陳冬梅，嚴(yán)拴航，白樺，孫旭朋，底桐，王群勇

（1.北京圣濤平試驗(yàn)工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，北京 100089；2.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089）

引言

航空電子設(shè)備從起飛、巡航至降落的整個飛行過程，會穿越大氣層內(nèi)充滿高能大氣中子的輻射環(huán)境。在這個飛機(jī)日常工作的輻射環(huán)境中，航空電子設(shè)備中關(guān)鍵指令與關(guān)鍵數(shù)據(jù)的底層執(zhí)行半導(dǎo)體集成電路（如CPU、FPGA、DSP、SRAM或DRAM），容易產(chǎn)生1變0或0變1的基本錯誤現(xiàn)象。理論界與工業(yè)界借用航天領(lǐng)域的單粒子效應(yīng)（SEE，Single Event Effect），也稱之為單粒子效應(yīng)（SEE）。但是，由于航空電子設(shè)備遭遇的輻射源是不帶電的大氣中子，而航天領(lǐng)域電子系統(tǒng)遭遇的輻射源是帶電的重離子與質(zhì)子，兩者機(jī)理不完全相同，因此，航空界又通常稱之為中子單粒子效應(yīng)（NSEE，Neutron Single Event Effect）。

雖然航空電子設(shè)備關(guān)鍵指令與關(guān)鍵數(shù)據(jù)的底層執(zhí)行半導(dǎo)體集成電路，其本身對大氣中子的輻射環(huán)境敏感，具有不可避免的本征敏感物理屬性，但是，由于2005年以前，其使用數(shù)量大約以M（106）bit為單位，這些半導(dǎo)體集成電路在應(yīng)用中產(chǎn)生中子單粒子效應(yīng)的概率并不太高。隨著先進(jìn)航空電子設(shè)備的智能化、模塊化、集成化的提升，這些敏感半導(dǎo)體集成電路的使用數(shù)量達(dá)到G（109）甚至T（1012）bit，這些半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)生中子單粒子效應(yīng)的概率就越來越高。并且由于航空電子設(shè)備的復(fù)雜程度大幅提升，由單粒子效應(yīng)的基本錯誤現(xiàn)象，傳遞至設(shè)備甚至系統(tǒng)，導(dǎo)致災(zāi)難性或危害性故障的可能性就越來越大，飛機(jī)的可靠性與安全性受到嚴(yán)重威脅。飛機(jī)的維修性與可用性也隨之遭受相應(yīng)影響[1-11]。

在航空電子設(shè)備的工程應(yīng)用實(shí)踐中，越早清楚航空電子設(shè)備的抗中子單粒子效應(yīng)能力，及時改進(jìn)設(shè)計(jì)，保障飛機(jī)的安全性與可用性，優(yōu)化航空電子設(shè)備的可靠性與維修性，則可以大大減少事后發(fā)現(xiàn)故障并修正修復(fù)的昂貴代價。因此，航空電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)故障率預(yù)計(jì)方法是在飛機(jī)的全壽命周期過程中及時發(fā)現(xiàn)這一問題的必要定量計(jì)算工具[29-40]。

1 大氣中子單粒子效應(yīng)故障率預(yù)計(jì)方法現(xiàn)狀

國際電工委員會航空電子過程管理技術(shù)委員會IEC TC 107由波音、空客等航空工業(yè)巨頭于2000年成立。2003年就開始起草編制IEC 62396-1《大氣中子單粒子效應(yīng)的應(yīng)對策略》，2006年正式發(fā)布。至今，IEC 62396的系列標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)如下：

IEC 62396-1：航空電子設(shè)備過程管理——大氣輻射效應(yīng)——第1部分：航空電子設(shè)備單粒子效應(yīng)大氣輻射效應(yīng)的應(yīng)對策略

IEC 62396-2：航空電子設(shè)備過程管理——大氣輻射效應(yīng)——第2部分：航空電子系統(tǒng)單粒子效應(yīng)試驗(yàn)指南

IEC 62396-3：航空電子設(shè)備過程管理——大氣輻射效應(yīng)——第3部分：大氣輻射單粒子效應(yīng)（SEE）系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

