CN103605835A - 航天器系统级抗单粒子设计评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器系统级抗单粒子设计评估方法，其涉及含有大规模集成电路单机或分系统抗单粒子效能的评估方法。该评估方法仿真计算了电子元器件的翻转率；对航天器分系统采用的主动和被动防护方法均给出了量化评估算法；然后对航天器分系统抗单粒子设计进行了评估。此外，该评估方法还可以得到系统不连续工作的概率。该评估方法经过推广，可以应用于整星以及星座单粒子翻转率的仿真计算。

Description

航天器系统级抗单粒子设计评估方法

技术领域

本发明涉及航天领域，具体地，涉及一种航天器系统抗单粒子设计评估方法，系统主要指含有大规模集成电路的单机或系统。

背景技术

自人类进入宇宙空间开始，空间环境状态及其变化对航天活动的影响就成为人们所关心的重要问题。体积小、功耗低的微电子器件，尤其是FPGA等大规模集成芯片，在航天工程中得到越来越广泛的应用。银河宇宙线、太阳宇宙线、地球辐射带中的高能带电粒子，特别是其中的重离子造成的“单粒子事件”成为航天飞行的重要隐患。

元器件的单粒子翻转（Single Event Upset，SEU）仿真计算是近年国内外研究的热点问题，国内外科研工作者开展了广泛的研究工作。美国Space Radiation软件和欧空局SPENVIS软件均有计算单粒子翻转率的专用模块。但是，目前还没有见到计算系统单粒子翻转仿真计算的报道，也没有对应的软件模块。计算元器件单粒子翻转率虽然能反映出器件的性能水平，但无法反映出系统的抗单粒子设计水平。

随着对空间环境分布和动态特征的研究和认识的不断深入，科研工作者逐渐认识到FPGA等大规模集成器件的在轨翻转不可避免，只能采取措施减轻SEU的影响，保证芯片翻转的情况下不会对系统的正常工作造成影响。因此，系统级单粒子防护设计的评估更具有现实意义和工程价值。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种航天器系统级抗单粒子设计评估方法。

根据本发明的第一个方面，对航天器系统采取的主动和被动抗单粒子设计方法均建立了单粒子翻转率计算模型，可依据模型对抗单粒子设计方法进行量化评估。主动方法主要包括资源降额、定时刷新、间断开关机、降低任务时间等措施，可有效降低元器件的单粒子翻转率；被动方法包括回读校验、功能校验、三模冗余、EDAC（Error DetectionAnd Correction，错误检测与纠正）、冗余备份等方法，该方法不能有效降低单粒子翻转率，但可以有效监测单粒子翻转，并通过重载、在轨开关机等相关措施，避免或降低由于单粒子翻转造成的危害。

根据本发明的第二个方面，提供一种航天器系统抗单粒子设计评估方法，包括以下步骤：

步骤1：空间辐射环境分析：根据航天器轨道参数和使用寿命，对航天器在轨空间辐射环境进行分析；

步骤2：元器件翻转参数计算：根据地面试验，获得元器件的σ-LET曲线，然后利用非线性拟合得到翻转阈值、饱和翻转截面参数；结合元器件实际所处的空间环境，仿真计算得到元器件在轨翻转率；

步骤3：系统抗单粒子设计评估：统计航天器含有大规模集成元器件系统的抗单粒子设计方法（包括元器件级和系统级），对各条设计方法进行量化评估，最后根据单粒子翻转率传递模型，得到系统级抗单粒子翻转概率及不连续工作概率。

优选地，质子单粒子翻转率的计算模型如下：

$R_p=\underset{E_0}{\overset{E_{\max }}{\∫}}\mathrm{\φ}\left(E\right)\mathrm{\σ}\left(E\right)\mathrm{dE}$

其中，R_p为质子单粒子翻转率，

为质子微分能谱，σ(E)为质子单粒子翻转截面，E为质子能量，E₀为单粒子翻转质子能量阈值，E_max为空间质子最大能量。

优选地，质子重粒子翻转率的计算模型如下：

$R_H=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_e\left(L\right)\mathrm{\σ}\left(L\right)\mathrm{dL}$

${\mathrm{\φ}}_e\left(L\right)=\frac{\mathrm{\φ}\left(L\right)}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_c}^{\mathrm{\π}/2}\cos \mathrm{\θd\Ω}=\frac{\mathrm{\φ}\left(L\right)}{2}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_c$

