尚 琳，劉曉娜，曹彩霞，李國通，朱 野

（1. 上海微小衛(wèi)星工程中心； 2. 中國科學(xué)院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院：上海 201203）

0 引言

近年來，隨著衛(wèi)星技術(shù)、電子技術(shù)和新材料技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外紛紛提出包含幾千至數(shù)萬顆低軌衛(wèi)星的互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)計(jì)劃，如美國的StarLink、OneWeb 和我國的“虹云”“鴻雁”等衛(wèi)星星座系統(tǒng)。這些衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)大部分采用軌道高度1000～1200 km、軌道傾角85°～90°的極地軌道。

低軌衛(wèi)星在軌運(yùn)行中不可避免地受到復(fù)雜空間環(huán)境影響，衛(wèi)星元器件性能會(huì)不同程度地出現(xiàn)退化甚至損毀，其中單粒子事件對(duì)于在軌衛(wèi)星有較大影響。針對(duì)低軌衛(wèi)星在軌單粒子效應(yīng)問題，國內(nèi)外學(xué)者采用在軌單粒子事件記錄、地面加速輻照試驗(yàn)和模型計(jì)算分析等手段開展了大量研究工作，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)大多針對(duì)500～800 km 的太陽同步軌道，針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星典型軌道高度（1000～1200 km）的極地軌道缺少在軌試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

本文對(duì)某型號(hào)兩顆衛(wèi)星在軌7 個(gè)月以來的單粒子事件記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，給出互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星極地軌道不同軌道高度（1050～1425 km）上單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）事件發(fā)生的頻度、區(qū)域及概率，結(jié)合衛(wèi)星在軌運(yùn)行情況，提出互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星在軌單粒子軟硬件防護(hù)措施。

1 衛(wèi)星運(yùn)行軌道及器件參數(shù)

某型號(hào)A、B 兩顆衛(wèi)星于2019 年11 月成功發(fā)射，A 星運(yùn)行于入軌軌道高度1050 km 的圓軌道；B 星入軌軌道為近地點(diǎn)1050 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)1425 km的橢圓軌道，入軌3 個(gè)月后實(shí)施軌控進(jìn)入軌道高度1050 km 的圓軌道。兩顆衛(wèi)星具體的運(yùn)行軌道參數(shù)見表1。

表1 A、B 兩星運(yùn)行軌道參數(shù)Table 1 In-orbit parameters of the two satellites

該型號(hào)A、B 兩顆衛(wèi)星的星載計(jì)算機(jī)架構(gòu)如圖1 所示，采用宇航級(jí)芯片AT697F 作為主處理器，支持Flash、SRAM、SDRAM 和I/O 映射空間的訪問，且直接集成SRAM EDAC 算法，可對(duì)SRAM存儲(chǔ)器進(jìn)行檢二糾一校驗(yàn)。AT697F 外圍配置2 片3D PLUS 公司3DSR20M40VS2708 SRAM 存儲(chǔ)器，CPU 讀取SRAM 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤時(shí)，可通過EDAC 進(jìn)行校正并記錄位翻轉(zhuǎn)事件次數(shù)和發(fā)生時(shí)間，并將數(shù)據(jù)遙測(cè)傳送至地面進(jìn)行相關(guān)分析。

圖1 該型號(hào)A、B 兩星的星載計(jì)算機(jī)架構(gòu)Fig. 1 The onboard computer architecture of the two satellites

該SRAM 芯片材料為Si，工作電壓3.3 V，存儲(chǔ)容量2×20 Mbit（單片容量20 Mbit）。根據(jù)芯片使用手冊(cè)，該SRAM 存儲(chǔ)器的空間輻照相關(guān)指標(biāo)如下：

1）抗總劑量（TID）能力：≥100 krad(Si)；

2）抗單粒子鎖定（SEL）閾值：110 MeV·cm/mg；

3）抗單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）閾值：0.7 MeV·cm/mg。

2 在軌SEU 事件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

2.1 衛(wèi)星在軌SEU 事件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)A、B 兩顆衛(wèi)星從2019 年11 月—2020 年6 月的在軌SEU 事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 A、B 兩星在軌SEU 事件發(fā)生頻度統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Frequency statistics of single event upsets of the two satellites

從圖中可以看出，A 星在軌道高度1050 km、軌道傾角89°的極地圓軌道的SEU 發(fā)生頻度約為32 次/d，即7.63×10bit·d，B 星在近地點(diǎn)1050 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)1425 km、軌道傾角89°的極地橢圓軌道的SEU 發(fā)生頻度約為60 次/d，即1.43×10bit·d。B 星于2020 年3 月軌控進(jìn)入1050 km 極地圓軌道之后的SEU 發(fā)生頻度與A 星相近。