IEC 62396-4：航空電子設(shè)備過程管理——大氣輻射效應(yīng)——第4部分：高壓航空電子設(shè)備潛在單粒子效應(yīng)防控設(shè)計(jì)

IEC 62396-5：航空電子設(shè)備過程管理——大氣輻射效應(yīng)——第5部分：航空電子系統(tǒng)熱中子注量率及單粒子效應(yīng)評估

IEC TR 62396-6：航空電子設(shè)備過程管理——大氣輻射效應(yīng)——第6部分：極端空間天氣對航空電子環(huán)境和電子產(chǎn)品的潛在影響

IEC TR 62396-7：航空電子設(shè)備過程管理——大氣輻射效應(yīng)——第7部分：航空電子設(shè)計(jì)中單粒子效應(yīng)分析過程管理

IEC TR 62396-8：航空電子過程管理——大氣輻射影響——第8部分：航空電子系統(tǒng)中質(zhì)子、電子、介子、μ介子注量率及單粒子效應(yīng)評估（正在編制）

IEC TR 62396-9：航空電子過程管理——大氣輻射影響——第9部分：航空電子設(shè)備單粒子效應(yīng)故障率預(yù)計(jì)方法（正在投票）

并且，IEC 62396-1的要求，已經(jīng)納入2018年波音、空客等對其供應(yīng)鏈航空航天國防高性能電子元器件的管理計(jì)劃（ADHP ECMP）IEC 62239-2018，成為保障航空電子設(shè)備符合DO 254的基礎(chǔ)程序與認(rèn)證方法。我國也已于2019年形成了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37312.1-2019《航空航天、國防及其他高性能應(yīng)用領(lǐng)域（ADHP）電子元器件第1部分：高可靠集成電路與分立半導(dǎo)體器件通用要求》[9]，要求考慮相應(yīng)的大氣中子單粒子效應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34956-2017《大氣輻射影響航空電子設(shè)備單粒子效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)指南》[10]，GB/T 34955-2017《大氣輻射影響航空電子系統(tǒng)單粒子效應(yīng)試驗(yàn)指南》[11]。

為此，可以看出，事實(shí)上，波音、空客等航空工業(yè)巨頭，將嚴(yán)格控制大氣中子單粒子效應(yīng)的責(zé)任，作為DO 254《機(jī)載電子設(shè)備硬件的設(shè)計(jì)保證指南》等的符合性要求，下移至其供應(yīng)鏈，并且提供了IEC 62396系列標(biāo)準(zhǔn)這一套框架性的應(yīng)用方法?；裟嵬柗浅Ｖ匾?，主導(dǎo)編制了IEC TR 62396-7在設(shè)計(jì)中管理SEE的方法與程序。但是，盡管如此，在這一套方法中，唯獨(dú)缺少航空電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)故障率預(yù)計(jì)方法。我國的技術(shù)專家團(tuán)隊(duì)，在多年跟隨IEC 62396系列標(biāo)準(zhǔn)編制的過程中，發(fā)現(xiàn)了這一短板，并通過多年的知識產(chǎn)權(quán)積累[12-26]，形成了這一核心技術(shù)，2015年在捷克，提出了在IEC TC 107技術(shù)委員會中由中國主導(dǎo)提出的第一個國際標(biāo)準(zhǔn)IEC TR 62396-9的編制申請。經(jīng)過多年的努力，2018年經(jīng)過IEC TC107年會討論決議，納入了PWI計(jì)劃。2019年由中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會正式向IEC TC 107提出了投票申請。

2 航空電子設(shè)備NSEE故障率預(yù)計(jì)方法

2.1 目的與適用范圍

2.1.1 目的

航空電子設(shè)備（以下簡稱“設(shè)備”）大氣中子單粒子效應(yīng)故障率的預(yù)計(jì)方法，可在航空電子設(shè)備的過程管理中，為器件、功能板、設(shè)備遭受的大氣輻射危害提供定量評估。包括單粒子效應(yīng)故障率預(yù)計(jì)模型和預(yù)計(jì)程序。

