卫星的“单粒子翻转”是什么意思？
一种数字电路单粒子翻转测试方法
一种数字电路单粒子翻转测试方法
邢泽全;郭绍陶;郑已
【期刊名称】《微处理机》
【年(卷),期】2023(44)1
【摘要】为提高航天器系统设计的可靠性,避免单粒子效应对航天器系统造成损坏,在单粒子翻转经典测试方法"黄金芯片比较法"的基础上,设计一种硬件实现的测试方法。
方法通过对输出高低电平相关区域的重新取舍,采用合适芯片从硬件上实现数据选择器、锁存器与数值比较器的功能优化,并进行FPGA移植,以解决经典方法在电平翻转时出现误判的问题。
同时也详细阐述了移植FPGA过程中的器件选取与程序设计。
实际测试表明,改进后的测试方法获得了良好的抗干扰性,为单粒子效应模拟试验提供有效的支持。
【总页数】4页(P10-13)
【作者】邢泽全;郭绍陶;郑已
【作者单位】中国电子科技集团公司第四十七研究所;沈阳工程学院电力学院【正文语种】中文
【中图分类】TN407
【相关文献】
1.一种用于数字电路单粒子效应试验的系统设计
2.一种XILINX7系列FPGA的抗单粒子翻转加固技术
3.一种低成本小卫星重要数据抗单粒子翻转方法
4.一种
28nm工艺下抗单粒子翻转SRAM的12T存储单元设计5.一种数字电路单粒子翻转试验系统设计
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卫星用SRAM型FPGA抗单粒子翻转可靠性设计研究
引言随着卫星技术的不断发展，卫星的功能越来越复杂。
卫星的功能离不开FPGA 技术的支持。
然而，卫星运转的环境非常苛刻，容易受到辐射颗粒的影响，进而导致单粒子翻转（Single Event Upset ，SEU）现象的发生。
针对这一问题，本文提出采用SRAM 型FPGA 抗单粒子翻转可靠性设计的方法，以提高卫星的可靠性。
FPGA 的原理FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种采用可编程门电路实现的集成电路。
通过FPGA，开发人员可以自由编程，将其变为自行制定的特定电路或处理器。
若干个可编程逻辑单元（Programmable Logic Block ，PLB）、一些时钟管理模块、存储器、和输入/输出模块等构成了FPGA 的架构。
各种模块间的连接通过可编程的路由器实现。
FPGA 的可编程性是其最大的特点之一，这一特性使FPGA 比前面的ASIC （Application Specific Integrated Circuit）更加灵活。
FPGA 的SEU 问题FPGA 在卫星中的应用已经变得非常广泛。
然而，卫星在轨运行的环境却非常恶劣，包括极端的温度、空气和重力等，其中最大的问题是粒子辐射。
在高能脉冲射线的辐射下，晶体管容易发生单粒子翻转，即SEU。
单粒子翻转有可能导致电路故障，进而产生错误的计算结果。
这种问题的出现会严重影响卫星的正常运转。
在FPGA 中，存储在SRAM 中的开关逻辑电路众多，这意味着FPGA 中存在着大量的SEU 敏感电路。
一旦发生单粒子翻转，存放在SRAM 中的状态就会被改变，从而导致计算结果的变化。
大多数FPGA 供应商都采用种种技术来加强FPGA 的SEU 抵御能力，而SRAM 型FPGA 对于单粒子翻转的敏感性也较高。
因此，加强SRAM 型FPGA 的抗SEU 能力尤为重要。
SRAM 型FPGA 抗SEU 技术目前，针对SRAM 型FPGA 的抗SEU 技术可以归纳为以下几种。
电离辐射对电子元器件的影响研究
电离辐射对电子元器件的影响研究电离辐射是指能够带电离气体分子或原子的辐射，常见的电离辐射包括γ射线、X射线、紫外线和高能带电粒子等。
这些辐射不仅对人体健康产生负面影响，而且还会对电子元器件的性能和可靠性产生影响，因此电离辐射对电子元器件的影响研究是一个具有重要意义的课题。
一、电离辐射对电子元器件的影响1. 容易引起电荷积聚电子元器件在工作过程中会受到来自环境中的电离辐射的影响，这些辐射会使得电子元器件表面产生电荷积聚，从而影响元器件的电性能和稳定性。
2. 容易产生单粒子翻转单粒子翻转是指在电子元器件中，由于电离辐射作用，单个电子产生的辐射效应可能会导致元器件中存在“卡在错误状态”的现象，从而对元器件的工作产生负面影响。
3. 容易影响元器件寿命和性能电离辐射会在电子元器件中产生芯片中子效应，从而产生大量的杂散电荷，影响器件的性能和寿命，特别是针对高精度的电子器件而言，更是影响重大。
二、电离辐射对电子元器件的防护方法1. 在元器件生产的过程中，应该对材料和器件加工工艺进行合理选择和优化。
2. 对元器件进行射线、稳态相干辐射等的抗干扰能力和抗离子辐照加固能力的测试，以及电子脉冲宽度、频率等特性的测试，从而为元器件科学设计、生产和工艺提供重要的科学依据。
3. 合理选择环境、调整工作模式。
尽可能避免在高辐射环境下使用电子元器件，特别是一些精密仪器和高性能芯片，如果在高辐射环境下必须使用，应该采取适当的防护措施，比如在芯片表面加上镀金层，以提高芯片通透性和抗辐射能力，即使出现单粒子翻转现象，芯片感应处理能够将这些错位的信息对其进行矫正，从而降低运行风险，提高运行稳定性。
四、结语随着现代科技的不断发展，电子元器件在各个领域得到了越来越广泛的应用。
然而，电离辐射对电子元器件的影响必须得到足够的重视，因此应该设计和生产更加具有抗干扰能力和抗电离辐射能力的电子元器件，并在使用过程中进行合理防护，降低其受到辐射的风险，提高其安全性和可靠性，从而进一步推动电子元器件的发展。
卫星用SRAM型FPGA抗单粒子翻转可靠性设计研究
2021年9期科技创新与应用Technology Innovation and Application众创空间卫星用SRAM 型FPGA 抗单粒子翻转可靠性设计研究严健生，杨柳青（中国科学院微小卫星创新研究院，上海201203）1概述宇宙高能粒子（太阳宇宙线或银河宇宙线）射入半导体器件SRAM 单元灵敏区时可使器件逻辑状态翻转，导致系统功能紊乱。
这种单粒子翻转（SEU ）造成的逻辑错误不是永久性的，一般不会造成器件的物理性损伤。
SEU 已经成为卫星电子设备的常见错误。
目前大多数FPGA 基于SRAM 结构。
SRAM 型FPGA 的用户组合和时序逻辑都是用可配置的存储单元（即SRAM 单元）实施。
根据SRAM 的结构特点和SEU 产生的机理，SRAM 是FPGA 中最容易产生翻转的部分。
随着集成电路工艺向低电压、高集成度方向发展，相应的空间SEU 阈值越来越低，因此FPGA 发生故障的概率越来越高，最终导致计算结果错误、程序执行任务系列错误、数据域改变、程序指令错误导致系统跑飞异常复位、甚至导致卫星相关系统永久失效、烧毁。
