卫星抗辐射加固技术

文章编号:1006-1630(2001)02-0056-05
卫星抗辐射加固技术
宋明龙,　朱海元,　章生平
(上海航天技术研究院509所,上海　200240)
摘　要:分析了F Y 21C 卫星运行轨道空间辐射环境,介绍了整星、单机、器件抗辐射要求。

卫星研制过程中,对各单机和系统在技术设计、元器件选择、软件编制等的抗辐射加固设计要求。

特别对有CPU 和存储器的单粒子翻转效应(SEU )和闩锁效应(SEL )试验。

仪器和系统的软件均用故障注入的方法完成了抗SEU 的仿真试验。

关键词:太阳同步卫星;空间辐射;抗辐射加固;仿真试验中图分类号:V520.6 文献标识码:A
R adiation 2R esistance and R einforce T echnology of S atellite
SON G Ming 2long ,　ZHU Hai 2yuan ,　ZHAN G Sheng 2ping
(No.509Institute of SAST ,Shanghai 200240,China )
Abstract :Putting forward the needs of radiation 2resistance and reinforce of the whole F Y 21C satellite ,stand 2alones and units ,analyzing space radiation environment of the satellite.In the design and manufacture ,we raise clearly the requirements of radiation 2resistance and reinforce about the stand 2alones and system ’s technology design ,unit selection and software programming.Especially SEU and SEL tests are done for the stand 2alones with CPU or memory SEU 2resisting simulation test is also done for the software of the instruments and s ystem by failure 2injecting method.
K eyw ords :Sun synchronous satellite ;S pace radiation ;Radiation 2resistance and reinforce ;Simulation test
收稿日期:2000-09-29;修回日期:2001-01-05
作者简介:宋明龙(1940-),男,研究员,上海市宇航学会会员,研究领域:卫星总体。

0　引言
太阳同步卫星轨道在地球内、外辐射带内,要受粒子的辐射,如果预防措施不够有力,抗辐射加
固设计不全面,那么当遇到空间粒子活动剧烈时,卫星电子器件将受到损害,不能完成预定的工作任务。

研究卫星运行空间环境中各种粒子的种类、分布情况、能量及强度等因数,对星上选用元器件提出抗辐要求、硬件和软件的抗辐加固设计、系统的地面SEU 仿真试验以及故障对策等抗辐加固技术,是研制长寿命卫星的关键。

1　空间粒子辐射环境分析
F Y 21C 所处空间的粒子辐射环境如下:a.地球辐射带粒子
地球辐射带分为内、外两带。

内辐射带的空
间范围在赤道平面约(600～10000)km 高度内;外辐射带的空间范围延伸到赤道平面约(10000～60000)km 高度。

F Y 21C 卫星的轨道高度为870km ,属于内辐射带范围。

内辐射带粒子由地球磁场俘获,粒子主要有质子、电子组成。

电子能量大于0.5MeV ,最大积分通量大于108/(cm 2・s );质子能量为(0.4～50)MeV ,最大积分通量大于106/(cm 2・s )。

F Y 21C 气象卫星飞越大西洋负磁区(西经
40°)上空时,将可能经受重粒子的轰击。

b.太阳宇宙线
当太阳耀斑发生时,伴随有大量高能带电粒子的发射,此即太阳质子事件。

发出的高能带电粒子称作太阳宇宙线。

太阳宇宙线主要是质子和粒子,能量一般为(10～1000)MeV。

太阳质子事件突发的高能粒子,能使星上大规模集成电路的计算机产生致命故障。

c.银河宇宙线
来自银河系各个方向的高能带电粒子,绝大多数是质子和α粒子,还有少量高能粒子,此即银河宇宙线。

银河宇宙线的能量大,但通量小。

上述三种空间粒子辐射环境,前两种对卫星有较大危害。

地球辐射带粒子对CMOS器件的辐射累积损伤是主要的;而太阳质子耀斑辐射出的高能粒子,对计算机CPU、RAM及PROM等器件将产生单粒子翻转效应(SEU)和闩锁效应(SEL),从而导致数字集成电路器件发生软故障或永久性损伤。

