RU2650910C2 - Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения - Google Patents
Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2650910C2 RU2650910C2 RU2016136764A RU2016136764A RU2650910C2 RU 2650910 C2 RU2650910 C2 RU 2650910C2 RU 2016136764 A RU2016136764 A RU 2016136764A RU 2016136764 A RU2016136764 A RU 2016136764A RU 2650910 C2 RU2650910 C2 RU 2650910C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- dose
- electronic
- ionizing radiation
- backup
- units
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 title claims abstract description 7
- 231100000987 absorbed dose Toxicity 0.000 claims abstract description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 claims description 14
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 7
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000013480 data collection Methods 0.000 abstract description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N carbonyl sulfide Chemical compound O=C=S JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000368 destabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000004980 dosimetry Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F11/00—Error detection; Error correction; Monitoring
- G06F11/07—Responding to the occurrence of a fault, e.g. fault tolerance
- G06F11/16—Error detection or correction of the data by redundancy in hardware
- G06F11/1608—Error detection by comparing the output signals of redundant hardware
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/52—Protection, safety or emergency devices; Survival aids
- B64G1/54—Protection against radiation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F11/00—Error detection; Error correction; Monitoring
- G06F11/07—Responding to the occurrence of a fault, e.g. fault tolerance
- G06F11/16—Error detection or correction of the data by redundancy in hardware
- G06F11/1629—Error detection by comparing the output of redundant processing systems
- G06F11/165—Error detection by comparing the output of redundant processing systems with continued operation after detection of the error
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F11/00—Error detection; Error correction; Monitoring
- G06F11/07—Responding to the occurrence of a fault, e.g. fault tolerance
- G06F11/16—Error detection or correction of the data by redundancy in hardware
- G06F11/1658—Data re-synchronization of a redundant component, or initial sync of replacement, additional or spare unit
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Emergency Medicine (AREA)
- Critical Care (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Safety Devices In Control Systems (AREA)
Abstract
Изобретение относится к резервированию электронной аппаратуры. Технический результат - обеспечение длительного срока активного существования электронного устройства в условиях воздействия ионизирующего излучения. Для этого предложен способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения, который заключается в том, что в электронном устройстве устанавливают идентичные основной и резервный блоки, дозовый детектор и блок сбора и обработки данных, при этом предварительно по результатам испытаний для конкретных микросхем выявляют зависимость вероятности возникновения одиночного отказа от уровня накопленной дозы, а также зависимость предельной поглощенной дозы от электрического режима работы, в процессе работы регистрируют показания дозового детектора и вычисляют интегральную дозу ионизирующего излучения и на основании информации об интегральной дозе генерируют управляющие сигналы на переключение работы с основного блока на резервный и обратно для равномерного распределения накопленной дозы на каждый из блоков. 3 з.п. ф-лы.
Description
Изобретение относится к области резервирования электронной аппаратуры, в частности к способам построения высоконадежных электронных блоков, длительно работающих в условиях воздействия ионизирующего излучения, с использованием динамического резервирования.
Под электронными блоками понимаются различные системы сбора, обработки, хранения и передачи данных с использованием цифровых, аналоговых и аналого-цифровых полупроводниковых элементов различной функциональной сложности: простейшие активные и пассивные элементы, интегральные схемы усилителей, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, микроконтроллеры и программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).
Под динамическим резервированием понимается резервирование замещением, при котором основным критерием замены основного и резервного электронных блоков служит не только возникновение катастрофического отказа, но и наличие внешних управляющих сигналов, причем количество подобных переключений ограничено только ресурсом элементов подачи питания.
Известен способ резервирования полупроводниковых объектов, работающих под действием ионизирующего излучения, состоящий в том, что используют активный объект, находящийся в температурных условиях, считающихся нормальными для его работы, и идентичный ему выключенный резервный объект, и замещают активный объект на резервный при получении сигнала замещения, формируемого при отказе активного объекта, при этом нагревают резервный объект до заданной температуры, при которой в нем идет интенсивный отжиг радиационных дефектов его полупроводниковых приборов, но которая не приводит к необратимой неисправности этого объекта, формируют дополнительно сигнал замещения при достижении допустимого уровня деградации полупроводниковых приборов активного объекта до наступления потери им работоспособности, затем перед замещением активного объекта охлаждают резервный объект до температуры, считающейся нормальной для работы активного объекта, и замещают активный объект охлажденным резервным объектом, который используют как новый активный объект (см. патент RU №2413281, кл. Н05К 10/00, опубл. 27.02.2011).
