航天器系統(tǒng)級抗單粒子設(shè)計評估方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種航天器系統(tǒng)級抗單粒子設(shè)計評估方法，其涉及含有大規(guī)模集成電路單機或分系統(tǒng)抗單粒子效能的評估方法。該評估方法仿真計算了電子元器件的翻轉(zhuǎn)率；對航天器分系統(tǒng)采用的主動和被動防護方法均給出了量化評估算法；然后對航天器分系統(tǒng)抗單粒子設(shè)計進行了評估。此外，該評估方法還可以得到系統(tǒng)不連續(xù)工作的概率。該評估方法經(jīng)過推廣，可以應(yīng)用于整星以及星座單粒子翻轉(zhuǎn)率的仿真計算。
【專利說明】航天器系統(tǒng)級抗單粒子設(shè)計評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天領(lǐng)域，具體地，涉及一種航天器系統(tǒng)抗單粒子設(shè)計評估方法，系統(tǒng)主要指含有大規(guī)模集成電路的單機或系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]自人類進入宇宙空間開始，空間環(huán)境狀態(tài)及其變化對航天活動的影響就成為人們所關(guān)心的重要問題。體積小、功耗低的微電子器件，尤其是FPGA等大規(guī)模集成芯片，在航天工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。銀河宇宙線、太陽宇宙線、地球福射帶中的高能帶電粒子，特別是其中的重離子造成的“單粒子事件”成為航天飛行的重要隱患。
[0003]元器件的單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset, SEU)仿真計算是近年國內(nèi)外研究的熱點問題，國內(nèi)外科研工作者開展了廣泛的研究工作。美國Space Radiation軟件和歐空局SPENVIS軟件均有計算單粒子翻轉(zhuǎn)率的專用模塊。但是，目前還沒有見到計算系統(tǒng)單粒子翻轉(zhuǎn)仿真計算的報道，也沒有對應(yīng)的軟件模塊。計算元器件單粒子翻轉(zhuǎn)率雖然能反映出器件的性能水平，但無法反映出系統(tǒng)的抗單粒子設(shè)計水平。
[0004]隨著對空間環(huán)境分布和動態(tài)特征的研究和認識的不斷深入，科研工作者逐漸認識到FPGA等大規(guī)模集成器件的在軌翻轉(zhuǎn)不可避免，只能采取措施減輕SEU的影響，保證芯片翻轉(zhuǎn)的情況下不會對系統(tǒng)的正常工作造成影響。因此，系統(tǒng)級單粒子防護設(shè)計的評估更具有現(xiàn)實意義和工程價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種航天器系統(tǒng)級抗單粒子設(shè)計評估方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，對航天器系統(tǒng)采取的主動和被動抗單粒子設(shè)計方法均建立了單粒子翻轉(zhuǎn)率計算模型，可依據(jù)模型對抗單粒子設(shè)計方法進行量化評估。主動方法主要包括資源降額、定時刷新、間斷開關(guān)機、降低任務(wù)時間等措施，可有效降低元器件的單粒子翻轉(zhuǎn)率；被動方法包括回讀校驗、功能校驗、三模冗余、EDAC (Error Detection AndCorrection,錯誤檢測與糾正)、冗余備份等方法,該方法不能有效降低單粒子翻轉(zhuǎn)率,但可以有效監(jiān)測單粒子翻轉(zhuǎn)，并通過重載、在軌開關(guān)機等相關(guān)措施，避免或降低由于單粒子翻轉(zhuǎn)造成的危害。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種航天器系統(tǒng)抗單粒子設(shè)計評估方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1:空間輻射環(huán)境分析:根據(jù)航天器軌道參數(shù)和使用壽命，對航天器在軌空間輻射環(huán)境進行分析；
[0009]步驟2:元器件翻轉(zhuǎn)參數(shù)計算:根據(jù)地面試驗，獲得元器件的σ -LET曲線，然后利用非線性擬合得到翻轉(zhuǎn)閾值、飽和翻轉(zhuǎn)截面參數(shù)；結(jié)合元器件實際所處的空間環(huán)境，仿真計算得到元器件在軌翻轉(zhuǎn)率；[0010]步驟3:系統(tǒng)抗單粒子設(shè)計評估:統(tǒng)計航天器含有大規(guī)模集成元器件系統(tǒng)的抗單粒子設(shè)計方法(包括元器件級和系統(tǒng)級)，對各條設(shè)計方法進行量化評估，最后根據(jù)單粒子翻轉(zhuǎn)率傳遞模型，得到系統(tǒng)級抗單粒子翻轉(zhuǎn)概率及不連續(xù)工作概率。
[0011]優(yōu)選地，質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)率的計算模型如下:
【權(quán)利要求】
1.一種航天器系統(tǒng)級抗單粒子設(shè)計評估方法，其特征在于，對航天器系統(tǒng)采取的主動和被動抗單粒子設(shè)計方法建立單粒子翻轉(zhuǎn)率計算模型，從而依據(jù)模型對抗單粒子設(shè)計方法進行量化評估。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器系統(tǒng)級抗單粒子設(shè)計評估方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:空間輻射環(huán)境分析:根據(jù)航天器軌道參數(shù)和使用壽命，對航天器在軌空間輻射環(huán)境進行分析； 步驟2:元器件翻轉(zhuǎn)參數(shù)計算:根據(jù)地面試驗，獲得元器件的σ -LET曲線，然后利用非線性擬合得到翻轉(zhuǎn)閾值、飽和翻轉(zhuǎn)截面參數(shù)；結(jié)合元器件實際所處的空間環(huán)境，仿真計算得到元器件在軌翻轉(zhuǎn)率； 步驟3:系統(tǒng)抗單粒子設(shè)計評估:統(tǒng)計航天器含有大規(guī)模集成元器件系統(tǒng)的抗單粒子設(shè)計方法，包括元器件級和系統(tǒng)級；對各條設(shè)計方法進行量化評估，最后根據(jù)單粒子翻轉(zhuǎn)率計算模型，得到系統(tǒng)級抗單粒子翻轉(zhuǎn)概率及不連續(xù)工作概率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器系統(tǒng)級抗單粒子設(shè)計評估方法，其特征在于，質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)率的計算模型如下:

4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的航天器系統(tǒng)級抗單粒子設(shè)計評估方法，其特征在于，質(zhì)子重粒子翻轉(zhuǎn)率的計算模型如下:

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的航天器系統(tǒng)級抗單粒子設(shè)計評估方法，其特征在于，元器件的單粒子翻轉(zhuǎn)率R的計算模型如下:
R = Rp+Rh 其中，Rp為質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)率，Rh為重尚子單粒子翻轉(zhuǎn)率。
【文檔編號】G06F17/50GK103605835SQ201310534267
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】周飛, 陳占勝, 曹敏 申請人:上海衛(wèi)星工程研究所