因此针对SRAM 型FPGA 很有必要进行高可靠性设计。
针对SRAM 型FPGA 的特点，本文分别从硬件设计角度和软件设计方面对SRAM 型FPGA 设计提出可靠性设计。
2可靠性硬件设计2.1选用抗SEU 器件是根本办法衡量器件抗SEU 能力是用该器件的翻转阈值和翻转截面来描述的。
由该器件的翻转截面对线性能力传递（LET ）值的曲线可以推算出卫星轨道的SEU 翻转率，用次/天·位表示。
整机设计时选用SEU 率低的器件非常重要，如果SEU 率非常高，其它的措施都将不起作用。
2.2整体屏蔽减少辐射效应整体屏蔽办法就是在卫星电子设备外面包覆一层具有一定厚度的屏蔽材料，通常采用的材料有铝、铅、钽和某些酯类化合物等，此法可以有效地缓解卫星电子设备所承受的空间辐射压力，减少空间辐射环境对电子设备造成影响。
卫星光通信系统中单粒子翻转计算方法研究
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子翻 转的物理 机制及 主要 研 究方法 。利用 Ｏ Ｒ ． ＭＥ Ｅ３４软件对 星载 Ｃ Ｏ １４器 件进 行 了单 Ｍ Ｓ２ ６ 粒子翻 转率 计算 ， 结果表 明 ， 通过 对轨道 倾角 和轨道 高度 的优 化设计 可 以有 效减小 卫星光 通信 系统 中电子器件 的单 粒子 翻转率 。为 了有效 克服单 粒 子辐 射 效 应 ， 了简单 的增 加 屏 蔽层 厚 除
一种单粒子翻转机制及其解决方法
第10卷 第3期信息与电子工程Vo1．10，No．3 2012年6月INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Jun．，2012文章编号：1672-2892(2012)03-0355-04一种单粒子翻转机制及其解决方法王 亮，岳素格，孙永姝(北京微电子技术研究所抗辐射加固工程中心，北京 100076)摘 要：针对某款超深亚微米专用集成电路(ASIC)出现的异常单粒子翻转现象，分析了导致异常翻转的机制，针对这种机制提出了2种解决方法，并给出了2种解决方法的适用范围。
重离子试验结果表明，采用新方法实现的时序逻辑具备更高的翻转阈值和更低的翻转截面，基于新方法研制的ASIC产品的抗单粒子翻转能力得到显著提高。
关键词：单粒子翻转；单粒子瞬态；时序单元电路；抗辐射加固；超深亚微米集成电路中图分类号：TN305.94 文献标识码：AA kind of mechanism of Single Event Upset and its mitigationWANG Liang，YUE Su-ge，SUN Yong-shu(Radiation Hardening Engineering Center，Beijing Microelectronics Technology Institute，Beijing 100076，China)Abstract:A kind of mechanism of Single Event Upset(SEU) for Application Specific Integrated Circuit (ASIC) was analyzed and two mitigation methods were proposed and verified by heavy ion irradiation test.The application ranges of these two methods were given. The ability of the hardened ASIC against SEU wasimproved greatly.Key words: Single Event Upset；single event transient；sequential element；radiation hardening；very deep submicron CMOS为满足对集成度和低功耗不断增长的需求，集成器件的尺寸和工作电压逐步降低，它们对单粒子翻转(SEU)的敏感性明显增强[1–2]。
面向航空环境的多时钟单粒子翻转故障注入方法
面向航空环境的多时钟单粒子翻转故障注入方法薛茜男;李振;姜承翔;王鹏;田毅【摘要】随着新型电子器件越来越多地被机载航电设备所采用，单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)故障已经成为影响航空飞行安全的重大隐患。
首先，针对由于单粒子翻转故障的随机性，该文对不同时刻发生的单粒子翻转故障引入了多时钟控制，构建了SEU故障注入测试系统。
然后模拟真实情况下单粒子效应引发的多时间点故障，研究了单粒子效应对基于FPGA构成的时序电路的影响，并在线统计了被测模块的失效数据和失效率。
实验结果表明，对于基于FPGA构建容错电路，采用多时钟沿三模冗余(Triple Modular Redundancy, TMR)加固技术可比传统TMR技术提高约1.86倍的抗SEU性能；该多时钟SEU故障注入测试系统可以快速、准确、低成本地实现单粒子翻转故障测试，从而验证了SEU加固技术的有效性。
%With the new electronic devices are increasingly used by airborne avionics equipment, Single Event Upset (SEU) fault has become a major hazard on aviation safety. Because of the randomness of SEU fault, the SEU fault occurs at any moments. Firstly, a multi-clock control is introduced to construct an SEU fault injection testing system. Secondly, the system simulates multi-time point of failure with real situations caused by single event upset effects. For sequential circuits constructed by SRAM-based FPGA, the influence of SEU is studied by the system and the failure data and failure rate of the undertest module is counted online. Two kinds of FPGA-based fault-tolerant circuit are