2.1.2 適用范圍

本方法適用于在海拔高度約2.5萬米以下的航空電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)故障率預(yù)計(jì)，可以應(yīng)用于設(shè)備設(shè)計(jì)、開發(fā)、試驗(yàn)和維護(hù)等過程。包括簡單預(yù)計(jì)程序和詳細(xì)預(yù)計(jì)程序。

簡單預(yù)計(jì)程序適用于初步設(shè)計(jì)階段，已知信息少。詳細(xì)預(yù)計(jì)程序適用于研制階段，產(chǎn)品已具有詳細(xì)器件清單以及相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)過程中采取了中子單粒子效應(yīng)減緩措施，已知任務(wù)大氣中子輻射應(yīng)力等。

2.2 計(jì)算原理

2.2.1 設(shè)備單粒子效應(yīng)總故障率預(yù)計(jì)模型

大氣中子輻射導(dǎo)致的設(shè)備總故障率預(yù)計(jì)模型如（1）所示[8]。

式中：

λSEE—設(shè)備NSEE故障率（h-1）。

λsoft－fault—設(shè)備NSEE軟故障率（h-1）。

λfirm－fault—設(shè)備NSEE固定故障率（h-1）。

λhard－fault—設(shè)備NSEE硬故障率（h-1）。

理論上，本模型可用于支撐 IEC 62396-1和IEC TR 62396-7中整個設(shè)備涉及的各類單粒子效應(yīng)故障率的計(jì)算。目前，主要考慮了SEU、SET、SEFI與SEB效應(yīng)。設(shè)備軟故障率預(yù)計(jì)模型沒有考慮MCU與MBU。設(shè)備的硬故障率模型沒有考慮SEGR和SHE效應(yīng)，主要原因是缺少數(shù)據(jù)。然而，隨著IEC 62396-1、2、3、4、5、6、7、8、9系列標(biāo)準(zhǔn)的編制完善更新，只要有足夠的測試數(shù)據(jù)，這四類數(shù)據(jù)就可以納入模型計(jì)算。