2.2 在軌SEU 發(fā)生區(qū)域分析

南大西洋異常區(qū)（SAA）位于南美洲東側(cè)南大西洋區(qū)域，涉及緯度范圍15°N～55°S、經(jīng)度范圍15°E～90°W，其內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度僅約為同緯度正常區(qū)的一半，使得空間高能帶電粒子環(huán)境分布改變，對(duì)于低軌衛(wèi)星在軌單粒子鎖定、翻轉(zhuǎn)有較大影響。

對(duì)A、B 兩顆衛(wèi)星在軌SEU 發(fā)生的星下點(diǎn)位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3 和圖4 所示，可以看出，除了中高緯度區(qū)域零星發(fā)生的SEU 事件外，A 星和B 星的在軌SEU 大部分發(fā)生在SAA 區(qū)域，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

圖3 A 星在軌SEU 發(fā)生的星下點(diǎn)位置統(tǒng)計(jì)Fig. 3 Statistics of the sub-satellite points of in-orbit single event upsets of satellite A

圖4 B 星（軌控前）在軌SEU 發(fā)生的星下點(diǎn)位置統(tǒng)計(jì)Fig. 4 Statistics of the sub-satellite points of in-orbit singleevent upsets of satellite B

表2 A、B 兩星在軌SEU 事件中SAA 區(qū)域及中高緯度地區(qū)的占比統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of the ratios of SEU in SAA region and mid-high latitude regions of the two satellites

2.3 不同軌道高度空間環(huán)境分析

對(duì)B 星在實(shí)施軌控前運(yùn)行于近地點(diǎn)1050 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)1425 km 的橢圓軌道時(shí)發(fā)生的近6000 次SEU 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按照發(fā)生SEU 時(shí)的衛(wèi)星軌道高度進(jìn)行分類的結(jié)果如表3 所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，有約66.2%的SEU 發(fā)生在1250 km 以上的軌道高度，特別是1350 km 以上發(fā)生的SEU 占事件總數(shù)的41.4%；軌道高度1050～1150 km 與1150～1250 km 內(nèi)SEU 發(fā)生的數(shù)量相當(dāng)，均遠(yuǎn)少于1250 km以上高度的，說明此軌道高度空間環(huán)境相對(duì)溫和。

表3 B 星不同軌道高度發(fā)生SEU 的事件總數(shù)占比統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of the ratios of single event upsets at different orbital altitudes of satellite B

B 星在2020 年3 月完成了軌道控制，軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)高度（平根數(shù)）由1430.0 km 下降至1067.7 km。對(duì)變軌過程中隨衛(wèi)星軌道高度降低發(fā)生的SEU 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 B 星軌控過程中SEU 發(fā)生頻度統(tǒng)計(jì)Fig. 5 Frequency of single event upsets during the orbit maneuver of satellite B

從圖中可以看出，在軌道高度下降過程中，SEU 發(fā)生的頻度也逐步下降，與表3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果趨勢(shì)一致。

3 軌道空間輻射通量及器件翻轉(zhuǎn)概率仿真計(jì)算

3.1 軌道空間輻射通量計(jì)算

采用AP-8 質(zhì)子輻射模型和CREME96 GCR 重離子輻射模型對(duì)A 星和B 星（軌控前）空間輻射環(huán)境進(jìn)行仿真，器件等效屏蔽厚度設(shè)為3 mm(Al)。圖6 和圖7 分別給出兩顆衛(wèi)星運(yùn)行軌道的質(zhì)子能譜和質(zhì)子、重離子LET 值譜。從圖6 可以看出，A、B 兩星運(yùn)行軌道的空間質(zhì)子輻射最大能量超過100 MeV，B 星運(yùn)行軌道的質(zhì)子輻射平均積分通量較A 星運(yùn)行軌道的大2～3 倍。從圖7 可以看出，A、B 兩星運(yùn)行軌道的空間重離子輻射對(duì)衛(wèi)星的影響主要在高能譜段，且兩個(gè)軌道上的空間重離子能譜值比較接近。

圖6 A、B 兩星在軌質(zhì)子平均輻射積分通量Fig. 6 Averaged proton fluxes of the two satellites

圖7 A、B 兩星在軌質(zhì)子和重離子平均LET (Si)積分通量Fig. 7 Average LET (Si) proton and heavy ion fluxes of the two satellites

3.2 SRAM 器件在軌單粒子翻轉(zhuǎn)概率仿真

從器件手冊(cè)中僅能查詢到該星載SRAM 芯片抗SEU 閾值為0.7 MeV·cm/mg，無法獲取芯片的高能質(zhì)子和重離子模型參數(shù)，且沒有地面輻照模擬試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)。為了能夠與在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，參考ESA 的空間環(huán)境信息系統(tǒng)（SPENVIS）中存儲(chǔ)容量與該芯片相近的SAMSUNG 16M(3.3 V)和HITACHI 16M(3.3 V)器件的重離子Weibull 模型和質(zhì)子Bendel 模型相關(guān)參數(shù)，并結(jié)合該芯片抗單粒子閾值參數(shù)進(jìn)行修改。首先修改仿真參數(shù)以盡量匹配A 星在軌SEU 事件發(fā)生概率，再利用相同的參數(shù)仿真B 星（軌控前）在軌SEU 的發(fā)生概率。