tested by this system. Comparing with the traditional Triple Modular Redundancy (TMR) technology, the anti-SEU performance of the proposed multi-clock edge TMRreinforcement technology is improved about 1.86-fold. The experiment results verify that the proposed multi-clock SEU fault injection testing system is a quick, low-cost and highly accurate test for the single-event upsets fault, and demonstrate the effectiveness of the proposed SEU reinforcement technology.【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】5页(P1504-1508)【关键词】机载电子器件;单粒子翻转(SEU);故障注入;抗辐射加固技术;FPGA【作者】薛茜男;李振;姜承翔;王鹏;田毅【作者单位】中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室天津300300;中国民航大学安全科学与工程学院天津 300300;中国民航大学安全科学与工程学院天津 300300;中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室天津 300300;中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室天津300300【正文语种】中文【中图分类】TN07;V524.3当高能粒子或离子影响到PN结的耗尽层时[1]，电荷在这个区域被收集，产生瞬态的电流和电压，最终导致了记忆单元状态的变化，使得电子器件产生故障，称为单粒子效应。
低轨互联网卫星在轨单粒子翻转分析及防护措施
低轨互联网卫星在轨单粒子翻转分析及防护措施尚 琳1,2，刘晓娜1,2，曹彩霞1,2，李国通1,2，朱 野1,2（1. 上海微小卫星工程中心； 2. 中国科学院 微小卫星创新研究院：上海 201203）摘要：空间单粒子翻转（SEU ）对于在轨卫星寿命和可靠性有着较大的影响，然而，针对低轨互联网卫星1000～1200 km 的典型极地轨道空间SEU ，目前缺少在轨试验验证结果。
文章对某型号的两颗卫星在轨7个月以来的SEU 事件记录数据进行处理和分析，给出互联网卫星1050～1425 km 不同轨道高度上的SEU 事件发生的频度、区域及概率，结合在轨运行情况提出互联网卫星在轨单粒子翻转的软硬件防护设计措施。
数据表明，在当前低轨互联网卫星的典型轨道高度上，对于抗单粒子翻转阈值为0.7 MeV·cm 2/mg 的低阈值SRAM 器件，在轨SEU 事件大部分发生在SAA 区域，发生概率约为7.63×10-7 bit -1·d -1。
结合卫星在轨空间防护设计经验，通过加强元器件选用控制、软硬件冗余设计、关键器件限流等措施，可以有效提高低轨互联网卫星的在轨可靠性。
关键词：单粒子翻转；低轨互联网卫星；在轨防护；冗余设计 中图分类号：V474.2; V520.6文献标志码：A 文章编号：1673-1379(2021)05-0503-05DOI: 10.12126/see.2021.05.002Analysis of in-orbit single event upset of low-Earth-orbitinternet satellite and protection measuresSHANG Lin 1,2, LIU Xiaona 1,2, CAO Caixia 1,2, LI Guotong 1,2, ZHU Ye 1,2(1. Shanghai Engineering Center for Microsatellites;2. Innovation Academy for Microsatellites, Chinses Academy of Sciences: Shanghai 201203, China)Abstract: The single event upset (SEU) of low-Earth-orbit (LEO) satellites has a great impact on the lifetime and the reliability of the in-orbit satellites. But the in-orbit verification results are few for the SEU of the internet satellite at a typical polar orbit altitude in the range of 1000 km to 1200 km. This paper analyzes and processes the SEU record data of the two satellites in-orbit for seven months, and gives the frequency, the area and the orbital heights of SEUs at different orbital altitudes from 1050 km to 1425 km for the internet satellites. Itis shown that the probability of the in-orbit SEU for the onboard SRAM is about 7.63×10-7 bit -1·d -1, and most in-orbit single event upsets occur in the South Atlantic Anomaly (SAA) area. And it is shown that the reliability of the LEO internet in-orbit satellites can be effectively improved by strengthening the control of the component selection, the software and hardware redundancy design and the current limiting of the key components.Keywords: single event upset; LEO internet satellite; in-orbit protection; redundancy design收稿日期：2020-11-30；修回日期：2021-08-10基金项目：上海市科委科技创新行动计划项目（编号：17DZ1100700）引用格式：尚琳, 刘晓娜, 曹彩霞, 等. 