CN105893664B - 一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系统级单粒子效应影响表征参数及评价方法：根据系统功能分析，建立以元器件为底事件的系统功能模型，结合元器件单粒子敏感性分析，建立系统单粒子效应影响功能模型；基于单粒子效应试验数据，计算分析敏感元器件的单粒子事件率，采用故障注入、重离子辐照试验法或系统历史数据分析方法确定系统各层次间单粒子效应影响传递因子；基于单粒子事件的叠加性原理，计算系统单粒子事件率；结合单粒子效应影响中断时间，计算系统单粒子效应危害度和可用性。本发明采用定量的方法表征单粒子效应对系统的影响，并评价系统单粒子效应的影响后果，该方法可用于指导系统级单粒子效应风险的量化控制。

Description

一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法

技术领域

本发明涉及一种航天电子设备、整星系统单粒子效应影响的表征参数的评价方法，尤其涉及含有大规模集成电路的设备或整星系统单粒子效应影响的表征评价，属于系统单粒子效应评估领域。

背景技术

单粒子效应是指单个高能粒子穿过微电子元器件的灵敏结区时，沉积能量并产生足够数量电荷，这些电荷被器件电极收集后，造成器件逻辑状态的非正常改变，或造成器件损毁。航天器电子系统在轨运行期间，不可避免地遭遇来自地球辐射带中的高能质子、银河宇宙线、太阳宇宙线等空间高能粒子引起的单粒子效应影响。航天器使用的大规模集成电路尤其是大规模逻辑电路如SRAM型FPGA、DSP等将不可避免地发生单粒子效应，导致电路逻辑状态改变，甚至功能失效。根据单粒子效应是否造成器件的物理损伤，可以将上述单粒子效应分为两类：单粒子软错误和单粒子硬错误，前者包括单粒子翻转(SEU)、单粒子瞬态脉冲(SET)、单粒子功能中断(SEFI)，后者包括单粒子锁定(SEL)、单粒子烧毁(SEB)和单粒子栅击穿(SEGR)等。

专利CN101887088B“一种卫星用器件单粒子效应指标的评估方法”公开了一种卫星用器件单粒子翻转指标评估方法，采用RDM的方法来分析星用器件抗单粒子翻转能力，其中使用了分立器件的单粒子翻转阈值、饱和截面以及在轨空间环境粒子特征数据来预示器件的在轨翻转率。

专利CN103605835A“航天器系统级抗单粒子设计评估方法”公开了一种系统级抗单粒子设计评估方法，主要对各种单粒子防护措施的效能进行了评估分析，提出了单粒子效应对系统影响的单粒子翻转率和不连续工作概率等参数。

专利受理号201510188483.7“一种航天器系统单粒子防护薄弱点的识别方法”针对可恢复故障对航天器系统的影响，提出了一种单粒子软错误的危害时间模型。

国内目前已经建立了器件单粒子翻转率的指标评估方法，在系统级单粒子效应影响层面提出了单粒子翻转率、不连续工作概率和危害时间等参数。但复杂分立逻辑器件单粒子效应影响的σ-LET曲线表征法和在轨单粒子事件率预示法都不适应于系统单粒子效应影响的定量分析。这是因为系统一般是由大量不同单元(电路模块、电子设备和分系统)组成，每个单元的单粒子事件敏感性各有差异，具体表现为LET阈值、饱和翻转截面和单粒子事件率有较大差异，无法给出单粒子效应对系统的整体影响，也无法体现系统防护措施的效果。同时，由于不同系统的任务和功能会有差异，系统单粒子效应的影响表征参数也会和器件有所差异。虽然国内外也提出了系统级的单粒子效应影响表征参数，针对的角度不同，所提出的参数存在差异，而且对单粒子效应对系统的影响评价参数尚不全面，系统级单粒子效应整体影响的表征参数的定量化评价分析不足。

发明内容

为了解决背景技术所存在的技术问题，本发明提出一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法，该方法可以从系统对单粒子效应整体响应及单粒子效应影响后果的角度，提出采用系统单粒子事件率来定量表征单粒子效应对系统的整体影响，采用危害度和可用性量化分析系统单粒子效应的影响后果，该方法可用于指导系统级单粒子效应风险的量化控制。

本发明的技术方案是：一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法，包括下列步骤：

(1)根据待评价系统要实现的目的，进行功能分析，依据各个功能单元间的依赖与对应关系，自顶向下分解为若干个功能单元，对元器件单粒子敏感性分析，确定系统中对单粒子效应敏感的元器件，建立系统单粒子效应影响功能模型，所述系统单粒子效应影响功能模型为m层，m≥2，系统总功能为顶层功能单元，元器件为底层功能单元；

