CN109976962A - 一种用于fy-4a卫星闪电成像仪的fpga单粒子翻转防护方法及系统 - Google Patents
一种用于fy-4a卫星闪电成像仪的fpga单粒子翻转防护方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种用于FY‑4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法及系统。该方法包括在FY‑4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测；在FY‑4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护；在FY‑4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护；在FY‑4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护。本申请解决了针对FY‑4A卫星闪电成像仪FPGA的单粒子效应研究时，缺少单粒子翻转防护措施的技术问题。本申请根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求，同时采取自动判别与自动发令、动态刷新与定时刷新、软件复位与硬件复位等多种单粒子翻转防护综合措施，实现了FPGA单粒子翻转自动恢复。通过以上工作，目前FY‑4A卫星闪电成像仪已经有效的减少了单粒子翻转效应对闪电探测产品的影响。
Description
技术领域
本申请涉及气象卫星地面应用系统领域，具体而言，涉及一种用于FY-4A 卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法及系统。
背景技术
FY-4A卫星卫星作为我国新一代静止轨道气象卫星的首发试验试用卫星，于2016年12月11日成功发射。卫星平台采用先进的三轴稳定姿态控制方式，主要搭载了多通道扫描辐射成像仪、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪等四台仪器，其中FY-4A卫星闪电成像仪主要功能是连续实时监测中国区域及邻近地区的总闪电。目前全球搭载闪电成像仪的静止卫星仅有FY-4A卫星与2016年11月发射的美国GOES-R。
FY-4A卫星闪电成像仪分系统实现闪电信号检测处理的部组件是作为 RTEP(realtime event processor，实时事件处理器)，闪电成像仪星上实时事件处理算法包含信号限幅、逐像元多帧背景实时评估、背景去除、阈值自适应设置、闪电事件判断、闪电事件排序、闪电事件编码等功能。该部分功能实现采用SRAM(static random access memory，静态随机存储器)型可重载FPGA(field programmable gate array，现场可编程门阵列)，具有信息密度大、性能高、和灵活的编程配置能力，使其具有在轨程序上注更改的重新配置功能。
FPGA各可编程功能模块由内部不同的存储资源构成，这些存储资源存储着电路结构功能的配置信息及其电路工作状态信息。在一些电磁、辐射环境比较恶劣的情况下，由宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区，使器件逻辑状态翻转的现象称为单粒子翻转(Single Event Upset，SEU)。单粒子翻转会导致FPGA中存储单元的内容改变，导致计算结构错误、程序执行序列错误等。
发明人通过比较单粒子发生后和正常情况下的观测数据，可见单粒子翻转事件对FY-4A卫星闪电成像仪闪电观测工作状态产生严重影响。
而作为全球首批搭载闪电成像仪的静止气象卫星，FY-4A卫星卫星搭载的FPGA芯片生成的闪电观测数据是我国首次在地面应用系统中处理卫星观测闪电数据，数据类型种类多，时效性强。在FY-4A卫星闪电成像仪的运行保障工作中，技术人员能够掌握基本的判断单粒子翻转情况的方法和防护流程，但是由于单粒子翻转发生时间随机性强，并且闪电成像产品为1min高频次产品，仅凭人工防护无法在长期业务运行期间做到高时效性响应。
针对相关技术中针对FY-4A卫星闪电成像仪FPGA的单粒子效应研究时，缺少单粒子翻转防护措施的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA 单粒子翻转防护方法及系统，以解决针对FY-4A卫星闪电成像仪FPGA的单粒子效应研究时，缺少单粒子翻转防护措施的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种用于FY-4A 卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法。
根据本申请的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法包括：在FPGA闪电事件配置存储区单粒子翻转防护，适合采取动态刷新的方式，通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作，以使在所述FY-4A卫星闪电成像仪减少单粒子翻转效应对闪电探测产品的影响，所述方法包括：在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA 单粒子翻转自动检测；在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护；在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护；在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护。
