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        宇航元器件在軌測(cè)試研究

        2016-05-19 02:45:24陳嘉鵬蔡潔明黃旭東宋國(guó)棟
        電子與封裝 2016年4期
        關(guān)鍵詞:抗輻射

        陳嘉鵬,蔡潔明,黃旭東,宋國(guó)棟

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所,江蘇無(wú)錫214035)

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        宇航元器件在軌測(cè)試研究

        陳嘉鵬,蔡潔明,黃旭東,宋國(guó)棟

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所,江蘇無(wú)錫214035)

        摘要:對(duì)國(guó)內(nèi)宇航元器件應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查研究,闡述了宇航元器件進(jìn)行在軌測(cè)試的必要性。對(duì)宇航元器件在軌測(cè)試的方法進(jìn)行探討,列舉了目前常用的在軌測(cè)試方法。重點(diǎn)對(duì)宇航元器件進(jìn)行在軌測(cè)試參數(shù)選擇,對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行分析,同時(shí)對(duì)航天元器件在軌參數(shù)進(jìn)行了研究。隨著航天事業(yè)不斷發(fā)展,宇航元器件在軌測(cè)試將會(huì)得到更多的關(guān)注和應(yīng)用,將為實(shí)現(xiàn)宇航元器件的自主發(fā)展打下基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:宇航元器件;在軌測(cè)試;抗輻射

        1 宇航元器件在軌測(cè)試驗(yàn)證的必要性

        1.1背景概況

        隨著我國(guó)航天事業(yè)的高速發(fā)展,衛(wèi)星不僅在國(guó)防事業(yè)中扮演重要的角色,而且逐步應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面。航天事業(yè)的多元化快速發(fā)展,對(duì)衛(wèi)星的要求大大提高,對(duì)宇航用元器件的可靠性也提出了更高的要求。目前,航天用進(jìn)口元器件的數(shù)量和品種雖然比例不高,但如果無(wú)法采購(gòu)到部分關(guān)鍵元器件(尤其是性能復(fù)雜、高質(zhì)量等級(jí)的元器件),航天產(chǎn)品研制就可能出現(xiàn)不良后果[1]。舉例說(shuō)明近5年我國(guó)進(jìn)口幾種類型的元器件情況見(jiàn)表1。

        消除、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的出路在于逐步實(shí)現(xiàn)宇航元器件的自主設(shè)計(jì)研制,并對(duì)研制的產(chǎn)品進(jìn)行更為合理、充分的驗(yàn)證、評(píng)價(jià)。近年來(lái),為實(shí)現(xiàn)宇航元器件的自主可控,國(guó)家安排了一系列國(guó)產(chǎn)元器件研究項(xiàng)目,加大了對(duì)核心器件的應(yīng)用驗(yàn)證力度,在軌測(cè)試作為元器件應(yīng)用驗(yàn)證必要階段正發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[2]。

        1.2必要性分析

        航天器在研制、發(fā)射、入軌、返回過(guò)程中要經(jīng)歷4個(gè)階段的環(huán)境,包括地面環(huán)境、發(fā)射環(huán)境、軌道環(huán)境(空間環(huán)境)和返回環(huán)境。在每個(gè)階段,航天器都要受到多種環(huán)境應(yīng)力的綜合作用。其中,又以空間環(huán)境最為重要,因素最為復(fù)雜、影響最大。據(jù)統(tǒng)計(jì),70%的航天器故障是由于空間環(huán)境的影響而造成的[3]。

        表1 近5年進(jìn)口元器件使用產(chǎn)品型號(hào)和數(shù)量

        空間輻射對(duì)航天器的效應(yīng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面[4]:(1)高能粒子對(duì)航天器的材料、電子器件、生物載荷及航天器的輻射總劑量損傷效應(yīng);(2)高能帶電粒子與航天器電子器件或電路在空間輻射環(huán)境中相互作用,使后者發(fā)生邏輯錯(cuò)誤、功能異常甚至造成器件或電路損毀等現(xiàn)象,造成單粒子效應(yīng)。