低轨互联网卫星在轨单粒子翻转分析及防护措施[J]. 航天器环境工程, 2021, 38(5):503-507SHANG L, LIU X N, CAO C X, et al. Analysis of in-orbit single event upset of low-Earth-orbit internet satellite and protection measures[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2021, 38(5): 503-507第 38 卷第 5 期航 天 器 环 境 工 程Vol. 38, No. 52021 年 10 月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 503E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544. All Rights Reserved.0 引言近年来，随着卫星技术、电子技术和新材料技术的迅猛发展，国内外纷纷提出包含几千至数万颗低轨卫星的互联网星座建设计划，如美国的StarLink、OneWeb和我国的“虹云”“鸿雁”等卫星星座系统。
单粒子翻转
单粒子翻转正文1810字，阅读约需2分钟有没有想过一次手机内存出错、电脑死机、汽车失控的原因是由单粒子翻转造成的。
前几天跟朋友聊天，聊到了单粒子翻转对电子控制器的影响这一话题，于是花了点时间系统的整理了一下，分享给感兴趣的朋友。
单粒子翻转英文缩写SEU（Single-Event Upet），航天电子术语。
原因是在空间环境下存在着大量高能带电粒子，计算机中的CMOS电子元器件受到宇宙射线照射，引起电位状态的跳变，“0”变成“1”，或者“1”变成“0”，但一般不会造成器件的物理性损伤。
（出自百度百科）。
在电子领域，数据是以二进制进行存储的，如果一个数据里一些发生了翻转，也就是前面提到的0或1翻转，将会对运算结果造成不可估量的错误。
接下来将分享一些单粒子翻转的案例。
2、半导体器件里的一个概念既然单粒子翻转问题出现在电子器件上，那么我们就先从电子器件聊起。
半导体领域一个重要概念，制程，制程的每一次提升，带来的都是性能的增强和功耗的降低。
制程已经从最早的数十微米级发展到了惊人的5纳米甚至3纳米，当前主流应用为10纳米，例如我们智能手机上使用的骁龙处理器。
但是随着工艺尺寸的缩小，会出现以下情况：器件的供电电压减小，导致发生单粒子翻转所需的阈值降低；晶体管栅极面积缩小，造成电容减小，进而减小了能够降低发生翻转所需的临界电荷；存储单元面积缩小，截面面积减小，因此也减少了粒子轰击的机会。
综合以上情况造成的后果就是存储器组件的单粒子翻转敏感性增加了，这样在面对高能带电粒子轰击时，将更容易出现单粒子翻转事件。
因此，在一些高可靠性、高安全性应用场景中，就不得不考虑单粒子翻转带来的风险了。
这也正是为什么用于火箭、卫星、空间站的CPU在性能上远不及手机CPU的原因，因为在这些领域更多的是要考虑可靠性。
3、外太空发生的案例我国“单粒子效应”损失最严重的一次，是我国1988年发射的第一个极地卫星，风云一号A星，在发射39天之后，由于单粒子翻转事件彻底失控，导致整星失效。
微型星敏感器抗单粒子翻转设计和验证
第 40 卷第 6 期航 天 器 环 境 工 程Vol. 40, No. 6 2023 年 12 月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING657 https:// E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544微型星敏感器抗单粒子翻转设计和验证王燕清，杜伟峰，金 荷，占晓敏，钟金凤，张 磊（上海航天控制技术研究所，上海 201109）摘要：针对商业航天器上微型星敏感器大量选用低成本、高集成度元器件可能发生的单粒子翻转（SEU）现象，提出星跟踪流程监控、程序比对校正、看门狗超时、复位类型检测等方法，利用软件手段使SEU自主恢复，同时向姿轨控分系统发送复位信息，辅助分系统根据产品状态判断是否对星敏感器采取干预操作。
通过地面测试验证，应用以上方案可以有效恢复SEU产生的故障，从出现故障到发现故障的时间＜19 s，从发现故障到恢复正常姿态输出的时间＜0.2 s，是原先需要地面判断和控制所需时间的千分之一。
在地面基站无法对卫星进行遥测遥控的情况下，上述抗SEU保障方案可为航天器上微型星敏感器发生SEU时的自主恢复提供保障。
关键词：微型星敏感器；单粒子翻转；星跟踪模式；流程监控；在轨编程；可靠性设计中图分类号：V474.2文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)06-0657-06 DOI: 10.12126/see.2023063Design and validation of anti-SEU for micro star sensorsWANG Yanqing, DU Weifeng, JIN He, ZHAN Xiaomin, ZHONG Jinfeng, ZHANG Lei(Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology, Shanghai 201109, China) Abstract: In view of the single event upset (SEU) that may occur when a large number of low-cost and high-integration components are used in micro star sensors on commercial spacecraft, methods of monitoring the star tracking process, program comparison and correction, watchdog timeout, and reset type detection are proposed in this article. By