仿真選用的重離子Weibull 模型和質(zhì)子Bendel模型參數(shù)如下：

1）等 效 輻 射 靈 敏 體 積：3.14 μm×3.14 μm×0.10 μm；

2）重離子Weibull 模型參數(shù)：

S

=4.11，

L

=0.70 MeV·cm/mg，

W

=7.90 MeV·cm/mg，

σ

=1.50×10cm/bit；3）質(zhì) 子Bendel 模 型 參 數(shù)：

A

=1.18 MeV，

B

=0.92 MeV。

表4 給出A、B 兩顆衛(wèi)星運(yùn)行軌道上高能質(zhì)子引起的SEU 概率仿真結(jié)果，從表中數(shù)據(jù)可以看出仿真結(jié)果與2.1 節(jié)B 星（軌控前）在軌SEU 發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果僅有2%～3%的偏差，且重離子單粒子翻轉(zhuǎn)占比與2.2 節(jié)中高緯度地區(qū)SEU 發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果也相近，表明該組仿真參數(shù)對(duì)該SRAM 器件有較好的適應(yīng)性。

表4 A、B 兩星在軌質(zhì)子、重離子單粒子翻轉(zhuǎn)概率預(yù)測(cè)Table 4 Probability prediction of proton and heavy ion single event upset in the orbit for the two satellites

4 低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星單粒子防護(hù)措施

該型號(hào)A、B 兩顆衛(wèi)星在設(shè)計(jì)時(shí)選用了大量工業(yè)級(jí)、軍級(jí)的低成本元器件，部分元器件缺少抗輻照指標(biāo)，因此針對(duì)低等級(jí)SRAM、Flash、SRAM 型FPGA 及重要CPU 器件采取了許多軟硬件防護(hù)設(shè)計(jì)。兩星發(fā)射入軌以來，各單機(jī)工作狀態(tài)正常。結(jié)合該型號(hào)衛(wèi)星抗單粒子效應(yīng)軟硬件防護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，歸納低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星提高可靠性的主要措施包括：

1）加強(qiáng)元器件選用控制，對(duì)于不能確定抗SEL和SEL 閾值（或飽和截面）參數(shù)的器件，特別是低等級(jí)元器件，須在地面通過輻照試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定；

2）通過EDAC 電路加強(qiáng)SRAM 器件的抗SEU能力，如該型號(hào)A、B 兩顆衛(wèi)星的EDAC 電路可以有效檢測(cè)出SRAM 在軌的2 位翻轉(zhuǎn)、糾正1 位翻轉(zhuǎn)（目前該型號(hào)衛(wèi)星所用SRAM 在軌出現(xiàn)的均為1 位翻轉(zhuǎn)，通過EDAC 電路校正可以保證器件正常工作）；

3）通過重要電路和數(shù)據(jù)三模冗余、代碼定時(shí)刷新等手段糾正在軌SEU 錯(cuò)誤，如該型號(hào)A、B 兩顆衛(wèi)星載荷采用SRAM 型FPGA 器件，軟件代碼在Flash 中三模冗余且具備定時(shí)刷新功能，可以保證載荷的正常工作；

4）對(duì)于Flash 存儲(chǔ)器件，可以通過存儲(chǔ)校驗(yàn)、按比特位或字節(jié)3 取2 等軟件手段，檢測(cè)和糾正在軌單粒子錯(cuò)誤，該型號(hào)A、B 兩顆衛(wèi)星的星載計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)Flash 器件存儲(chǔ)的代碼及重要數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理在軌出現(xiàn)的單粒子翻轉(zhuǎn)事件；

5）通過對(duì)重要DC-DC、CPU 芯片增加限流措施等設(shè)計(jì)，可以有效避免器件在軌發(fā)生單粒子鎖定時(shí)電流過大造成衛(wèi)星功能失效；

6）通過星載計(jì)算機(jī)軟件對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)和載荷重要單機(jī)進(jìn)行自主健康管理，在單機(jī)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子鎖定引起通信異常、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等問題時(shí)，單機(jī)可及時(shí)實(shí)施自主恢復(fù)。

5 結(jié)束語

根據(jù)某型號(hào)A、B 兩顆衛(wèi)星在軌7 個(gè)月以來的SRAM 器件SEU 記錄數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，當(dāng)前低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星典型的1000～1200 km 高度運(yùn)行軌道，對(duì)于抗SEU 閾值為0.7 MeV·cm/mg 的低閾值SRAM 器件，在軌SEU 大部分發(fā)生在SAA 區(qū)域，發(fā)生概率約7.63×10bit·d。結(jié)合該型號(hào)衛(wèi)星在軌空間防護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過加強(qiáng)元器件選用控制、軟硬件冗余設(shè)計(jì)、關(guān)鍵器件限流等措施，可以有效提高低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星在軌的可靠性。