一款新研制ASIC器件的单粒子效应检测与故障定位

针对一款国产新研ASIC器件抗单粒子能力评估的需要,研制了ASIC器件单粒子效应检测系统。通过单粒子效应评估试验,得到了该器件在Kr离子辐照下的单粒子翻转数据。采用故障树分析和电路仿真技术,对ASIC器件内部单粒子翻转敏感模块进行定位。研究成果可为器件厂家后续设计改进和卫星型号系统级抗辐射加固设计提供依据。     

低轨互联网卫星在轨单粒子翻转分析及防护措施

空间单粒子翻转（SEU）对于在轨卫星寿命和可靠性有着较大的影响,然而,针对低轨互联网卫星1000～1200 km的典型极地轨道空间SEU,目前缺少在轨试验验证结果。文章对某型号的两颗卫星在轨7个月以来的SEU事件记录数据进行处理和分析,给出互联网卫星1050～1425 km不同轨道高度上的SEU事件发生的频度、区域及概率,结合在轨运行情况提出互联网卫星在轨单粒子翻转的软硬件防护设计措施。数据表明,在当前低轨互联网卫星的典型轨道高度上,对于抗单粒子翻转阈值为0.7 MeV·cm2/mg的低阈值SRAM器件,在轨SEU事件大部分发生在SAA区域,发生概率约为7.63×10-7 bit-1·d-1。结合卫星在轨空间防护设计经验,通过加强元器件选用控制、软硬件冗余设计、关键器件限流等措施,可以有效提高低轨互联网卫星的在轨可靠性。     

采用SRAM-FPGA星载测控设备抗SEU策略

随着软件无线电技术的发展,SRAM型FPGA在星载测控设备中应用越来越广泛。而太空辐射环境中存在的高能粒子极易使其产生单粒子翻转效应,导致系统运行异常或功能中断。分析传统SRAM型FPGA抗单粒子翻转策略的局限性,在结合测控任务特点的基础上,提出底层刷新与应用层预判重载的综合解决方案,并给出实现方法和流程图。通过高能离子试验和实际在轨应用验证,在确保一定性能的前提下,卫星自主发现故障并恢复至正常的概率在99%以上,能达到较好的抗单粒子翻转效果。     

XQR2V3000 FPGA单粒子翻转率在轨探测研究

通过搭载在某MEO、IGSO轨道卫星上的单粒子探测器对XQR2V3000 FPGA配置存储器进行了在轨单粒子翻转探测。利用一种基于复位计数统计的FPGA配置存储器单粒子翻转的监测方法,并对在2016年太阳活动平静期以及2017年9月6日太阳耀斑爆发期的2颗MEO卫星以及1颗IGSO卫星的XQR2V3000 FPGA配置存储器单粒子翻转次数进行统计,依据卫星轨道根数获得了翻转事件的空间分布。结果表明,在太阳平静期,设备等效铝屏蔽厚度为6 mm的情况下,处于MEO轨道和IGSO轨道的XQR2V3000配置存储器单粒子翻转率分别为 0.513 次/(器件·天)和0.491次/(器件·天),分别为CREME96模型预测结果的22.4%和16.9%,两种轨道的翻转率相当。在太阳耀斑爆发期间,MEO与IGSO轨道单粒子翻转率分别上升为2.5次/(器件·天)和 5次/(器件·天) ,比平静期高了一个数量级。试验所得的单粒子翻转率可为相同轨道卫星电子设备单粒子翻转率的预示提供有效的参考。     

一种串并转换器件单粒子效应试验研究

针对型号用新型器件抗辐射能力评估的需要,研制了串并转换器件单粒子效应检测系统,并对卫星型号中准备使用的一款26位串并转换器件进行了单粒子效应评估试验,得到了器件抗单粒子锁定的阈值,并发现该器件在单粒子辐照下会出现连续位输出错误。结合器件版图、结构分析了单粒子效应造成连续位错误的原因,为器件厂家后续设计改进和卫星型号进行系统级抗辐射加固设计提供了依据。     

卫星测控射频链路安全防护能力分析与设计

针对当前卫星测控射频链路面临的安全威胁,文章分析了不同测控体制的抗干扰能力,提出一种兼容直扩/扩跳频等多种体制的测控系统方案,采用多体制融合设计及基于窗函数的频域抗干扰算法,并在射频接收通道增加限幅器设计,在某遥感卫星的测控系统中应用,经过工程试验表明:此测控系统方案具备较高抗干扰能力和抗毁伤能力,可为其他有高抗干扰能力需求的卫星测控系统设计提供借鉴.     

