CN104753581A - 一种卫星系统级抗辐照系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种卫星系统级抗辐照系统及方法，系统包括设置在底板上的安全模式管理芯片及正常模式处理芯片；安全模式管理芯片用于进行卫星系统模式中安全模式下的工作处理以及对正常模式处理芯片中各元器件进行断电、唤醒管理；正常模式处理芯片用于与安全模式管理芯片配合进行卫星系统模式中正常模式下的工作处理；其中，在卫星有效载荷或数据传输不工作时，所述安全模式管理芯片将正常模式处理芯片中的各元器件断电，将卫星系统置于安全模式；在卫星需要工作时，所述安全模式管理芯片唤醒所述正常模式处理芯片中的各元器件，将卫星系统置于正常模式。本发明使得卫星可以部分采用低等级的元器件，降低卫星成本、重量以及功耗，缩短卫星研制周期。
Description
技术领域
本发明涉及航天器电子设计技术领域，尤其涉及一种卫星系统级抗辐照系统及方法。
背景技术
目前在航天器的设计中，元器件的抗辐照设计是电子设计中的最为关注的一点。一般来说需要元器件具有较强的抗单粒子能力，尤其是对主控制计算机要求较高。因此要求主控制计算机采用较高等级的元器件。但是，较高等级的元器件，价格较贵且很难采购，造成卫星研制成本高、周期长。
因此，需要提供一种卫星抗辐照方式，使得卫星可以采用低等级的元器件，降低卫星成本、重量以及功耗，缩短卫星研制周期。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中卫星抗辐照设计存在的技术问题，提供一种卫星系统级抗辐照系统及方法，使得卫星可以部分采用低等级的元器件，降低卫星成本、重量以及功耗，缩短卫星研制周期。
为实现上述目的，本发明提供了一种卫星系统级抗辐照系统，包括设置在底板上的安全模式管理芯片以及正常模式处理芯片； 所述安全模式管理芯片，用于进行卫星系统模式中安全模式下的工作处理以及对正常模式处理芯片中各元器件进行断电以及唤醒管理，其中，在安全模式下卫星有效载荷或数据传输不工作且卫星采用对日定向设计；所述正常模式处理芯片，用于与所述安全模式管理芯片配合进行卫星系统模式中正常模式下的工作处理；其中，在卫星有效载荷或数据传输不工作时，所述安全模式管理芯片将正常模式处理芯片中的各元器件断电，将卫星系统置于安全模式；在卫星需要工作时，所述安全模式管理芯片唤醒所述正常模式处理芯片中的各元器件，将卫星系统置于正常模式。
为实现上述目的，本发明还提供了一种卫星系统级抗辐照方法，适用于本发明所述的卫星系统级抗辐照系统，包括：（1）在卫星系统模式中加入安全模式，其中，在安全模式下卫星有效载荷或数据传输不工作且卫星采用对日定向设计；（2）在卫星有效载荷或数据传输不工作时，安全模式管理芯片将正常模式处理芯片中的各元器件断电，将卫星系统置于安全模式；（3）在卫星需要工作时，所述安全模式管理芯片唤醒所述正常模式处理芯片中的各元器件，将卫星系统置于正常模式。
本发明的优点在于：针对低轨一般寿命的卫星在系统级、部组件级、元器件级采用综合管理的办法，使得卫星可以部分采用低等级的元器件，降低卫星成本、重量以及功耗，缩短卫星研制周期。
附图说明
图1，本发明所述的卫星系统级抗辐照系统一实施例的架构示意图；
图2，本发明所述的卫星系统级抗辐照方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的卫星系统级抗辐照系统及方法做详细说明。
参考图1，本发明所述的卫星系统级抗辐照系统一实施例的架构示意图，所述系统包括设置在底板10上的安全模式管理芯片12以及正常模式处理芯片14。
所述安全模式管理芯片12，用于进行卫星系统模式中安全模式下的工作处理以及对正常模式处理芯片14中各元器件进行断电以及唤醒管理。其中，在安全模式下卫星有效载荷或数据传输不工作且卫星采用对日定向设计。
具体而言，在安全模式下，卫星采用对日定向设计保证系统能源；同时，卫星有效载荷或数据传输不工作，因此对卫星的姿态要求较低，使得对运算的算法要求也降低，部分单机（例如，正常模式处理芯片14中各元器件）处在关机状态，仅所述安全模式管理芯片12中的各元器件处于工作状态完成安全模式对应的相应工作，以节约系统能源以及遥测遥控资源。如图1，所述安全模式管理芯片12中的元器件可以包括：FPGA（作为安全模式管理芯片12主处理器）、晶振、复位芯片、JTAG、164245芯片，LDO内核、LDO接口以及模拟开关、运放、AD芯片、磁力矩器驱动等。其中，JTAG(Joint Test Action Group；联合测试工作组)是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。