Однако для реализации данного способа резервирования необходима чрезвычайно сложная техническая реализация - необходимость разработки отдельной системы нагрева и охлаждения, а также температурного контроля этих процессов. Для удаленных автоматических систем, например систем космического назначения, использование подобного метода может быть в связи с вышеуказанным затруднено, особенно при создании малых космических аппаратов, при этом данный способ существенно усложнит проектирование аппарата в целом из-за дополнительных проблем по распределению и отводу тепла, а также температурного контроля процесса отжига.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является система управления объектами, которая использует данные детекторов внешних дестабилизирующих воздействий в качестве критерия выдачи управляющего сигнала для выполнения (см. патент RU №2494006, кл. В63Н 25/04, опубл. 27.09.2013).
Однако данный способ управления резервируемой системой не учитывает зависимость параметров стойкости электронной компонентной базы от ее электрического режима работы. Результаты исследований на радиационную стойкость указывают на зависимость предельной поглощенной дозы ряда электронных компонентов от их электрического режима работы, что приводит к неоптимальности использования холодного резервирования.
Задачей изобретения является преодоление указанных недостатков.
Технический результат заключается в том, что достигается возможность обеспечения длительного срока активного существования электронного устройства в условиях воздействия ионизирующего излучения за счет повышения стойкости электронной компонентной базы к «дозовым» отказам, т.е. отказам в связи с накоплением дозы ионизирующего излучения.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения заключается в том, что в электронном устройстве устанавливают идентичные основной и резервные электронные блоки с возможностью их работы в режиме динамического резервирования, дозовый детектор и электронный блок сбора и обработки данных, при этом предварительно по результатам испытаний для конкретных микросхем выявляют зависимость вероятности возникновения одиночного отказа от уровня накопленной дозы, а также зависимость предельной поглощенной дозы от электрического режима работы, в процессе работы регистрируют показания дозового детектора с заданной частотой и вычисляют на основании полученных показаний интегральную накопленную электронными блоками дозу ионизирующего излучения и на основании информации об интегральной дозе генерируют управляющие сигналы для бортового компьютера на переключение работы с основного электронного блока на резервный и обратно для равномерного распределения эффективной накопленной дозы на каждый из электронных блоков.
Активное время работы основного и резервного электронных блоков определяют на основании анализа его интегральной накопленной дозы в реальном времени с учетом различия величин предельной поглощенной дозы электронной компонентной базы в разных электрических режимах работы и изменяют адаптивно к изменению внешней радиационной обстановки.
Основной и резервный электронные блоки в каждый отдельный момент времени работают в режиме N-кратного холодного резервирования с полным или частичным отключением питания электронной компонентной базы в составе блока.
При определении интегральной накопленной дозы учитывают различие величин предельной поглощенной дозы электронной компонентной базы в разных электрических режимах работы.
Резервирование является традиционным аппаратным методом повышения надежности на уровне отдельного модуля. Наиболее критичные с точки зрения функционирования в условиях воздействия факторов космического пространства электронные блоки (ЭБ), выполняющие задачи сбора, обработки и хранения научных и телеметрических данных приборов целевой аппаратуры, в частности в космических аппаратов (КА), кратно резервируются и находятся в холодном резерве, в связи с чем резервные электронные блоки и основные электронные блоки часто называют полукомплектами (ПК). Решение об отключении основного полукомплекта и вводе в эксплуатацию резервного принимается по факту отказа первого, на основании данных телеметрии.
Путем проведения испытаний электронной компонентной базы (ЭКБ) на стойкость к дозовому воздействию определяют зависимость величины предельной поглощенной дозы (ППД) определенных микросхем от их электрического режима работы. В частности, испытания вторичных источников питания (DC-DC преобразователей), применяемых во всех ЭБ, в составе которых имеются интерфейсные и микропроцессорные сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), демонстрируют значительное уменьшение ППД при их нахождении в отключенном состоянии. С другой стороны, результат аналогичных испытаний микросхем NOR Flash памяти, отказ которых может привести к полному отказу блока при их использовании в качестве постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) хранения программы микропроцессора или конфигурации ПЛИС, показывает обратный эффект: величина ППД в выключенном состоянии в несколько раз превышает ППД во включенном.
В условиях радиационного воздействия космического излучения одновременно с деградацией электрических и временных параметров ЭКБ происходят одиночные отказы. По результатам комплексных испытаний для конкретных микросхем выявлена зависимость вероятности возникновения одиночного отказа от уровня накопленной дозы.