the software approach, SEUs can be autonomously restored, while sending reset related information to the attitude & orbit control subsystem, to assist the subsystem in determining whether to intervene in the star sensor based on the product status. Ground testing verification proved that faults caused by SEUs can be effectively recovered. The time from fault occurrence to fault discovery was less than 19 s, while the time from fault discovery to restoration to normal attitude output was only 0.2 s, which was one thousandth of the time required for ground judgment and control. The above anti-SEU scheme may provide guarantee for the auto-recovery from SEUs occurring in the micro star sensor on spacecraft in cases where satellite telemetry and remote control cannot be performed by ground base stations.Keywords: micro star sensors; single event upset; star tracking mode; process monitoring; on-board programming; reliability design收稿日期：2023-05-08；修回日期：2023-12-12基金项目：国家重点研发计划项目（编号：2019YFA0706003）；上海市自然科学基金项目（编号：22YF1417000）引用格式：王燕清, 杜伟峰, 金荷, 等. 微型星敏感器抗单粒子翻转设计和验证[J]. 航天器环境工程, 2023, 40(6): 657-662 WANG Y Q, DU W F, JIN H, et al. Design and validation of anti-SEU for micro star sensors[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2023, 40(6): 657-6620 引言星敏感器是一种以恒星作为测量参考基准的空间姿态敏感器，是迄今为止航天器上姿态测量精度最高的敏感器，具有实时捕获姿态信息且不随时间产生漂移等优点，在对地遥感、深空探测、空间攻防等航天应用中具有重要的战略意义[1-2]。
卫星光通信系统中单粒子翻转计算方法研究
第41卷 第1期 激光与红外Vol.41,No.1 2011年1月 LASER & I N FRARE D January,2011 文章编号:100125078(2011)0120101206・电子电路・卫星光通信系统中单粒子翻转计算方法研究侯 睿,赵尚弘,李勇军,吴继礼,胥 杰,占生宝(空军工程大学电讯工程学院,陕西西安710077)摘 要:高能带电粒子造成的单粒子翻转是影响卫星光通信系统性能的重要因素,给出了单粒子翻转的物理机制及主要研究方法。
利用OMERE3.4软件对星载C MOS2164器件进行了单粒子翻转率计算,结果表明,通过对轨道倾角和轨道高度的优化设计可以有效减小卫星光通信系统中电子器件的单粒子翻转率。
为了有效克服单粒子辐射效应,除了简单的增加屏蔽层厚度等防护方法外,还应考虑通过电子器件的选择来提高抗辐射性能。
关键词:卫星光通信;高能带电粒子;单粒子翻转;抗辐射中图分类号:T N929 文献标识码:ACalcul ati on methods analysis of the si n gle event upset rati o ofs atellite2borne C MOS2164equi p mentHOU Rui,Z HAO Shang2hong,L I Yong2jun,WU J i2li,XU J ie,Z HAN Sheng2bao(Telecommunicati on Engineering I nstitute,A ir Force Engineering University,Xi′an710077,China)Abstract:H igh energy particle induced single event up set(SE U)is one of the most i m portant fact ors affecting the la2ser satellite communicati on syste m.Its physicalmechanis m and main research methods are given out.The OM ERE3.4s oft w are is used t o calculate the SE U rati o of satellite2borne C MOS2164device.The calculati on results have p r ovedthat op ti m izati ons of the orbit altitude and orbit inclinati on could effectively decrease the SE U rati o of electr onic devicein satellite op tical communicati on syste m.To further reduce the single event effect,besides s ome si m p le p r otecti onmethods like enhancing the shield,the device selecti on should be considered t o i m p r ove the anti2radiati on perfor m2ance.Key words:satellite op tical communicati on;high energy particles;single event up set;anti2radiati on1 引 言随着卫星光通信技术的发展与成熟,空间辐射环境对其工作性能的影响成为新的研究热点。
