CN103838946A - 一种单粒子效应防护有效性的评估系统及方法 - Google Patents

一种单粒子效应防护有效性的评估系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单粒子效应防护有效性的评估方法，通过对器件未采用防护措施时单粒子翻转率的计算结果以及器件采取了防护措施后的单粒子翻转错误率的计算结果进行比较，评估该器件采取的防护措施是否有效，从而确定可选器件的范围，为卫星胜利完成任务提供质量保证；另外，本发明还提供一种单粒子效应防护有效性的评估系统。

Description

一种单粒子效应防护有效性的评估系统及方法
技术领域
本发明涉及卫星用器件防护评估领域，特别涉及一种单粒子效应防护有效性的评估系统及方法。
背景技术
在一些电磁、辐射环境比较恶劣的情况下，器件会发生单粒子效应。单粒子效应有多种表现形式，如单粒子翻转（SEU）、单粒子瞬态（SET）、单粒子闩锁（SEL）、单粒子扰动（SED）等。其中，由单个高能粒子入射引起单元逻辑状态的改变称为单粒子翻转。单粒子翻转主要发生于存储器件和逻辑电路中。单粒子翻转使电路逻辑状态发生"0"、"1″翻转，或者使电路发生逻辑状态错误、电路烧毁等，从而导致系统功能紊乱，严重时会发生灾难性事故。为了提高器件在空间轨道的生存能力，目前常用的单粒子效应防护措施主要为三模冗余(TMR)技术、检错纠错法（EDAC）等，但是，器件在采取防护措施后，部分单粒子翻转产生的错误可以被纠正，部分单粒子翻转产生的错误仍未能纠正；这样使得系统在初步设计时，仍然不能直观的预计商用器件在采取防护措施后的有效性，限制了系统只能选用采取防护措施后其抗单粒子效应能力高的器件，减少了器件类别的选用；因此，如何说明器件采取的防护措施是否有效，成为了设计师关注的主要问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种单粒子效应防护有效性的评估系统及方法，使得设计师在选取器件时，能够直观的确定器件采取的防护措施是否有效。
为实现以上功能，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种单粒子效应防护有效性的评估方法，包括以下步骤：
S1、计算器件未采取防护措施时的单粒子翻转率，其计算公式为：
λ(t)器件=NBλ；
S2、计算器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率；所述防护措施为检错纠错防护或三模冗余防护；其中：
器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
λ(t)器件-TMR=Yλ+3Xλ2t；
器件采取检错纠错防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
Figure BDA00002458466500021
S3、比较器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，评估器件采取的防护措施是否有效；
其中，上述三个公式中λ(t)器件为器件未采取防护措施时的单粒子翻转率；λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ(t)器件-EDAC为器件采用检错纠错防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，器件的存储容量为N字节，每字节数为B位，t为器件的刷新周期；
在器件部分采取三模冗余防护时，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数；Y为器件未采取三模冗余防护的单元的位数。
所述步骤S2中器件部分采取三模冗余防护，当所述的部分为全部时，器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
λ(t)器件-TMR=3Xλ2t；
式中，λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，t为器件的刷新周期，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数。
所述步骤S3进一步包括比较器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，当器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率小于器件未采取防护措施时的单粒子翻转率时，器件采取的防护措施有效；否则，器件采取的防护措施无效。
一种单粒子效应防护有效性的评估系统，包括有：
第一计算单元，用于计算器件未采取防护措施时的单粒子翻转率，其计算公式为：
λ(t)器件=NBλ；
第二计算单元，用于计算器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，所述防护措施为检错纠错防护或三模冗余防护；其中：
器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率计算公式为：
λ(t)器件-TMR=Yλ+3Xλ2t；
器件采取检错纠错防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
Figure BDA00002458466500031
评估单元，用于对器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率进行比较，评估器件采取的防护措施是否有效；
其中，上述三个公式中λ(t)器件为器件未采取防护措施时的单粒子翻转率；λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ(t)器件-EDAC为器件采用检错纠错防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，器件的存储容量为N字节，每字节数为B位，t为器件的刷新周期；
在器件部分采取三模冗余防护时，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数；Y为器件未采取三模冗余防护的单元的位数。
所述第二计算单元中器件部分采取三模冗余防护，当所述的部分为全部时，其采取防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
λ(t)器件-TMR=3Xλ2t；
式中，λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，t为器件的刷新周期，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数。
