基于多敏感器件复用的卫星星体单粒子风险自监测方法
阅读说明：本技术 基于多敏感器件复用的卫星星体单粒子风险自监测方法 (Satellite star single event risk self-monitoring method based on multi-sensitive device multiplexing ) 是由 全林 冷佳醒 沈国红 王东亚 李泠 王鲲鹏 段美亚 赵蓓蕾 张大伟 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于多敏感器件复用的卫星星体单粒子风险自监测方法。本发明利用卫星自身搭载的单粒子敏感器件的不同的抗辐射等级,通过多敏感器件复用实现卫星星体的单粒子风险感知,可实现卫星舱内引发器件单粒子风险的大规模、多阈值、准实时自感知,成本低,不增加卫星负担,可适用于不同轨道、不同体质的卫星,具有普遍性,是一套适应于卫星自身体质特点的风险自感知评估方法。(The invention discloses a satellite star single particle risk self-monitoring method based on multi-sensitive device multiplexing. The method realizes single particle risk perception of the satellite body by multiplexing the multiple sensitive devices by utilizing different radiation resistance levels of the single particle sensitive devices carried by the satellite, can realize large-scale, multi-threshold and quasi-real-time self perception of single particle risks of the devices caused in the satellite cabin, has low cost, does not increase satellite burden, is suitable for satellites with different orbits and different constitutions, has universality and is a set of risk self perception evaluation method suitable for the constitutional characteristics of the satellite.)
技术领域
本发明涉及在轨航天器单粒子风险评估预警技术领域，具体涉及一种基于多敏感器件复用的卫星星体单粒子风险自监测方法。
背景技术
单粒子效应是对航天器电子系统危害最大的辐射效应之一。单粒子效应可使卫星用电子器件的逻辑状态发生改变、电路逻辑功能紊乱、计算机处理的数据发生错误、指令发生错误、程序“跑飞”、计算机瘫痪、体硅CMOS器件和功率器件被其诱发的大电流烧毁，从而使卫星发生异常和故障，甚至使卫星处于灾难性局面之中。单粒子效应与器件种类有密切关系，空间高能粒子与不同类型的器件相互作用，就有多种单粒子效应类型，如SEU、SEL、SEB、SEGR、SET、SEFI等。根据单粒子效应对器件造成的影响，将单粒子效应分为单粒子软错误和单粒子硬错误。单粒子软错误是不会造成器件物理破坏的错误，通过一定的途径可以恢复，如SEU、SET以及SEFI等。单粒子硬错误(SHE)是造成器件永久性损伤或失效，如SEL、SEB以及SEGR等。
单粒子效应是当前航天器电子系统面临的最主要的突发环境风险，目前缺乏有效的方法，常规依托LET探测等方法仅能实现有限点探测，卫星结构、运行工况、个体化差异均很复杂，且难以在每颗卫星上搭载环境及效应监测载荷，如何对迅即评估卫星所处风险等级，并迅即给出预警信息难度极大，目前缺少手段。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于多敏感器件复用的卫星星体单粒子风险自监测方法，基于卫星本体丰富FPGA、SRAM等敏感器件，配套多元器件分群融合算法，实现低成本、大规模、多阈值航天器单粒子风险自感知，用于在轨航天器单粒子效应风险告警。
本发明的基于多敏感器件复用的卫星星体单粒子风险自监测方法，包括：
对卫星星体上的各器件分别进行单粒子效应及其类型分析，得到其单粒子效应敏感级别；
不同敏感级别的器件采用不同的权重因子，以卫星上所有器件的敏感等级加权平均值作为该卫星的单粒子效应敏感系数；
根据卫星单粒子效应敏感系数确定该卫星星体的单粒子风险等级。
进一步的，卫星上的处理器、FPGA、EEPROM、FLASH和VCO为易敏感器件，敏感等级定义为I级；
看门狗、AD、DA、DC-DC电源模块及LDO为敏感程度一般的器件，敏感等级定义为II级；
模拟、射频和电源类器件为敏感程度较低器件，敏感等级定义为III级。
进一步的，卫星上敏感器件的单粒子效应类型如表1所示：
表1敏感器件单粒子效应类型
