韓建偉，陳睿，李宏偉，朱 翔

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101407）

0 引言

國(guó)內(nèi)外的航天實(shí)踐表明，空間環(huán)境是導(dǎo)致近地航天器異常的重要因素。其中，高能重離子與質(zhì)子以及低能等離子體電子與外輻射帶增強(qiáng)高能電子等帶電粒子，通過單粒子效應(yīng)（SEE,single event effects）和充放電效應(yīng)（SESD,spacecraft charging induced electrostatic discharge）誘發(fā)的航天器異常占比極高[1-2]。1996年、1999年、2009年，美國(guó)航空航天局（NASA）馬歇爾飛行中心（MSFC）、美國(guó)AEROSPACE公司分別在相關(guān)研究報(bào)告中[1-3]分析了從1974年至2009年間114、299和476起空間環(huán)境誘發(fā)的航天器異常事件，認(rèn)為其中由SEE 和SESD導(dǎo)致的異常占比分別為38.7%和33%，28.4%和54.2%以及46%和25%。

由于半導(dǎo)體器件的集成度不斷提高、運(yùn)算速度快速提升、功耗大幅度減小，致使其對(duì)SEE愈加敏感[4]，單粒子翻轉(zhuǎn)等“軟錯(cuò)誤”成為高性能信息處理器件的固有特性，必須依賴系統(tǒng)層級(jí)的解決方案。2004年，歐洲空間局（ESA）支持的研究報(bào)告指出：“自從在地球同步軌道航天器上首次發(fā)現(xiàn)在軌靜電放電證據(jù)的30年以來(lái)，充放電始終對(duì)航天器造成威脅。盡管充放電效應(yīng)的物理機(jī)制已了解，有關(guān)減緩技術(shù)已知曉，我們?nèi)匀徊荒茉诎l(fā)射前評(píng)估確認(rèn)衛(wèi)星是否能完全規(guī)避充電異常。航天器充電問題需要具體深入的研究。”[5]

由于空間環(huán)境誘發(fā)的航天器異常大多數(shù)是通過SEE 和SESD造成的，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這2種效應(yīng)的研究較多，其基本問題研究相對(duì)成熟，但這2個(gè)效應(yīng)仍是威脅航天器安全與可靠性的突出問題，而且二者的混淆越來(lái)越嚴(yán)重。本文希望通過對(duì)這2種效應(yīng)誘發(fā)的航天器故障的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，對(duì)引起二者混淆的可能原因進(jìn)行剖析，并介紹中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心（空間中心）通過地面模擬實(shí)驗(yàn)，針對(duì)JK 觸發(fā)器、運(yùn)算放大器、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）初步研究的SEE 和SESD誘發(fā)軟錯(cuò)誤的異同表象和作用機(jī)制，為進(jìn)一步發(fā)展準(zhǔn)確甄別與應(yīng)對(duì)有關(guān)在軌故障的技術(shù)方法提供參考。

1 SEE和SESD誘發(fā)的航天器異常的關(guān)聯(lián)性實(shí)例分析

SEE和SESD 雖然起因完全不同，對(duì)航天器的影響途徑各異，但在很多情形下二者誘發(fā)的異常都表現(xiàn)為星用電子設(shè)備出現(xiàn)數(shù)據(jù)或邏輯狀態(tài)跳變，工作模式非受控地切換，邏輯運(yùn)行或執(zhí)行操作異常等理論上“可恢復(fù)的”現(xiàn)象，其底層原因均為所使用的電子器件產(chǎn)生了“軟錯(cuò)誤”。下面給出作者分析相關(guān)文獻(xiàn)梳理出來(lái)的若干相關(guān)聯(lián)的SEE 及SESD異常事例。

1975年，正是SESD研究如火如荼的年代，大量的地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星的異常被認(rèn)為與其相關(guān)。然而，D.Binder 等敏銳地發(fā)現(xiàn)在17年的GEO衛(wèi)星運(yùn)行歷史中，有4例異?，F(xiàn)象發(fā)生在地磁平靜期間，很難歸咎于SESD；于是，他們大膽提出了空間環(huán)境誘發(fā)衛(wèi)星異常的一種新機(jī)制——銀河宇宙線粒子轟擊類似JK 觸發(fā)器這樣的數(shù)字電路關(guān)鍵晶體管、產(chǎn)生電離電荷并被收集，從而觸動(dòng)數(shù)字電路邏輯狀態(tài)發(fā)生改變[6-8]。這就是首次在空間應(yīng)用中提出的SEE，可見SEE一開始就是與SESD密切關(guān)聯(lián)的。