        衛(wèi)星和航天器的工作特殊性使其對(duì)電子設(shè)備的可靠性、安全性要求非常高。這些空間設(shè)備又不可避免地要處于空間輻射環(huán)境中,空間輻射是誘發(fā)衛(wèi)星和航天器異?;蚬收系闹饕蛑弧W洲航天局報(bào)告指出,衛(wèi)星等電子設(shè)備反?,F(xiàn)象中,由于輻射損傷而造成的達(dá)33%??臻g的輻射對(duì)衛(wèi)星及航天器中的微電子器件是個(gè)嚴(yán)重威脅,特別是半導(dǎo)體器件和元器件易受輻射損傷而失效,從而造成整個(gè)衛(wèi)星的失效。空間輻射對(duì)衛(wèi)星主要元器件可能產(chǎn)生的輻射效應(yīng)如表2所示[5]。

        表2 衛(wèi)星部分元器件的輻射效應(yīng)

        雖然結(jié)合現(xiàn)有理論研究和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),我們可以在地面開(kāi)展關(guān)于器件輻射效應(yīng)敏感度的評(píng)估實(shí)驗(yàn),但是模擬試驗(yàn)不能完全模擬空間輻射環(huán)境,不能百分之百保證該器件在長(zhǎng)時(shí)間的太空飛行中可靠。國(guó)內(nèi)外已有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,地面試驗(yàn)解決暴露的問(wèn)題,宇航應(yīng)用中往往較少發(fā)生,但是宇航元器件在應(yīng)用期間有故障發(fā)生,尤其是應(yīng)用初期發(fā)生大量的問(wèn)題和故障,說(shuō)明航天產(chǎn)品地面試驗(yàn)的充分性、有效性還不夠[6]。積極開(kāi)展在軌測(cè)試驗(yàn)證還可以運(yùn)用飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證地面模擬試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性,為研究抗輻射效應(yīng)提供更多寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù),為后續(xù)更準(zhǔn)確、更有效地開(kāi)展地面輻照模擬試驗(yàn)指明道路,因此在軌測(cè)試驗(yàn)證和地面模擬驗(yàn)證兩者相輔相成,缺一不可。為此,開(kāi)展在軌測(cè)試驗(yàn)證,研究微電子器件的輻射效應(yīng)及提高器件的抗輻射能力勢(shì)在必行。

        2 宇航元器件在軌測(cè)試方法探討

        隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展,宇航用元器件覆蓋范圍越來(lái)越廣,需要對(duì)不同類型的電路進(jìn)行在軌測(cè)試驗(yàn)證,以滿足太空中復(fù)雜的使用需求。如DSP廣泛應(yīng)用于通信、信號(hào)處理、自動(dòng)控制、雷達(dá)、聲吶等領(lǐng)域,總線電路在飛機(jī)、衛(wèi)星上有著廣泛的應(yīng)用??删幊唐骷V泛應(yīng)用于航空、航天、電子、船舶等項(xiàng)目中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。存儲(chǔ)器廣泛應(yīng)用于軍事雷達(dá)、電子對(duì)抗、移動(dòng)通信等領(lǐng)域,其他如DC/DC、DDS等電路均廣泛應(yīng)用于航天器和衛(wèi)星之上。

        針對(duì)元器件空間環(huán)境適應(yīng)性和應(yīng)用性開(kāi)展在軌測(cè)試,經(jīng)研究總結(jié)一般具有如下評(píng)估試驗(yàn)方法,這些方法在元器件飛行驗(yàn)證工程中具有可實(shí)施性,在軌測(cè)試時(shí)應(yīng)根據(jù)驗(yàn)證考慮重點(diǎn)不同對(duì)實(shí)施方法進(jìn)行選取[7]。

        (1)采用成熟電路驗(yàn)證元器件,方便元器件替代應(yīng)用和問(wèn)題定位;

        (2)比較法,和已驗(yàn)證的特性明確元器件進(jìn)行在軌對(duì)比驗(yàn)證;

        (3)直測(cè)法,對(duì)電壓、電流、溫度等進(jìn)行直接監(jiān)測(cè);

        (4)拉偏測(cè)量法,電性能拉偏,溫度寬范圍考核;

        (5)器件自檢測(cè)法:元器件循環(huán)自檢,如指令集、存儲(chǔ)器等;