(2)基于单粒子效应试验数据，结合选定的航天器轨道参数，计算步骤(1)所确定的对单粒子效应敏感的元器件在轨运行时质子或重离子引起的单粒子事件率；

(3)自底向上确定系统单粒子效应影响功能模型中各下层功能单元与其直接上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子；

(4)基于单粒子事件的叠加性原理，根据步骤(2)所得到的对单粒子效应敏感的元器件单粒子事件率和步骤(3)得到的各下层功能单元与其直接上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子，自底向上地计算各功能单元的单粒子事件率，顶层功能单元单粒子事件率为系统的单粒子事件率，用于表征系统单粒子效应影响；

(5)结合单粒子效应影响中断时间，计算系统单粒子效应危害度和可用性，用于评价单粒子效应对系统带来的后果。

所述步骤(2)中基于单粒子效应试验数据，确定对单粒子效应敏感的元器件单粒子事件率的具体方法为：

(1)针对单粒子效应敏感元器件，分别进行质子单粒子效应试验和重离子单粒子效应试验，分别获取至少三组表示单粒子事件截面σ与质子能量E关系的质子实验数据和表示单粒子事件截面σ与重离子LET值的关系的重离子实验数据；

(2)分别对单粒子事件截面σ与质子能量E和单粒子事件截面σ与重离子LET值建立单粒子事件截面的Weibull函数模型：

式中，σ_sat为器件的饱和单粒子事件截面、L为高能质子能量E值或重离子LET值，L_th为器件发生单粒子事件的阈值，对于质子而言，L_th为能量阈值E_th，对于重离子而言，L_th为重离子LET阈值LET_th，W和S参数为Weibull函数的宽度因子和形状因子；

(3)根据质子实验数据和重离子实验数据，分别采用单粒子事件截面的Weibull函数模型进行拟合，获得器件的单粒子事件截面σ与质子能量的关系函数σ(E)和单粒子事件截面σ与重离子LET值的关系函数σ(LET)；

(4)根据选定的航天器轨道参数，结合空间环境模型获得空间质子的能量微分谱f(E)和空间重离子LET积分谱f(LET)；

(5)将单粒子事件截面σ与质子能量的关系函数σ(E)和空间质子的能量微分谱f(E)相乘并积分，计算元器件在轨运行时质子引起元器件的单粒子事件率；将单粒子事件截面σ与重离子LET值的关系函数σ(LET)和空间重离子LET积分谱f(LET)相乘并积分，计算单粒子效应敏感元器件在轨运行时重离子引起器件的单粒子事件率。

底层功能单元与其直接上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子的确定方法有：故障注入法、重离子辐照试验法和历史数据分析法；除了底层功能单元之外的其他功能单元与其直接上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子的确定方法有：故障注入法和历史数据分析法。

所述故障注入法为：

(1)根据真实的物理关系连接需要确定单粒子效应影响传递因子的两个功能单元，建立故障注入实验模型；

(2)选定故障注入实验模型的下层功能单元作为故障注入对象，通过计算机仿真的方式或故障注入设备对所选功能单元注入故障；

(3)监测所选故障注入对象的上层功能单元的输出错误数；

(4)计算故障注入数量与上层功能单元输出错误数之比，得到所选故障注入对象与其上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子。

所述单粒子效应辐照试验法为：

(1)选择一个对单粒子效应敏感的元器件，对其进行质子或重离子单粒子效应辐照试验；

(2)在试验过程中监测元器件和其直接上层功能单元的单粒子事件故障数；

(3)计算元器件单粒子效应故障与其直接上层功能单元单粒子效应故障的数量之比，获得所辐照元器件与其直接上层功能单元之间的单粒子效应故障传递因子。

所述历史数据分析法为：

(1)分析实际在轨运行数据，统计功能单元发生的单粒子事件故障数及其上层功能单元单粒子事件故障数；

(2)计算功能单元单粒子事件故障数与其上层功能单元单粒子事件故障数之比，得到该功能单元单粒子事件与其上层功能单元影响的传递因子。

计算各功能单元的单粒子事件率的具体方法为：

式中，P_i为第i个功能单元单粒子事件率，n表示第i个功能单元可以分解成n个下层功能单元，P_j，j＝1～n分别表示第i个功能单元的第j个下层功能单元的单粒子事件率。

系统的单粒子效应危害度计算公式为：

式中，n为步骤(1)中的影响功能模型中的系统总功能的直接下层功能单元数，P_i是第i个直接下层功能单元的单粒子事件发生率，β_i为系统总功能的第i个直接功能单元单粒子事件对系统的影响传递因子，t_oi是系统总功能的第i个直接功能单元单粒子事件导致的系统功能中断持续时间。