进一步地，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测包括：根据FPGA单粒子翻转对闪电探测产品所造成影响的不同，并结合闪电事件数据逻辑关系、系统资源情况，在地面系统中部署单粒子检测程序，用于实现FPGA单粒子翻转异常自动辨识。
进一步地，根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求，同时采用在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护；和/或，根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求，同时采用在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护；和/或，根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求，同时采用在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护。
进一步地，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测包括：将单粒子翻转检测程序部署在数据获取和测控分系统中，针对L0级闪电数据进行实时监测，实现单粒子翻转自主辨识小于1min；在判别出单粒子翻转现象发生后由数据获取和测控分系统向任务管理与控制分系统发出报警信息。
进一步地，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护包括：在收到数据获取和测控分系统所发出的单粒子翻转报警信息后，通过分系统的发令系统发送闪电地面强制FPGA刷新指令；在不断电的情况下完成对星上闪电成像仪中FPGA进行重新配置，对已发生的单粒子翻转错误进行恢复，配置时间约20s，实现自主恢复小于1min。
进一步地，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护包括：获取单粒子翻转情况，通过每日定时FPGA刷新，消除每日累积的没有引起程序错误的单粒子翻转，恢复FPGA正常工作状态，从而最终达到有效减少大面积单粒子翻转发生的情况；其中，所述单粒子翻转情况包括：由于位置翻转成为虚假事件闪电事件由于位置翻转；或者某单个数据包格式、各数据顺序、各数据位置、各数据数目等出现错乱。
进一步地，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护包括：指令自动编排、自动读取、自动发送、自动校验、自动重注，实现了闪电仪复位的全程自动发令，用于在持续性的空间天气活跃期所采取的软硬件刷新条件下使用。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种用于FY-4A 卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护系统，在FPGA闪电事件配置存储区单粒子翻转防护，适合采取动态刷新的方式，通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作，以使在所述FY-4A卫星闪电成像仪减少单粒子翻转效应对闪电探测产品的影响。
根据本申请的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护系统包括：自动检测模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测；自动刷新防护模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA 自动刷新防护；定时刷新防护模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行 FPGA定时刷新防护；复位保护模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护。
进一步地，FY-4A卫星卫星闪电探测数据的类型包括：闪电位置、闪电强度、背景评估值、阈值和位置校验码。
进一步地，系统还包括：FPGA单粒子翻转判识与防护模块，用于对闪电时间单粒子翻转判断；背景评估值与阈值的单粒子翻转判断；闪电事件分区、位置和强度单粒子翻转判断；闪电位置校验单粒子翻转判断。