        (6)同工藝器件組合驗(yàn)證法:同一生產(chǎn)線相同工藝不同器件組成應(yīng)用線路驗(yàn)證。

        以DSP電路為例,針對(duì)器件受電離輻射及單粒子效應(yīng)可能發(fā)生的失效情況,對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理器的嵌入式存儲(chǔ)器,可以在輻照前每個(gè)字節(jié)寫入數(shù)據(jù),在輻照過(guò)程中循環(huán)讀取存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù),與輻照前進(jìn)行比較,記錄出錯(cuò)單元、統(tǒng)計(jì)出錯(cuò)數(shù)量和類型,同時(shí)檢測(cè)器件功耗電流變化情況,分析數(shù)據(jù)錯(cuò)誤與器件功耗電流變化的關(guān)系及存儲(chǔ)器總劑量效應(yīng)機(jī)理;對(duì)于DSP的其他各個(gè)功能模塊,可以運(yùn)行各種不同功能:算術(shù)邏輯運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、寄存器測(cè)試、緩沖寄存器測(cè)試、其他外設(shè)功能測(cè)試。通過(guò)運(yùn)算結(jié)果與正確結(jié)果的比較,判斷運(yùn)算是否正確,在輻照時(shí)循環(huán)監(jiān)測(cè)寄存器或存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù),檢查有無(wú)錯(cuò)誤,同時(shí)監(jiān)測(cè)芯片功耗電流變化情況,根據(jù)運(yùn)算結(jié)果和相關(guān)寄存器的數(shù)據(jù)變化分析原因。同時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)主控板CAN總線接口遙測(cè)下傳。同時(shí)DSP系統(tǒng)與CPU系統(tǒng)也不斷將自身運(yùn)行情況發(fā)送到主控板的CAN總線??梢酝ㄟ^(guò)CPU實(shí)時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)及地址總線檢測(cè)存儲(chǔ)器及寄存器的當(dāng)前狀態(tài)來(lái)確定是否發(fā)生SEU等現(xiàn)象。同時(shí),通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)1553B測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊,也可以確定電路功能是否正常。以上檢測(cè)方法可行,且實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易。

        3 宇航元器件在軌測(cè)試關(guān)鍵參數(shù)分析

        3.1空間試驗(yàn)下的行為分析

        在軌測(cè)試時(shí),為驗(yàn)證元器件可靠性,需要進(jìn)行如下試驗(yàn):(1)電路參數(shù)測(cè)試試驗(yàn);(2)電路功能測(cè)試試驗(yàn);(3)SEL試驗(yàn);(4)SEU試驗(yàn);(5)通信實(shí)驗(yàn)。

        在軌高端數(shù)字元器件主要指信號(hào)處理器以及與處理器配套使用的FPGA、SRAM、EEPROM等。這類器件的共同特點(diǎn)是都采用MOS元器件結(jié)構(gòu),空間輻射對(duì)它們的影響主要有兩種形式:總劑量效應(yīng)和單粒子事件??倓┝啃?yīng)改變器件的性能,如產(chǎn)生MOS管閾值電壓漂移;單粒子事件使器件產(chǎn)生狀態(tài)改變,這可能導(dǎo)致電路誤動(dòng)作或器件功能改變[8]。

        數(shù)據(jù)處理器單元是衛(wèi)星的核心單元,其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確安全是衛(wèi)星正常工作的前提[9]。宇航用衛(wèi)星可采用DSP作為圖像信息處理CPU,抗輻射DSP是一種高性能、高可靠、適應(yīng)空間環(huán)境的數(shù)據(jù)處理器[10]。同時(shí)近年發(fā)展利用ASIC如FPGA結(jié)合CPU來(lái)提高衛(wèi)星和航天器自主性和數(shù)據(jù)更新速率,實(shí)現(xiàn)體積更小、功耗更低的衛(wèi)星。FPGA尤其是SRAM型FPGA對(duì)空間輻射比較敏感,成為衛(wèi)星和航天器處理器單元“單粒子事件”的主要原因,所以在使用過(guò)程中應(yīng)結(jié)合各種容錯(cuò)方法來(lái)避免故障,一種對(duì)FPGA進(jìn)行監(jiān)視配置的容錯(cuò)方案在航天器上得到廣泛應(yīng)用,這可在不損害FPGA速度的前提下,提高其可靠性[11~12]。PROM用來(lái)存儲(chǔ)程序數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)的安全直接關(guān)系程序的正常運(yùn)行,而EEPROM和SRAM的可靠性要求比PROM要低,處理過(guò)程中的個(gè)別數(shù)據(jù)錯(cuò)誤可以通過(guò)有效的算法消除,重要的常量應(yīng)多處存放。

