[发明专利]基于故障传播的航天器系统级单粒子翻转影响分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天器技术领域，具体地，涉及一种航天器系统级单粒子翻转影响分析方法。

背景技术

近年来，随着航天技术的发展和产品指标的不断提高，体积小、功耗低的微电子器件，如FPGA、DSP等超大规模器件在航天工程中得到了越来越广泛的应用。这些关键器件在太空中，受到来自银河宇宙线、太阳宇宙线、地球辐射带中的高能带电粒子作用，容易产生单粒子效应(如单粒子翻转(SEU)、单粒子锁定(SEL)、单粒子烧毁(SEB)、单粒子栅击穿(SEGR)等，其中又以单粒子翻转效应最为普遍)，导致器件瞬态扰动甚至永久性损伤，严重的会影响到整星的可靠运行。

目前，国内外科研工作者针对元器件的单粒子翻转效应开展了大量的地面模拟试验和仿真计算工作，对空间环境分布和动态特征的研究，以及微电子器件辐射效应的认识进一步深入。同时，在航天器设计过程中从元器件选用、电路设计、整机设计等多个层面开展了硬件、软件、容错技术等多种防护技术研究，有效降低了单粒子翻转故障发生的概率。然而，对单粒子效应的影响分析，特别是面向系统级的定量化的分析却未见报道。由于空间环境的不确定性，FPGA等大规模集成器件的翻转难以避免，卫星的抗辐射加固设计若要保证即使局部发生SEU，但最终系统仍然功能正常，开展系统级的单粒子翻转影响分析是基础。

鉴于此，本发明基于故障模式影响分析(FMEA)思想，从元器件到单机，最终到分系统，逐层构建了故障传播模型，并分别给出了单粒子翻转故障率的计算方法。目前，通过调研，尚未发现同本方法类似的说明或报告，同时，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，本发明的目的是提供一种基于故障传播的航天器系统级单粒子翻转影响分析方法。

本发明所要解决的技术问题是：针对航天产品单粒子效应缺乏系统层面的影响分析，从而造成系统抗辐射加固优化设计困难的问题，建立了航天器系统单粒子翻转故障传播模型，并在此基础上，综合考虑系统组成及系统采取的单粒子翻转防护措施，从器件、单机和系统层面给出了单粒子翻转故障率的计算方法。

根据本发明提供的一种基于故障传播的航天器系统级单粒子翻转影响分析方法，包括如下步骤：

步骤1：根据环境预示模式和屏蔽模型，确定影响单粒子翻转的粒子源，即质子和重离子的能谱；

步骤2：将航天器系统中对单粒子敏感或单粒子翻转阈值较低的元器件作为初始层次，逐层建立从元器件到单机，再从单机到系统的故障传播模型；

步骤3：获得元器件的σ-LET曲线，然后利用非线性拟合得到翻转阈值、饱和翻转截面；再结合步骤1中获得的质子和重离子的能谱，计算元器件单粒子翻转故障率，其中，元器件单粒子翻转故障率包括质子单粒子翻转故障率R_p和重离子单粒子翻转故障率R_H；计算得到了质子单粒子翻转故障率R_p和重离子单粒子翻转故障率R_H后，元器件单粒子翻转故障率R等于两者之和，公式如下式所示：

R＝R_p+R_H

步骤4：根据单机使用的单粒子敏感器件的数量，结合单机采取的单粒子翻转防护措施，得到单机单粒子翻转故障率；

步骤5：根据系统内的单机组成以及单机之间的关联关系，计算系统单粒子翻转故障率，计算公式如下：

(1)串联系统

假设n台单机中的各台单机发生单粒子翻转的故障率分别为R₁、R₂、...、R_n，则该串联系统的单粒子翻转故障率R_S为：

其中，R_i表示第i台单机；

(2)并联系统

假设并联系统的主份单机、备份单机的单粒子翻转故障率分别为R_主、R_备，设主份单机在时刻t₀发生了单粒子翻转，重新加载需要时间Δt，只要备份单机不在该时间段Δt内同时发生单粒子翻转，则整个系统能够不间断工作；该并联系统的单粒子翻转故障率为：

其中，N＝day/Δt，day表示1天；[·]表示取数值，不含单位；

(3)混联系统

由多个单机组成的混联系统，根据该混联系统的可靠性框图分解为局部的串联系统或并联系统，再根据串联系统、并联系统的单粒子翻转故障率，计算得到混联系统的单粒子翻转故障率。