本发明专利技术提供了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，包括空间辐射环境效应评估，系统单粒子故障传播建模，面向器件级、单机级和系统级的单粒子翻转故障率计算。本发明专利技术解决了现有航天器设计时在评估单粒子效应对敏感系统影响的系统化和定量化问题，可为航天器元器件选型，单机、系统的防辐射设计方案优化提供必要的参考。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航天器
，具体地，涉及一种航天器系统级单粒子翻转影响分 析方法。
技术介绍
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，本专利技术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。【专利
技术实现思路
】 针对现有技术中的缺陷，本专利技术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。 本专利技术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。 根据本专利技术提供的一种， 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Rp和重离子单粒子翻转故障率Rh;计 算得到了质子单粒子翻转故障率Rp和重离子单粒子翻转故障率Rh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 = Rp+Rh 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η台单机中的各台单机发生单粒子翻转的故障率分别为&、R2.....R n，则该 串联系统的单粒子翻转故障率馬为： 其中，R1表示第i台单机； ⑵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、Rs，设主份 单机在时刻t。发生了单粒子翻转，重新加载需要时间At，只要备份单机不在该时间段At 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/Δ t，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。 优选地，元器件单粒子翻转故障率，计算公式如下： (1)质子单粒子翻转故障率： 其中，Rp为质子单粒子翻转故障率，E。为单粒子翻转质子能量阈值，Eniax为空间质 子最大能量，Φ (E)为质子微分能谱，σ (E)为质子单粒子翻转截面，E为质子能量； (2)重离子单粒子翻转故障率： CN 105117576 A 说明书 3/9 页 其中，Rh为重离子单粒子翻转故障率；L为重离子LET值；Φ JL)为以LET值为变 量的等效重离子微分谱；σ (L)为LET值为L的重离子翻转截面；Φ (L)为重离子微分能谱； Θ为入射角，Θ。为临界倾角，且Θ e=arcos(L/L。）；L。为重离子单粒子翻转LET阈值。 优选地，对于重离子加速器地面试验产生的〇 -LET曲线，用Weibull函数关系进 行描述，即 其中，σ hi (L)为以LET值为变量的重离子翻转截面，L为重离子LET值，L。为重离 子翻转阈值，σ。为器件翻转的饱和截面，S、W分别为Weibull函数的形状因子、宽度因子。 优选地，在步骤4中，单机单粒子翻转故障率为如下任一种或任多种： 采用资源降额η的单粒子翻转防护措施下的单机单粒子翻转故障率％_为：RP_ =RX η ； 采用刷新间隔时间为Twff的定时刷新的单粒子翻转防护措施下的单机单粒子翻 转故障率R刷新为：R刷新=RX T刷新； 采用开机总时间为Τ。。的间断开关机的单粒子翻转防护措施下的单机单粒子翻转 故障率1^_为: K开关机= RXToc; 采用单机任务周期为Tdevlre、卫星总任务周期为Ttotal的降低任务时间的单粒子翻 转防护措施下的单机单粒子翻转故障率为: R降低任务时间= Rx Tdevice/Ttotal; 采用设备份部分的翻转率为的芯片或单机内部备份的单粒子翻转防护措施 下的热备份、冷备份单机单粒子翻转故障率R冷:分别为：R#n= R+Rn R冷:g·份=R； 采用回读校验间隔时间为T0is的回读校验的单粒子翻转防护措施下的单机单粒 子翻转故P早率R回读为：R回读=RX T回读； 采用影响系统功能的程序代码占总代码的η、功能自检的时间间隔为Te#的功能 自检的单粒子翻转防护措施下的单机单粒子翻转故障率Rett为：Rett= R+ n XTett; 采用总容量为Mtotal、TMR覆盖区域Mtmr的三模冗余TMR的单粒子翻转防护措施下 的单机单粒子翻转故障率为= RX (1_MTMR/Mtotal); 采用总容量为Mtotal、三取二覆盖区域M35^的三取二表决的单粒子翻转防护措施 下的单机单粒子翻转故障率为：= RX (l-MHiS二/Mtotal); 采用总容量为Mtotal、EDAC覆盖区域11_的EDAC的单粒子翻转防护措施下的单机 单粒子翻转故障率 Redac为：Redac= RX (1-MEDAC/Mtotal); 采用影响的程序代码占总代码的η、定时器定时时间累积为T￡W的看门狗的单粒 子翻转防护措施下的单机单粒子翻转故障率Rjew为：RjgW = R+ η X Tjew。 优选地，忽略采用编码错误侦测或跳转指令的单粒子翻转防护措施下的单机单粒 子翻转故障率。 与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果： 1、本本文档来自技高网...
【技术保护点】
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，其特征在于，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Rp和重离子单粒子翻转故障率RH；计算得到了质子单粒子翻转故障率Rp和重离子单粒子翻转故障率RH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＝Rp+RH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、...、Rn，则该串联系统的单粒子翻转故障率RS为：RS=Σi=1nRi]]>其中，Ri表示第i台单机的单粒子翻转故障率；(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。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李庆，韦锡峰，杨少秋，宗益燕，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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