        根據(jù)輻照設(shè)計(jì)裕度對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行合理篩選并降額使用,采用屏蔽措施以及冗余糾錯(cuò)處理,航天器的數(shù)據(jù)處理單元經(jīng)過(guò)合理的軟硬件設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)募庸檀胧┛苫緷M足一般在軌期間正常工作的要求。

        3.2在軌參數(shù)測(cè)試

        3.2.1空間測(cè)試參數(shù)

        (1)電流變化

        對(duì)于電路的在軌測(cè)試來(lái)說(shuō),電流為電路工作正常最直接的表征量。電流檢測(cè)通常檢測(cè)器件的靜態(tài)電流和動(dòng)態(tài)電流。對(duì)器件的靜態(tài)電流進(jìn)行監(jiān)控,可以監(jiān)控電路的抗總劑量性能指標(biāo),通過(guò)空間電流監(jiān)測(cè)和地面模擬空間總劑量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照,可以更好地指導(dǎo)地面進(jìn)行總劑量試驗(yàn),為后續(xù)電路總劑量指標(biāo)提升提供重要參數(shù)。另一方面,由于發(fā)生單粒子鎖定電流將大幅度增加,所以大部份元器件的單粒子鎖定研究都可以通過(guò)電源輸入端的電流變化確定單粒子鎖定現(xiàn)象,并將其作為單粒子鎖定的重要特征[13]。同樣可以和地面模擬試驗(yàn)相互對(duì)照,使得地面模擬試驗(yàn)更準(zhǔn)確,從而對(duì)電路抗閂鎖性能改進(jìn)提供更多、更有效的數(shù)據(jù)。

        (2)功能測(cè)試

        智能控制裝置中各個(gè)分系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,相互無(wú)邏輯連鎖,使手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換能順利進(jìn)行。正常運(yùn)行時(shí)均至自動(dòng)位,當(dāng)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí),將該分系統(tǒng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)至手動(dòng)位,手動(dòng)起停相應(yīng)設(shè)備。其余設(shè)備仍自動(dòng)運(yùn)行,整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

        對(duì)于數(shù)字電路在軌測(cè)試,器件的功能測(cè)試為器件正常運(yùn)行最直接的表征量。大型數(shù)字電路主要指信號(hào)處理器以及與處理器配套使用的FPGA、SRAM、PROM和EEPROM等。這類器件一個(gè)共同特點(diǎn)是都采用MOS元器件結(jié)構(gòu),空間輻射對(duì)它們的影響主要有兩種形式:總劑量效應(yīng)和單粒子事件??倓┝啃?yīng)改變器件的性能,如產(chǎn)生MOS管閾值電壓漂移;單粒子事件使器件產(chǎn)生狀態(tài)改變,這可能導(dǎo)致電路誤動(dòng)作或器件功能改變。

        (3)翻轉(zhuǎn)率

        宇航元器件單粒子翻轉(zhuǎn)率反映了器件的抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力,是航天用戶最為關(guān)注的效應(yīng)參數(shù)之一。空間應(yīng)用時(shí),衛(wèi)星用微處理器程序設(shè)計(jì)決定了器件的單粒子翻轉(zhuǎn)率,完成功能不同,獲取的動(dòng)態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率也不完全相同。在軌測(cè)試時(shí)可通過(guò)調(diào)整程序占空比來(lái)降低器件的動(dòng)態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)率的降低[14]。

        (4)誤碼率

        造成參數(shù)空間誤碼率的原因有很多,主要可以分為兩個(gè)方面:(a)空間環(huán)境對(duì)器件直接干擾,發(fā)生單粒子、總劑量效應(yīng),造成器件的參數(shù)超差甚至失效,導(dǎo)致產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào),增加誤碼率。(b)空間環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸路徑產(chǎn)生干擾,降低鏈路傳輸功率,增加了鏈路的溫度噪聲,降低了信噪比,從而增加鏈路的誤碼率。