2.2.2 設(shè)備軟故障率計(jì)算方法

大氣中子輻射導(dǎo)致的設(shè)備軟故障率計(jì)算方法如（2）所示。

式中：

ΠSEU－i—針對器件i的SEU的防護(hù)因子（無量綱），取值范圍（0，1]。

ΠSET－i—針對器件i的SET防護(hù)因子（無量綱），取值范圍（0，1]。

Πused—該器件資源利用率因子（無量綱），取值范圍（0，1]，該值為使用的存儲位數(shù)除以器件總的存儲位數(shù)。

λSEU－i—第i個器件的SEU率（h-1）。其計(jì)算公式如（3）所示。

λSET－i—第i個器件的SET率（h-1）。其計(jì)算公式如（4）所示。

式中：

f—大氣中子輻射注量率（#/cm2·h）。

σSEU-i—第i個器件SEU截面（cm2/device）。

σSET-i—第i個器件SET截面（cm2/device）。

器件的SEU截面與實(shí)際使用的存儲位數(shù)相關(guān)，計(jì)算公式如（5）所示。

式中：

σSEU－i—器件的SEU截面。

σSEU－bit—器件每存儲位的SEU截面（cm2/bit）。

Mbit—該器件的總存儲位數(shù)（bit）。

2.2.3 設(shè)備固定故障率計(jì)算方法

大氣中子輻射導(dǎo)致的設(shè)備固定故障率計(jì)算方法如（6）所示。

式中：

λfirm－fault—由SEFI和SEL在設(shè)備上引起的設(shè)備固定故障率（h-1）。

λfirm－SEL－i—第i個器件的大氣中子SEL率（h-1），且該器件采取了限流防護(hù)措施。其計(jì)算公式如（7）所示。

λSEFI－i—第i個器件的大氣中子SEFI率（h-1）。其計(jì)算公式如（8）所示。

ΠSEL－i—第i個器件的大氣中子SEL防護(hù)因子（無量綱），取值0或1，有防護(hù)為1，無防護(hù)為0。

式中：

f—大氣中子輻射注量率（#/cm2·h）。

σSEFI－i—第i個器件SEFI截面（cm2/device）。

2.2.4 設(shè)備硬故障率計(jì)算方法

大氣中子輻射導(dǎo)致的設(shè)備硬故障率計(jì)算方法如下式所示。

式中：

ΠSEB－i—通過對設(shè)備i進(jìn)行降額處理的SEB減緩因子。無緩解取1，有緩解取0

λhard－SEL－i—第i個器件的大氣中子SEL率（h-1），且該器件未采取限流防護(hù)措施。其計(jì)算公式如（10）所示。

λSEB－i—第i個器件的大氣中子SEB率（h-1）。其計(jì)算公式如（11）所示。

式中：

f—大氣中子輻射注量率（#/cm2·h）。

σSEL－i—第i個器件SEL截面（cm2/device）。

3 計(jì)算程序

3.1 簡單預(yù)計(jì)程序

設(shè)備單粒子效應(yīng)故障率簡單預(yù)計(jì)程序適用于初步設(shè)計(jì)階段。已知少量信息。

3.1.1 確定大氣中子注量率典型值

以高度12.2 km，北緯45 °，10 MeV以上大氣中子的注量率值為6 000/cm2·h進(jìn)行計(jì)算[1]。

3.1.2 確定單粒子效應(yīng)敏感器件清單

表1 簡單預(yù)計(jì)程序某設(shè)備單粒子效應(yīng)敏感器件清單

表1為某設(shè)備單粒子效應(yīng)敏感器件清單模板，基本信息包括器件、CCA、器件類型、器件數(shù)量、總存儲容量等信息，附表1[39]可以幫助識別SEE敏感類型。

3.1.3 敏感器件單粒子效應(yīng)截面典型值

表2給出了特征尺寸在90～120 nm之間的敏感器件的平均截面值，該值參考了IEC 62396-1中的數(shù)據(jù)源，并得到了真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。不在表內(nèi)的敏感器件類別，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)帶入典型值或者取0。

3.1.4 計(jì)算設(shè)備軟故障率

設(shè)備軟故障率根據(jù)公式（2）（見2.2.2）進(jìn)行計(jì)算。其中資源利用率因子取值為1。軟故障傳遞率因子的經(jīng)驗(yàn)取值范圍為1/100～1/10，推薦值1/52[12-14]。SEU、SET防護(hù)因子取值為1。

3.1.5 計(jì)算設(shè)備固定故障率

設(shè)備固定故障率根據(jù)公式（6）（見2.2.3）進(jìn)行計(jì)算。SEL防護(hù)因子取0。

3.1.6 計(jì)算設(shè)備硬故障率

設(shè)備硬故障率根據(jù)公式（9）（見2.2.4）進(jìn)行計(jì)算。SEL防護(hù)因子取0。

3.1.7 計(jì)算設(shè)備總故障率

設(shè)備總故障率根據(jù)公式（1）（見2.2.1）進(jìn)行計(jì)算。對3.1.4、3.1.5、3.1.6計(jì)算的結(jié)果求和，獲得設(shè)備單粒子效應(yīng)總故障率。

3.2 詳細(xì)預(yù)計(jì)程序

設(shè)備單粒子效應(yīng)故障率詳細(xì)預(yù)計(jì)程序適用于研制階段。產(chǎn)品已具有詳細(xì)器件清單以及相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)過程中采取了中子單粒子效應(yīng)減緩措施，已知任務(wù)大氣中子輻射應(yīng)力等。

3.2.1 飛行航線的大氣中子平均注量率計(jì)算

大氣中子平均注量率的計(jì)算如（12）式所示：

式中：

fav—大氣中子輻射平均注量率（#/cm2·h）。

大氣中子注量如（13）所示：

表2 敏感器件單粒子效應(yīng)截面典型值

式中：

t1—起飛前通電開始時間（h）。

t2—降落后關(guān)機(jī)時間（h）。

f(x(t)，y(t)，z(t))—飛機(jī)在T時刻，位置在x，y，z處的大氣中子注量率（#/cm2·h）。

x—經(jīng)度（°）；

y—緯度（°）；

z—高度（m）；

Fluence——飛行航線大氣中子注量（#/cm2）。

flux(x(t)，y(t)，z(t))的計(jì)算，可參照 Boeing模型[28]、NASA模型[32]及修正模型[15-18]進(jìn)行計(jì)算。