系统的单粒子系统的可用性的计算公式为：

式中，A_s为系统可用性，式中，n为步骤(1)中的影响功能模型中的系统总功能的直接下层功能单元数，P_i是第i个直接下层功能单元的单粒子事件发生率，β_i为系统总功能的第i个直接下层功能单元单粒子事件对系统的影响传递因子，t_oi是系统总功能的第i个直接下层功能单元单粒子事件导致的系统功能中断持续时间。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明基于功能分析，建立了以元器件为底事件的系统功能模型，结合单粒子效应作用机理，分析元器件的单粒子效应敏感性，建立了反映单粒子效应影响的影响功能模型，实现了单粒子效应影响分析模型的简化；

(2)本发明通过故障注入、单粒子效应试验方法和系统历史数据分析法分别适应于系统不同层次，可全面真实地获得系统层次间单粒子效应影响传递因子；

(3)本发明引入了系统单粒子事件率表征参数，并可以引申出系统单粒子数据错误率，功能错误率等参数来表征系统级单粒子效应的影响；

(4)本发明引入了单粒子效应危害度和系统可用性来全面评价单粒子效应的影响后果，并全部实现了定量化地表征和评价分析，可用于指导系统级单粒子效应风险的量化控制。

附图说明

图1是本发明系统级单粒子效应影响表征评价方法流程图。

图2是本发明实施例以元器件为底事件的系统功能模型图。

图3是带有影响传递因子的信号生成与控制系统单粒子效应功能模型图。

图4是Xilinx 300万门SRAM型FPGA的重离子σ-LET曲线。

图5是典型地球同步轨道重离子LET谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍。

实施例1：

如图1所示，本发明系统级单粒子效应影响表征的评价方法流程图，具体步骤如下：

S1:确定系统中对单粒子效应敏感的元器件，建立系统单粒子效应影响功能模型

首先，根据系统任务需求，确定系统的功能，依据各个功能单元与元器件的依赖与对应关系，对系统功能自顶向下分解为若干个功能单元，建立以元器件为底事件的系统功能模型。

然后，根据单粒子效应发生的物理机制及各种类型单粒子效应所对应的器件类型，确定系统中对单粒子效应敏感元器件，如体硅CMOS器件对单粒子锁定敏感，大规模数字集成电路对单粒子翻转和单粒子功能中断敏感，高压功率MOSFET对于单粒子烧毁和单粒子栅击穿敏感。

最后，剔除对单粒子效应不敏感的元器件，对系统功能模型进行简化，建立系统单粒子效应影响功能模型，所述系统单粒子效应影响功能模型包括系统总功能、功能单元、子功能单元、单粒子效应敏感元器件m个层次，m≥2，系统总功能为顶层功能单元，元器件为底层功能单元。

本发明以典型的航天器信号生成与控制系统为例进行说明。对航天器信号生成与控制系统而言，系统任务需要完成信号生成与控制任务功能，主要包括的子功能有信号生成、时间生成、信号处理、管理与控制(管控)、信号监测和通信功能。这些功能又由设备A，设备B、设备C和设备D构成。其中设备A完成信号生成、时间生成和信号处理功能，设备B完成信号处理功能，设备C完成管控功能和通信功能、设备D完成管控功能、信号监测功能和通信功能。

设备A为了完成了所涉及的三项功能，含有大量的电子元器件，包括Xilinx公司的300万门SRAM型FPGA1、300万门SRAM型FPGA2和300万门SRAM型FPGA3及其一些辅助元器件，其中信号生成功能主要由FPGA1及其外围辅助器件完成、时间生成功能主要由FPGA2及其外围辅助器件完成、信号处理功能主要由FPGA3及其外围辅助器件完成。

设备B的信号处理功能主要由滤波器、信号放大器等器件完成。

设备C的管控功能由继电器完成，通信功能由功放器件完成。

设备D含有300万门SRAM型FPGA4、300万门SRAM型FPGA5、300万门SRAM型FPGA6、数据处理器DSP和一些辅助元器件，其中管控功能主要由FPGA4及其外围辅助器件完成、信号监测功能主要有FPGA5及其外围器件完成、通信功能主要由FPGA6、DSP和外围辅助器件完成。

