CN110568347B - 一种星载fpga单粒子功能中断率的快速预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种星载FPGA单粒子功能中断率的快速预估方法，包括如下步骤：计算目标FPGA和已在轨运行的相似FPGA在任务轨道环境条件下、考虑资源使用情况后的单粒子翻转率P_M1和P_M2,计算结构复杂度系数；利用在轨相似FPGA数据，计算未采取防护措施情况下，目标FPGA在轨由于单粒子软错误导致功能异常的概率P_F1；确定目标FPGA采取防护措施后的防护系数β_p，计算目标FPGA功能中断率；在目标FPGA功能中断率不满足设计要求时，进行改进，直至目标FPGA功能中断率满足设计要求。本发明对评价航天器系统级功能中断率、快速发现单粒子防护薄弱环节并快速改进设计具有重要意义。

Description

一种星载FPGA单粒子功能中断率的快速预估方法

技术领域

本发明涉及一种星载FPGA单粒子功能中断率的快速预估方法，属于航天器设计技术领域。

背景技术

FPGA大量应用于卫星等航天器，负责完成各种关键功能。例如，导航卫星导航处理机应用大容量FPGA实现导航信号处理，在导航下行信号服务中起着决定性作用。遥感、通信卫星的应答机，应用大容量FPGA实现测控数据处理，是测控上下行功能实现的核心部分。然而，航天器在轨运行不可避免地遭受到地球辐射带、银河宇宙线、太阳宇宙线的高能质子和重离子轰击，引发FPGA的单粒子效应，导致逻辑紊乱、指令错误、功能中断、逻辑异常等单粒子软错误，从而影响航天器的正常功能和服务。

为了反映FPGA抗单粒子软错误的能力，通常采用单粒子翻转率等指标作为宇航用FPGA器件的技术指标，这类指标统称为固有指标，固有指标只和器件自身的固有设计和制造过程有关。这类指标可由FPGA厂家提供，也可由应用方通过试验等方法得到。当FPGA应用于航天器时，由于其所处的轨道环境、资源使用、工作状态、完成的任务和功能、外围系统设计等条件的不同，FPGA实际发生异常的概率也因产品而异。在一些重要应用中，星载FPGA通常采取三模冗余、定时刷新等各种单粒子防护措施，由于单粒子事件造成功能异常的概率则进一步降低。因此，评估FPGA实际抗单粒子软错误的能力必须考虑在轨应用条件及防护设计情况。以功能中断率作为度量指标，定义为FPGA由于单粒子软错误(单粒子翻转、单粒子瞬态等)导致器件发生功能异常(数据错误、功能中断等)的概率。这一指标反映了星载FPGA在轨应用条件下的实际抗单粒子能力，也是航天器系统级功能中断概率计算中的必备输入条件。

当前，有测试和仿真两种基本途径获取FPGA单粒子功能中断的概率。测试的方法是进行重离子加速器辐照试验，这种方法的不足之处在于重离子加速器机时有限、试验系统复杂、试验成本较高且具有一定的破坏性，并且重离子试验方法不适用复杂的分系统和整星系统。仿真的方法是通过解析电路网表，建立分析模型，这种方法的不足之处在于模型计算复杂、无法快速对单粒子功能中断进行预估。

由于当前技术上的局限性，以及考虑进度、成本等因素，通过测试和仿真手段获取单粒子功能中断率在航天器工程研制中尚未大范围应用，尤其在产品设计阶段，尚缺乏有效的技术手段对FPGA器件单粒子功能中断率进行快速预估，不能及时判断器件及系统设计的符合性和进行设计迭代。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种星载FPGA单粒子功能中断率的快速预估方法，该方法利用相似器件数据，以FPGA本征单粒子翻转率等基础数据为输入，利用资源占用系数、结构复杂度系数、防护系数等因子，建立了单粒子功能中断率计算模型，实现了对FPGA单粒子功能中断率的快速估算，对评价航天器系统级功能中断率、快速发现单粒子防护薄弱环节并快速改进设计具有重要意义。