        3.2.2測(cè)試推薦方案

        以1553總線電路為例,簡(jiǎn)述一款在軌測(cè)試方案。總線電路JKRXXXXX在軌分析試驗(yàn)系統(tǒng)硬件部分由3塊控制板及相應(yīng)的總線及耦合器構(gòu)成。3塊控制板相互的連接關(guān)系如圖1所示。

        圖1 控制板互聯(lián)關(guān)系

        ·抗輻照FPGA:用于控制電路時(shí)序,將電路配置為特定模式;處理采樣到的電流值,判斷是否有閂鎖發(fā)生;判斷電路是否發(fā)生SEU及SEFI現(xiàn)象,并將結(jié)果記錄于EEPROM中。

        ·抗輻照總線驅(qū)動(dòng)器164245:提供CPU與電路之間的電平轉(zhuǎn)換。

        ·抗輻照模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD:用于實(shí)時(shí)采樣電路工作時(shí)的電流值,并交由FPGA處理;采樣總線上所有模擬信號(hào),待傳回地面進(jìn)行分析。

        ·抗輻照EEPROM:用于存儲(chǔ)電路SEU、SEL、SEFI以及總線模擬信號(hào)等信息。

        ·供電及1553總線接口:用于電源輸入及總線通信。

        ·其他外圍器件:電容、電阻、隔離變壓器等。

        在軌測(cè)試涉及的主要參數(shù)及功能如下:

        ·總線電路電流;

        ·總線信號(hào)的上升及下降時(shí)間;

        ·總線信號(hào)的峰峰值;

        ·BC到RT通信;

        ·RT到BC通信;

        ·RT到RT通信。

        控制板的功能框圖如圖2所示。

        控制板的大小為15cm×15cm,單板重量小于500g,加上外圍線纜等,總重小于5 kg。電源部分采用協(xié)議處理器、收發(fā)器A、收發(fā)器B及外圍器件分開(kāi)供電,單板總功率小于5 W,3塊板合計(jì)小于15 W。

        圖2 控制板功能框圖

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文通過(guò)對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行研究,分析在軌衛(wèi)星和航天器中各類常用宇航元器件的表現(xiàn)行為,進(jìn)而提出了典型國(guó)產(chǎn)元器件進(jìn)行在軌測(cè)試的指標(biāo)參數(shù)以及開(kāi)展參數(shù)測(cè)試的推薦方案。在軌測(cè)試的目的是為了通過(guò)研究分析得到宇航元器件設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題,對(duì)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行指導(dǎo),全面提高抗輻射加固設(shè)計(jì)水平,提高宇航元器件的可靠性,提高衛(wèi)星的可靠性。隨著國(guó)家對(duì)航天及戰(zhàn)略武器裝備自主可控要求越來(lái)越高,對(duì)宇航元器件進(jìn)行科學(xué)的在軌測(cè)試驗(yàn)證,是宇航元器件能快速應(yīng)用于宇航系統(tǒng)的有效途徑。隨著宇航技術(shù)及元器件技術(shù)的發(fā)展,新的元器件及宇航應(yīng)用技術(shù)需要通過(guò)在軌測(cè)試來(lái)降低宇航應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。在軌測(cè)試將會(huì)得到更多的發(fā)展,必將為實(shí)現(xiàn)宇航事業(yè)的自主發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[15]。

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        陳嘉鵬(1982—),男,江蘇鹽城人,畢業(yè)于東南大學(xué),本科,工程師,主要研究方向?yàn)榭馆椛浼呻娐窚y(cè)試、驗(yàn)證及可靠性研究。

        The Research of Aerospace Components Measurement Applied in Space Orbit

        CHEN Jiapeng, CAI Jieming, HUANG Xudong, SONG Guodong
        (China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China)

        Abstract:The paper investigated applications of Aerospace Components, and discussed about the necessity of Aerospace components measurement in Space Orbit. The ways of Aerospace components measurement in Space Orbit were discussed and list.Especially, the method of out space orbit measurement and parameters selection of components were discussed. At the same time, data received from components in Space Orbit were analyzed. With the development of space industry, aerospace components will get more applications and attention.It will lay a good foundation of achieve aerospace components independent development.

        Keyword:aerospace component; space orbit measurement; radiation hardened

        作者簡(jiǎn)介:

        收稿日期:2015-12-21

        中圖分類號(hào):V443,TN306

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1681-1070(2016)04-0013-05

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