在本申请实施例中，采用在FPGA闪电事件配置存储区单粒子翻转防护，适合采取动态刷新的方式，通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作，以使在所述FY-4A卫星闪电成像仪减少单粒子翻转效应对闪电探测产品的影响的方式，通过在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测；在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护；在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护；在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护，达到了通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作的目的，从而实现了FPGA单粒子翻转自动恢复的技术效果，进而解决了针对FY-4A卫星闪电成像仪FPGA的单粒子效应研究时，缺少单粒子翻转防护措施的技术问题。
此外，通过本申请中的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法，单粒子检测程序针对多种单粒子效应总体辨识度超过90％，驱动实施实时刷新12次，指令发送成功率100％，实现了单粒子效应影响小于 1min。在持续性的空间天气活跃期，闪电成像仪工作状态基本稳定，暂不需要安排复位自动发令安排在常规业务运行时间表中。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法流程示意图；
图2是根据本申请实施例的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护系统结构示意图；
图3是本申请中闪电时间单粒子翻转示意图；
图4是本申请中背景评估值与阈值的单粒子翻转示意图；
图5是本申请中闪电事件分区、位置和强度单粒子翻转示意图；
图6是本申请中闪电位置校验单粒子翻转示意图；
图7是本申请中FY-4A卫星-闪电成像仪单粒子翻转后自动发令系统示意图；
图8是本申请中闪电成像仪单粒子翻转后自动发令流程示意图；
图9是本申请中每日定时FPGA刷新示意图；
图10是本申请中闪电成像仪复位自动发令流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，该方法在FPGA闪电事件配置存储区单粒子翻转防护，适合采取动态刷新的方式，通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作，以使在所述FY-4A卫星闪电成像仪减少单粒子翻转效应对闪电探测产品的影响，包括如下的步骤S102至步骤S108：
步骤S102，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测；
步骤S104，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护；
步骤S106，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护；
步骤S108，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护。
上述步骤S102至步骤S108中可以按照任意顺序进行执行，从FY-4A卫星闪电成像仪的闪电探测数据进行分析，由于闪电事件数据、闪电时间、背景评估值、阈值、闪电事件分区、位置和强度直接影响闪电数据产品的正常生成，所以在防护响应速度上要求最高。且单粒子翻转发生的随机性和不确定性，且无遥测报警信息，所以FPGA闪电事件配置存储区单粒子翻转防护适合采取动态刷新的方式，通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作。通过上述步骤的操作，根据FPGA单粒子翻转对闪电探测产品所造成影响的不同，结合闪电事件数据逻辑关系、系统资源等情况，设计并在地面系统中部署了单粒子检测程序，实现了FPGA单粒子翻转异常自动辨识；根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求，同时采取自动判别与自动发令、动态刷新与定时刷新、软件复位与硬件复位等多种单粒子翻转防护综合措施，实现了FPGA单粒子翻转自动恢复。
从以上的描述中，可以看出，本申请实现了如下技术效果：
在本申请实施例中，采用在FPGA闪电事件配置存储区单粒子翻转防护，适合采取动态刷新的方式，通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作，以使在所述FY-4A卫星闪电成像仪减少单粒子翻转效应对闪电探测产品的影响的方式，通过在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测；在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护；在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护；在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护，达到了通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作的目的，从而实现了FPGA单粒子翻转自动恢复的技术效果，进而解决了针对FY-4A卫星闪电成像仪FPGA的单粒子效应研究时，缺少单粒子翻转防护措施的技术问题。