本发明的技术解决方案是：

一种星载FPGA单粒子功能中断率的快速预估方法，包括如下步骤：

计算目标FPGA和已在轨运行的相似FPGA在任务轨道环境条件下、考虑资源使用情况后的单粒子翻转率P_M1和P_M2，计算结构复杂度系数β_C＝P_M1P_M2；

利用已在轨运行的相似FPGA数据，计算相似FPGA在轨无防护条件下由于单粒子软错误导致功能异常的概率P_F2；

计算未采取防护措施情况下，目标FPGA在轨由于单粒子软错误导致功能异常的概率P_F1；

P_F1＝P_F2β_C

确定目标FPGA采用防护措施后的防护系数β_p，计算目标FPGA功能中断率为：

P_O＝P_F1β_P

在目标FPGA功能中断率不满足设计要求时，对防护措施进行改进，直至目标FPGA功能中断率满足设计要求。

进一步地，本发明所述目标FPGA和已在轨运行的相似FPGA的单粒子翻转概率采用如下方式计算：

1)获得FPGA器件的配置区单粒子翻转率P_bS1、存储区单粒子翻转率P_bR1；

2)根据FPGA当前设计状态，分别按照存储区和配置区资源占用情况，确定存储区资源占用率A_S1％1和配置区资源占用率A_R1％；

3)计算FPGA器件考虑资源使用情况后的单粒子翻转率；

P_M1＝P_bS1A_S1％+P_bR1A_R1％。

进一步地，本发明当目标FPGA和已在轨运行的相似FPGA的存储区和配准区的单粒子翻转率可以采用如下方式获取：

增加地面辐照试验考核，得到FPGA器件的σ-LET曲线，并拟合得到饱和截面、LET阈值，结合目标轨道条件的LET能谱，计算得到FPGA的单粒子翻转率。

有益效果

(1)本发明方法既考虑了FPGA器件在固有设计和应用设计上采取单粒子防护措施的效果，又考虑了FPGA在实际应用条件下由单粒子软错误向最终功能异常的传播可能性，客观上更符合FPGA器件在轨应用场景。

(2)本发明方法几乎不需要设计成本。本发明方法不需要软硬件支持，只需要利用相似FPGA现有的在轨统计数据、地面辐照试验数据，经过简单的比对分析，利用简单的计算公式即可得到结果。

(3)本发明方法可以快速得到预估值。本发明方法不需要进行试验准备和实施试验，不需要编程和大量仿真，仅通过简单的分析和数学计算即可得到相对准确的结果，这对于航天器在设计阶段快速判断单粒子防护设计符合性和进行设计迭代具有重要意义。

通过单粒子功能中断率计算模型，实现FPGA采取单粒子防护措施后由于单粒子软错误导致器件功能中断的概率的快速评估。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明一种星载FPGA单粒子功能中断率的快速预估方法，该方法以相似器件数据和FPGA本身的基础数据为输入，通过分析得到资源占用系数、结构复杂度系数、防护系数等因子，实现对FPGA单粒子功能中断率的快速估算，支持快速验证系统设计符合性和改进。

如图1所示，为本发明方法的流程框图，具体实施步骤如下：

1)获得目标FPGA器件的基本技术指标，包括目标轨道环境下的单粒子翻转率指标P_b1或配置区单粒子翻转率P_bS1、存储区单粒子翻转率P_bR1。

进口宇航级FPGA器件通常会给出单粒子翻转阈值和特定空间环境条件下的单粒子翻转率(通常以次/天表示)。在缺少单粒子翻转阈值和单粒子翻转率时，可以增加地面辐照试验考核，得到FPGA器件的σ-LET曲线，并拟合得到饱和截面、LET阈值等参数值，结合目标轨道条件的LET能谱，进一步计算得到FPGA的单粒子翻转率预示。

2)根据目标FPGA当前设计状态，分别按照存储区和配置区资源占用情况(不含防护设计资源)，确定存储区资源占用系数β_RR1和配置区资源占用系数β_RS1，或按照整体资源占用情况(不含防护设计资源)，确定资源占用系数β_R1。

假设FPGA配置区资源占用率为A_S1％(不含防护设计资源)，存储区资源占用率为A_R1％(不含防护设计资源)，则配置区资源占用系数β_RS1＝A _S1％，存储区资源占用系数β_RR1＝A_R1％。