所述评估单元进一步用于比较器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，当器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率小于器件未采取防护措施时的单粒子翻转率时，器件采取的防护措施有效；否则，器件采取的防护措施无效。
本发明通过对器件未采用防护措施时单粒子翻转率的计算结果以及器件采用了防护措施后的单粒子翻转错误率的计算结果进行比较，评估该器件的防护措施是否有效，从而确定可选器件的范围，为卫星胜利完成任务提供质量保证。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的系统装置图。
具体实施方式
下面对于本发明所提出的一种单粒子效应防护有效性的评估系统及方法，结合附图和实施例详细说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种单粒子效应防护有效性的评估方法，包括以下步骤：
S1、计算器件未采取防护措施时的单粒子翻转率，其计算公式为：
λ(t)器件=NBλ；
S2、计算器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率；所述防护措施为检错纠错防护或三模冗余防护；其中：
器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
λ(t)器件-TMR=Yλ+3Xλ2t；
器件采取检错纠错防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
Figure BDA00002458466500051
所述单粒子翻转错误率是指器件采取防护措施后，在单位时间里由于未能纠正的单粒子翻转而引发器件发生输出错误的概率。
S3、比较器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，评估器件采取的防护措施是否有效；
其中，上述三个公式中λ(t)器件为器件未采取防护措施时的单粒子翻转率；λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ(t)器件-EDAC为器件采用检错纠错防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，器件的存储容量为N字节，每字节数为B位，t为器件的刷新周期；
在器件部分采取三模冗余防护时，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数；Y为器件未采取三模冗余防护的单元的位数。
所述步骤S2中器件部分采取三模冗余防护，当所述的部分为全部时，器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
λ(t)器件-TMR=3Xλ2t；
式中，λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，t为器件的刷新周期，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数。
所述步骤S3进一步包括比较器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，当器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率小于器件未采取防护措施时的单粒子翻转率时，器件采取的防护措施有效；否则，器件采取的防护措施无效。
如图2所示，本实施例还提供一种单粒子效应防护有效性的评估系统，包括有：
第一计算单元，用于计算器件未采取防护措施时的单粒子翻转率，其计算公式为：
λ(t)器件=NBλ；
第二计算单元，用于计算器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，所述防护措施为检错纠错防护或三模冗余防护；其中：
器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率计算公式为：
λ(t)器件-TMR=Yλ+3Xλ2t；
器件采取检错纠错防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
Figure BDA00002458466500061
评估单元，用于对器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率进行比较，评估器件采取的防护措施是否有效；
其中，上述三个公式中λ(t)器件为器件未采取防护措施时的单粒子翻转率；λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ(t)器件-EDAC为器件采用检错纠错防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，器件的存储容量为N字节，每字节数为B位，t为器件的刷新周期；
在器件部分采取三模冗余防护时，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数；Y为器件未采取三模冗余防护的单元的位数。
所述第二计算单元中器件部分采取三模冗余防护，当所述的部分为全部时，其采取防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
λ(t)器件-TMR=3Xλ2t；
式中，λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，t为器件的刷新周期，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数。
所述评估单元进一步用于比较器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，当器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率小于器件未采取防护措施时的单粒子翻转率时，器件采取的防护措施有效；否则，器件采取的防护措施无效。
实施例2：
本实施例与实施例1所述技术方案相同，在该实施例中选取器件为存储器，其存储容量N为64K字节，每字节数B为16位，器件刷新周期为20分钟，在完成地面单粒子效应模拟试验后，预计出任务期间存储器每位的翻转率λ为4.45e-7位/小时，则该存储器未采取防护措施时的单粒子翻转率为：
λ(t)器件=NBλ=64×1024×16×4.45×10-7=4.67×10-1
单位为事件/器件·小时；
所述存储器部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率为：
λ(t)器件-TMR=Yλ+3Xλ2t，