其中，R_H为重离子单粒子翻转率；L为重离子线性能量传输（Linear Energy Transfer,LET）的数值；L_c为重离子单粒子翻转LET阈值；φ_e(L)为以LET值为变量的等效重离子微分谱；σ(L)为LET值为L的重离子翻转截面；θ_c为临界倾角，且θ_c=arcos(L/L_c)，θ为入射角度变量，Ω为积分角度变量。

优选地，元器件的单粒子翻转率R的计算模型如下：

R＝R_p+R_H

其中，R_p为质子单粒子翻转率，R_H为重离子单粒子翻转率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）对航天器系统目前采取的抗单粒子设计方法，包括主动防护方法和被动方法，均进行了量化评估，弥补现有技术能力的不足，给系统级评估提供支撑；

（2）给出了航天器系统级抗单粒子设计评估的整个流程。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为航天器系统级抗单粒子设计评估流程；

图2为航天器在轨空间辐射环境分析流程图；

图3为元器件单粒子翻转率计算流程图；

图4为系统热备份示意图；

图5为宇宙银河重离子射线通量图；

图6为Xilinx公司Virtex系列FPGA的σ-LET试验曲线；

图7为Xilinx公司Virtex II系列FPGA的σ-LET试验曲线；

图8为某型号扩频应答机A的FPGA及其外围电路示意图；

图9为某型号扩频应答机B的FPGA功能示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

（1）系统级抗单粒子设计评估方法流程

航天器系统级抗单粒子设计评估流程包括3个步骤：

步骤1：空间辐射环境分析：根据航天器轨道参数和使用寿命，对航天器在轨空间辐射环境进行分析；

步骤2：元器件翻转参数获取：根据地面试验，获得元器件的σ-LET曲线，然后利用非线性拟合得到翻转阈值、饱和翻转截面参数；结合元器件实际所处的空间环境，仿真计算得到元器件在轨翻转率；

步骤3：系统抗单粒子设计评估：统计航天器含有大规模集成元器件系统的抗单粒子设计方法（包括元器件级和系统级），对各条设计方法进行量化评估，最后根据单粒子翻转率传递模型，得到系统级抗单粒子翻转概率及不连续工作概率。

整个评估流程如图1所示。

系统抗单粒子翻转设计评估需要统计系统内部所有的大规模集成器件及翻转概率，以及采取的所有抗单粒子设计措施，并对设计措施进行量化评估。系统发生单粒子翻转概率等于各元器件发生概率的总和。

只要有一个器件发生单粒子翻转，即表明系统内部发生单粒子翻转。但是，由于系统内部采用了多种抗单粒子设计措施，该器件发生翻转可能会造成系统不连续工作，但并不一定会造成致命性的灾难。

（2）空间辐射环境分析

根据航天器轨道参数和使用寿命，可利用空间辐射专业软件（如SPENVIS、SpaceRadiation），对航天器在轨空间辐射环境进行分析。整个分析流程如图2所示。

（3）元器件翻转参数计算

根据文献调研或地面试验，可以获得元器件的σ-LET曲线，然后利用非线性拟合得到翻转阈值、饱和翻转截面等参数。结合空间辐射环境，可以计算得到元器件单粒子翻转率。整个分析流程如图3所示。

通过地面模拟试验，测量出元器件的SEU翻转截面σ与LET的对应曲线，再结合空间辐射环境分析获得的粒子能谱，计算得到元器件的单粒子翻转率。

对于地面试验产生的σ-LET曲线，有时也可以用Weibull函数关系进行描述，即

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{hi}}\left(L\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&sigma;}}_0\{1-\exp [-{\left(\frac{L-L_0}{W}\right)}^s\left]\right\},& L\&GreaterEqual;L_0\\ 0,& L<L_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，σ₀为器件翻转的饱和截面，L₀为器件的翻转阈值，S、W分别为Weibull函数的形状和宽度因子，σ_hi(L)为截面变量，exp[·]为指数函数，L为入射LET变量。这种基于Weibull函数的描述更好地反映了芯片中大量的灵敏单元对辐射响应的分布，研究表明，依据此进行单粒子翻转率预测是较准确的。

质子单粒子效应翻转率可以利用公式（2），直接计算空间质子能谱和单粒子翻转截面的积分获得。

$R_p=\underset{E_0}{\overset{E_{\max }}{\&Integral;}}\mathrm{\&phi;}\left(E\right)\mathrm{\&sigma;}\left(E\right)\mathrm{dE}---\left(2\right)$