所述正常模式处理芯片14，用于与所述安全模式管理芯片12配合进行卫星系统模式中正常模式下的工作处理。也即正常模式下，可以进行卫星的所有工作。如图1，正常模式处理芯片14中的元器件可以包括：正常模式处理芯片14的主处理模块、164245芯片、RS422 LVDS、CAN、AD芯片、磁驱动芯片、电磁阀驱动，LDO内核、LDO接口以及多个SRAM（Static RAM，静态随机存储器）等。
具体而言，结合卫星系统模式设计，在系统模式中加入安全模式；在卫星有效载荷或数据传输不工作时，所述安全模式管理芯片12将正常模式处理芯片14中的各元器件断电，将卫星系统置于安全模式；在卫星需要工作时，所述安全模式管理芯片12唤醒所述正常模式处理芯片14中的各元器件，将卫星系统置于正常模式。当卫星不工作时， 利用安全模式管理芯片12对正常模式处理芯片14中各元器件的供配电进行管理，例如，在系统进入安全模式时，安全模式管理芯片12可以对正常模式处理芯片14中各元器件彻底断电。系统进入安全模式后若正常模式处理芯片14中有低等级元器件发生闩锁，安全模式管理芯片12可以解除闩锁。
作为可选的实施方式，所述安全模式管理芯片12利用LDO对所述正常模式处理芯片14中的各元器件进行断电以及唤醒管理。其中，LDO（low dropout regulator）是一种低压差线性稳压器电源转换芯片。如图1所示，安全模式管理芯片12 的FPGA 使能控制正常模式处理芯片14中各元器件是否工作。图中LDO 1.2V内核、LDO 2.5V内核、LDO 3.3V内核、LDO 2.5V接口等中的这些不同电压表示为其后面的元器件进行加电的电压。因为有的元器件需要多种不同电压，所以有多个LDO控制。
在安全模式下，安全模式管理芯片12对正常模式处理芯片14中的存储器可以采用EDAC（Error Detection And Correction，错误检测与纠正）技术判断其是否存在错误，若为错误芯片则对其进行断电处理。
在一些电磁环境比较恶劣的情况下，一些大规模集成电路常常会受到干扰，导致不能正常工作。特别是像RAM这种利用双稳态进行存储的器件，往往会在强干扰下发生翻转，使原来存储的"0"变为"1"，或者"1"变为"0"，造成的后果往往是很严重的。例如导致一些控制程序跑飞，存储的关键数据出错等等。现在，随着芯片集成度的增加，发生错误的可能性也在增大。在一些特定的应用中，这已经成为一个不能忽视的问题。例如在空间电子应用领域，单粒子翻转效应就成为困扰设计师的一个难题。
在这种情况下，我们可以采用EDAC电路来有效地减少或避免这种情况的出现。根据检错、纠错的原理，主要思想是在数据写入时，根据写入的数据生成一定位数的校验码，与相应的数据一起保存起来；当读出时，同时也将校验码读出，进行判决。如果出现一位错误则自动纠正，将正确的数据送出，并同时将改正以后的数据回写覆盖原来错误的数据；如果出现两位错误则产生中断报告，通知CPU进行异常处理。所有这一切动作都是靠硬件设计自动完成的，具有实时性和自动完成的特点。通过这样的EDAC电路，能大大提高系统的抗干扰能力，从而提高系统的可靠性。
作为可选的实施方式，定义一元器件等级标准，高于所述元器件等级标准的为高等级元器件，低于所述元器件等级标准的为低等级元器件；所述安全模式管理芯片12中的部分元器件采用高等级元器件，所述正常模式处理芯片14中的元器件均采用低等级元器件。由于安全模式的要求较低，安全模式管理芯片12中的部分元器件可以采用高等级元器件完成。例如，由于安全模式计算量较小、所需处理能力较低，因此可以采用高等级的单片机或小规模的FPGA的实现主处理功能，以及仅利用磁力矩器以及模拟太敏对卫星进行安全模式管理。在正常模式下，计算量较大、所需处理能力较高，因此正常模式处理芯片14中的元器件需要采用常规低等级的高性能处理器以及存储器，如Arm，DDR等。同时，正常模式处理芯片14在设计时充分考虑限流措施以及散热措施，防止单粒子锁定后造成永久性伤害。
作为可选的实施方式，所述安全模式管理芯片12中的低等级元器件采用间歇工作方式。具体而言，在安全模式下，部分低等级元器件仍需要工作，对这些低等级元器件可以采用间歇工作的方式提高其抗辐照能力。如温度采集元器件，由于温度是缓变量，温度采集元器件可以采用每16秒工作5秒的办法实现提高元器件抗辐照能力。
以下给出本发明提供的卫星系统级抗辐照系统的原理说明，本系统主要有三个层次：
系统级：结合卫星系统模式设计，在系统模式中加入安全模式；卫星在有效载荷或数传不工作时，将卫星系统置于安全模式。在该模式下，卫星采用对日定向设计保证系统能源；同时由于对卫星的姿态要求较低，使得对运算的算法要求也降低，使部分单机处在关机状态，以节约系统能源以及遥测遥控资源。