据以上的功能分析，可以建立以元器件为底事件的系统功能模型。见图2。

根据单粒子效应发生的物理机制及各种类型单粒子效应所对应的器件类型，确定系统中对单粒子效应敏感的元器件。对于本实施例而言，系统内含有的Xilinx公司300万门SRAM型FPGA和DSP均属于大规模集成数字电路，其他一些继电器、功率器件、放大器等均属于单粒子效应不敏感器件。从而确定了系统内部对单粒子效应敏感的器件清单，即FPGA1、FPGA2、FPGA3、FPGA4、FPGA5、FPGA6和DSP。这些敏感元器件分别属于设备A和设备D，其中设备A含有对单粒子效应敏感的FPGA1、FPGA2和FPGA3，设备D含有对单粒子效应敏感的FPGA4、FPGA5、FPGA6和DSP。设备B和设备C内含有的放大器、继电器、功率器件等对单粒子效应不敏感。所建立的单粒子效应功能模型是以单粒子效应对系统各功能的影响为基础的，因此，本系统的单粒子效应影响功能模型中需排除设备B和设备C，依据前述分析，所建立的单粒子效应影响功能模型，见图3，图中：S为系统功能单元；F1为信号生成功能单元；F2为时间生成功能单元；F3为信号处理功能单元；F4为管控功能单元；F5为信号监测功能单元；F6为通信功能单元；D1为FPGA1；D2为FPGA2；D3为FPGA3；D4为FPGA4；D5为FPGA5；D6为FPGA6；D7为DSP。

单粒子效应影响功能模型是建立在考虑单粒子效应的影响，对系统功能模型简化的基础上。

S2:计算系统中对单粒子效应敏感的元器件在轨运行时质子或重离子引起的单粒子事件率

1)针对单粒子效应敏感元器件，进行质子单粒子效应试验或重离子单粒子效应试验，分别获取至少三组表示单粒子事件截面σ与质子能量E关系的质子实验数据或表示单粒子事件截面σ与重离子LET值的关系的重离子实验数据。对本实施例涉及到的Xilinx公司300万门SRAM型FPGA进行重离子单粒子效应辐照试验，获得了σ-LET实验数据，见图4。

2)分别对单粒子事件截面σ与质子能量E和单粒子事件截面σ与重离子LET值进行建立单粒子事件截面的Weibull函数模型，所述Weibull函数模型为：

式中，σ_sat为器件的饱和单粒子事件截面、L为高能质子能量E值或重离子沉积LET值，L_th为器件发生单粒子事件的阈值，对于质子而言，L_th为能量阈值E_th，对于重离子而言，L_th为重离子沉积阈值LET_th，W和S参数为Weibull函数的宽度因子和形状因子。

3)根据质子实验数据或重离子实验数据，分别采用单粒子事件截面的Weibull函数模型进行拟合，获得器件的单粒子事件截面σ与质子能量的关系函数σ(E)，单粒子事件截面σ与重离子LET值的关系函数σ(LET)。对图4中的曲线进行Weibull拟合，获得拟合参数为：饱和截面σ_sat为4.37E-8cm²/bit，LET阈值LET_th为1.0MeV cm²/mg，宽度参数W为33，形状参数S为0.8。

4)根据选定的航天器轨道参数，结合空间环境模型获得空间质子的能量微分谱f(E)和空间重离子LET积分谱f(LET)。对于本实施例，选取地球同步轨道(GEO轨道，轨道高度35786km，倾角0°)，结合空间环境模型获得典型的GEO轨道空间重离子LET积分谱，见图5。

5)用单粒子事件截面σ与质子能量的关系函数σ(E)与空间质子的能量微分谱f(E)相乘，在全质子能量下进行积分，计算元器件在轨运行时质子引起元器件的单粒子事件率；用单粒子事件截面σ与重离子LET值的关系函数σ(LET)与空间重离子LET积分谱f(LET)相乘并进行积分，计算单粒子效应敏感元器件在轨运行时重离子引起器件的单粒子事件率。

(1)质子引起的单粒子事件率

对于质子的单粒子事件率能够简化用截面与质子微分能谱相乘，在全质子能量下进行积分，得到质子引起器件的单粒子事件率。

其中：E₀为计算得到的空间质子最小能量，E_max为空间质子最大能量，σ(E)是不同能量质子对应的器件单粒子事件截面，单位是cm²；f(E)是空间高能质子微分谱，单位p/(cm²·MeV·s)。

(2)重离子引起的单粒子事件率

对于重离子引起的单粒子事件率能够简化为单粒子事件截面与重离子积分能谱f(LET)相乘，再进行积分，得到重离子引起器件的单粒子事件率：

其中：σ(LET)是不同LET对应的单粒子事件截面，单位是cm²，f(LET)是根据航天器轨道参数，采用空间环境模型计算得到空间重离子LET积分谱，单位是n/(cm²·Sr·s)。

通常进行单粒子事件率计算分析时，可以借助相关成熟的计算工具，如Space或OMERE等，这些工具中计算在轨单粒子事件率的模型为CREME96，最终计算得到CREME 96模型最恶劣7天情况下，器件的轨道在轨单粒子事件率。对于本实施例所对应的GEO轨道，以重离子为例说明单粒子事件率的计算，质子单粒子事件率的计算可类比。根据重离子单粒子事件率计算公式(2)，计算获得：