4)计算目标FPGA器件经资源占用率修正后的单粒子翻转率P_M1。

P_M1＝P_bS1A_S1％+P_bR1A_R1％

5)调研在轨飞行数据，获得相似FPGA器件在轨无防护条件下由于单粒子软错误导致功能中断的概率P_F2。

在轨无防护条件下是指FPGA器件在应用设计中未采取专门的单粒子软错误防护措施，包括但不限于三模冗余、定时刷新等。

假设x年时间内，某相似FPGA器件由于单粒子软错误原因发生功能异常y次，则

本发明中相似FPGA是指器件的设计方法和制造过程基本一致、应用场景和功能相似的FPGA，通常表现为同一厂家生产的同系列FPGA应用于同类卫星的情况。

6)获得相似FPGA器件的基本技术指标，按照第2)、3)、4)步的方法计算得到相似FPGA修正后的单粒子翻转率P_M2。

P_M2＝P_bS2A_S2％+P_bR2A_R2％

7)比较目标FPGA和相似FPGA的结构复杂性，确定结构复杂度系数β_C。β_C按下式计算

假设根据1)～4)步计算得到目标FPGA修正后的单粒子翻转率为r₁次/天，相似FPGA修正后的单粒子翻转率为r₂次/天，则

8)利用相似FPGA数据，计算未采取防护措施情况下，目标FPGA在轨由于单粒子软错误导致功能异常的概率P_F1。

P_F1＝P_F2β_C

9)获得同型号FPGA采取相同单粒子防护措施前后的效果比对数据，确定防护系数β_P。防护系数定义为FPGA应用于星载产品时，采取了三模冗余、定时刷新等单粒子软错误防护措施后发生单粒子软错误的概率，与未采取单粒子软错误防护措施而发生单粒子软错误的概率的比。β_P越小，说明防护效果越好。这一数据可以参考同型号FPGA器件的地面辐照试验数据，也可以参考同型号FPGA器件经由故障注入等方式获得的仿真数据。在没有可信依据的条件下，β_P应取可获得数据的保守值。

10)在8)的基础上，引入防护系数，得到FPGA单粒子功能中断率P_O为

P_O＝P_F1β_P

11)将FPGA单粒子功能中断率P_O的预估值与技术要求值比较，若预估值高于要求值(即不满足技术要求)，则需采取进一步的单粒子防护设计措施，并重新进行预估。

实施例

已知某星载设备应用了1片VirtexII系列XQR2V3000FPGA，用于某GEO轨道卫星下行信号处理。对该信号处理FPGA单粒子功能中断率的预估过程如下：

1)获得基本技术指标。

NASA给出的Virtex、VirtexII系列FPGA的单粒子翻转基础数据如表1所示。

表1 Virtex、VirtexII系列FPGA的单粒子翻转率基础数据

2)根据当前设计状态，该FPGA资源占用情况及其修正后的单粒子翻转率如表2所示。

表2某星载设备FPGA的单粒子翻转率修正

3)与该器件同功能的相似器件XQR2V1000，经统计在轨已累计飞行16年，发生由于单粒子事件引起的在轨异常20次，其发生概率为

4)根据XQR2V1000的设计状态，其资源占用情况及其修正后的单粒子翻转率如表3所示。

表3相似FPGA(XQR2V1000)的单粒子翻转率修正

5)比较XQR2V1000和XQR2V3000的结构复杂性，确定结构复杂度系数β_C。

6)利用XQR2V1000数据，计算未采取防护措施情况下，XQR2V3000FPGA在轨由于单粒子软错误导致功能异常的概率P_F1。

P_F1＝P_F2β_C＝0.00365×3.163＝0.0115/天

7)针对XQR2V3000FPGA，某型号同类产品在地面对其采取三模冗余+定时刷新前后的防护效果进行了试验验证，经验证，采取三模冗余+定时刷新后的防护效果可提升57倍(见《XX存储器用FPGAXQ2V3000单粒子效应加固效果评估试验报告》)。因此，防护系数β_P可取值

8)根据FPGA单粒子功能中断率计算公式，可得到某星载设备信号处理FPGA的单粒子功能中断率P_O为

P_O＝P_F1×β_P＝0.0115×0.0175＝0.00020/天

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种星载FPGA单粒子功能中断率的快速预估方法，其特征在于，包括如下步骤：

计算目标FPGA和已在轨运行的相似FPGA在任务轨道环境条件下、考虑资源使用情况后的单粒子翻转率P_M1和P_M2，计算结构复杂度系数β_C＝P_M1/P_M2；

利用已在轨运行的相似FPGA数据，计算相似FPGA在轨无防护条件下由于单粒子软错误导致功能异常的概率P_F2；

计算未采取防护措施情况下，目标FPGA在轨由于单粒子软错误导致功能异常的概率P_F1；

P_F1＝P_F2β_C

确定目标FPGA采用防护措施后的防护系数β_p，计算目标FPGA功能中断率为：

P_O＝P_F1β_P

在目标FPGA功能中断率不满足设计要求时，对防护措施进行改进，直至目标FPGA功能中断率满足设计要求；

其中，目标FPGA和已在轨运行的相似FPGA的单粒子翻转率采用如下方式计算：

1)获得FPGA器件的配置区单粒子翻转率P_bS1、存储区单粒子翻转率P_bR1；

2)根据FPGA当前设计状态，分别按照存储区和配置区资源占用情况，确定存储区资源占用率A_S1％和配置区资源占用率A_R1％；

3)计算FPGA器件考虑资源使用情况后的单粒子翻转率；

P_M1＝P_bS1A_S1％+P_bR1A_R1％；

当目标FPGA和已在轨运行的相似FPGA的存储区和配置区的单粒子翻转率采用如下方式获取：

增加地面辐照试验考核，得到FPGA器件的σ-LET曲线，并拟合得到饱和截面、LET阈值，结合目标轨道条件的LET能谱，计算得到FPGA的单粒子翻转率。

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