1983年至1991年間，美國(guó)的TDRS系列衛(wèi)星在軌出現(xiàn)了較多的空間環(huán)境誘發(fā)異常。針對(duì)其中的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)（ACS）控制處理電路（CPE）異常，有研究認(rèn)為是SESD所致[9]，也有認(rèn)為是該電路系統(tǒng)中的RAM 芯片發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）所致[6,10-11]。

1990年發(fā)射的CRRES衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間多臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)了可恢復(fù)的異?，F(xiàn)象。航天器充放電效應(yīng)研究領(lǐng)域的權(quán)威專家Frederickson A.R.等認(rèn)為這些異常的頻繁程度與星上高能電子探測(cè)器、內(nèi)部放電探測(cè)器（IDM）的探測(cè)結(jié)果相關(guān)性最高，于是得出深層充放電是導(dǎo)致異常的最主要原因的結(jié)論[12]。但是，該衛(wèi)星同樣觀測(cè)到了大量芯片發(fā)生的SEU[13]，尤其是在易發(fā)深層充電效應(yīng)的中高軌道，這些SEU 的頻次與上述異常也有一定的關(guān)聯(lián)性，并不能完全排除SEU 導(dǎo)致異常的可能。

1994年，美國(guó)DSCS Ⅲ系列多顆衛(wèi)星發(fā)生KI-31設(shè)備的時(shí)鐘異常切換，有的被認(rèn)為是SEU 所致，有的則被認(rèn)為是SESD所致[2]。

1994年和1995年，美國(guó)某系列衛(wèi)星IRON 7092的電池充電調(diào)節(jié)器（BCR）發(fā)生多次異常，如定時(shí)器雙倍時(shí)間工作、軟件系統(tǒng)崩潰以及與星上控制模塊通信中斷等，以及IRON 3122在1997年發(fā)生的多次指令處理器復(fù)位異常等，均被認(rèn)為既有SEU 也有SESD所致[2]。

2004年，我國(guó)“地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃”的TC-1和TC-2科學(xué)衛(wèi)星在相同的時(shí)段于不同的軌道位置發(fā)生多起深層充放電誘發(fā)的異常和故障，包括多臺(tái)載荷設(shè)備的異常關(guān)機(jī)和復(fù)位以及2顆衛(wèi)星的姿控計(jì)算機(jī)失靈[14-15]。雖然該姿控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)針對(duì)可能的SEE 影響采取了雙機(jī)備份的防護(hù)措施，但是其在影響方式不完全相同的SESD作用下依然發(fā)生了故障，引起了一定的反思。

2010年，法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）的空間環(huán)境專家對(duì)歐洲TELECOM2系列GEO通信衛(wèi)星的在軌異常進(jìn)行了分析診斷，指出由SESD導(dǎo)致的異常也可由SEE誘發(fā)，反之亦然[7]，認(rèn)為由充放電效應(yīng)和輻射效應(yīng)的專家共同針對(duì)空間環(huán)境誘發(fā)的衛(wèi)星異常開展綜合分析診斷是十分必要的。

2013年，CNES的空間環(huán)境專家進(jìn)一步質(zhì)疑低軌道衛(wèi)星DEMETER（高度715 km，傾角98.23°）和SAC-C（高度705 km，傾角98.2°）上的器件在中高緯度發(fā)生的“所謂”SEU 有一部分很可能是深層充放電所致[16]。

2016年，美國(guó)國(guó)家大氣海洋局（NOAA）針對(duì)所運(yùn)營(yíng)的太陽(yáng)同步軌道（高度824 km）S-NPP衛(wèi)星的紅外交叉跟蹤探空儀（CrIS）在軌運(yùn)行發(fā)生的10次“復(fù)位”現(xiàn)象，組織衛(wèi)星運(yùn)管專家、空間環(huán)境專家以及該儀器的制造商進(jìn)行故障原因分析，初步研究認(rèn)為：故障原因可能有SEU、表面充放電和深層充放電，如表1所示，準(zhǔn)確地證明或排除故障原因就是SEU 是困難的，尚需深入研究[17]。