上式中，R_p为质子单粒子翻转率（d^-1bit^-1），

为质子微分能谱（cm^-2d^-1MeV^-1），σ(E)为质子单粒子翻转截面（cm²/bit），E为质子能量（MeV），E₀为单粒子翻转质子能量阈值（MeV），E_max为空间质子最大能量（MeV）。如果已知的空间质子能谱是以质子能量为参数的积分能谱，则需要将质子积分能谱转换成微分能谱，并得到不同能量质子的单粒子翻转截面。

重离子的有效LET值与离子的入射方向有关，因此还需要对重离子能谱或翻转截面进行修正，获得等效注量或等效截面后，再按照质子单粒子效应翻转率方式进行计算，其中等效注量法参见公式（3）。

$\begin{array}{c}{R}_H=\underset{0}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}{\mathrm{\&phi;}}_e\left(L\right)\mathrm{\&sigma;}\left(L\right)\mathrm{dL}\\ {\mathrm{\&phi;}}_e\left(L\right)=\frac{\mathrm{\&phi;}\left(L\right)}{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&theta;}}_c}^{\mathrm{\&pi;}/2}\cos \mathrm{\&theta;d\&Omega;}=\frac{\mathrm{\&phi;}\left(L\right)}{2}{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_c\end{array}\text{---}\left(3\right)$

上式中，R_H为重离子单粒子翻转率；L为重离子LET值；L_c为重离子单粒子翻转LET阈值；φ_e(L)为以LET值为变量的等效重离子微分谱；σ(L)为LET值为L的重离子翻转截面；θ_c为临界倾角，且θ_c=arcos(L/L_c)，θ为入射角度变量，Ω为积分角度变量。

计算得到了质子单粒子翻转率R_p和重离子单粒子翻转率RH后，元器件的单粒子翻转率R等于两者之和，公式如（4）所示。

R＝R_p+R_H   (4)

（4）抗单粒子设计量化评估

一般将FPGA等大规模集成元器件的单粒子翻转缓解措施分成两种：主动方法和被动方法。主动方法主要包括资源降额、定时刷新、间断开关机、降低任务时间等措施，可有效降低元器件的单粒子翻转率。表1列出了FPGA常用的抗单粒子主动设计方法，对这些措施进行量化评估，得到不同设计方法产生的翻转率变化情况。

统计系统所使用的主动方法，可以计算得到单粒子翻转概率。

表1单粒子翻转防护设计措施及评价

备注：R₀为采取措施之前的翻转率，单位为upsets/device·day；R为采取措施后的翻转率，单位为upsets/device·day。R_降额表示采取资源降额措施后的翻转率，R_刷新表示采取定时刷新措施后的翻转率，R_开关机表示采取间断开关机措施后的翻转率，R_任务时间表示采取降低任务时间措施后的翻转率，R_热备份表示热备份单机/系统翻转率，R_冷备份表示冷备份单机/系统翻转率。

对于系统或单机而言，内部含有热备份会增加单粒子翻转的发生概率，但会降低对整个系统的影响，降低系统不连续工作的概率。假设主份和备份的单粒子翻转率为R_主和R_备，单位为upsets/device·day。

设主份在t₀时刻发生了单粒子翻转，重新加载需要Δt时间。只要备份不在该时间段内同时发生单粒子翻转，则整个系统可不间断工作。通过计算可以得到，热备份系统的单粒子翻转错误率为

其中N＝day／Δt，[R_主]表示取数值，不含单位。

被动方法包括回读校验、功能校验、三模冗余、EDAC、冗余备份等方法，该方法不能有效降低单粒子翻转率，但可以有效监测单粒子翻转，并通过重载、在轨开关机等相关措施，避免或降低由于单粒子翻转造成的危害。表2列出了FPGA常用的抗单粒子被动设计方法，对这些措施进行量化评估，得到不同设计方法产生的翻转率变化情况。

统计系统所使用的被动方法，可以得到由于单粒子翻转造成不连续工作的概率。

表2单粒子翻转监测及缓解措施

备注：R₀为采取措施之前的翻转率，单位为upsets/device·day；R_热备表示采取热备份措施后的翻转率，R_回读表示采取回读校验措施后的翻转率，R_自检表示采取功能自检措施后的翻转率，R_三模表示采取三模冗余TMR措施后的翻转率，R_三取二表示采取三取二表决措施后的翻转率，R_EDAC表示采取EDAC措施后的翻转率，R_定时表示采取看门狗/计数器措施后的翻转率。