FPGA1的单粒子事件率为3.7E-3次/天；

FPGA2的单粒子事件率为3.7E-3次/天；

FPGA3的单粒子事件率为3.7E-3次/天；

FPGA4的单粒子事件率为1.41E-3次/天；

FPGA5的单粒子事件率为1.41E-3次/天；

FPGA6的单粒子事件率为1.27E-3次/天；

DSP的单粒子事件率为7.43E-7次/天。

由此可见，不同类型的电子元器件其单粒子事件率会有很大差异，即构成系统的基本单元单粒子事件率的不同导致无法科学准确评估航天器系统的单粒子效应影响。

S3:确定系统单粒子效应功能故障模型中系统各下层功能单元与其直接上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子

一个系统由若干设备组成，一个设备由若干元器件组成，系统单粒子效应功能故障模型可由多个层次组成，最下层为元器件。系统层次间单粒子效应影响的传递因子β，表征的是系统两相邻层次单元间单粒子效应导致系统故障数的比值，即下层单元单粒子事件对上层次单元输出故障的影响程度，也可以说是下层单元单粒子事件导致上层单元外部输出错误的可能性。该因子与设备/整星系统拓扑结构、防护设计措施等有关。本实施例中所说的单粒子事件指的是单粒子效应引起的单元输出数据错误或功能故障。

对于系统单粒子效应的传递因子，0和1值可以通过工程分析获得。对于单粒子效应中的单粒子硬错误而言，影响传递因子为1。处于取值处于0,1中间的传递因子可以通过故障注入、重离子辐照试验法或系统历史数据分析方法三种方式获得。

1)故障注入：

该方法可适用于系统中上下两层功能单元间单粒子效应传递因子的获取，主要步骤如下：

(1)根据真实的物理关系连接需要确定单粒子效应影响传递因子的两个功能单元，建立故障注入实验模型；

(2)选定故障注入实验模型的下层功能单元作为故障注入对象，通过计算机仿真的方式或故障注入设备对所选功能单元注入故障；

(3)监测所选故障注入对象的上层功能单元的输出错误数；

(4)计算故障注入数量与上层功能单元输出错误数之比，得到所选故障注入对象与上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子。

对于不太复杂的电路板/设备系统可建立系统的真实物理连接模型，通过计算机仿真的方式注入故障，在故障所在层级的上一级监测注入的故障引起的错误响应，包括错误次数，故障模式等。通过上下层功能单元间单粒子效应间的故障数量比例关系，获得β因子。

对于复杂的设备乃至整星系统，这种计算机建模方法不太适合，而应该采取硬件故障注入的方法。采用故障注入设备对硬件目标系统进行单粒子故障注入，通过监测系统的输出相应，定量获取故障注入数量与系统输出错误/故障的关系，即β因子。

该方法可适用于电路板/设备/分系统和整星系统上下层功能单元间单粒子效应传递因子的获取。

2)单粒子效应试验法：

该方法适应于获取电子元器件的单粒子效应试验数据，同时也可以获得设备系统内某一器件发生单粒子事件对设备系统的影响，主要步骤如下：

(1)选择一个对单粒子效应敏感的元器件，对其进行质子或重离子单粒子效应辐照试验；

(2)在试验过程中监测元器件和其直接上层功能单元的单粒子事件故障数；

(3)计算元器件单粒子效应故障与其直接上层功能单元单粒子效应故障的数量之比，获得所辐照元器件与其直接上层功能单元之间的单粒子效应故障传递因子。

可以同时监测器件和设备的不同类型的单粒子错误响应，包括造成的数据错误和功能故障等。然而，要全面获得设备系统内部各敏感器件对设备的影响，要对不同的器件进行重离子试验，全面获得设备内部各敏感器件单粒子效应对设备的影响。而重离子试验方法对于更为复杂的分系统/整星系统则不适用，仅适用于电路板/设备层面。不仅如此，重离子辐照试验由于机时资源有限，机时昂贵等，不可能进行大量的试验。因此，重离子辐照试验获取影响因子的方法具有一定的局限性。

3)历史数据分析方法

(1)分析实际在轨运行数据，统计功能单元发生的单粒子事件故障数及其上层功能单元单粒子事件故障数；

(2)计算功能单元单粒子事件故障数与其上层功能单元单粒子事件故障数之比，得到该功能单元单粒子事件与其上层功能单元影响的传递因子。

综上所述，以上三种计算系统各下层功能单元与其直接上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子方法各有优缺点，针对不同的系统可以根据实际情况采用多种方法得到功能影响模型中的传递因子。