根据本申请实施例，作为本实施例中的优选，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测包括：根据FPGA单粒子翻转对闪电探测产品所造成影响的不同，并结合闪电事件数据逻辑关系、系统资源情况，在地面系统中部署单粒子检测程序，用于实现FPGA单粒子翻转异常自动辨识。
根据本申请实施例，作为本实施例中的优选，根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求，同时采用在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA 自动刷新防护；和/或，根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求，同时采用在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护；和/或，根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求，同时采用在FY-4A 卫星闪电成像仪上进行自动复位保护。
根据本申请实施例，作为本实施例中的优选，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测包括：将单粒子翻转检测程序部署在数据获取和测控分系统中，针对L0级闪电数据进行实时监测，实现单粒子翻转自主辨识小于1min；在判别出单粒子翻转现象发生后由数据获取和测控分系统向任务管理与控制分系统发出报警信息。
具体地，在风云四号地面应用系统中，如果将单粒子翻转检测程序程部署到定位与配准、定标与真实性检验、产品处理等系统，对生成的L1级或L2 级闪电数据进行检验，都会造成辨识时效性的延迟。由于单粒子翻转发生的时间随机，而闪电仪的产品为1分钟高频次定量产品，对单粒子翻转后的恢复时效性要求非常高。所以将单粒子翻转检测程序部署在数据获取和测控分系统中，针对L0级闪电数据进行实时监测，实现单粒子翻转自主辨识小于1min。通过对闪电事件数据异常的判断；闪电时间异常判断；背景评估值与阈值的异常判断；闪电事件分区、位置和强度异常判断等方法，对闪电数据内的3种逻辑关系进行判断，在判别出单粒子翻转现象发生后由数据获取和测控分系统向任务管理与控制分系统发出Ⅱ级报警信息。
根据本申请实施例，作为本实施例中的优选，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护包括：在收到数据获取和测控分系统所发出的单粒子翻转报警信息后，通过分系统的发令系统发送闪电地面强制FPGA刷新指令；在不断电的情况下完成对星上闪电成像仪中FPGA进行重新配置，对已发生的单粒子翻转错误进行恢复，配置时间约20s，实现自主恢复小于1min。
根据本申请实施例，作为本实施例中的优选，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护包括：获取单粒子翻转情况，通过每日定时FPGA 刷新，消除每日累积的没有引起程序错误的单粒子翻转，恢复FPGA正常工作状态，从而最终达到有效减少大面积单粒子翻转发生的情况；其中，所述单粒子翻转情况包括：由于位置翻转成为虚假事件闪电事件由于位置翻转；或者某单个数据包格式、各数据顺序、各数据位置、各数据数目等出现错乱。
具体地，从FY-4A卫星闪电成像仪的闪电探测数据进行分析，某单个闪电地址受单粒子影响而使得探测正确的闪电事件，由于位置翻转成为虚假事件闪电事件由于位置翻转；或者某单个数据包格式、各数据顺序、各数据位置、各数据数目等出现错乱。随着时间和错误数据量的累积，闪电事件配置存储区单粒子翻转可能导致任务流程发生变化，最终导致闪电数据处理业务运行失败。针对上述单粒子翻转情况，宜采取定时刷新的方式进行单粒子翻转保护。通过每日定时FPGA刷新，可以消除每日累积的没有引起程序错误的单粒子翻转，恢复FPGA正常工作状态，从而最终达到有效减少大面积单粒子翻转发生的情况。
根据本申请实施例，作为本实施例中的优选，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护包括：指令自动编排、自动读取、自动发送、自动校验、自动重注，实现了闪电仪复位的全程自动发令，用于在持续性的空间天气活跃期所采取的软硬件刷新条件下使用。
具体地，闪电仪自动复位主要针对，持续性的空间天气活跃期所采取的软硬件刷新方案。由于在复位时无法进行闪电探测，为了将业务影响降到最低，设计由闪电成像仪复位自动发令功能实现对闪电成像仪及时进行在轨软、硬件复位操作。
通过设计指令自动编排、自动读取、自动发送、自动校验、自动重注，实现了闪电仪复位的全程自动发令。相比较于人工发令减少了指令校验的时间，由原设计720s减少到420s以内。从而保证在遇到紧急情况下，闪电成像仪的复位测控任务可随机嵌入任意一个常规任务周期。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