当监测到系统异常，通过程控、遥控指令对发生单粒子翻转的单机进行重载、开关机复位等操作，可缓解单粒子翻转造成的影响。

（5）系统防护设计评估案例

1）空间辐射环境分析

某航天器为轨道高度610km，倾角75°的低太阳同步轨道航天器，设计寿命不低于4年，预计于2013年发射。该航天器的空间辐射环境预示，主要针对俘获带质子、俘获带电子、太阳高能粒子。一般重离子模型选择CREME模型，环境参数M=3；太阳质子模型选择JPL1991模型，95%置信度；地球辐射带质子和电子模型分别选择AP-MAX和AE-MAX模型；屏蔽模型选择等效3mm Al屏蔽厚度。利用欧空局SPENVIS专业软件，可以仿真得到太阳宇宙线、银河宇宙线等粒子辐射能量和通量图。其中宇宙银河重离子射线通量如图5所示。

2）元器件相关参数获取

美国洛斯-阿拉莫斯国家实验室和FPGA生产商Xilinx公司共同研究得到Virtex系列和Virtex II系列FPGA的σ-LET试验曲线如图6、图7所示。

大量研究结果表明，上述曲线符合Weibull分布，通过曲线拟合得到相关参数如下表所示。

表3Virtex系列FPGA的相关参数

FPGA

饱和截面

翻转阈值

宽度因子

形状

	cm2/bit	MeV/(mg/cm2)	MeV·cm2/mg	因子
					Virtex系列	10-7	2.5	15	3
Virtex II系列	5×10-8	1.0	10	2.5

3）分系统方案抗辐射加固设计

某航天器测控系统扩频应答机A和扩频应答机B含有FPGA，两台扩频应答机互为热备份。扩频应答机A使用一片600万门FPGA和一片7.2万门反熔丝FPGA；扩频应答机B使用一片300万门FPGA。

扩频应答机A的FPGA功能原理示意图如图8所示。

600万门FPGA实现通道处理功能，是扩频应答机A中频处理的重要组成部分，它主要完成下述功能：

a）通过配置芯片实现FPGA的加载；

b）快捕模块分时处理四路测距通道和一路遥控通道，将处理得到的预测值送往后级通道处理模块；

c）全局时钟通过内部时钟模块处理得到各部分所需时钟；

d）对四路测距信号和一路遥控信号进行数据处理；

e）通过接口芯片实现与遥控遥测终端的通信。

通过对单机单粒子翻转设计措施进行统计，得到的量化信息如下表所示。

表4单粒子翻转防护措施量化信息统计表

由前文可知，在该航天器轨道空间辐射情况下，600万门FPGA的单粒子翻转率R₀为1.97Upsets/device·day。对于扩频应答机A，经过抗单粒子翻转防护设计后，FPGA单粒子翻转率R_扩频A-FPGA为

R_扩频A-FPGA=R_降额=1.48Upsets/device·day

当发生单粒子翻转事件后，可通过回读监控、看门狗电路等检测出来，然后通过程控复位、看门狗复位、单机开关机、切换备份单机等方式保证系统正常运行。由于发生

单粒子翻转也不一定会被系统检测到，因此影响单机正常工作的单粒子翻转率最大值R_扩频A-MAX为

R_扩频A-MAX=R_扩频A-FPGA×(R_三模/R₀)×(R_回读/R₀)=0.03Upsets/device·day

扩频应答机B的FPGA功能原理示意图如图9所示。

FPGA完成：遥控信号的捕获、跟踪与解调；上行两路测距信号的捕获、跟踪与精密测量；下行遥测与测距信号的产生。除此之外，FPGA中还设计有一个自检信号产生模块，用于产生自检信号。

通过对单机单粒子翻转设计措施进行统计，得到的量化信息如下表所示。

表5单粒子翻转防护措施量化信息统计表

由前文可知，在该航天器轨道空间辐射情况下，300万门FPGA的单粒子翻转率R₀为1.07Upsets/device·day。对于扩频应答机B，经过抗单粒子翻转防护设计后，FPGA单粒子翻转率R_扩频B-FPGA为：