对于本实施例，通过工程分析，得到器件FPGA1、FPGA2、FPGA3、FPGA4和FPGA5的单粒子效应引起的功能中断一定会导致信号生成功能中断、时间生成功能中断、信号生成功能中断、信号管理与控制功能以及信号监测功能中断。因此，FPGA1、FPGA2、FPGA3、FPGA4和FPGA5单粒子效应对直接上层功能单元的影响传递因子均为1。

通信功能由FPGA6和DSP两个器件共同完成，分别对FPGA6和DSP进行故障注入，监测通信功能故障数，并计算其与FPGA6和DSP器件故障注入单粒子事件数之比，得到FPGA单粒子效应故障对通信功能的影响传递因子为2/3，DSP的影响传递因子为1/3。

在功能单元上进行故障注入，统计功能单元的单粒子事件故障注入数与系统单粒子事件数，计算系统单粒子事件数与功能单元单粒子事件故障注入数之比，得到功能单元单粒子效应系统的影响传递因子。

本实施例中，在功能单元上进行故障注入，得到：

信号生成功能单粒子效应对系统功能中断的影响传递因子为1。

时间生成功能单粒子效应对系统功能中断的影响传递因子为1。

信号处理功能单粒子效应对系统功能中断的影响传递因子为1。

管控功能单粒子效应对系统功能中断的影响传递因子为1/16。

信号监测功能单粒子效应对系统功能中断的影响传递因子1/24。

通信功能单粒子效应对系统功能中断的影响传递因子为1/35。

所有的影响传递因子都标注在系统单粒子效应影响功能模型中，见图2。

S4:基于单粒子事件的叠加性原理，自底向上地计算各功能单元的单粒子事件率,顶层单粒子事件率为系统单粒子事件率，用于表征系统单粒子效应影响

功能单元的单粒子事件具有叠加的特性，具体计算方法如下：

式中，P_i为第i个功能单元单粒子事件率，n表示第i个功能单元可以分解成n个下层功能单元，P_j，j＝1～n分别表示第i个功能单元的第j个下层功能单元的单粒子事件率。

对于本实施例，将步骤(2)中得到的元器件单粒子事件率和步骤(3)中得到的元器件与各直接上级功能单元间的单粒子效应影响传递因子代入公式(4)中，得到：

信号生成功能单元的单粒子事件率为：P₁＝3.73E-3×1＝3.7E-3次/天；

时间生成功能单元的单粒子事件率为：P₂＝3.73E-3×1＝3.7E-3次/天；

信号处理功能单元的单粒子事件率为：P₃＝1.41E-3×1＝1.41E-3次/天；

管控功能单元的单粒子事件率为：P₄＝1.41E-3×1＝1.41E-3次/天；

信号监测功能单元的单粒子事件率为：P₅＝1.41E-3×1＝1.41E-3次/天；

通信功能单元的单粒子事件率为：P₆＝1.27E-3×2/3+7.43E-7×1/3＝8.47E-4次/天。

顶层功能单元单粒子事件率为系统单粒子事件率(System Single Event Rate，SSER)，用于表征系统单粒子效应影响参数来表征设备/整星系统单粒子效应的影响。系统单粒子事件率是指设备一定时间内发生的外部可见的功能异常的次数。系统外部可见的功能异常次数是指单粒子效应造成的错误在内部组成功能单元中产生、传递并最终体现在系统输出上。

系统最终出现的单粒子事件的数量可以通过将出现在各个组成功能单元的单粒子事件数量相加而获得，即单粒子事件发生的次数具有可加性。在相同的时间内，单粒子事件的可加性和单粒子事件率的可加性是等价的，即：

SSER＝∑p_i (5)

其中，p_i为系统各直接下级功能单元的单粒子事件率。

根据本实施例系统的单粒子效应影响功能模型及功能单元与系统单粒子效应影响传递因子，系统的单粒子事件率为：

将系统各功能直接下级功能单元的单粒子事件率和系统总功能与各直接下级功能单元之间的单粒子效应影响传递因子代入上式(6)中，得到系统的单粒子事件率为：

SSER＝8.98E-3次/天

也就是说本实施系统在轨空间单粒子事件率约为一年发生3.3次单粒子事件。

根据单粒子效应造成的影响程度，单粒子事件率还可以衍生出系统数据准确率、系统功能异常率、系统任务中断率等指标。

S5:结合单粒子效应影响中断时间，计算系统单粒子效应危害度和可用性，用于评价单粒子效应对系统带来的后果

系统发生单粒子事件后，一般会根据发生的单粒子效应类型及部位，采用定时刷新、断电重启等措施来消除单粒子效应的影响。此外，在系统抗辐射设计时，通常也会根据所采用的逻辑器件类型和任务要求，采取如三模冗余、冗余备份、纠检错、三取二表决等防护措施。因此，系统发生单粒子事件造成系统的功能中断和任务中断后，这些防护措施就会启用，一般用中断持续时间t₀表示。根据单粒子效应对系统造成的危害程度，引入危害度和系统可用性来表述单粒子效应对系统造成的影响后果。