卫星扩频应答机抗单粒子翻转技术研究
卫星扩频应答机抗单粒子翻转技术研究陆荣;游月辉;吴涛;刘任宸【摘要】对卫星扩频应答机抗单粒子效应的方法进行分析，设计了采用反熔断丝工艺的FPGA （A54SX32），通过回读比对功能对FPGA 进行监控和处理。
此方法大大降低了单粒子效应造成卫星扩频应答机发生功能性故障的可能性，并在系统中通过内部高可靠单机对易发生单粒子效应的扩频应答机进行监控，诊断出故障后进行修复，同时设计定时复位对应答机进行复位、开机操作，确保卫星在轨扩频应答机的正常稳定工作。
%The satellite‐borne spread‐spectrum transponder against SEU effect is analyzed ,and a method which uses FPGA under an anti‐fuse technique is designed ,namely A54SX32 ,with a function of read‐back and realignment to monitor and handle FPGA .By means of that ,the probability of functional faults caused by SEU effect on the satellite‐borne spread‐spectrum transponder will be considerably reduced . The spread‐spectrum transponder ,which is prone to SEU effect ,will be monitored by highly reliable standalone unit in the system ,and the fault will be diagnosed and fixed .In addition ,a watchdog timer is designed to reset and start up the transponder ,so as to ensure a smooth operation of the on‐orbit satellite‐borne spread‐spectrum transponder .【期刊名称】《航天电子对抗》【年(卷),期】2016(032)004【总页数】4页(P52-55)【关键词】扩频应答机;FPGA;单粒子翻转【作者】陆荣;游月辉;吴涛;刘任宸【作者单位】上海卫星工程研究所，上海201109;上海卫星工程研究所，上海201109;上海航天电子技术研究所，上海201109;上海卫星工程研究所，上海201109【正文语种】中文【中图分类】TN967随着航天技术的发展，对星载信号处理能力的要求越来越高，体积小、功耗低的微电子器件在航天工程中得到广泛应用，FPGA也越来越多地应用到航天领域，成为星载信号处理和控制的关键部件。
单粒子反转
单粒子反转单粒子反转是指在量子计算中，通过对一个量子比特进行操作，将其从一个状态转变为另一个状态。
在经典计算中，信息的传递和处理是通过位的翻转来完成的，即0和1之间的切换。
而在量子计算中，量子比特的状态可以同时处于0和1的叠加态，这就为单粒子反转提供了可能性。
量子比特是量子计算的基本单位，它的状态可以用一个复数表示。
在量子计算中，常常使用的是叠加态和纠缠态。
叠加态是指量子比特处于多个状态的叠加，例如同时处于0和1的叠加态。
而纠缠态是指多个量子比特之间存在相互关联，一个量子比特的状态的改变会影响到其他量子比特。
在单粒子反转中，我们希望将一个量子比特从初始状态反转为目标状态。
这可以通过对量子比特施加适当的操作来实现。
在量子计算中，常用的操作包括Hadamard门、Pauli-X门、Pauli-Y门和Pauli-Z门等。
Hadamard门是一种常用的单比特门，它可以将一个量子比特从0态转变为叠加态。
具体而言，Hadamard门将0态转变为(1/√2)(|0⟩+|1⟩)，将1态转变为(1/√2)(|0⟩-|1⟩)。
通过施加Hadamard门，我们可以将量子比特从初始状态反转为叠加态，从而实现单粒子反转。
Pauli-X门是另一种常用的单比特门，它可以将一个量子比特从0态转变为1态，将1态转变为0态。
通过施加Pauli-X门，我们可以将量子比特从初始状态反转为目标状态。
除了单比特门之外，我们还可以使用多比特门来实现单粒子反转。
例如，通过施加CNOT门，我们可以控制一个比特的状态来改变另一个比特的状态。
通过这种方式，我们可以实现多比特之间的相互控制和反转。
单粒子反转在量子计算中具有重要的应用。
例如，在量子搜索算法中，我们希望在一组未排序的数据中快速找到目标数据。
通过对量子比特的状态进行反转，我们可以有效地实现量子搜索算法。
另外，在量子通信中，单粒子反转也可以用来实现量子比特之间的信息传递和交换。
总结起来，单粒子反转是量子计算中的重要概念，通过对量子比特进行适当的操作，可以将量子比特的状态从初始状态反转为目标状态。
星载电子设备抗辐照分析及元器件选用
星载电子设备抗辐照分析及元器件选用自1971年至1986年期间,国外发射的39颗同步卫星因各种原因造成的故障共计1589次,其中与空间辐射有关的故障有1129次,占故障总数的71%,由此可见卫星和航天器的故障主要来源于空间辐射。
1、抗辐照分析空间辐照环境中的带电粒子会导致星载电子设备工作异常和器件的失效,严重影响航天器的可靠性和寿命。
星载电子设备在工作期间所遇到的辐照问题主要是受到空间高能粒子(重离子和质子)的影响。
1.1 总剂量效应总剂量效应指在电子器件的特性(电流、电压门限值、转换时间)发生重大变化前,器件所能承受的总吸收能量级,超过这个能量级后器件就不能正常工作(出现永久故障)。
该剂量用Rad(Si)即存积在1gSi中的能量来度量。
典型轨道预计辐射量见表1。
总剂量效应会引起星上电子器件的物理效应和电器效应如产生电子空穴对、影响载流子的流动、对双极型器件会降低其增益,对CMOS器件会使其阈值电压漂移、降低转换速率等。
另外在对某星载雷达所用CMOS器件进行总剂量实验时发现,总剂量效应在器件断电后会有一定的退火现象,但如果再加大辐射剂量,退火后的器件很快就不能工作。
所以对长寿命、高可靠的星载电子设备,必须考虑元器件的在轨期间的总剂量问题。
对于总剂量效应的防护可采用如下2种方法。