式中，X为该存储器中采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数；Y为该存储器中未采取三模冗余防护的单元的位数；
特别的，当该存储器所有的单元均采取三模冗余防护，则器件采取防护后的单粒子翻转错误率为：
= 3 × 64 × 1024 × 16 × ( 4.45 × 10 - 7 ) 2 × 20 60 = 2.08 × 10 - 7
单位为事件/器件·小时；
所述存储器采取检错纠错防护后的单粒子翻转错误率为：
Figure BDA00002458466500073
= 1 2 × 64 × 1024 × ( 16 × 4.45 × 10 - 7 ) 2 × 20 60 = 5.54 × 10 - 7
单位为事件/器件·小时；
比较λ(t)器件和λ(t)器件-TMR的值或者比较λ(t)器件和λ(t)器件-EDAC的值，评估该存储器采取的防护措施是否有效；其中：
当λ(t)器件-TMR<λ(t)器件时，或者λ(t)器件-EDAC<λ(t)器件时，器件采取的防护措施有效；否则，器件采取的防护措施无效。
由以上实施例可以看出，本发明通过对器件未采用防护措施时单粒子翻转率的计算结果以及器件采取了防护措施后的单粒子翻转错误率的计算结果进行比较，评估该器件采取的防护措施是否有效，从而确定可选器件的范围，为卫星胜利完成任务提供质量保证。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种单粒子效应防护有效性的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、计算器件未采取防护措施时的单粒子翻转率，其计算公式为：
λ(t)器件=NBλ；
S2、计算器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率；所述防护措施为检错纠错防护或三模冗余防护；其中：
器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
λ(t)器件-TMR=Yλ+3Xλ2t；
器件采取检错纠错防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
Figure FDA00002458466400011
S3、比较器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，评估器件采取的防护措施是否有效；
其中，上述三个公式中λ(t)器件为器件未采取防护措施时的单粒子翻转率；λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ(t)器件-EDAC为器件采用检错纠错防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，器件的存储容量为N字节，每字节数为B位，t为器件的刷新周期；
在器件部分采取三模冗余防护时，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数；Y为器件未采取三模冗余防护的单元的位数。
2.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中器件部分采取三模冗余防护，当所述的部分为全部时，器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
λ(t)器件-TMR=3Xλ2t；
式中，λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，t为器件的刷新周期，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括比较器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，当器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率小于器件未采取防护措施时的单粒子翻转率时，器件采取的防护措施有效；否则，器件采取的防护措施无效。
4.一种单粒子效应防护有效性的评估系统，其特征在于，包括有：
第一计算单元，用于计算器件未采取防护措施时的单粒子翻转率，其计算公式为：
λ(t)器件=NBλ；
第二计算单元，用于计算器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，所述防护措施为检错纠错防护或三模冗余防护；其中：
器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率计算公式为：
λ(t)器件-TMR=Yλ+3Xλ2t；
器件采取检错纠错防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
Figure FDA00002458466400021
评估单元，用于对器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率进行比较，评估器件采取的防护措施是否有效；
其中，上述三个公式中λ(t)器件为器件未采取防护措施时的单粒子翻转率；λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ(t)器件-EDAC为器件采用检错纠错防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，器件的存储容量为N字节，每字节数为B位，t为器件的刷新周期；
在器件部分采取三模冗余防护时，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数；Y为器件未采取三模冗余防护的单元的位数。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二计算单元中器件部分采取三模冗余防护，当所述的部分为全部时，其采取防护后的单粒子翻转错误率的计算公式为：
λ(t)器件-TMR=3Xλ2t；
式中，λ(t)器件-TMR为器件部分采取三模冗余防护后的单粒子翻转错误率；λ为器件每位的单粒子翻转率，t为器件的刷新周期，X为器件采取了三模冗余防护的单元其三个相同冗余模块各自的位数。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述评估单元进一步用于比较器件未采取防护措施时的单粒子翻转率和器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率，当器件采取防护措施后的单粒子翻转错误率小于器件未采取防护措施时的单粒子翻转率时，器件采取的防护措施有效；否则，器件采取的防护措施无效。
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