危害度C_r：

式中，n为步骤(1)中的影响功能模型中的系统总功能的直接下层功能单元数，P_i是第i个直接下层功能单元的单粒子事件发生率，β_i为系统总功能的第i个直接功能单元单粒子事件对系统的影响传递因子，t_oi是系统总功能的第i个直接功能单元单粒子事件导致的系统功能中断持续时间。

系统可用性As为：

式中，A_s为系统可用性，n为步骤(1)中的影响功能模型中的系统总功能的直接下层功能单元数，P_i是第i个直接下层功能单元的单粒子事件发生率，β_i为系统总功能的第i个直接下层功能单元单粒子事件对系统的影响传递因子，t_oi是系统总功能的第i个直接下层功能单元单粒子事件导致的系统功能中断持续时间。

对于本实施例系统，系统具有F₁，F₂，F₃，…，F₆等六个功能单元。系统采用了定时刷新、三模冗余等措施来消除单粒子效应的影响。同时，系统在出现不可自行恢复的单粒子事件后，还可以断电重启等方式来消除当前单粒子效应的影响，每个功能单元单粒子事件消除的时间也会有差异，对应F₁，F₂，F₃，…，F₆六个功能单元，功能单元单粒子事件导致信号处理与控制系统的功能中断时间分别用t₀₁,t₀₂,t₀₃,…,t₀₆表示。该中断时间对于特定的功能单元单粒子事件而言为常数，可以通过设备实际进行功能恢复时间测量获得。

对于本实施例来说，单粒子效应导致的信号生成功能、时间生成功能、管控功能单元中断的恢复时间约为6.7小时，即t₀₁，t₀₂和t₀₄为6.7小时；信号处理功能和信号监测功能单元中断的恢复时间为4小时，即t₀₃和t₀₅为4小时；通信功能单元中断的恢复时间为10小时，即t₀₆为10小时。

因此，系统的单粒子效应危害度为：

系统的可用性为：

实施例2：

本发明适用于复杂的整星系统、分系统，也适用于设备、电路板层面的小系统。例如当系统为实施例1中仅实现通信功能的一个功能单元时，通信功能由FPGA6和DSP两个器件共同完成，只需要得到FPGA6的单粒子事件率为1.27E-3次/天、DSP的单粒子事件率为7.43E-7次/天、FPGA单粒子效应故障对通信功能的影响传递因子2/3，DSP单粒子效应故障对通信功能的影响传递因子1/3，按照公式(4)即可算得该系统的单粒子事件率：P＝1.27E-3×2/3+7.43E-7×1/3＝8.47E-4次/天。

实施例3：

当系统为实施例1中所述的航天器信号生成与控制系统上级更为复杂的航天器系统时，将航天器信号生成与控制系统当作航天器系统的单粒子影响功能模型中的一个功能单元，将实施例1中计算出来的生成与控制系统的单粒子事件率(SSER＝8.98E-3次/天)当作该功能单元的单粒子事件率，代入到公式(4)中计算上级功能单元的单粒子事件率，依次类推，进而得到复杂航天系统的单粒子事件率。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据待评价系统要实现的目的，进行功能分析，依据各个功能单元间的依赖与对应关系，自顶向下分解为若干个功能单元，对元器件单粒子敏感性分析，确定系统中对单粒子效应敏感的元器件，建立系统单粒子效应影响功能模型，所述系统单粒子效应影响功能模型为m层，m≥2，系统总功能为顶层功能单元，元器件为底层功能单元；

(2)基于单粒子效应试验数据，结合选定的航天器轨道参数，计算步骤(1)所确定的对单粒子效应敏感的元器件在轨运行时质子或重离子引起的单粒子事件率；

(3)自底向上确定系统单粒子效应影响功能模型中各下层功能单元与其直接上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子；

(4)基于单粒子事件的叠加性原理，根据步骤(2)所得到的对单粒子效应敏感的元器件单粒子事件率和步骤(3)得到的各下层功能单元与其直接上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子，自底向上地计算各功能单元的单粒子事件率，顶层功能单元单粒子事件率为系统的单粒子事件率，用于表征系统单粒子效应影响；

(5)结合单粒子效应影响中断时间，计算系统单粒子效应危害度和可用性，用于评价单粒子效应对系统带来的后果。

2.根据权利要求1所述的一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法，其特征在于步骤(2)中基于单粒子效应试验数据，确定对单粒子效应敏感的元器件单粒子事件率的具体方法为：