表1 S-NPP衛(wèi)星紅外交叉跟蹤探空儀在軌“復(fù)位”事件及其相關(guān)空間環(huán)境與效應(yīng)Table 1 In orbit resetsand the correlated spaceenvironmentsand effectsfor S-NPP CrIS payload

2 SEE和SESD對(duì)航天器影響易相互混淆的原因分析

導(dǎo)致SEE 和SESD對(duì)航天器用電子器件與設(shè)備影響相互混淆的原因有很多。

首先，航天器異常問題本身就十分復(fù)雜，涉及系列的、因果交織的工程技術(shù)環(huán)節(jié)，在軌發(fā)生的異?，F(xiàn)象較難在地面完全、徹底地通過實(shí)驗(yàn)得到復(fù)現(xiàn)和深入研究。同時(shí)，航天器異常問題涉及諸多商業(yè)和技術(shù)秘密，涉事方不愿意公開相關(guān)信息，公開發(fā)表的相關(guān)研究文獻(xiàn)亦絕大多數(shù)停留在對(duì)航天器異?，F(xiàn)象和明顯的空間環(huán)境擾動(dòng)或異常分布的相關(guān)性分析層面，難以深入研究SEE 和SESD等對(duì)航天器具體系統(tǒng)、設(shè)備、電路或器件造成的異常。

其次，傳統(tǒng)的SEE研究主要涉及空間輻射環(huán)境對(duì)星用器件與電路的影響，而傳統(tǒng)的SESD研究主要涉及空間等離子體與高能電子暴環(huán)境對(duì)星用材料與結(jié)構(gòu)的影響，這就使得國(guó)際上形成了兩大群體相對(duì)獨(dú)立開展各自研究的態(tài)勢(shì)——前者主要通過核與空間輻射效應(yīng)會(huì)議（NSREC）以及器件和系統(tǒng)輻射效應(yīng)會(huì)議（RADECS）進(jìn)行交流，后者主要通過航天器充電技術(shù)會(huì)議（SCTC）進(jìn)行交流，鮮有二者聯(lián)合開展的研究。

還有，相對(duì)于研究較充分的SEE對(duì)器件及電路的影響，針對(duì)SESD對(duì)器件及電路影響的研究較為薄弱，進(jìn)一步制約了對(duì)二者異同的特征、規(guī)律及機(jī)理的比較研究。關(guān)于SESD，除了上述的大量開展的航天器異常與誘發(fā)充放電的空間環(huán)境擾動(dòng)的宏觀關(guān)聯(lián)性研究之外，其他研究主要聚焦于充電過程的理論、仿真和模擬實(shí)驗(yàn)，只有少量工作涉及放電現(xiàn)象本身的研究，而針對(duì)SESD對(duì)星用器件和電路影響的研究則更少。能夠檢索到的2010年前后研究SESD對(duì)器件和電路影響的國(guó)內(nèi)外工作主要見文獻(xiàn)[18-23]。

如前所述，雖然SEE和SESD通過“軟錯(cuò)誤”誘發(fā)航天器異常在宏觀表象上有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，但是二者是完全相同，還是有所不同？二者的微觀作用機(jī)制有什么區(qū)別？在工程應(yīng)用上，這2種效應(yīng)的混淆對(duì)于數(shù)量較多既受SEE 又受SESD作用的中高軌甚至低高度極軌航天器造成重大隱患，如何及時(shí)正確診斷在軌由空間環(huán)境誘發(fā)故障的原因，如何全面準(zhǔn)確試驗(yàn)和分析評(píng)估研發(fā)的航天器面臨的兩類“似同非同”的風(fēng)險(xiǎn)，又如何針對(duì)此兩類危害進(jìn)行無(wú)死角的綜合防護(hù)設(shè)計(jì)以確保在軌不會(huì)“顧此失彼”，均是困惑國(guó)內(nèi)外航天界的重大難題。