2　抗辐射指标的确定
a.轨道及工作寿命　轨道高度870km,倾角
98.8°,工作寿命>2a。

b.星体表面材料和器件　总剂量:5.7×104 Gy;太阳电池电子辐照总剂量:3×1014电子数/ cm2・a。

c.星内材料与器件　总剂量:>50～1×103 Gy;3mm铝屏蔽单机内:材料与器件最低能承受60Gy。

d.抗空间静电充放要求
(a)等电位要求　卫星外壳任何两点(不包括绝缘部件)之间的阻抗≤10mΩ。

(b)单机通过辐射干扰检测　在距离0.3m 处能抗10000V放电产生的电磁脉冲干扰。

e.抗单粒子翻转和单粒子闩锁要求
(a)单粒子翻转　≯10-5～10-7(次/位・天) (对星载计算机和存储器)。

(b)单粒子闩锁　电路设计抗闩锁措施,若闩锁16h内应对本机无损伤,并对卫星其他系统功能无影响。

3　抗辐加固规定和试验指标
a.进行元器件试验。

集成电路抗总剂量指标是:摸底指标1×103～5×104Gy;功能考核指标5×102Gy。

b.明确需做抗辐加固验证试验的单机有星载计算机、DCDS终端设备、扫描辐射计线路箱、固态存储器、遥控接收机。

c.星载设备的软件必须采取容差设计和相应的故障隔离及对策,系统软件进行SEU仿真试验。

4　免做抗辐射加固试验条件的确定对于同时具备如下条件者,可免做抗辐射加固试验:
a.元器件
(a)SOS、SOL或CMOS外延结工艺;
(b)抗总剂量达到1×103Gy;
(c)单粒子翻转小于10-8次/位・天;
(d)无闩锁效应或闩锁阈值很高。