部组件级：有了上面的系统级设计，部组件级采用两级措施解决元器件抗单粒子闩锁问题。在星务的主处理模块中采用安全模式管理芯片12以及正常模式处理芯片14。其中，两芯片可以完成卫星的所有工作；安全模式管理芯片12仅完成系统级对应的安全模式下的相应工作。由于安全模式要求较低，安全模式管理芯片12可以采用高等级元器件完成，而正常模式要求较高，正常模式处理芯片14需要采用低等级的元器件完成。安全模式下，安全模式管理芯片12可以对正常模式处理芯片14的元器件的供配电进行管理，例如彻底断电。此时若正常模式处理芯片14中有低等级元器件发生闩锁，安全模式管理芯片12可以解除正常模式下所产生的闩锁。
元器件级：在安全模式下需要工作的低等级元器件可以采用间歇工作的方式提高其抗辐照能力。
本发明提供的卫星系统级抗辐照系统，针对低轨一般寿命的卫星在系统级、部组件级、元器件级采用综合管理的办法，使得卫星可以部分采用低等级的元器件，降低卫星成本、重量以及功耗，缩短卫星研制周期。
参考图2，本发明所述的卫星系统级抗辐照方法的流程示意图，所述方法适用于本发明所述的卫星系统级抗辐照系统。所述方法包括：S21：在卫星系统模式中加入安全模式；S22：在卫星有效载荷或数据传输不工作时，安全模式管理芯片将正常模式处理芯片中的各元器件断电，将卫星系统置于安全模式；S23：在卫星需要工作时，所述安全模式管理芯片唤醒所述正常模式处理芯片中的各元器件，将卫星系统置于正常模式；以下给出详细解释。
S21：在卫星系统模式中加入安全模式。
结合卫星系统模式设计，在系统模式中加入安全模式；卫星在有效载荷或数传不工作时，将卫星系统置于安全模式。在安全模式下，卫星采用对日定向设计保证系统能源；同时由于对卫星的姿态要求较低，使得对运算的算法要求也降低，使部分单机处在关机状态，以节约系统能源以及遥测遥控资源。正常模式下，可以进行卫星的所有工作。
S22：在卫星有效载荷或数据传输不工作时，安全模式管理芯片将正常模式处理芯片中的各元器件断电，将卫星系统置于安全模式。
在安全模式下，安全模式管理芯片12仅处于工作状态，用于进行卫星系统模式中安全模式下的工作处理。安全模式管理芯片12还用于对正常模式处理芯片14中各元器件进行断电以及唤醒管理；例如，在系统进入安全模式时，安全模式管理芯片12可以对正常模式处理芯片14中各元器件彻底断电；在卫星需要工作时，所述安全模式管理芯片12唤醒所述正常模式处理芯片14中的各元器件，将卫星系统置于正常模式。
系统进入安全模式后若正常模式处理芯片14中有低等级元器件发生闩锁，安全模式管理芯片12可以解除闩锁。因此，作为可选的实施方式，步骤S22进一步包括：判断正常模式处理芯片中是否有元器件发生闩锁，若有利用所述安全模式管理芯片解除闩锁。
S23：在卫星需要工作时，所述安全模式管理芯片唤醒所述正常模式处理芯片中的各元器件，将卫星系统置于正常模式。
正常模式下，正常模式处理芯片14与安全模式管理芯片12配合进行卫星系统模式中正常模式下的工作处理。也即正常模式下，可以进行卫星的所有工作。
所述安全模式管理芯片利用LDO对所述正常模式处理芯片中的各元器件进行断电以及唤醒管理。因此，作为可选的实施方式，步骤S22进一步包括：安全模式管理芯片利用LDO将正常模式处理芯片中的各元器件断电。步骤S23进一步包括：安全模式管理芯片利用LDO唤醒所述正常模式处理芯片中的各元器件。
作为可选的实施方式，定义一元器件等级标准，高于所述元器件等级标准的为高等级元器件，低于所述元器件等级标准的为低等级元器件；所述安全模式管理芯片12中的部分元器件采用高等级元器件，所述正常模式处理芯片14中的元器件均采用低等级元器件。由于安全模式的要求较低，安全模式管理芯片12中的部分元器件可以采用高等级元器件完成。例如，由于安全模式计算量较小、所需处理能力较低，因此可以采用高等级的单片机或小规模的FPGA的实现主处理功能，以及仅利用磁力矩器以及模拟太敏对卫星进行安全模式管理。在正常模式下，计算量较大、所需处理能力较高，因此正常模式处理芯片14中的元器件需要采用常规低等级的高性能处理器以及存储器，如Arm，DDR等。同时，正常模式处理芯片14在设计时充分考虑限流措施以及散热措施，防止单粒子锁定后造成永久性伤害。
作为可选的实施方式，所述安全模式管理芯片12中的低等级元器件采用间歇工作方式。具体而言，在安全模式下，部分低等级元器件仍需要工作，对这些低等级元器件可以采用间歇工作的方式提高其抗辐照能力。如温度采集元器件，由于温度是缓变量，温度采集元器件可以采用每16秒工作5秒的办法实现提高元器件抗辐照能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种卫星系统级抗辐照系统，其特征在于，包括设置在底板上的安全模式管理芯片以及正常模式处理芯片；