(1)针对单粒子效应敏感元器件，分别进行质子单粒子效应试验和重离子单粒子效应试验，分别获取至少三组表示单粒子事件截面σ与质子能量E关系的质子实验数据和表示单粒子事件截面σ与重离子LET值的关系的重离子实验数据；

(2)分别对单粒子事件截面σ与质子能量E和单粒子事件截面σ与重离子LET值建立单粒子事件截面的Weibull函数模型：

式中，σ_sat为器件的饱和单粒子事件截面、L为高能质子能量E值或重离子LET值，L_th为器件发生单粒子事件的阈值，对于质子而言，L_th为能量阈值E_th，对于重离子而言，L_th为重离子LET阈值LET_th，W和S参数为Weibull函数的宽度因子和形状因子；

(3)根据质子实验数据和重离子实验数据，分别采用单粒子事件截面的Weibull函数模型进行拟合，获得器件的单粒子事件截面σ与质子能量的关系函数σ(E)和单粒子事件截面σ与重离子LET值的关系函数σ(LET)；

(4)根据选定的航天器轨道参数，结合空间环境模型获得空间质子的能量微分谱f(E)和空间重离子LET积分谱f(LET)；

(5)将单粒子事件截面σ与质子能量的关系函数σ(E)和空间质子的能量微分谱f(E)相乘并积分，计算元器件在轨运行时质子引起元器件的单粒子事件率；将单粒子事件截面σ与重离子LET值的关系函数σ(LET)和空间重离子LET积分谱f(LET)相乘并积分，计算单粒子效应敏感元器件在轨运行时重离子引起器件的单粒子事件率。

3.根据权利要求1所述的一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法，其特征在于底层功能单元与其直接上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子的确定方法有：故障注入法、重离子辐照试验法和历史数据分析法；除了底层功能单元之外的其他功能单元与其直接上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子的确定方法有：故障注入法和历史数据分析法。

4.根据权利要求3所述的一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法，其特征在于所述故障注入法为：

(1)根据真实的物理关系连接需要确定单粒子效应影响传递因子的两个功能单元，建立故障注入实验模型；

(2)选定故障注入实验模型的下层功能单元作为故障注入对象，通过计算机仿真的方式或故障注入设备对所选功能单元注入故障；

(3)监测所选故障注入对象的上层功能单元的输出错误数；

(4)计算故障注入数量与上层功能单元输出错误数之比，得到所选故障注入对象与上层功能单元之间的单粒子效应影响传递因子。

5.根据权利要求3所述的一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法，其特征在于所述重离子辐照试验法为：

(1)选择一个对单粒子效应敏感的元器件，对其进行质子或重离子单粒子效应辐照试验；

(2)在试验过程中监测元器件和其直接上层功能单元的单粒子事件故障数；

(3)计算元器件单粒子效应故障与其直接上层功能单元单粒子效应故障的数量之比，获得所辐照元器件与其直接上层功能单元之间的单粒子效应故障传递因子。

6.根据权利要求3所述的一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法，其特征在于所述历史数据分析法为：

(1)分析实际在轨运行数据，统计功能单元发生的单粒子事件故障数及其上层功能单元单粒子事件故障数；

(2)计算功能单元单粒子事件故障数与其上层功能单元单粒子事件故障数之比，得到该功能单元单粒子事件与其上层功能单元影响的传递因子。

7.根据权利要求1所述的一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法，其特征在于步骤(4)中计算各功能单元的单粒子事件率的具体方法为：

式中，P_i为第i个功能单元单粒子事件率，n表示第i个功能单元可以分解成n个下层功能单元，P_j，j＝1～n分别表示第i个功能单元的第j个下层功能单元的单粒子事件率。

8.根据权利要求1所述的一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法，其特征在于步骤(5)中所述的系统单粒子效应危害度计算公式为：

式中，n为步骤(1)中的影响功能模型中的系统总功能的直接下层功能单元数，P_i是第i个直接下层功能单元的单粒子事件发生率，β_i为系统总功能的第i个直接功能单元单粒子事件对系统的影响传递因子，t_oi是系统总功能的第i个直接功能单元单粒子事件导致的系统功能中断持续时间。

9.根据权利要求1所述的一种系统级单粒子效应影响表征参数的评价方法，其特征在于步骤(5)中所述的系统单粒子效应可用性的计算公式为：

式中，A_s为系统可用性，式中，n为步骤(1)中的影响功能模型中的系统总功能的直接下层功能单元数，P_i是第i个直接下层功能单元的单粒子事件发生率，β_i为系统总功能的第i个直接下层功能单元单粒子事件对系统的影响传递因子，t_oi是系统总功能的第i个直接下层功能单元单粒子事件导致的系统功能中断持续时间。