根据本申请实施例，还提供了一种用于实施上述方法的系统，如图2所示，用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护系统，其特征在于，在 FPGA闪电事件配置存储区单粒子翻转防护，适合采取动态刷新的方式，通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作，以使在所述FY-4A卫星闪电成像仪减少单粒子翻转效应对闪电探测产品的影响，该系统包括：自动检测模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行 FPGA单粒子翻转自动检测；自动刷新防护模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护；定时刷新防护模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护；复位保护模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护。
优选地，FY-4A卫星卫星闪电探测数据的类型包括：闪电位置、闪电强度、背景评估值、阈值和位置校验码。
优选地，系统中还包括：FPGA单粒子翻转判识与防护模块，用于对闪电时间单粒子翻转判断；背景评估值与阈值的单粒子翻转判断；闪电事件分区、位置和强度单粒子翻转判断；闪电位置校验单粒子翻转判断。
本申请的实现原理如下：
(1)数据和方法
(1-1)数据
在试验时，FY-4A卫星闪电成像仪于2016年12月27日开始进行闪电探测，其FPGA处理的闪电事件数据类型包括：闪电位置、闪电强度、背景评估值、阈值和位置校验码。
其中，各类型闪电数据的含义为：
闪电位置：闪电事件对应的CCD像元的位置，不以其在600×400焦面上的实际行列值表示，而是以其在该路数据输出流中的位置来定义。
闪电强度：当前帧去除背景评估值后的像素的信号值；
背景评估值：当前帧像素的背景评估值；
阈值：当前帧像素使用的阈值；
位置校验码：对闪电位置进行按字节异或，生成校验码。
闪电时间：当前帧的时间。
此外，在闪电探测模式下，风云四号地面应用系统首先将闪电探测模式闪电探测连续数据分成L1C数据包，每个数据包的有效信息是Event探测数据，以及与每个Event的行列号位置信息、辐射强度计数值、对应的背景估计值计数值等。基于利用闪电成像仪L1C数据，根据静止卫星闪电仪的技术特点，利用定标定位后的L1C级数据生成闪电仪定量和成像的高时效L2级产品，生成覆盖区域闪电分布频次、季节变化特征的闪电仪L3级产品。本文中所分析的数据基于FY-4闪电成像仪L1数据，用于闪电成像仪RTEP星上算法状态实时监测和评估。
(1-2)方法
由于FY-4A卫星闪电成像仪在轨首要任务是探测到闪电事件，由于研制之初，我国对空间光学闪电探测理论和闪电探测算法的基础薄弱，为保证在轨有效探测到闪电事件，在闪电探测算法硬件上采用了SRAM型可重载FPGA，使其具有在轨软件上注更改的重新配置功能，因此在近地空间易受单粒子翻转干扰。
近地空间环境由多种环境要素组成，根据目前认识，对卫星和有效载荷影响较大的空间辐射效应主要有：总剂量效应、单粒子效应、充放电效应、高能电子的内带电效应、太阳电池等离子体带电效应等。闪电成像仪在设计和研制过程中有效的避免了总剂量效应、充放电效应、高能电子的内带电效应的影响。能够引发单粒子效应的空间带电粒子有：地球辐射带捕获质子，银河宇宙线高能粒子，太阳宇宙线高能粒子。根据FY-4A卫星卫星闪电探测数据的类型进行分析，闪电位置、闪电强度、背景评估值、阈值和位置校验码的单粒子效应特点各不相同，对闪电探测产品生成所造成的影响程度也不同。在风云四号地面应用系统建设中，需要保证时效性与准确性的同时，在业务运行中针对多种闪电数据单粒子效应逐一进行判识。再结合闪电观测任务特点、可靠性要求、系统资源等情况，在地面应用系统设计中，依据闪电成像仪的闪电观测任务特点，采取软硬件相结合等多种针对性的单粒子翻转防护综合措施，确保业务运行的正常开展。
(2)FPGA单粒子翻转判识与防护方法
FY4A闪电成像仪RTEP星上算法使用的数据功能均由SRAM型FPGA芯片实现，发射前该型FPGA经过第三方采用多种方式进行测试，结果显示FPGA 工作稳定准确。在轨期间，受空间单粒子影响引发单粒子翻转，造成输出数据不符合约定的格式和逻辑。因此可通过输出数据发生格式或逻辑错误来判断单粒子翻转，其中关于各种闪电逻辑关系和闪电数目计数等，因属于仪器设计范畴，涉及保密内容较多，不便于公开。
(2-1)闪电时间单粒子翻转判断
卫星向闪电成像仪广播整星时间，闪电时间为闪电产生对应的当前帧的时间,相邻帧的闪电时间具有连续递增特性，递增周期为2ms。如果递增周期超出范围，或者不具有递增特性，可能是FPGA芯片中闪电时间产生或与闪电数据组包过程中受到单粒子翻转影响，则判断为闪电FPGA受单粒子翻转影响。闪电时间单粒子翻转如图3所示：
(2-2)背景评估值与阈值的单粒子翻转判断
闪电成像仪器在地面试验期间，研制单位根据试验数据，设定背景评估值。闪电阈值是根据背景评估值在阈值表中查找得到的对应阈值，其逻辑关系在卫星在轨前由研制单位设置完毕。卫星在轨期间如阈值表上注更新，其对应关系参照新的阈值表。如果较多的闪电事件的背景评估值与阈值对应关系不符合阈值表设定关系，可能是闪电事件算法、闪电事件组包等模块受到单粒子翻转影响，则判断为闪电FPGA受单粒子翻转影响。背景评估值与阈值的单粒子翻转如图4所示：
(2-3)闪电事件分区、位置和强度单粒子翻转判断
闪电位置是闪电事件对应的CCD像元的位置，闪电成像仪分8个子区进行闪电探测。闪电成像仪器在地面试验期间，研制单位与国家卫星气象中心技术人员根据试验数据与我国闪电时空分布情况，设计8个子区分布及输出闪电事件数目分布图，每个子区输出的闪电事件是不同的。卫星在轨前，由研制单位设计闪电事件的子区、位置、强度的逻辑关系表，其中闪电事件强度排序的方案是在每个子区保留的最大的n个事件。闪电事件根据闪电强度(即当前帧去除背景评估值后的像素值)大小进行排序。在轨期间，如果闪电事件的分区、位置(地址逻辑关系)、强度关系不符合闪电事件数目分布图、闪电事件的子区、位置、强度的逻辑关系表设定的逻辑关系，则判断为闪电FPGA受单粒子翻转影响。闪电事件分区、位置和强度单粒子翻转如图5所示：