一种高集成小卫星测控系统的综合设计

在传统小卫星测控系统的S频段应答机、中继测控单元、遥控单元及星务管理单元的设计基础上,对小卫星测控系统进行了综合设计。设计中采用低温共烧陶瓷(LTCC)、微组装工艺、键合技术、片上系统(SOC)微型芯片等新技术,将小卫星测控系统各功能单元融合在一台高集成、多功能的小型化测控产品中,实现星上资源的统一利用和测控任务的统一调度管理。与传统的小卫星测控系统相比,体积减小70%,质量减小80%,功耗降低35%,可满足小卫星体积小、质量小、功耗低的产品需求。文章提出的设计可为后续集成测控系统的设计提供参考。     

80C31微处理器单粒子效应敏感性地面试验研究

文章针对不同厂家的80C31微处理器,利用重离子、锎源模拟源进行单粒子效应地面试验研究。详细介绍了80C31微处理器单粒子效应试验原理、试验方法、试验系统的软硬件组成以及试验取得的结论。通过试验研究获得了80C31微处理器单粒子翻转和单粒子锁定特征参数。研究结果可为被测器件在卫星型号的使用提供技术参考依据。     

PWM型电压调节器单粒子效应及加固技术研究

机理分析和地面重离子试验显示,受高能粒子影响,脉宽调制型（Pulse\|Width Modulation,PWM）电压调节器容易产生单粒子瞬态（Single Event Transient,SET）和功能失效。文章分析了可能产生上述异常的原因,提出了一些抗单粒子效应改进设计建议,最后给出了一种基于器件冗余的系统级SEE防护设计方案,在实验室环境下模拟验证了此方案对单粒子效应防护的有效性。该方案可以为有关航天电子设备设计提供参考。
     

旋转式星载辐射计动平衡影响分析

针对旋转式星载辐射计转动体升降、天线收拢展开后整机动平衡状态不稳定的问题,文章提出了天线展开机构设计改进、转动体升降方式改进及动平衡试验方法优化。经动平衡试验验证,结果表明：改进后旋转式星载辐射计动平衡状态稳定,对卫星干扰力矩小,可以满足卫星的姿态稳定度指标要求,可为类似旋转式星载辐射计结构机构设计、动平衡控制、动平衡试验方法提供参考。     

一种基于快速可恢复电机驱动电路的单粒子锁定防护设计方法及应用验证

随着航天器负载对功率需求的不断增大,产品设计中对电机驱动电路的可靠性提出了更高的要求,而选用一体化集成电路是电机驱动电路设计的一种成熟方案。文章针对商用现货器件MSK4351的空间应用需求,提出了一种应用快速、可恢复电机驱动电路的单粒子锁定防护设计方法,通过模拟试验验证了该防护电路能够自动探测和迅速解除单粒子锁定现象;并结合设备的在轨工况开展了器件空间应用的单粒子风险分析,结果表明器件的使用风险可接受。目前已应用的电机驱动电路在轨工作稳定,表明该防护设计方法具有一定的工程应用价值。     

通信卫星测控分系统在轨运行综合分析与改进

截至目前,我国已成功研制并发射了数十颗通信卫星,部分卫星已圆满完成其既定的工程任务目标。文章总结了通信卫星测控分系统总体设计的关键性和可靠性等特点,对某通信卫星测控分系统关键单机的工作时间、异常次数等在轨运行数据进行统计,并逐一分析典型异常现象,针对产生异常问题的原因,提出了加强电路设计、调整器件参数、更换能力较强器件等改进方案。此研究结果可为我国后续卫星测控分系统总体可靠性设计提供参考。     

影响GEO卫星长寿命高可靠的空间环境因素及其评估、验证和保障技术研究

文章叙述了空间环境与卫星长寿命高可靠的关系,着重分析了影响GEO卫星长寿命高可靠的各种空间环境效应,如:地磁亚暴电子造成的卫星表面带电及诱导的二次放电、辐射带高能电子引起卫星内带电、太阳耀斑质子和银河宇宙射线造成的单粒子效应、空间带电粒子和太阳电磁辐照造成的辐照总剂量效应以及空间环境下敏感表面的污染效应等.文章最后给出GEO卫星空间环境效应的评估、验证和保障技术研究的必要性及其主要研究方向.     

