[发明专利]SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天器技术领域，具体地，涉及一种SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法。

背景技术

随着航天器向长寿命高可靠方向发展，银河宇宙线、太阳宇宙线以及地球辐射带中的高能带电粒子，特别是其中的重离子等造成的单粒子翻转，成为航天器在轨可靠运行必须关注的一个关键因素。

随着航天器设计功能趋于复杂，各类现场可编程门阵列(FPGA)芯片得到广泛应用，解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，适用于触发器丰富的结构。其中，SRAM型FPGA因能够反复使用从而应用更为广泛，但由于器件特征尺寸小、器件集成度高，发生单粒子翻转的临界电荷大大减少，易受高强度宇宙辐射影响，导致单一数据位出错，发生单粒子翻转。SRAM型FPGA由于其翻转阈值低(小于3MeV)，对单粒子效应较为敏感，在轨容易产生单粒子翻转，一般只能采取措施减轻翻转的影响，保证不会对航天器的正常工作造成影响。

含SRAM型FPGA的航天器产品及系统，通常根据应用采取相应的加固设计措施，在设计时充分考虑在轨使用的可靠性问题。常用的减缓单粒子效应的方法及其优缺点如表1所示。

表1减缓单粒子效应的方法及优缺点

目前，对单粒子翻转概率的计算与评估，大多采用试验或其它方式获得数据，分析得到器件的单粒子翻转率；而没有对单机级采用防护设计措施后的翻转率、功能影响度和任务成功影响度的评估，也没有对系统级的单粒子翻转率、功能影响度和任务成功影响度的预估。

没有发现同本方法类似的说明或报告，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是解决了含SRAM型FPGA的航天器产品在采取各种软、硬件防护措施后，单机单粒子翻转率的量化计算问题，以及翻转后对单机功能影响程度和造成单机任务中断影响程度的量化评估问题。

本发明涉及量化评估含SRAM型FPGA的单机在采取软、硬件防护设计措施后，在轨发生单粒子翻转的概率，以及翻转后造成的系统功能影响(包括数据信息出错、执行偏差和任务中断等)程度和系统任务中断的影响程度；还涉及量化评估系统级的单粒子翻转率、功能影响度和任务成功影响度

根据本发明提供的一种SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法，包括如下步骤：

步骤1：计算SRAM型FPGA的器件级的单粒子翻转率；

步骤2：采用资源降额、三模冗余以及间断开关机中的任一种或任多种以减小单粒子翻转发生的概率，进而计算单机级的单粒子翻转率；

步骤3：采用定时刷新、回读刷新、定时重载、回读重载和看门狗中的任一种或任多种防护方法降低单粒子翻转带来的影响和降低单粒子翻转造成的危害，进而计算得到单机级的单粒子翻转的功能影响度和任务成功影响度，其中功能影响度指器件或单机发生单粒子翻转后，采取所述防护方法后的系统功能影响程度，任务成功影响度指器件或单机发生单粒子翻转后，采取防护方法对翻转进行纠正而造成系统任务中断的影响程度。

优选地，所述步骤3之后还包括如下步骤：

步骤4：计算由多个单机组成的串联系统、并联系统以及混联系统的单粒子翻转率、功能影响度和任务成功影响度。

优选地，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：根据SRAM型FPGA单机的说明书或者试验数据，计算表征单机单粒子敏感度的σ-LET曲线；

步骤1.2：根据航天器在轨的空间辐射环境，计算单机的器件级单粒子翻转率。

优选地，在步骤2中，当采用资源降额时，则单机级的单粒子翻转率U_降额＝U₀×η_降额，其中η_降额为资源降额比例，U₀为采取措施之前的翻转率；当采用三模冗余时，则单机级的单粒子翻转率U_TMR＝U₀×(1-M_TMR/M_total)，其中M_total为总容量，M_TMR为三模冗余覆盖区域的容量；当采用间断开关机时，则单机级的单粒子翻转率U_开关机＝U₀×(Toc/T_天)，其中T_天为每天时间，Toc为每天开机总时间。