3 SEE和SESD致星用器件錯(cuò)誤的初步比較研究

空間中心于2009年開展了SESD地面模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果提示類似JK 觸發(fā)器的星上數(shù)字電路在軌發(fā)生的邏輯及信息狀態(tài)翻轉(zhuǎn)并不都是SEE 所致，也可由SESD觸發(fā)[22-23]。當(dāng)航天器材料在模擬充放電實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生SESD信號(hào)（見圖1(a)）時(shí)，附近的CD4027 JK 觸發(fā)器的低電平輸出信號(hào)1 受到瞬間的干擾，隨后恢復(fù)正常；高電平輸出信號(hào)2則在此放電信號(hào)的作用下變?yōu)榈碗娖?，發(fā)生了邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)（見圖1(b)）。

圖1 地面模擬實(shí)驗(yàn)的SESD引起的JK 觸發(fā)器擾動(dòng)及翻轉(zhuǎn)Fig.1 Disturbance and upset of JK flip-flop induced by simulated SESD

2010年，空間中心針對(duì)某衛(wèi)星的2臺(tái)有效載荷設(shè)備進(jìn)行的地面充放電模擬實(shí)驗(yàn)中，觀測(cè)到SESD導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)了多種與在軌運(yùn)行異常表象相同的現(xiàn)象，見表2，然而設(shè)計(jì)師之前的故障分析和試驗(yàn)卻把這些異常均歸為SEE所致；試驗(yàn)還初步驗(yàn)證了針對(duì)這些SESD誘發(fā)異常的電磁屏蔽防護(hù)效果。該試驗(yàn)結(jié)果引起了相關(guān)管理部門和設(shè)計(jì)單位的重視，空間中心也由此開始了這兩類空間環(huán)境效應(yīng)誘發(fā)星用電子器件錯(cuò)誤及設(shè)備異常的比較研究。

表2 模擬試驗(yàn)的SESD誘發(fā)某衛(wèi)星載荷設(shè)備異?，F(xiàn)象Table 2 Anomalies of a satellite payload induced by ground simulationed SESD

近年，空間中心針對(duì)常見的運(yùn)算放大器（OPA）模擬電路、靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）、可編程邏輯器件（FPGA）等數(shù)字電路以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）混合電路等，分別采用脈沖激光輻照器件誘發(fā)SEE 和靜電放電槍模擬產(chǎn)生SESD脈沖作用于器件，初步開展了二者誘發(fā)星用器件錯(cuò)誤與異常的比對(duì)實(shí)驗(yàn)及機(jī)理研究[24-28]。

針對(duì)LM124運(yùn)算放大器，SEE和SESD觸發(fā)了相似的異常瞬態(tài)脈沖現(xiàn)象[24,26-27]。如圖2所示，不同能量的脈沖激光SEE 轟擊運(yùn)放內(nèi)部晶體管，不同放電電壓的SESD干擾附近的運(yùn)放器件，均使器件產(chǎn)生了相似的異常瞬態(tài)脈沖輸出，且瞬態(tài)脈沖的幅度與寬度均與脈沖激光能量或放電電壓正相關(guān)。

圖2 SEE 和SESD誘發(fā)運(yùn)放輸出異常的模擬實(shí)驗(yàn)Fig.2 Transients of OPA induced by simulated SEE and SESD

針對(duì)HM62V8100i SRAM器件，SEE 和SESD觸發(fā)產(chǎn)生了“似同非同”的SEU 現(xiàn)象[26,28]。圖3所示為寫入不同數(shù)據(jù)內(nèi)容的SRAM器件在不同能量脈沖激光SEE和不同放電電壓SESD作用下產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)。在寫入內(nèi)容為“FF”“AA”“55”時(shí)，錯(cuò)誤數(shù)整體上均隨SEE和SESD作用的增強(qiáng)而增多并有飽和的趨勢(shì)，且SEE 觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的閾值相同，而SESD觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的閾值有所不同。在寫入內(nèi)容為“00”時(shí)，不同放電電壓的SESD都無(wú)法觸發(fā)錯(cuò)誤。對(duì)于寫入“FF”的SRAM 器件，不同能量脈沖激光SEE 和不同放電電壓SESD作用產(chǎn)生的單位翻轉(zhuǎn)（SBU）和多位翻轉(zhuǎn)（MBU）情況有很大不同，如圖4所示，SEE 既導(dǎo)致SBU 也導(dǎo)致MBU，較高激光能量下以MBU 為主；而各種放電電壓SESD作用均只導(dǎo)致MBU。