對于特定的飛行航線，用戶可以依據(jù)任務(wù)的重要程度，選擇采用公式（12）的平均注量率，或采用峰值注量率，或IEC 62396-1推薦典型值注量率6 000 n/cm2·h[1]，或極端太陽活動下的ESW中子注量率（詳見IEC TR 62396-6[6]）。

3.2.2 確定單粒子效應(yīng)敏感器件清單

單粒子效應(yīng)敏感器件列表由附表1[39]對某一設(shè)備的電子器件列表進(jìn)行篩選得到。敏感設(shè)備列表描述了設(shè)備中有多少個CCAs，每個CCAs中有多少個電子器件，以及電子器件的一般信息，包括設(shè)備類型、制造商、數(shù)量、工藝信息、使用資源和防護(hù)情況，如表3所示。表3基于IEC TR 62396-7修改形成，所以可以支持IEC TR 62396-7[7]，[33]。

3.2.3 獲取敏感器件單粒子效應(yīng)截面

可按以下優(yōu)先級獲得敏感器件的大氣中子輻射截面數(shù)據(jù)。

1）針對已開展的14 MeV單能中子、散列中子等高能中子源[34][37]進(jìn)行的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)獲取單粒子效應(yīng)類型和相應(yīng)的截面數(shù)據(jù)，可以參考IEC 62396-1標(biāo)準(zhǔn)，或查詢下列數(shù)據(jù)庫。

①a.NASA戈達(dá)德中心輻射數(shù)據(jù)庫（Http：//radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/parts.htm）；

②NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù)庫（Http：//radnet.jpl.nasa.gov/SEE.htm）；

③NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室質(zhì)子單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù)庫（Http：//radnet.jpl.nasa.gov/Compedi/P/ProtonSeeCompendium.htm）；

④ ESA 輻 射 數(shù) 據(jù) 庫（Http：//www.escies.org/public/radiation/database.html）。

2）可以利用FOM方法[35，36]，將敏感器件重離子試驗(yàn)的截面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成中子單粒子效應(yīng)截面數(shù)據(jù)。大氣中子單粒子效應(yīng)截面公式如（15）式所示。

式中：

σn—為中子單粒子敏感截面，單位為cm2。

FOM——品質(zhì)因子如下式所示。

式中：

LETth—重離子單粒子效應(yīng)閾值（MeV·cm2/mg）；

L0.25—重離子單粒子試驗(yàn)飽和截面25 %時對應(yīng)的LET值（MeV·cm2/mg）；

—重離子單粒子試驗(yàn)飽和截面（cm2）；

w—重離子單粒子試驗(yàn)威布爾擬合尺度因子（無量綱）；

s—重離子單粒子試驗(yàn)威布爾擬合形狀因子（無量綱）。

有關(guān)特定類型器件的特定單粒子效應(yīng)的SEE截面數(shù)據(jù)的保守估計(jì)，請參閱IEC 62396-1了解更多信息。

表3 某設(shè)備單粒子效應(yīng)敏感器件清單

注：雖然不推薦質(zhì)子或重離子空間輻射數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)在初始設(shè)計(jì)狀態(tài)下總比沒有好。

3.2.4 計(jì)算設(shè)備軟故障率

根據(jù)2.2.2節(jié)公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

SEU防護(hù)因子，經(jīng)驗(yàn)方法有防護(hù)取0，否則為1。防護(hù)措施包括：奇偶校驗(yàn)碼、ECC/EDAC[29，30]等。SET緩解因子經(jīng)驗(yàn)取0，無緩解取1。軟故障傳遞率因子，經(jīng)驗(yàn)的取值范圍為1/100～1/10，推薦值1/52[12-14]。