(2-4)闪电位置校验单粒子翻转判断
闪电位置校验码是对闪电位置进行按字节异或，生成1个字节校验码。目的是防止因闪电地址受单粒子影响而使得探测正确的闪电事件由于位置翻转成为虚假事件。根据卫星研制单位在地面进行的单粒子翻转辐照试验结果，参考国内外试验获得的单粒子翻转阈值，以及FY-4A卫星闪电事件高频次产品的生成频次，设定如果超过5个闪电事件的位置校验错误，可能是闪电事件位置校验模块受单粒子翻转影响，则判断为闪电FPGA受单粒子翻转影响。闪电位置校验单粒子翻转如图6所示：
(2-5)闪电成像仪FPGA单粒子翻转防护方法
从FY-4A卫星闪电成像仪的闪电探测数据进行分析，由于闪电事件数据、闪电时间、背景评估值、阈值、闪电事件分区、位置和强度直接影响闪电数据产品的正常生成，所以在防护响应速度上要求最高。且单粒子翻转发生的随机性和不确定性，且无遥测报警信息，所以FPGA闪电事件配置存储区单粒子翻转防护适合采取动态刷新的方式，通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作。
(2-5-1)闪电成像仪FPGA单粒子翻转自动检测
在风云四号地面应用系统中，如果将单粒子翻转检测程序程部署到定位与配准、定标与真实性检验、产品处理等系统，对生成的L1级或L2级闪电数据进行检验，都会造成辨识时效性的延迟。由于单粒子翻转发生的时间随机，而闪电仪的产品为1分钟高频次定量产品，对单粒子翻转后的恢复时效性要求非常高。所以将单粒子翻转检测程序部署在数据获取和测控分系统中，针对 L0级闪电数据进行实时监测，实现单粒子翻转自主辨识小于1min。通过对闪电事件数据异常的判断；闪电时间异常判断；背景评估值与阈值的异常判断；闪电事件分区、位置和强度异常判断等方法，对闪电数据内的3种逻辑关系进行判断，在判别出单粒子翻转现象发生后由数据获取和测控分系统向任务管理与控制分系统发出Ⅱ级报警信息。
具体闪电成像仪单粒子翻转后自动发令系统技术实现如图7所示：
(2-5-2)闪电成像仪FPGA自动刷新防护
管理与控制分系统中单粒子翻转后自动发令系统,在收到数据获取和测控分系统所发出的单粒子翻转报警信息后，通过分系统的发令系统发送闪电地面强制FPGA刷新指令，在不断电的情况下完成对星上闪电成像仪中FPGA进行重新配置，对已发生的单粒子翻转错误进行恢复，配置时间约20s，从而实现自主恢复小于1min。闪电成像仪单粒子翻转后自动发令流程示意图如图8所示。
(2-5-3)闪电成像仪FPGA定时刷新防护
从FY-4A卫星闪电成像仪的闪电探测数据进行分析，某单个闪电地址受单粒子影响而使得探测正确的闪电事件，由于位置翻转成为虚假事件闪电事件由于位置翻转；或者某单个数据包格式、各数据顺序、各数据位置、各数据数目等出现错乱。随着时间和错误数据量的累积，闪电事件配置存储区单粒子翻转可能导致任务流程发生变化，最终导致闪电数据处理业务运行失败。
针对上述单粒子翻转情况，宜采取定时刷新的方式进行单粒子翻转保护。通过每日定时FPGA刷新，可以消除每日累积的没有引起程序错误的单粒子翻转，恢复FPGA正常工作状态，从而最终达到有效减少大面积单粒子翻转发生的情况。具体的闪电成像仪每日自动定时FPGA刷新安排如图9所示。
(2-5-4)闪电成像仪自动复位保护
闪电仪自动复位主要针对，持续性的空间天气活跃期所采取的软硬件刷新方案。由于在复位时无法进行闪电探测，为了将业务影响降到最低，设计由闪电成像仪复位自动发令功能实现对闪电成像仪及时进行在轨软、硬件复位操作。
通过设计指令自动编排、自动读取、自动发送、自动校验、自动重注，实现了闪电仪复位的全程自动发令。相比较于人工发令减少了指令校验的时间，由原设计720s减少到420s以内。从而保证在遇到紧急情况下，闪电成像仪的复位测控任务可随机嵌入任意一个常规任务周期。具体闪电成像仪复位自动发令流程如图10所示。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本申请不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法，其特征在于，在FPGA闪电事件配置存储区单粒子翻转防护，适合采取动态刷新的方式，通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作，以使在所述FY-4A卫星闪电成像仪减少单粒子翻转效应对闪电探测产品的影响，所述方法包括：
在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测；
在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护；
在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护；
在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护。