圖3 SEE 和SESD誘發(fā)的SRAM 器件翻轉(zhuǎn)模擬實(shí)驗(yàn)曲線Fig.3 Upsets of SRAM induced by simulated SEE and SESD

圖4 SEE 和SESD誘發(fā)SRAM 器件單位和多位翻轉(zhuǎn)的模擬實(shí)驗(yàn)曲線Fig.4 SBU and MBU of SRAM induced by simulated SEE and SESD

對(duì)芯片進(jìn)行掃描測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該SRAM器件對(duì)SEE 敏感的部位為各存儲(chǔ)單元（如圖5(a)中的綠色點(diǎn)跡所示），對(duì)SESD敏感的部位為其內(nèi)部供電網(wǎng)絡(luò)（見圖5(b)）。器件仿真揭示：SEE作用在SRAM器件存儲(chǔ)位單元的關(guān)鍵反偏PN 結(jié)，產(chǎn)生和收集額外電離電荷導(dǎo)致關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)高低電勢(shì)水平發(fā)生變化，從而導(dǎo)致位信息翻轉(zhuǎn)；SESD脈沖主要作用于器件電源端，導(dǎo)致器件內(nèi)部電源和接地之間短時(shí)間的大范圍“路軌塌陷”，使得相關(guān)存儲(chǔ)單元位信息失效，隨后供電網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常、存儲(chǔ)單元位信息被重置，重置狀態(tài)與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等有關(guān)[28]。這些研究結(jié)果一定程度上解釋了上述SEE和SESD致SRAM 器件翻轉(zhuǎn)的異同規(guī)律。

圖5 芯片掃描揭示的SRAM 器件對(duì)SEE 和SESD 敏感的部位分布Fig.5 Sensitive regions of SRAM for SEE and SESD revealed by scanning test of the chip

4 結(jié)束語(yǔ)

單粒子效應(yīng)和充放電效應(yīng)同為空間環(huán)境誘發(fā)航天器異常的主要作用方式，研究梳理既往的航天器異常事件，發(fā)現(xiàn)二者誘發(fā)了系列宏觀表象相同的異常。近10年，國(guó)內(nèi)外航天界越來(lái)越多地建議將此2種效應(yīng)引發(fā)的異常做綜合歸因?？臻g中心開展的初步地面模擬實(shí)驗(yàn)研究表明，單粒子效應(yīng)和充放電效應(yīng)均可觸發(fā)運(yùn)算放大器輸出異常的瞬態(tài)脈沖信號(hào)；二者均可觸發(fā)SRAM器件存儲(chǔ)單元位發(fā)生翻轉(zhuǎn)；器件產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖和單元位翻轉(zhuǎn)次數(shù)整體上與二者的作用強(qiáng)度正相關(guān)；但是后者導(dǎo)致的翻轉(zhuǎn)對(duì)器件原始信息狀態(tài)依賴性更大，并且全部導(dǎo)致多位翻轉(zhuǎn)；對(duì)于SRAM器件，前者通過電離電荷脈沖導(dǎo)致位單元關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電勢(shì)變化而引起翻轉(zhuǎn)，后者作用于器件內(nèi)部供電網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致“路軌塌陷”使得存儲(chǔ)信息被重置而發(fā)生可能的改變。

深入研究揭示單粒子效應(yīng)和充放電效應(yīng)對(duì)航天器用電子器件與設(shè)備影響的關(guān)聯(lián)和區(qū)別，既是空間環(huán)境學(xué)科自身需要闡明的重要基礎(chǔ)科學(xué)問題，也是大量航天工程型號(hào)任務(wù)需要解決的現(xiàn)實(shí)技術(shù)難題。揭示二者異同的規(guī)律與機(jī)理，建立二者誘發(fā)故障的甄別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、危害防護(hù)設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)體系，對(duì)于進(jìn)一步提高軌道航天器的在軌可靠性十分必要且重要。