冗余单机组成,分为主控器、备份控制器、两个故障包容区域。每个单机都使用一颗SPARC兼容格式的32位ERC32处理器,主频为10MHz,运算能力大致比386强。

数据存储器为2MB的SRAM,存储芯片具有极强的抗辐射能力,所有程序都装在256KB的PROM中。控制计算机系统功耗仅为15W,非常节能。不过,这些参数不是最重要的,航天专家们需要的计算机是在太空恶劣条件下的高可靠性和安全性。

“每台星载计算机被送入太空后,绝对不能出现运行错误,它们的运行寿命是15年,从火箭发射前加电开始,就不能停机,直至飞行器的整个生命周期。”

“不关机、不重启、不复位”是天宫一号控制计算机的基本要求,地面上的通用计算机不可能做到一直运行,总有开机、关机的时候,如果出错,换个零件、升级一 下软件都很容易实现,但是太空计算机如果出错,不可能把它抓回来修理一番,更糟的是,计算机的错误可能导致飞行器的使命终结。1998年阿丽亚娜5号运载火箭的失败就是计算机系统错误。(软件Bug引发的十次严重后果

对可靠性的保证,就是冗余单机组成容错系统。每一刻,主机模块运行,备份模块预备,还有一个应急模块,随时保证发出的指令正确无误。主份模块是三个计算机 同时在跑,备份计算机、手动计算机同样结构。“不是计算机模块越多越好,飞船和空间站对重量资源都有严格限制。”节省宝贵的重量资源也是刘波他们设计时要 考虑的重要因素。

(八千多行代码的操作系统-SpaceOS1) 我国自主研发,具有自主知识产权的实时多任务空间操作系统 SpaceOS1,历时5年完成,从2006年已成功运行于通讯卫星上,截至2012年3月,使用SpaceOS的飞行器已发射了33颗星(船),全部轨道稳定运行,运行时间累计约40星年,未发生任何问题。

更正:本文转自cnBeta,不知为何CB 原文中多出了“八千多行代码”? 另外,伯乐在线刚才联系了一下《电脑报》的朋友,他们说原文中并没有说 SpaceOS1 操作系统的代码行数。见下图: (更新时间  2012-7-4 17:06:46)

 

航天五院星载计算机首席专家华更新研究员总结说,SpaceOS操作系统与国外航天操作系统相当,天宫一号的控制计算机与国际空间站俄罗斯段主计算机的系统规格、性能相当,与美国段主计算机电容错结构相同;支持完成的制导、导航、控制系统功能与性能,同国外产品无明显差异。
太空计算机经历的严酷考验 太空中,计算机最怕什么?专家说宇宙射线是计算机运行最大的危害。

地球上的计算机,因为有地球大气层的保护,可以挡住大部分来自太阳的高能粒子射电流,而在太空,天宫一号控制计算机将遭到质子、中子、离子、电子的轰炸。

高能粒子“门锁效应”和“单粒子翻转效应”是两种典型的太空射线对计算机造成的损害,电子工程师最头疼这两大问题。

专家所说“门锁效应”是因中子或质子冲入芯片造成短接从而损坏模块组件,若发生门锁效应,地面控制中心的工程技术人员即可察觉,相比之下,“单粒子翻转效应”是破坏存储芯片,但不是造成物理损坏,只是悄无声息地改变存储内容,隐密破坏不易发现。

从天宫一号控制计算机地面遥测数据分析,天宫一号控制计算机今年已发生6次存储器单粒子翻转事件,其中有一次就发生在第二次交会对接前几小时。我们看到的结果是天宫一号控制计算机系统可以抵御单粒子翻转的危害,一直在轨工作稳定、表现优异。

刘波讲述的空间计算机测试,完全颠覆记者想象。

温度要承受摄氏零下35度到70度的巨大变化,防辐射、防静电、机箱要求特别材质,抗冲击,抱着机器往地下砸,拿起来能正常运行,最主要一关是综合应力实验,一边震动、一边温度变化悬殊、同时多个条件加载,考验产品的极限性能。最终单故障要保证能正常运行,双故障要保证飞行器和宇航员安全。

神舟九号与天空一号对接时有多危险?可以想象的是地面上两辆高速汽车相碰的可怕场景,然而专家说,在几秒内太空中的两个高速飞行器稳稳地紧密结合,不偏离轨道、不晃动,当神舟九号对接天宫一号后,神九的控制计算机暂时断电敏感器部分,整体部件加电状态但不发出操作指令,天宫一号的控制计算接管整个合体的控制权。这才是此次天空一号控制计算机经受的最大考验。

探月工程将再显神威 “天宫一号控制计算机系统就是我们所设计、测试、生产的第二代控制计算机。”502所电子中心的杨桦书记告诉《电脑报》读者,事实上,我国的卫星、飞船上80%的电子控制产品都是502所提供。