R_扩频B-FPGA=(R_降额/R₀)×(R_刷新/R₀)×R₀=0.68Upsets/device·day

当发生单粒子翻转事件后，可通过自检、看门狗电路等检测出来，然后通过程控复位、看门狗复位、单机开关机、切换备份单机等方式保证系统正常运行。由于发生单粒子翻转也不一定会被系统检测到，因此影响单机正常工作的单粒子翻转率最大值R_{扩频 B-MAX}为

R_扩频B-MAX=R_扩频B-FPGA×(R_三模/R₀)×(R_自检/R₀)=1.16×10^-2Upsets/device·day

扩频应答机A和扩频应答机B互为热备份，分系统中FPGA发生单粒子的概率R_{测 控FPGA}为

R_测控FPGA=R_扩频A-FPGA+R_扩频B-FPGA=2.16Upsets/system·day

由于两台扩频应答机为热备份，且单机发生单粒子错误后重新加载时间不超过5s。只要不再同一时刻出现单粒子翻转，且发生单粒子翻转的部位不是关键部位，则不会造成系统工作中断。如果两台单机在同一时刻关键部位均发生单粒子翻转事件，不连续工作时间为单机重载所耗费的时间，但不会产生永久性在轨故障。

通过计算可得，由于单粒子翻转造成分系统不连续工作的最大概率R_测控MAX为

R_测控MAX=R_扩频A-MAX×R_扩频B-MAX×5s/da_y=2.05×10^-8Upsets/system·day

综上所述，测控分系统内含FPGA的单粒子翻转概率为2.16Upsets/system·day，由于单粒子翻转造成分系统不连续工作的最大概率为2.05×10^-8Upsets/system·day，不会造成永久性在轨故障。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种航天器系统级抗单粒子设计评估方法，其特征在于，对航天器系统采取的主动和被动抗单粒子设计方法建立单粒子翻转率计算模型，从而依据模型对抗单粒子设计方法进行量化评估。

2.根据权利要求1所述的航天器系统级抗单粒子设计评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：空间辐射环境分析：根据航天器轨道参数和使用寿命，对航天器在轨空间辐射环境进行分析；

步骤2：元器件翻转参数计算：根据地面试验，获得元器件的σ-LET曲线，然后利用非线性拟合得到翻转阈值、饱和翻转截面参数；结合元器件实际所处的空间环境，仿真计算得到元器件在轨翻转率；

步骤3：系统抗单粒子设计评估：统计航天器含有大规模集成元器件系统的抗单粒子设计方法，包括元器件级和系统级；对各条设计方法进行量化评估，最后根据单粒子翻转率计算模型，得到系统级抗单粒子翻转概率及不连续工作概率。

3.根据权利要求1所述的航天器系统级抗单粒子设计评估方法，其特征在于，质子单粒子翻转率的计算模型如下：

$R_p=\underset{E_0}{\overset{E_{\max }}{\&Integral;}}\mathrm{\&phi;}\left(E\right)\mathrm{\&sigma;}\left(E\right)\mathrm{dE}$

其中，R_p为质子单粒子翻转率，

为质子微分能谱，σ(E)为质子单粒子翻转截面，E为质子能量，E₀为单粒子翻转质子能量阈值，E_max为空间质子最大能量。

4.根据权利要求1或3所述的航天器系统级抗单粒子设计评估方法，其特征在于，质子重粒子翻转率的计算模型如下：

$R_H=\underset{0}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}{\mathrm{\&phi;}}_e\left(L\right)\mathrm{\&sigma;}\left(L\right)\mathrm{dL}$

${\mathrm{\&phi;}}_e\left(L\right)=\frac{\mathrm{\&phi;}\left(L\right)}{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&theta;}}_c}^{\mathrm{\&pi;}/2}\cos \mathrm{\&theta;d\&Omega;}=\frac{\mathrm{\&phi;}\left(L\right)}{2}{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_c$

其中，R_H为重离子单粒子翻转率；L为重离子LET值；L_c为重离子单粒子翻转LET阈值；φ_e(L)为以LET值为变量的等效重离子微分谱；σ(L)为LET值为L的重离子翻转截面；θ_c为临界倾角，且θ_c=arcos(L/L_c)，θ为入射角度变量，Ω为积分角度变量。

5.根据权利要求4所述的航天器系统级抗单粒子设计评估方法，其特征在于，元器件的单粒子翻转率R的计算模型如下：

R＝R_p+R_H

其中，R_p为质子单粒子翻转率，R_H为重离子单粒子翻转率。

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