Возможное действие синергетического эффекта увеличения вероятности возникновения одиночных сбоев по мере накопления дозы, а также влияние электрического режима на величину ППД для компонентов в составе ЭБ может привести к неэффективности использования холодного резервирования как метода повышения надежности. К моменту отказа основного полукомплекта резервный модуль будет иметь сравнительно меньшие показатели надежности или, в худшем случае, наберет ППД и откажет вскоре после введения в работу, если в его состав входят электронные компоненты с большим темпом деградации в выключенном состоянии.
Включение дозового детектора при мониторинге радиационной обстановки КА позволяет с наибольшей точностью в реальном времени анализировать и вычислять интегральную накопленную дозу и по результатам расчета определять длительность нахождения каждого полукомплекта ЭБ в том или ином режиме работы.
В ходе проведенного исследования был установлен алгоритм управления полукомплектами ЭБ, который в данном случае сводится к заданию опорного значения интегральной накопленной дозы - DSW за половину периода работы блока в динамическом режиме и поддержанию этой величины в течение всего срока активного существования (САС) КА - ТСАС с использованием показаний бортовой дозиметрии.
Значение DSW определяется исходя из ожидаемой усредненной мощности поглощенной дозы на орбите КА - JD, времени релаксации дозового воздействия - tr и ресурса по переключению - NMAX релейных элементов подачи питания на ЭБ с учетом коэффициента запаса - kSW в соответствии с математическим уравнением:
Базовое уравнение модели, при использовании которого устанавливается адаптивная циклограмма работы блока, обеспечивающая равномерное распределение эффективной поглощенной дозы для всех его полукомплектов, имеет вид:
Ts - длительность работы полукомплекта до переключения
Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения может быть реализован в составе служебной аппаратуры космического аппарата.
Для реализации способа адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения, совокупность признаков которого приведена выше, электронный блок сбора и обработки данных выполняет считывание показаний дозового детектора с заданной частотой и вычисляет интегральную накопленную дозу. При достижении заданной величины DSW блок сбрасывает внутренний счетчик дозы и передает центральному бортовому компьютеру аппарата сигнал на переключение полукомплекта, т.е. на переключение работы с основного электронного блока на резервный электронный блок. Перевод операции переключения полукомплектов на центральный бортовой компьютер продиктован обеспечением надежности всей системы: выход из строя монитора дозы не должен влиять на режим работы целевого блока. Затем операция снова повторяется. Таким образом, длительность работы полукомплекта Ts определяется исходя из реальной радиационной обстановки на борту космического аппарата и изменяется адаптивно к изменению мощности дозы.
При этом достигается равномерное распределение интегральной накопленной дозы для каждого полукомплекта при каждом электрическом режиме работы.
Оперативные данные об уровне накопленной дозы вместе с характеристиками электронной компонентной базы в составе целевого блока, полученными по результатам испытаний на дозовую стойкость в различных режимах работы, позволят выработать объективный критерий по управлению процессом переключения полукомплектов с целью повышения надежности блока и увеличения его срока активного существования.
Claims (4)
1. Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения, заключающийся в том, что в электронном устройстве устанавливают идентичные основной и резервные электронные блоки с возможностью их работы в режиме динамического резервирования, дозовый детектор и электронный блок сбора и обработки данных, отличающийся тем, что предварительно по результатам испытаний для конкретных микросхем выявляют зависимость вероятности возникновения одиночного отказа от уровня накопленной дозы, а также зависимость предельной поглощенной дозы от электрического режима работы, в процессе работы регистрируют показания дозового детектора с заданной частотой и вычисляют на основании полученных показаний интегральную накопленную электронными блоками дозу ионизирующего излучения и на основании информации об интегральной дозе генерируют управляющие сигналы для бортового компьютера на переключение работы с основного электронного блока на резервный и обратно для равномерного распределения эффективной накопленной дозы на каждый из электронных блоков.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что активное время работы основного и резервного электронных блоков определяют на основании анализа его интегральной накопленной дозы в реальном времени и изменяют адаптивно к изменению внешней радиационной обстановки.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что основной и резервный электронные блоки в каждый отдельный момент времени работают в режиме N-кратного холодного резервирования с полным или частичным отключением питания электронной компонентной базы в составе блока.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении интегральной накопленной дозы учитывают различие величин предельной поглощенной дозы электронной компонентной базы в разных электрических режимах работы.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016136764A RU2650910C2 (ru) | 2016-09-13 | 2016-09-13 | Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016136764A RU2650910C2 (ru) | 2016-09-13 | 2016-09-13 | Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016136764A3 RU2016136764A3 (ru) | 2018-03-16 |