(1)选择半导体工艺:选择对宇宙射线不敏感的材料,CMOS蓝宝石硅片(SOS)工艺是目前最合适的工艺,但其成本高于其工艺。
(2)辐射屏蔽:卫星的结构框架以及电子设备的外壳的屏蔽作用可减轻辐射的影响,一般可减少2krad～3krad。
因为屏蔽材料本身有2次辐射,所以它并不能有效地防护高能粒子(宇宙射线)产生的影响。
2、单粒子效应空间辐照环境使星载电子器件产生单粒子现象(SEP)。
随着电子器件集成度不断提高,器件尺寸不断减小,星载电子设备也变得更加复杂,电子系统更易受到瞬态干扰,因此在星载电子系统的设计过程中不仅要考虑辐射总剂量的影响同时也要研究高能粒子引起的单粒子现象。
单粒子翻转效应
单粒子翻转效应单粒子翻转效应是指在量子力学中，当一个粒子处于叠加态时，它的状态可以通过测量而塌缩到一个确定的态。
这个效应在量子计算和量子通信中具有重要的应用。
在经典物理中，一个物理系统的状态可以被描述为一个确定的值，如位置、速度或自旋方向。
然而，在量子力学中，一个粒子的状态却可以同时处于多个可能的态中。
这种叠加态的概念被称为量子叠加原理。
量子叠加原理的一个重要推论是单粒子的翻转效应。
当一个粒子处于叠加态时，它的状态可以同时是0和1，而不是只能是0或1。
这种叠加态的存在使得量子计算和量子通信具有了巨大的潜力。
单粒子翻转效应的实现需要一些特殊的技术和装置。
其中最常用的是量子比特（qubit）作为信息的存储和处理单元。
量子比特可以处于叠加态，即同时是0和1的状态。
通过对量子比特的操作，可以实现对量子信息的处理和传输。
在量子计算中，单粒子翻转效应可以用于实现量子门操作，从而实现量子比特之间的相互作用和量子信息的处理。
通过精确控制量子比特的叠加态和相互作用，可以进行并行计算和高效的搜索算法。
这使得量子计算具有了远超经典计算的潜力。
除了量子计算，单粒子翻转效应还在量子通信中发挥着重要的作用。
量子通信利用量子比特的叠加态和纠缠态来传输和保护信息。
通过精确控制和测量量子比特的状态，可以实现安全的量子密钥分发和量子远程传态等应用。
这些应用在保护信息安全和实现长距离通信方面具有重要意义。
尽管单粒子翻转效应在理论上已经被证明是可行的，但在实际中仍面临着许多挑战。
其中之一是量子比特的稳定性和可控性。
由于量子比特的叠加态非常脆弱，很容易受到噪声和干扰的影响，导致错误的结果。
因此，研究人员需要设计和制造更稳定和可控的量子比特来实现可靠的单粒子翻转效应。
量子比特的制备、操作和测量也是一个技术上的挑战。
目前，研究人员正在不断改进和发展新的技术和方法来提高量子比特的质量和性能。
这些努力将为实现可靠的单粒子翻转效应奠定基础。
单粒子翻转效应是量子力学中的一个重要概念，在量子计算和量子通信中具有重要的应用价值。
sram单粒子翻转过程
Sram单粒子翻转过程是指当单个存储单元的电源供应中断，或者存储单元内的电子器件出现故障时，存储单元的状态会发生改变，即存储单元内的数据会发生错误。
这种现象在电子设备中是常见的，尤其是在需要长时间保存数据的情况下。
在Sram单粒子翻转过程中，存储单元内的电子器件会受到静电、电磁辐射、温度变化等因素的影响，导致电子器件内部的电子状态发生变化，从而影响存储单元的数据。
具体来说，当电子器件内部的电子状态发生变化时，电子器件会失去其原有的功能，导致存储单元的数据发生错误。
在某些情况下，单粒子翻转可能会导致整个Sram芯片的失效。
这主要是因为Sram芯片中的各个存储单元是相互连接的，当一个存储单元发生错误时，可能会导致其他存储单元也发生错误。
此外，Sram芯片中的电子器件也会受到环境因素的影响，如温度、湿度、电磁辐射等，这些因素也会导致电子器件失效。
为了防止Sram单粒子翻转的发生，可以采用一些技术手段来提高Sram芯片的可靠性。
例如，可以采用双电源供电的方式，即同时使用两个电源供应系统来为Sram芯片供电，这样可以减少电源供应中断对芯片的影响。
此外，还可以采用冗余设计的方式，即在Sram芯片中增加额外的存储单元，当一个存储单元发生错误时，可以通过其他存储单元来恢复数据。
在实际应用中，Sram芯片通常被用于需要快速读写数据的应用场景中，如计算机中的缓存芯片、通信设备中的缓存芯片等。
因此，为了确保Sram芯片的可靠性，需要采取一些措施来防止单粒子翻转的发生。
同时，还需要定期对Sram芯片进行检测和维护，以确保其性能和可靠性。
总之，Sram单粒子翻转是电子设备中常见的一种故障现象，为了提高Sram芯片的可靠性，可以采用一些技术手段来防止其发生。
在实际应用中，需要定期对Sram芯片进行检测和维护，以确保其性能和可靠性。
单粒子翻转效应
单粒子翻转效应一、介绍在物理学中，单粒子翻转效应是指当一个系统中的某个粒子发生翻转时，系统整体的性质发生明显变化的现象。
这一现象在各种领域的研究中都有重要的应用，特别是在量子计算和量子通信等领域。
二、基本原理单粒子翻转效应的基本原理是利用粒子矢量空间中的自旋翻转来实现信息传输和处理。
在量子力学中，自旋是粒子的内禀性质，类似于粒子的磁矩。
通过施加外部磁场或其他的相互作用，可以使粒子的自旋在矢量空间中发生翻转。
三、应用领域单粒子翻转效应在多个领域都有广泛的应用，下面分别从量子计算、量子通信和材料研究等方面进行探讨。
1. 量子计算量子计算是一种基于量子力学原理的计算模式，利用量子比特的叠加和纠缠特性，可以实现比传统计算机更高效的计算能力。
单粒子翻转效应在量子计算中起到重要的作用，可以通过控制粒子的自旋翻转来实现量子逻辑门的操作。
这为量子计算的实现提供了可行的方案。
2. 量子通信量子通信是一种基于量子力学原理的安全通信方式。
借助于量子纠缠和量子比特的叠加特性，可以实现信息的加密和传输。
在量子通信中，单粒子翻转效应可以用于创建和控制量子纠缠态，从而实现安全的量子通信。
这为保护通信信息的安全性提供了重要的手段。
3. 材料研究单粒子翻转效应在材料研究中也有重要的应用。
通过控制材料中某些粒子的自旋翻转，可以改变材料的磁性和电性等性质。
这种控制可以通过施加外部磁场、温度等手段来实现。
利用单粒子翻转效应，可以设计出具有特定性质的功能材料，广泛应用于磁性存储、传感器、电子器件等领域。
四、实验方法实现单粒子翻转效应的方法有多种，下面列举几种常用的实验方法：1.磁共振法：利用核磁共振或电子顺磁共振的原理，通过外加磁场和特定的脉冲序列来实现粒子的自旋翻转。
2.光学法：利用激光或光磁光效应，通过调制光场的频率和强度，控制粒子的自旋翻转。
3.超导量子比特法：利用超导电路中的两个能级之间的能差来表示量子比特，通过外部脉冲序列实现比特的翻转。
控制器和姿态控制系统分类
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姿态控制器