b.单机
(a)所用元器件抗总剂量达到1×102Gy以上;
(b)机壳外屏蔽厚度≮3mm(铝)。

5　抗辐射加固设计
5.1　电子元器件的选择和考核
F Y21C星在设计阶段要求各单机研制单位对关键性器件选用SOS器件,一般器件选用CMOS外延工艺器件。

元器件的选用,在技术上采取以下准则和措施:
a.选择满足抗总剂量、抗SEU、SEL指标的元器件。

b.核心器件选用HCS器件,接口级、切换级和电源等选用按有关标准制造的产品。

c.电阻、电容、三极管、二极管、继电器等选用国产可免做抗辐射验证试验的产品。

d.微处理器及其外围设备用的器件选用抗辐射加固产品。

e.大规模或超大规模集成电路需有厂方抗辐射能力的质保书,认证单位在厂方生产的批量产品中随机抽取1～2只作抗辐射验证试验。

试验品在无屏蔽状态下做辐照,只作功能测试。

f.元器件若无厂方抗辐射能力质保书,则从每种元器件中随机抽取2～3只进行功能正常、功能偏差、功能失效的总剂量辐照验收试验,试验指标为1×103Gy。

g.电子器件的重离子、高能质子的单粒子辐照试验采用Cf252锎源在器件开盖条件下进行SEU、SEL试验。

h.对暴露在星外的有机材料,采用高抗辐射塑料和涂料。

5.2　电子线路的抗辐射加固设计
电子线路应进行抗辐射加固设计,以便在辐射环境下,也能够继续保持电路的功能和性能。

电路抗辐射加固的硬件措施如下:
a.元器件参数指标降额使用。

降额使用指标应保证辐射、温度和老化等综合效应的最坏情况下电路性能不超过正常工作的范围。

在条件许可情况下,优先考虑使用中小规模集成电路。

b.选用合适的屏蔽方式和屏蔽材料。

c.对个别抗辐射裕度不是很高的电子器件,采用加盖0.5mm厚度的铅皮作加强屏蔽。

d.采取冗余设计,增加安全系数,对运算电路、控制电路和中断电路内部存储器采用三冗余方式,防止发生软错误。

e.冗余设计中应用故障隔离技术。

f.为防止因闩锁时过电流损坏CMOS器件,电路设计时设置限流范围。

5.3　单机抗辐射加固设计
5.3.1　无CPU控制单机
a.合理选取机壳屏蔽厚度。

根据F Y21C卫星2a工作寿命要求,星内仪器的机壳均采用厚度≮3mm的铝板构成,确保产品在2a辐射累计剂量条件下不造成性能超差或功能失效。

b.采用冗余设计。

除采用冷热备份措施外,当元器件发生永久性故障时,或由机内预设置指令,切换到备份单元工作,或由地面遥控指令,切换到需要的工作模式。

c.合理设计单机内闩锁电流范围。

当发生闩锁后能在16h内不会损坏仪器,经关机后恢复工作时不造成性能超差或功能失效。

d.各单机的输入、输出电路端口均采用可靠有效的故障隔离措施,保证一台单机的故障不影响相邻单机的正常工作。

5.3.2　有CPU控制单机
卫星抗辐射措施中,总剂量和闩锁现象一般通过对硬件采取措施来解决,而SEU造成的软错误还需通过硬件和软件多种方法来解决。

因此,除采用无CPU控制单机的抗辐射加固设计外,还需采取如下措施:
a.对不能采用三取二输出数据,并能确定为硬件故障的,要具有硬件重构功能。

b.正确设置“看门狗”,对正常/故障启动提供识别标志,供软件按不同标志进行相应的初始化处理。

c.硬件要具有自诊断功能和非法地址检验功能、非法指令检验功能。

d.星载计算机选用具有故障诊断、故障隔离、高抗辐射性能的CPU,硬件时钟与软件时钟互为备份的计时配置,以增强软件抗辐射能力;存储器具有“纠一检二”的功能,在一定程度上,对SEU 事件进行自动纠正。

e.除星载计算机外,其他用CPU控制的单机,CPU、存储器等重要器件均选用符合有关标准的产品。

5.4　星载计算机的抗辐射加固设计
星载计算机按总体抗辐射加固要求进行硬件设计。

重要器件选用SOS器件,一般器件选用CMOS外延工艺器件;对不能保证无闩锁的器件,在电路设计中均用限流电阻来阻断闩锁的发生,或防止因闩锁时过电流而损伤器件。

星载计算机设计成既具有双热机冗余,又能冷热备份冗余的能独立工作的双机系统。

星载计算机的软件包含管理软件、姿态控制软件和程控测控软件。

为抗辐射加固,软件采取了如下措施:
a.程序进行模块化设计,模块之间以若干单
字长的中断指令进行隔离。

b.程序流程单向性设计,防止因某种错误跳转而陷入死循环。

c.对重要程序模块和输出控制接口,采取程序和指令重复执行来确认的加严措施。

d.运行分程序时对主程序返回地址进行保护;退出分程序时进行主程序返回地址的一致性比对。

e.严格程序运行的地址范围,禁止流程进入PROM数据区和RAM区。

f.禁止对非法I/O地址进行操作,对控制系统的输出控制进行重点保护和集中统一管理。

g.对重要参数和流程标志按三取二表决方式使用。

h.对数据进行限幅、微量修正和检错纠错处理。

i.采用“看门狗”控制技术。

姿控系统的控制关系到整星的成败。

为防止因单粒子事件而使卫星姿态失控,系统除了在硬件配置和设计中采取抗辐射加固措施外,控制软件采取了以下措施:
a.根据星载软件抗SEU的要求,对变量进行三取二处理;在软件中采取路径标识、循环限次、数值限幅等抗飞程序和溢出的多项容错技术,设计了具有检错纠错、状态控制的模块化结构。

b.设计完备的状态保护功能。

当卫星或控制系统发生故障、姿态出现偏差时,可以自主进入安全模式,使太阳电池阵始终对向太阳,确保电源的供给。

c.针对功能模块的切换,设计了自主切换、地面注入切换、初态软复位、稳态软复位、故障判(识)别复位五种途径。

特别是针对不同状态下的复位功能,保证卫星安全受控,即使因SEU事件计算机状态出现多次翻转,姿控系统仍能保持稳定的偏置动量状态。

星载计算机在地面仿真试验时,设计了多种模拟故障的测试案例,如陀螺故障、地平仪故障、动量轮故障等,仔细验证了系统排除故障措施的有效性;针对软件防计算机状态翻转措施,用高压电火花在计算机旁实施干扰,使计算机在短时间内多次翻转,验证了软件能够有效进行复位,动量轮保持在4800r/min的稳定转速。

星载计算机软件要做到在两星期中允许因SEU事件发生一次瞬间扰动,但须在2s内恢复,不造成大的姿态变化;半年内不出现因辐射而使姿态控制模式变化;两年中不发生因辐射造成姿态失控或不能出云图。

5.5　系统抗辐射加固设计的验证试验
5.5.1　固态存储器SEU仿真试验
DRAM固态存储器采用了MAS31750CPU 作为记录/回放/停止等状态的控制,为有效避免空间SEU效应对单机正常工作的影响,DRAM 固态存储器在进行了MAS31750CPU的锎源试验的基础上,借鉴了F Y21B星载计算机软件的设计经验,采取了三取二表决、子程序入口/出口判别、防止飞程序等处理措施。

同时,在此基础上,针对DRAM固态存储器的电路设计特性,为防止82C55输出口状态的翻转,定期将RAM区域中存放的状态数据经三取二表决后,对82C55并行口的数据进行刷新。