3.2.5 計(jì)算設(shè)備固定故障率

根據(jù)2.2.3公式（6）進(jìn)行計(jì)算。注意此處的SEL效應(yīng)只包括采取了限流防護(hù)措施的SEL效應(yīng)。

3.2.6 計(jì)算設(shè)備硬故障率

根據(jù)公式2.2.4公式（9）進(jìn)行計(jì)算。注意此處的SEL效應(yīng)只包括未采取防護(hù)措施的SEL效應(yīng)。

3.2.7 計(jì)算設(shè)備總故障率

根據(jù)2.2.1公式（1）進(jìn)行計(jì)算。對3.2.4、3.2.5、

3.2.6 計(jì)算結(jié)果求和，獲得設(shè)備單粒子效應(yīng)總故障率。

4 計(jì)算案例

4.1 研究對象

某機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)（如圖1），無冗余。該設(shè)備包括數(shù)字下變頻器、數(shù)字基帶處理器、軟件求解器等模塊，實(shí)時給出導(dǎo)航設(shè)備的位置和速度信息，該試驗(yàn)件是一個商用飛機(jī)的電器性能模型[19-26]。

單粒子效應(yīng)的敏感分析：該設(shè)備使用的1個DSP、1個SRAM和2個SRAM型FPGA為敏感器件。該設(shè)備的敏感器件未采取防護(hù)措施。

該設(shè)備參照IEC 62396-2于中國原子能科學(xué)研究院采用14 MeV單能中子源開展試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)累計(jì)注量為1.011×109/cm2，監(jiān)測到死機(jī)、無定位和定位超差等錯誤28次（具體數(shù)據(jù)見表4）[38]。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)功能

然后采用簡單預(yù)計(jì)程序和詳細(xì)預(yù)計(jì)程序?qū)υO(shè)備的可見故障率進(jìn)行預(yù)計(jì)。

4.2 簡單預(yù)計(jì)程序（數(shù)據(jù)來源：IEC 62396-1）

在該設(shè)備的初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者只能獲得設(shè)備類別和所需設(shè)備數(shù)量的信息，而對具體的器件型號、工藝等詳細(xì)信息沒有了解。因此DSP、SRAM、FPGA等器件的單粒子效應(yīng)截面可以參照表2。

以高度12.2 km，北緯45 °，10 MeV以上大氣中子注量率的國際典型值6 000/ cm2·h，每個設(shè)備的防護(hù)因子取1進(jìn)行計(jì)算（見表5），則：

1）當(dāng)軟故障傳遞率為1/52時，該設(shè)備軟故障率預(yù)計(jì)值為7.858E-05 h-1；

2）該設(shè)備的固定故障率預(yù)計(jì)值為2.568E-05 h-1；

3）該設(shè)備的硬故障率預(yù)計(jì)值為5.280E-05 h-1；

4）該設(shè)備總故障率預(yù)計(jì)值為1.571E-04 h-1。

4.3 詳細(xì)預(yù)計(jì)程序——（數(shù)據(jù)來源：IEC 62396-1）

在該設(shè)備的研制階段，已經(jīng)知道詳細(xì)的器件清單、資源利用率、防護(hù)措施等情況，采用詳細(xì)方法進(jìn)行單粒子效應(yīng)故障率的預(yù)計(jì)時，DSP、SRAM、FPGA器件參照IEC 62396-1獲取中子單粒子效應(yīng)截面數(shù)據(jù)。取大氣中子注量率6 000/cm2·h進(jìn)行計(jì)算，高度12.2 km，北緯45 °，10 MeV以上，每個設(shè)備的防護(hù)因子取1進(jìn)行計(jì)算（見表6）則：

1）當(dāng)軟故障傳遞率為1/52時，該設(shè)備的軟故障主要由SEU引起，則計(jì)算出的設(shè)備軟故障率為6.990E-04 h-1；

2）該設(shè)備的固定故障主要由設(shè)備SEFI引起，則其固定故障率為2.720E-05 h-1；

3）該設(shè)備的硬故障主要由SEL引起，則其硬故障率預(yù)計(jì)值為5.526E-05 h-1；

4）該設(shè)備總故障率預(yù)計(jì)值為7.815E-04 h-1。

表4 導(dǎo)航接收機(jī)中子輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 簡單預(yù)計(jì)程序衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)單粒子效應(yīng)故障率

表6 詳細(xì)預(yù)計(jì)程序（經(jīng)驗(yàn)公式）衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)單粒子效應(yīng)故障率