进一步的，根据根据卫星的结构和用途特点，以及器件的单粒子效应敏感程度，进行器件选取：对于单粒子效应不敏感的器件，直接在任务中使用；对于单粒子效应敏感的器件，首先检索其单粒子效应数据，由抗辐射专家确定数据是否可用，对于没有数据或数据不可用的敏感器件，依照试验规范进行单粒子效应评估试验，获取其单粒子效应数据；然后依据任务的单粒子效应指标要求和器件的单粒子效应数据，判断该器件是否满足工程任务的要求，能够满足要求的直接使用，不能满足需要的则更换器件；最后，针对依然不满足要求的器件，则结合器件所在的功能电路，分析其可能对电路功能产生的危害，确定电路、软件和系统级的设计思路。
进一步的，卫星单粒子效应敏感系数σ为：
其中，ξ1、ξ2、ξ3分别表示敏感等级I、II、III的器件的风险权重因子，风险权重因子取值区间为(0,1)；N1、N2、N3分别表示敏感等级I、II、III的器件数量，N＝N1+N2+N3。
有益效果：
本发明利用卫星自身搭载的单粒子敏感器件的不同的抗辐射等级，通过多敏感器件复用实现卫星星体的单粒子风险感知，可实现卫星舱内引发器件单粒子风险的大规模、多阈值、准实时自感知，成本低，不增加卫星负担，可适用于不同轨道、不同体质的卫星，具有普遍性，是一套适应于卫星自身体质特点的风险自感知评估方法。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于多敏感器件复用的卫星星体单粒子风险自监测方法。
卫星构成中，通常需搭载上百台单粒子敏感器件，型号包括FPGA、SRAM等，它们抗辐射等级均不一样，这决定了其故障表现也各不相同，而这些敏感器件通常也是故障表现的主体。本发明借用这些敏感器件，参考其抗击单粒子体质特点，采用多元器件分群融合算法，便于生成个性化的单粒子风险信息，实现对本星的迅即告警。
本发明流程图如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1，对卫星常用单粒子敏感器件进行梳理，实现复用特性分类和分级，具体情况：
a)通常，任务中使用的器件均对单粒子效应具有一定的敏感性，而一些无源元件，如电阻、电容、电感和继电器等对单粒子效应不敏感；
b)存储类器件如SRAM、EEPROM和FLASH等均存在SEU，但PROM由于采用熔丝结构，所以不存在SEU，而SRAM型FPGA和含有RAM或寄存器单元的处理器也存在SEU，对于深亚微米及其以下工艺制作的上述器件，还会存在一定比例的MBU现象；
c)使用CMOS工艺制造的器件，由于存在寄生的PNPN结构，均存在不同敏感程度的SEL；
d)DC-DC等电源模块中的功率MOSFET，均存在SEB和SEGR；
e)常用的模拟、射频和电源类器件，如运放、比较器、ADC/DAC、低噪声放大器、射频功放和DC-DC电源模块等均存在SET，而处理器和FPGA内的逻辑电路单元也存在SET；
f)对于处理器、FPGA、EEPROM、FLASH和VCO等具有复杂控制功能的器件，均存在不同敏感程度的SEFI。
步骤2，依据卫星结构特点，基于器件的单粒子效应敏感性进行器件选择，确定卫星上各敏感器件的单粒子效应类型。
根据卫星的结构及用途特点，首先判断所用器件是否对单粒子效应敏感，不敏感的器件可直接在任务中使用，敏感的器件需进一步给出可能的单粒子效应类型；然后，检索敏感器件的单粒子效应数据，并由抗辐射专家确定数据是否可用，对于没有数据或数据不可用的敏感器件，应依照试验规范进行单粒子效应评估试验；其次，依据任务的单粒子效应指标要求和器件的单粒子效应数据，判断器件是否满足工程任务的要求，能够满足要求的直接使用，不能满足需要的要更换器件；最后，针对依然不满足要求的器件(包括无法更换或更换不到满足要求的器件)，要结合器件所在的功能电路，分析其可能对电路功能产生的危害，确定电路、软件和系统级的设计思路。
步骤3，参考被选敏感器件等级差异，合理构建风险生成的权重因子，计算单粒子风险效应指数。
本实施例对卫星常用器件的单粒子敏感性进行了分析，给出了敏感器件可能发生的单粒子效应类型表，如表1所示。
表1敏感器件单粒子效应类型
a)对于处理器、FPGA、EEPROM、FLASH和VCO等易敏感器件，敏感等级定义为I级；
b)对于看门狗、AD、DA、DC-DC电源模块及LDO等敏感程度一般的器件，敏感等级定义为II级；
c)常用的模拟、射频和电源类器件，如运放、比较器、ADC/DAC、低噪声放大器、射频功放等敏感程度较低器件，敏感等级定义为III级。
根据器件的不同敏感等级，风险生成时可采用不同的权重因子，以ξ1、ξ2、ξ3分别表示敏感等级I、II、III的器件风险权重因子，权重因子取值区间为(0,1)。
然后根据以下计算公式，得出卫星单粒子效应敏感系数σ，即
式中N1、N2、N3分别代表三种等级的器件数量，N＝N1+N2+N3。
步骤4，为按照红橙黄三种，给出风险等级，实现预警信息的迅即生成。
根据上述公式计算得到单粒子效应敏感系数对风险等级进行划分，并以红橙黄三种颜色区分，红色代表单粒子风险最高级别，橙色为最低级别，从而实现预警信息的迅即生成。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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