所述安全模式管理芯片，用于进行卫星系统模式中安全模式下的工作处理以及对正常模式处理芯片中各元器件进行断电以及唤醒管理，其中，在安全模式下卫星有效载荷或数据传输不工作且卫星采用对日定向设计；
所述正常模式处理芯片，用于与所述安全模式管理芯片配合进行卫星系统模式中正常模式下的工作处理；
其中，在卫星有效载荷或数据传输不工作时，所述安全模式管理芯片将正常模式处理芯片中的各元器件断电，将卫星系统置于安全模式；在卫星需要工作时，所述安全模式管理芯片唤醒所述正常模式处理芯片中的各元器件，将卫星系统置于正常模式。
2.根据权利要求1所述的卫星系统级抗辐照系统，其特征在于，所述安全模式管理芯片利用LDO对所述正常模式处理芯片中的各元器件进行断电以及唤醒管理。
3.根据权利要求1所述的卫星系统级抗辐照系统，其特征在于，所述安全模式管理芯片进一步用于对正常模式处理芯片中发生闩锁的元器件解除闩锁。
4.根据权利要求1所述的卫星系统级抗辐照系统，其特征在于，所述安全模式管理芯片中的部分元器件采用高等级元器件，所述正常模式处理芯片中的元器件均采用低等级元器件；其中，定义一元器件等级标准，高于所述元器件等级标准的为高等级元器件，低于所述元器件等级标准的为低等级元器件。
5.根据权利要求4所述的卫星系统级抗辐照系统，其特征在于，所述安全模式管理芯片中的低等级元器件采用间歇工作方式。
6.一种卫星系统级抗辐照方法，适用于权利要求1所述的卫星系统级抗辐照系统，其特征在于，包括：
（1）在卫星系统模式中加入安全模式，其中，在安全模式下卫星有效载荷或数据传输不工作且卫星采用对日定向设计；
（2）在卫星有效载荷或数据传输不工作时，安全模式管理芯片将正常模式处理芯片中的各元器件断电，将卫星系统置于安全模式；
（3）在卫星需要工作时，所述安全模式管理芯片唤醒所述正常模式处理芯片中的各元器件，将卫星系统置于正常模式。
7.根据权利要求6所述的卫星系统级抗辐照方法，其特征在于，
步骤（2）进一步包括：所述安全模式管理芯片利用LDO将正常模式处理芯片中的各元器件断电；
步骤（3）进一步包括：所述安全模式管理芯片利用LDO唤醒所述正常模式处理芯片中的各元器件。
8.根据权利要求6所述的卫星系统级抗辐照方法，其特征在于，步骤（2）进一步包括：判断正常模式处理芯片中是否有元器件发生闩锁，若有利用所述安全模式管理芯片解除闩锁。
9.根据权利要求6所述的卫星系统级抗辐照方法，其特征在于，所述安全模式管理芯片中的部分元器件采用高等级元器件，所述正常模式处理芯片中的元器件均采用低等级元器件；其中，定义一元器件等级标准，高于所述元器件等级标准的为高等级元器件，低于所述元器件等级标准的为低等级元器件。
10.根据权利要求9所述的卫星系统级抗辐照方法，其特征在于，所述安全模式管理芯片中的低等级元器件采用间歇工作方式。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200115 Address after: No. 4, building No. 99, Hai Ke Road, Pudong New Area, Shanghai Patentee after: Institute of microsatellite innovation, Chinese Academy of Sciences Address before: 201203 Shanghai city Pudong New Area Hartcourt Road No. 99 Patentee before: Shanghai Engineering Center for Microsatellites |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20201123 Address after: 201303 building C, No. 888, Huanhu West 2nd Road, Lingang xinpian District, Pudong New Area, Shanghai Patentee after: Shanghai Paixing Information Technology Co., Ltd Address before: No. 4, building No. 99, Hai Ke Road, Pudong New Area, Shanghai Patentee before: Institute of microsatellite innovation, Chinese Academy of Sciences |