Технологии и алгоритмы обработки и хранения данных на твердотельных накопителях информации перспективных космических аппаратов

Актуальность работы: современное развитие космической отрасли
диктует новые требования к объему и скорости обработки информации
получаемой в процессе функционирования перспективных космических
аппаратов. В данной работе под перспективными понимаются малые
космические аппараты (МКА), сверх-малые КА и нано-спутники, снаряженной
массой до 90 кг., функционирующие на орбитах до 1500 км (Далее по тексту
под общим названием МКА).
В настоящее время для долговременного хранения бортовых данных
МКА, применяется память энергонезависимого ОЗУ, функционирующего на
основе ячеек магнитной или магниторезистивной памяти [1]. Данное решение,
оправданно с экономической точки зрения для больших КА, однако его
применение является неприемлемым для МКА в силу высокой стоимости и
отсутствия широкой номенклатуры СБИС, в первую очередь отечественного
производства.
Эксплуатация накопителей в составе МКА накладывает ряд ограничений
связанных с масса-габаритными характеристиками, потребляемой мощности, и
подверженности влиянию дестабилизирующих факторов космического
пространства (ДФКП) [2].
Решение может быть найдено при использовании многоуровневой NAND-
flash памяти. Такой подход будет допустим с учетом специфики применения
МКА, а именно: пониженные требования к защите от воздействия ДФКП, в
силу работы на низкой орбите, ограничения по энергопотреблению и масса-
габаритным характеристикам.
Однако при этом следует обеспечить целостность и сохранность
информации как в режимах хранения, так и при интерфейсном обмене в составе
бортовых систем.
Следовательно, требуется разработка комплексного подхода к
организации процесса функционирования твердотельных накопителей в составе
МКА. В данном случае необходимо применять ряд методов основанных на
помехоустойчивом кодировании в режиме реального времени при
информационном обмене, экранирование накопителей, дублирование или
троирование основных узлов контроллера памяти, а так же алгоритмы поиска и
восстановления потерянных данных в режиме хранения информации.
Исходя из выше изложенного определена основная цель работы:
исследование и разработка метода обеспечения целостности информации при
обмене и хранении данных для твердотельных накопителей МКА,
функционирующих в условиях ДФКП.
Для достижения поставленной цели определены следующие основные
задачи исследования:
1. Выполнить анализ методов обеспечения целостности информации на
твердотельных накопителях (ТН), эксплуатирующихся в условиях ДФКП
и разработать архитектуру специализированного контроллера для ТН.
2. Разработать алгоритмы помехоустойчивого кодирования при обмене и
хранении информации на ТН. Разработать программную модель
контроллера и выполнить имитационное моделирование для отработки
алгоритмов и определения основных требований к аппаратному
обеспечению.
3. На основе полученных результатов моделирования разработать
программное обеспечение и изготовить лабораторный макет контроллера.
4. Выполнить лабораторные исследования макета и анализ полученных
результатов.
Методы исследования: в диссертационной работе использовались
основные положения теории проектирования ЭВМ и систем. При разработке
ПО, использовался язык описания аппаратуры Verilog HDL и инструменты
Anaconda (дистрибутив языка Python).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанные алгоритмы помехоустойчивого кодирования позволяют
обеспечить целостность информации при условиях и ограничениях
эксплуатации, характерных для МКА;
2. Предложенный комплекс средств противодействия ДФКП в необходимой
и достаточной мере способен обеспечить полное функционирование
алгоритмов;
3. Разработанный и изготовленный лабораторный стенд позволяет
отработать основные условия влияния ДФКП и демонстрирует
работоспособность полученных технических решений.
Научная новизна исследования заключается в предложенном методе
обеспечения целостности информации на твердотельных накопителях
эксплуатирующихся в условиях ДФКП, основанном на комплексе
противодействующих мер, в том числе принципа дублирования основных
узлов, алгоритмах помехоустойчивого кодирования и восстановления
целостности данных, реализованных на аппаратном уровне, в совокупности с
технологическими приемами по экранированию позволяющих обеспечить
требуемую степень защищённости от ДФКП, ёмкость накопителя и скорость
обработки информации.
Практическая ценность результатов работы заключается в разработке
комплекта сложно-функциональных блоков и встроенного программного
обеспечения для контроллера NAND-Flash памяти.
Публикации. По результатам проведённых исследований и выполненных
работ опубликована, 1 печатная работа в сборниках конференций, получено 1
регистрационное свидетельство программ для ЭВМ.
Объём и структура диссертации. Полный объем диссертации составляет
45 страниц, в том числе: 5 иллюстрации, 14 таблиц, 3 приложения, список
литературы из 43 источника.
1 Постановка задачи