静态存储器单粒子翻转率预示的在轨验证

SRAM型FPGA配置区的单粒子翻转可能对系统的功能产生严重的影响,因此必须进行针对性的加固措施,而加固的重要依据之一是在轨翻转率结果。文章将地面获得的Hitachi 4Mb SRAM HI628512单粒子翻转率预示结果与搭载在极轨卫星SAC-C等上的飞行试验的结果进行了比较。分析表明基于国内地面试验数据和FOM方法预示的在轨翻转率与国外的在轨监测数据接近,多位翻转的试验结果也得到了在轨试验数据的验证。这些结果表明我国在单粒子翻转的模拟试验技术和在轨翻转率预示方面取得了相当的进展,可以为卫星电子系统抗辐射加固设计提供有力的保障。     

质子单粒子效应引发卫星典型轨道下SRAM在轨错误率分析

利用中国原子能科学研究院100 Me V质子回旋加速器(CY CIAE-100)的单粒子效应辐照装置,测量了典型静态随机存储器(SRAM)的质子单粒子翻转截面;利用Space Radiation 7.0软件计算了卫星搭载该器件在典型轨道条件下运行的在轨错误率;同时研究了航天器在不同轨道高度、轨道倾角和屏蔽条件下对质子单粒子效应引发的在轨错误率的影响。计算结果表明:航天器运行于地球同步轨道高度及以下时,质子单粒子效应引发的在轨错误率均高于重离子的,最高可相差3个数量级左右。     

利用脉冲激光开展的卫星用器件和电路单粒子效应试验

利用脉冲激光进行单粒子效应试验具有操作方便、试验效率高、可对芯片单粒子效应响应的空间区域和时间特性进行测试等特点,可作为卫星用器件和电路单粒子效应测试的有力手段。利用自主建立的脉冲激光单粒子效应试验装置（PLSEE）,针对某卫星用数字器件和电路进行了辐照试验,观测到了丰富的单粒子效应现象,首次测试了多次单粒子锁定对器件和电路的影响,对器件选用评价和电路系统抗单粒子效应设计具有参考价值。利用此装置,还首次在国内对有空间应用背景和前景的运算放大器、光电耦合器进行了单粒子瞬态脉冲效应的试验,表明这些器件像数字器件一样会发生严重的单粒子效应,而且更难捕捉和定位,对卫星系统的威胁不容忽视。     

基于DBF的波束功率控制及优化设计技术

低轨卫星系统近年来得到了广泛的关注和发展,卫星的轨道高度低,具有传输延时短、路径损耗小的特点,可以为小型化用户终端提供服务,但也存在单星覆盖区内路径差异大、卫星业务分配不均和工作动态范围大的问题。针对这些问题提出了一种适用于低轨卫星的波束优化设计方法,采用地球匹配波束设计,来实现更好的链路质量和覆盖效率。在下行波束设计中,通过唯相位加权优化设计方法,在满足波束增益要求及波束间C/I的基础上,实现了单波束功率由0%~100%的调整能力。针对低轨卫星移动通信业务随时间变化,导致发射组件输出功率长时间工作于回退状态的特点,提出了一种通过卫星业务处理器实现业务量变化与功放的最佳效率供电电压匹配调整的星上自适应功放功率随动技术,使得功放平均效率有效提高,减少了天线的平均功耗和热耗。     

一种抑制微放电的宽带大功率定向耦合器设计

在卫星有效载荷系统中，3dB定向耦合器作为微波工程关键器件已得到广泛应用，而此类器件在太空真空环境中，常因真空环境下大功率工况引发的微放电效应形成谐振放电现象，影响耦合器性能与寿命，对于卫星系统日益增多的小型化及大功率需求，在器件设计时应充分考虑微放电效应并兼顾小型化要求，采用有效抑制手段以确保器件在轨稳定可靠。通过分析定向耦合器工作原理与不同结构耦合器之间的差异，阐述了真空环境下的微放电效应产生机理，针对性地采取基于奇偶模分析法的耦合线结构耦合器设计方法，选用高导热材料Rogers TC350+作为耦合器介质，利用软基板多层混压方式进行产品加工，通过仿真试验与真空环境实测，表明此类设计既具有体积小、重量轻的特点，又可有效抑制器件微放电效应，确保了耦合器的工作性能，满足卫星系统使用工况。     

SiC MOSFET器件单粒子烧毁仿真分析

应用于航天器的宽禁带半导体功率器件会受到空间带电粒子的影响而存在单粒子烧毁（SEB）风险。为研究单粒子烧毁的机理及防护措施，文章利用半导体工艺器件仿真（TCAD）对SiC MOSFET器件进行了SEB仿真分析，发现粒子入射最敏感位置时器件发生SEB的阈值电压在500 V。同时，通过仿真获得器件微观电参数分布特性，分析认为器件发生SEB的机理是寄生晶体管的正反馈作用导致缓冲层和基区的电场强度（5.4 MV/cm和4.2 MV/cm）超过SiC材料击穿场强（3 MV/cm）。此外，针对仿真揭示的器件SEB薄弱区域，提出将P+源区的深度向下延伸至Pbase基区底部的工艺加固思路，并通过仿真验证表明该措施使器件发生SEB的阈值电压提高到近550 V。以上模拟结果可为该类器件的抗SEB设计提供技术支持。