由著名的院士、专家引领的502所有56年的研发历史,电子中心133人是全所最大的团队,他们承担了敏感器、红外、成像、机电部件、一体化产品、电脑的结构设计,大部分都是35岁以下的年轻人,他们的专业最多的是软件、硬件、结构、可靠性分析。

502所从1998年开始研制星载计算机,当时看到微软正在研发WINDOWS2000,电子中心内部给这台电脑取了一个代号“RISC2000”,到2001年,才改为型号命名。第一代控制计算机采用国外CPU和操作系统,2006年,自主研发的SpaceOS操作系统成功运行,第二代控制计算机问世。现在的神九和天宫一号都是第二代控制计算机。

“我们已掌握了芯片设计技术,未来5年,从硬件到软件完全自主设计生产的第三代空间计算机将在太空运行。”首席计算机专家华更新预言。
最新的成果是探月项目的飞行器和着陆器控制计算机已经搭建初步雏形。在测试天宫一号控制计算机相邻的实验室里,探月飞行的两台计算机正在裸机检测中。

 

太空电脑是航天探险的灵魂 对话人

对话嘉宾:华更新 航天部五院星载计算机首席专家、产品总工程师研究员

电脑报:从刘主任的介绍中,了解到太空中计算机构造与地面计算机有太多的不同,您可以总结一下这个区别吗?

华更新:首要一点空间计算机可靠性要求非常高,不可维护,不易维护。当然,以后空间站有宇航员上去,可能适当维护。

第二点是性能要求不同,地面计算机追求效率,太空的嵌入式电脑满足特定任务需要,性能以够用为标准。

第三点是运行环境不同,太空力学环境恶劣,舱内温度变化大,电脑散热靠传导,导致空间计算机异于普通电脑的结构。

电脑报:太空计算机研制中遇到的最大困难是什么?

华更新:最先遇到的困难是内存的配置。

防辐射的内存昂贵,一开始的8K×8K内存体积比较大,几百K组合在一起显得太过庞大,研发人员努力的结果,内存变小很多,节省宝贵空间,也节省费用。

其次是操作系统,我们不可能把Windows搬上去用啊,系统占用庞大的容量,微软一周发布几个补丁,怎么能用在不可维护的空间电脑上。要在小容量情况下高可靠运行,我们的SpaceOS占用12.9K就实现了目标。

现在神九上控制计算机比天宫一号略重,主要是载人飞船备份比较多,安全性更高。以后的控制计算机我们将控制在十公斤以内。

电脑报:神九上的宇航员需要掌握飞船上控制计算机的操作系统吗?24号手控对接时,控制计算机在工作吗?

华更新:控制计算机的操作系统对宇航员而言是后台运行的,他们不会直接面对控制计算机,宇航员面对的是操作系统上的应用软件。我们的操作系统正在进入第三代研发进程,未来会支持图形化界面操作,做到人机交互界面友好,到那时,宇航员可能会直接面对操作系统的操作,最理想的,还是ipad似的,不用学习,直接可用。

24号的手控对接,控制计算依然在发挥作用。这时,控制计算机捕捉的是宇航员的动作,向左、向右,转换为指令控制飞船与天宫一号的对接。

电脑报:未来太空中的控制计算机会发展成什么样?

华更新:集成电路的进步,会从规模上控制整个计算机体积的大小,单核有一天也会变多核,存储容量会越来越大,机器结构也在不断更新。

探月项目对计算机的要求越来越高,两年后,探月项目成功时,一定又是一次新突破。

 

采访手记           

对航天部502所的采访得益于一次有效的读编互动。记者通过《电脑报》的老读者、502所的薛英民,经过层层安保,见到了研发航天计算机系统的专家们,被允许近距离看了一眼传说中的“天上的计算机”。

几个小时的采访里,体验了一下航天工程师们紧张的工作节奏,12:30,薛英民才放下手里的工作和另外两个年轻人一起走进食堂。记者蹭了一顿工作餐,随意问起是否等神九飞船返回地面后,他们都会放假庆贺,“不会放假的,还有别的项目在做啊。”1:00回到办公室,又开始电脑前的工作。

让记者很感概的是,这些支撑着中国航天工程的年轻人们都有着一种信念,也许工资不如在外企的同学高,也许待遇不如在机关的朋友好,甚至他们工作的环境也算不上第一流,但是这些年轻人对于航天工程的热情和执着,却是让记者非常感动的。尤其是在太空计算机开发没有现成可以借鉴的情况下,完全是靠着我们中国航天人自己的探索和决心去一步一步克服困难,完成了一个又一个难关的攻克,最终开发出能够让神舟飞船上天并与天宫一号对接的太空计算机系统,完成了一次中国航天事业的腾飞。

薛英民向《电脑报》提供了宝贵的研发工作照,电脑报读者得以第一时间看到这些幕后英雄。

我们分享这份成功的秘密,期待的是更棒的计算机研制成功,更多的太空梦想变成现实。

 

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