5.5.2　扫描辐射计的抗辐加固设计及试验
5.5.2.1　抗辐射加固设计
a.单机结构的抗辐射加固设计　机箱材料选用3mm铝板;个别关键器件面上贴钼片加固;全部电子器件均装在屏蔽箱内;导线选用高抗辐射性能ARF252型氟塑料线。

b.电子元器件的选用　选用高抗辐射性能和对辐射相对不敏感的电子器件。

(a)CMOS4000系列电路选用高抗辐射的CMOS2RH器件;
(b)TTL电路采用双极型54L S系列对辐射不敏感的器件;
(c)对器件厂家没有给出抗辐射指标的中大规模集成电路,按总体提出的要求进行静态和动态辐射测试来验证。

c.电路的抗辐射加固设计　每块电路板上均串接限流电阻和并接滤波电容,防止出现因辐射造成闩锁,损坏器件。

二次电源设计具有过流自保护能力。

d.软件的设计　软件设计成具有当产生SEU时能自主鉴别复位,翻转时仅出现瞬时或短
期失控,随后恢复正常的功能。

在执行程序中设置有“看门狗”和陷阱,对包括SEU或其他原因造成的工作混乱能自行跳转复位;设计处理器操作流程使每一扫描帧程序执行周期都重置初始化,不使用上一周期留存在寄存器中可能有错误的数据,同时处理器还将执行程序复制一份在程序存储器的另一区,用以程序出错时作指令切换。

5.5.2.2　静态抗辐射试验
a.探测器的辐射摸底试验
辐射源为C060γ射线,取三种剂量,每种进行两次辐照试验:
剂量1　2×102Gy相当2a寿命,距源32 cm,照射6min;
剂量2　6×104Gy相当2a寿命,距源39 cm,照射66h;
剂量3　2×105Gy相当3a寿命,距源16 cm,照射66h。

(a)硅光电探测器　三种不同工艺的器件试验结果如下:
照射后4h和48h复测,剂量1时,器件的暗电流和光电流基本不变;剂量2、3时暗电流有所增大,光电流平均值下降,但存放后性能有所恢复,与工艺没有明显关系。

(b)碲镉汞探测器　对带滤光片和不带滤光片进行试验。

b.光纤辐射试验
c.部分大规模集成电路的C060γ辐照试验
5.5.2.3　动态抗辐射试验
动态抗辐射试验主要有整机经C060γ辐射和整机单粒子辐射试验:
a.C060γ射线照射时间2h,总剂量为1.9×102Gy;
b.单粒子辐射源用C f252,辐射能量为43.5 MeV/mg・cm2,垂直照射,粒子注入量为2160次裂变/(min・cm2),照射时间3h。

大部分受试器件开帽,锎源距芯片1mm。

两种状态的试验结果,均没有发生SEL和SEU现象,说明扫描辐射计的抗辐射加固措施有效。

6　结束语
F Y21C星在轨运行17个月来,各项数据表明:星上计算机故障数为零,即使在太阳质子事件最强烈时期,也未异常跳动过一次,星上工作的单机全部是入轨初的工作仪器,未曾切换任何备份。

星上的姿控、电源、测控、热控等系统均正常,有效载荷性能优良稳定,各项监测功能得到有效应用。

2000年7月中旬,太阳活动进入高峰期,F Y21C 星不仅经受了空间带电粒子的冲击考验,还通过星上空间粒子成分监测器,提供了大量的空间环境信息资料,记录了自F Y21C星发射以来,太阳活动经历的几十次耀斑和日冕物质抛射事件。

空间高能带电粒子变化是复杂的,需进一步掌握空间环境中粒子变化的规律,使卫星适应空间环境。

F Y21C星上空间粒子成分监测器,监测空间高能带电粒子环境,提供高能粒子辐射背景,当发生太阳质子事件等异常情况时,警报灾难性粒子扰动事件,为卫星的安全运行提供背景信息。

同时,不断积累的空间环境数据,为后续卫星型号抗辐射加固工程设计提供了依据。

(致谢　F Y21C卫星抗辐射加固设计得到孟执中总师的指导,由范景德同志代表总体负责主管、各分系统有关设计师协同合作完成,其中也采用蓝增瑞研究员的部分预研成果,在此一并表示感谢!)
参考文献
[1]　范景德.对卫星抗辐射加固保证大纲的探讨[J].原
子能科学技术,1997,31(3).。