4.4 詳細(xì)預(yù)計(jì)程序——（數(shù)據(jù)來源：高能中子試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)）

在該設(shè)備的研制階段，已經(jīng)知道詳細(xì)的器件清單、資源利用率、防護(hù)措施等情況，采用詳細(xì)預(yù)計(jì)程序進(jìn)行單粒子效應(yīng)故障率的預(yù)計(jì)時，其中FPGA、DSP和SRAM的器件中子單粒子效應(yīng)截面來源于XILINX公開發(fā)布的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。取大氣中子注量率6 000個/cm2·h，高度12.2 km，北緯45 °，10 MeV以上，每個設(shè)備的防護(hù)因子取1進(jìn)行計(jì)算（見表7），則：

1）當(dāng)軟故障傳遞率為1/52時，該設(shè)備的軟故障故障主要由SEU引起，則計(jì)算出的設(shè)備軟故障率為9.053E-5h-1；

2）由于在對DSP,SRAM與FPGA等器件的測試中沒有發(fā)現(xiàn)SEFI與SEL的影響，該設(shè)備的固定故障和硬故障的故障率預(yù)計(jì)值為0 h-1；

3）該設(shè)備總故障率預(yù)計(jì)值為9.053E-5 h-1。

4.5 設(shè)備地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（數(shù)據(jù)來源：14 MeV設(shè)備級試驗(yàn)）

設(shè)備的SEE故障率評估結(jié)果結(jié)合該設(shè)備地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，引用標(biāo)準(zhǔn)IEC 62396-1按中子注量率6 000/cm2·h進(jìn)行計(jì)算,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的結(jié)果總結(jié)如表8所示。

1）該設(shè)備的軟故障率評估值為1.246E-4 h-1。

2）該設(shè)備的固定故障率評估值為4.154E-5 h-1。

3）該設(shè)備的硬故障率評估值為0 h-1。

4）該設(shè)備的總故障率評估值為1.661E-4 h-1。

評估案例表明，使用簡單預(yù)計(jì)程序與設(shè)備級試驗(yàn)結(jié)果相差-5.42 %，詳細(xì)預(yù)計(jì)程序采用IEC 62396-1的10年以前的數(shù)據(jù)，相差+370.50 %，詳細(xì)預(yù)計(jì)程序采用我們自己的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差-45.50 %。因此，須謹(jǐn)慎采用IEC 62396-1的10年以前的數(shù)據(jù)，須盡量采用我們自己的國內(nèi)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，以盡量掌握數(shù)據(jù)內(nèi)涵的一致性。

5 結(jié)論

本文以衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)為例，提出了航空電子設(shè)備單粒子效應(yīng)故障率預(yù)計(jì)模型與程序。結(jié)論如下：

1）航空工業(yè)界迫切需要航空電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)故障率預(yù)計(jì)方法，為早發(fā)現(xiàn)、早防護(hù)提供了一套定量分析工具。

2）本文模型基于公開發(fā)布資料，有關(guān)模型參數(shù)的確定均來源于試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)值，并經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證。

表7 詳細(xì)預(yù)計(jì)程序（試驗(yàn)數(shù)據(jù)）衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)單粒子效應(yīng)故障率

表8 預(yù)計(jì)值與試驗(yàn)評估值對比

附表1 敏感器件單粒子效應(yīng)[39]

3）具有冗余架構(gòu)和特殊架構(gòu)的電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)故障率預(yù)計(jì)方法不在本文考慮范圍之內(nèi)。

4）本文團(tuán)隊(duì)一直持續(xù)關(guān)注相關(guān)技術(shù)發(fā)展，例如由于半導(dǎo)體器件工藝尺寸的縮小，MCU效應(yīng)日益嚴(yán)重，是未來設(shè)計(jì)防護(hù)的重點(diǎn)。本文將根據(jù)技術(shù)發(fā)展情況選擇合適的時機(jī)進(jìn)行修訂。

附表1（資料性）敏感器件單粒子效應(yīng)引起的故障分類[40]

不同器件與工藝類型的單粒子效應(yīng)敏感特性類型見附表1。