| RU2016136764A RU2016136764A (ru) | 2018-03-16 |
| RU2650910C2 true RU2650910C2 (ru) | 2018-04-18 |
Family
ID=61627310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016136764A RU2650910C2 (ru) | 2016-09-13 | 2016-09-13 | Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2650910C2 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2168735C2 (ru) * | 1999-04-05 | 2001-06-10 | РНИИ "Электронстандарт" | Способ отбора изделий электронной техники по стойкости или надежности |
| RU2413281C1 (ru) * | 2010-02-12 | 2011-02-27 | Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт" | Способ резервирования полупроводниковых объектов, работающих под действием ионизирующего излучения |
| RU2449352C1 (ru) * | 2011-07-08 | 2012-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское опытно-конструкторское бюро "Марс" (ФГУП МОКБ "Марс") | Способ формирования 4-канальной отказоустойчивой системы бортового комплекса управления повышенной живучести и эффективного энергопотребления и его реализация для космических применений |
| RU2494006C2 (ru) * | 2011-12-07 | 2013-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Система автоматического управления |
| US20150318915A1 (en) * | 2014-04-30 | 2015-11-05 | Tesat-Spacecom Gmbh & Co. Kg | Redundancy Scheme for Analog Circuits and Functions for Transient Suppression |
-
2016
- 2016-09-13 RU RU2016136764A patent/RU2650910C2/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2168735C2 (ru) * | 1999-04-05 | 2001-06-10 | РНИИ "Электронстандарт" | Способ отбора изделий электронной техники по стойкости или надежности |
| RU2413281C1 (ru) * | 2010-02-12 | 2011-02-27 | Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт" | Способ резервирования полупроводниковых объектов, работающих под действием ионизирующего излучения |
| RU2449352C1 (ru) * | 2011-07-08 | 2012-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское опытно-конструкторское бюро "Марс" (ФГУП МОКБ "Марс") | Способ формирования 4-канальной отказоустойчивой системы бортового комплекса управления повышенной живучести и эффективного энергопотребления и его реализация для космических применений |
| RU2494006C2 (ru) * | 2011-12-07 | 2013-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Система автоматического управления |
| US20150318915A1 (en) * | 2014-04-30 | 2015-11-05 | Tesat-Spacecom Gmbh & Co. Kg | Redundancy Scheme for Analog Circuits and Functions for Transient Suppression |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016136764A3 (ru) | 2018-03-16 |
| RU2016136764A (ru) | 2018-03-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11429092B2 (en) | Asset management method for power equipment | |
| US9007087B2 (en) | System and method for automated failure detection of hold-up power storage devices | |
| US10205335B2 (en) | Storage battery management device, method, and computer program product | |
| US10410502B2 (en) | Method and apparatus for providing environmental management using smart alarms | |
| US20200134516A1 (en) | Method for asset management of electric power equipment | |
| US9774205B2 (en) | System and method for monitoring a battery in an uninterruptible power supply | |
| US20170040646A1 (en) | Systems and methods for detecting a battery pack having an operating issue or defect | |
| US20170074946A1 (en) | Energy based battery backup unit testing | |
| US9779559B2 (en) | Circuit for monitoring abnormality of ECU | |
| US20160306903A9 (en) | Metrics and Semiparametric Model Estimating Failure Rate and Mean time Between Failures | |
| US20180074874A1 (en) | System and method for managing semiconductor manufacturing defects | |
| US20180003745A1 (en) | Method for diagnosing state of capacitor in modular converter | |
| US10831251B1 (en) | Augmented power monitoring switching assembly | |
| RU2650910C2 (ru) | Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения | |
| JP6054800B2 (ja) | 電源管理システム及び電源切替制御装置 | |
| EP3355312B1 (en) | Plant maintenance assisting system | |
| EP3611523B1 (en) | Apparatuses and methods involving adjustable circuit-stress test conditions for stressing regional circuits | |
| US20160283121A1 (en) | Numerical controller including maintenance function of data or the like stored in non-volatile memory | |
| KR101581309B1 (ko) | 보드단위별 연동고장검출 및 배제 방식 항공전자장비 | |
| EP3502720B1 (en) | An apparatus for prediction of failure of a functional circuit | |
| US20200097922A1 (en) | Asset management method for substation | |
| US10374426B2 (en) | Enhanced power signaling system | |
| CN112835087B (zh) | 抗辐射系统及方法 | |
| Behzadirafi et al. | Preventive maintenance scheduling based on short circuit and overload currents | |
| Saro et al. | The impact of a single module's MTBF value in modular UPS systems: Technique for its assessment, improvement and final validation |