2.根据权利要求1所述的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法，其特征在于，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测包括：
根据FPGA单粒子翻转对闪电探测产品所造成影响的不同，并结合闪电事件数据逻辑关系、系统资源情况，在地面系统中部署单粒子检测程序，用于实现FPGA单粒子翻转异常自动辨识。
3.根据权利要求1所述的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法，其特征在于，
根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求，同时采用在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护；
和/或，根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求，同时采用在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护；
和/或，根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求，同时采用在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护。
4.根据权利要求1所述的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法，其特征在于，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测包括：
将单粒子翻转检测程序部署在数据获取和测控分系统中，针对L0级闪电数据进行实时监测，实现单粒子翻转自主辨识小于1min；
在判别出单粒子翻转现象发生后由数据获取和测控分系统向任务管理与控制分系统发出报警信息。
5.根据权利要求1所述的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法，其特征在于，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护包括：
在收到数据获取和测控分系统所发出的单粒子翻转报警信息后，通过分系统的发令系统发送闪电地面强制FPGA刷新指令；
在不断电的情况下完成对星上闪电成像仪中FPGA进行重新配置，对已发生的单粒子翻转错误进行恢复，配置时间约20s，实现自主恢复小于1min。
6.根据权利要求1所述的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法，其特征在于，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护包括：
获取单粒子翻转情况，通过每日定时FPGA刷新，消除每日累积的没有引起程序错误的单粒子翻转，恢复FPGA正常工作状态，从而最终达到有效减少大面积单粒子翻转发生的情况；
其中，所述单粒子翻转情况包括：由于位置翻转成为虚假事件闪电事件由于位置翻转；或者某单个数据包格式、各数据顺序、各数据位置、各数据数目等出现错乱。
7.根据权利要求1所述的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护方法，其特征在于，在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护包括：
指令自动编排、自动读取、自动发送、自动校验、自动重注，实现了闪电仪复位的全程自动发令，用于在持续性的空间天气活跃期所采取的软硬件刷新条件下使用。
8.一种用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护系统，其特征在于，在FPGA闪电事件配置存储区单粒子翻转防护，适合采取动态刷新的方式，通过实时自动监控判别，由地面应用系统自动发送强制刷新指令随时执行防护动作，以使在所述FY-4A卫星闪电成像仪减少单粒子翻转效应对闪电探测产品的影响，所述系统包括：
自动检测模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA单粒子翻转自动检测；
自动刷新防护模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA自动刷新防护；
定时刷新防护模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行FPGA定时刷新防护；
复位保护模块，用于在FY-4A卫星闪电成像仪上进行自动复位保护。
9.根据权利要求8所述的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护系统，其特征在于，
FY-4A卫星卫星闪电探测数据的类型包括：闪电位置、闪电强度、背景评估值、阈值和位置校验码。
10.根据权利要求8所述的用于FY-4A卫星闪电成像仪的FPGA单粒子翻转防护系统，其特征在于，还包括：FPGA单粒子翻转判识与防护模块，用于对闪电时间单粒子翻转判断；背景评估值与阈值的单粒子翻转判断；闪电事件分区、位置和强度单粒子翻转判断；闪电位置校验单粒子翻转判断。
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