1、姿态控制器
➢ 功能：由模拟逻辑或数字计算机实现控制规律或对策，把星上敏感 器和执行机构联接起来，从而完成对航天器的姿态控制任务。
➢ 姿态控制器输入： ➢ 姿态偏差 欧拉角偏差：
四元数偏差： ➢ 姿态角速度偏差
➢ 姿态控制算法： ➢ PID控制算法； ➢ 自适应控制算法； ➢ 滑模控制算法
1、姿态控制器 2、姿态控制系统分类
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系统任务
2、姿态控制系统分类
➢姿态稳定： ➢ 应用需求：对地观测和成像、通信、轨道控制； ➢ 控制指标：指向精度（o）和稳定度（ o /s）； ➢ 影响因素：环境力矩，天线摆动，太阳帆板的挠性振动，推力 产生的扰动力矩。
➢姿态机动： ➢ 应用需求：目标跟踪，区域凝视，观测目标变化等 ➢ 控制指标：稳态精度和稳态时间 ➢ 影响因素：机动力矩大小、机动方式、执行机构机动激起的挠 性振动。
1111
系统分类
2、姿态控制系统分类
➢ 按照控制力矩来源分类：
➢ 被动控制系统 ➢ 用自然环境力矩源或物理力矩源，如自旋、重力梯度、地 磁场、太阳辐射力矩或气动力矩以及它们间的组合来控制 航天器姿态。
➢ 主动控制系统
➢ 控制力矩、推力器、磁力矩器。
➢ 混合式控制系统 ➢ 被动控制系统与主动控制系统相结合的混合式控制系统。
1122
2、姿态控制系统分类 被动控制系统
➢ 自旋稳定是被动控制中最简单的方法。利用航天器绕自旋轴旋转所 获得的陀螺定轴性，使航天器的自旋轴方向在惯性空间定向。
“东方红一号”卫星(中国) “风云二号”气象卫星(中国) 1133
限幅调整系数 kq Qemax / max(abs( qe1 qe2 qe3 ))
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镀 金 技 术 已 经 在 太 空 科 技 中 使 用 了超 过 ３０年
首 先 ，黄 金 是惰 性金 属 ，化 学 性 质也 很 稳 定 ，几 乎不 会 被 氧化 ， 这 意 味 着 镀 了 金 的 镜 面 不 会 失 去 光 泽 另外 ，黄 金具 有 良好 导 电性 与导热性，它能高效地反射光波 ， 减 少冷 热不 均 的 发生 ．．镜面 温 差 引 起 的 变 形 会 严 重 损 害 望 远 镜 成 像 质量 。宇宙中温差极大的环境 以及 光 照 更 是 对 材 料 和 设 计 有 很 高 的 要 求 ．再次 ，黄 金对 于 红 外 波段 有 着极高的反射率 ．增强镜面的红外 线 反射 能 力 ，有 助 于探 测 遥 远 的 天 体 。红 外 波段 恰 好 是詹 姆 斯 ·韦伯 空 间望 远 镜 的主 要 观察 波 段 （工作 波长 为 ０ ６到 ２８ ５微 米，即 可见 光金 色 段 到 中红 外 波段 ），因 此对 这 台望远 镜镜面 进行 镀金 自然 更 加 有意 义 。
燃料并使 入轨顺利 ｊ两种发射都需要火箭对应装置的规格化 、集成化，便于卫星与火
箭 的便 捷 结 合
卫 星 的 “单 粒 子 翻 转 ’’是 什 么意 思 ？
单粒子翻转是由于宇宙空间存在大量高能量的粒 子辐射 ，由单个高能粒 子进入半 导体 器件灵敏 区 （例如微处理器、半导体存储器 或功率 晶体管 中 ）中引起反应 ，导致 存储单元发生位翻转 （即内容 由 ０变为 １，或 由 １变为 ０），由此 引起 的仪器错误 ｊ 这种 ０和 １的逻辑状态变化是由位于 “逻辑单元” ｛例如 “ｂｉｔ” ）附近的重要节 点内 或 附 近 电 离产 生 自由 电荷 的结 果 。
３０年前发射 的风 云一号 Ａ星 （ＦＹ一１Ａ）遭遇 强烈的太 阳活动 ，卫星发 生 “单粒 子翻 转”事件 ，最 后导 致姿态失控 ，仅工作 了 ３９天后就发 生故 障并最 终停止工作一 这种 名为 “单粒子翻转 ” （Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｖｅｎｔ Ｕｐｓｅｔ，简称 Ｓ
（本栏目稿件由中科院空间中心 王铮提供 ）
责 任编 辑 ：陈彩 连
ｓＰＡＣＥ Ｅ×ＰＬ０ ＲＡＴｊ０Ｎ ６９
同的轨道 ，当火箭抵达预定轨道后 ，所有的卫 星一起释放出去，通常让卫星分离速度 、
方 向各 不 相 同 ，保证 分 离 的安 全 性 ；另 一 类则 是 把 多 颗 卫星 分 别 送 入 不 同参 数 的 轨道 ，
通常需要 专门的分配器 ，还需选择最佳 的飞行路线及确定最佳分离ｌｔ１，－￣４，尽可能节约
空 问望远镜镜而为什 么要 镀 金 ？
“ 一
箭 多 星” 的小 卫 星 怎 么入 轨 ？
与 大 卫 星 不 同 ，小 卫 星 只 需 要 实 现
一 些 小 仪 器 就 能 完 成 的 功 能 ， 目标 是 低
成 本 、 高 效 率 、一 枚 火 箭 发 射 仅 仅 几 千
克 的 小 小 一 颗 卫 星 非 常 奢 侈 ， 而 “一 箭
多 星 ” 可 以 充 分 利 用 运 载 火 箭 的 运 载 能
力 余 量 ，经 济 便 捷 地 将 卫 星 送 入 地 球 轨
道 ，为卫 星 发 射服 务 提 供 多 种选 择 模 式 ，
对 小 卫 星 的 发展 而 言 尤 其重 要 。
“
一
箭多星”的小卫星按入轨模式可分 为两大类 ：一类是把一批卫星送入基本相
高能粒子进入半导体灵敏区可能 引起 多种单粒子效应 ，而单粒子翻转是空间辐射 造 成 的 多 种 单粒 子效 应 中最 常见 和 最 典 型 的 一 种 ，甚 至成 为星 载 计 算 机 中最 常 见 的错 误 单粒子翻 转主要发生在数据存储或指令相关器件 中 、单粒子翻转造成的器件错误 属 “软锚 误” ，即通过系统复位 、重新加 电或重新写入能够恢复到正 常状态。
【太空问答 】Ｉ太空探索
什 么是 “卫 星平 台” ？
发 射 卫 星 时常 听 说 卫星 使 用 了 某 某 平 台 、之 所 以采 用 “卫 星 平 台 ” （ｐｌａｔｆｏｒｍ ） 的设 计 方 法 ， 目的是 缩 短 卫星 研 制 周 期 ，节 省 研 制 经 费 ，提 高 卫 星可 靠 性 。
对于大部分卫星来说 ，不论安装什么有效载荷 ．都有一些一致 的基本功能 ，只是 具体 的技 术 性能 会 有 所 差 别 。 根据 这 一 特 点 。世 界 上 许 多 国 家 在卫 星设 计 研 制 中都 采 取 这种 类似 卡 车 底 盘 的 “卫 星 公 用平 台 ”思 路 ，设 计 具 有 通 用 性 的载 荷 平 台 ，接 １３和 供 能 等 参数 能 够 在 一 定 范 围 内 适应 不 同 有效 载 荷 的要 求 、当需 要 装 载 不 同 的有 效 载 荷 时 。卫星平台只需要做少量适应性修改