一种面向卫星应用的新型存储器和FPGA设计与实现

可靠性对在轨卫星的安全意义重大。由于空间环境辐射和单粒子效应,卫星系统多次发生在轨异常,对在轨卫星系统工作的连续性、稳定性和安全性造成了严重影响。文章针对卫星在轨空间环境和单粒子问题,提出一种基于铁电材料的高可靠、抗辐射的CPU和FPGA解决方案。一方面,设计了和通用接口兼容的新型铁电存储器,其抗辐射总剂量大于10000Krads（Si）,对单粒子效应几乎具有完全的免疫能力;另一方面,设计了基于铁电编程单元的新型FPGA,该FPGA不需要外部PROM,具有很好的经济性和应用前景。     

MRAM的辐射效应分析及加固方法简述

回顾从首款商用磁随机存取存储器(MRAM)芯片面世以来国际上对MRAM芯片辐射效应的研究;总结MRAM总剂量电离效应和单粒子效应辐照试验研究结果,以及辐射效应导致MRAM读写错误的物理机制;分析辐射效应对磁性隧道结结构和性能的影响,并指出MRAM应当针对外围电路、存储单元晶体管和磁性隧道结等处不同类型辐射效应进行对应的...     

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。     

NAND Flash存储器单粒子效应试验研究

单粒子效应易诱发空间电子设备发生在轨故障。文章针对大容量NAND Flash存储器，利用皮秒脉冲激光和高能重离子开展了试验研究，明确了此类器件的单粒子效应特点，探索了新型集成电路单粒子效应试验评估方法，为工程设计及试验评估提供了技术基础与保障。经皮秒脉冲激光试验发现，NAND Flash存储器件的存储单元易发生单粒子多位翻转，控制电路单元则发生单粒子锁定和功能中断。 经高LET值Xe+离子辐照试验发现，重离子会诱发器件产生电流尖峰脉冲（或电流火花）现象；在NAND Flash存储器未加电状态下，仍可诱发单粒子翻转；重离子辐照后存储器坏块明显增加，试验获得的单粒子翻转截面高达1.18×10-7cm2/位。基于试验结果分析，认为发生多位翻转的原因是激光束覆盖多个存储单元所造成；重离子辐照引起的浮栅晶体管击穿是存储器坏块增多的原因。     

实践四号卫星静态单粒子事件监测器探测结果初步分析

实践四号卫星上所用的静态单粒子事件监测器是我国第一次在空间进行单粒子事件研究的仪器,仪器是一个MCS-51单片机系统,它的外围1Mbit存储器用于单粒子效应监测。仪器在空间运行工作正常,获得了空间单粒子效应的首次认识。     

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。     

一种微控制器单粒子效应在轨监测系统设计

为验证航天器用微控制器的抗单粒子效应能力,设计了一种单粒子效应在轨监测系统。该系统采用独特的方法,可实时监测单粒子锁定事件,并利用微控制器内部程序监测其RAM及FLASH存储器的单粒子翻转事件。该系统占用航天器资源少、开发周期短,能同时监测多种、多片微控制器,具有一定的通用性。     

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。     

空间辐射环境引起在轨卫星故障分析与加固对策

文章对卫星由于空间辐射环境导致的在轨故障进行了统计;对某卫星数传综合处理器在轨单粒子翻转故障的现象、机理和措施等进行了分析;根据在轨故障案例、实际工程经验和仿真分析,从硬件和软件两方面提出了具体的降低单粒子效应的多种抗辐射加固设计方法,以延长卫星在轨工作寿命。     

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。     

SRAM型FPGA单粒子效应测试方法及试验验证

针对空间用SRAM型FPGA器件抗单粒子效应性能全面测试评估的要求,研究内部不同资源电路结构的单粒子效应敏感性及测试方法,利用重离子加速器开展抗辐射加固SRAM型FPGA单粒子效应模拟辐照试验,对配置存储器、块存储器、触发器等敏感单元的单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子锁定特性进行研究。试验结果表明,所提出测试方法能有效地覆盖测试SRAM型FPGA单粒子效应敏感资源,所测试抗辐射加固SRAM型FPGA器件具有良好的抗单粒子锁定性能,但对单粒子翻转和单粒子功能中断非常敏感,静态测试模式下对单粒子翻转更为敏感。有关测试方法和结果可以为SRAM型FPGA的单粒子效应评估及防护提供参考。     

基于改进型(14,8)循环码的SRAM型存储器多位翻转容错技术研究

SRAM型存储器空间应用通常采取纠一检二(SEC-DED)的方法,克服空间单粒子翻转(SEU)对其产生的影响。随着SRAM型存储器工艺尺寸的减小、核心电压的降低,空间高能粒子容易引起存储器单个基本字多位翻转(SWMU),导致SEC-DED防护方法失效。在研究辐射效应引起的SRAM型存储器多位翻转模式特点的基础上,提出一种基于改进型(14,8)循环码的系统级纠正一位随机错和两位、三位突发错同时检测随机两位错(SEC-DED-TAEC)的系统级容错方法。基于该方法的存储器系统容错设计具有实现简单、实时性高的特点,已成功应用于某型号空间自寻的信息处理系统。仿真试验及实际应用表明,该方法可以有效防护SRAM型存储器件SWMU错误,有效提高了空间信息处理系统可靠性,可以为其它空间电子系统设计提供参考。     

星载电子系统高能质子单粒子翻转率计算

文章对星栽电子系统空间高能质子单粒子翻转率计算方法进行了研究。总结了13种主要计算质子单粒子翻转率的方法,并对各种算法之间的相似性和差异性进行了比对分析。用Visual Basic语言编程,实现了高能质子单粒子翻转率计算模型软件化,为高能质子单粒子效应加固设计和验证评估提供技术依据。计算了几种典型轨道上的质子单粒子翻转率；在此基础上,与在轨观测数值进行比对分析验证,并分析了质子单粒子翻转率与空间轨道的关系。     

国产数字信号处理器在轨验证技术研究

文章通过研究某国产数字信号处理器（XX-DSP）体系结构、DSP地面测试方法和空间环境对DSP的典型影响,设计了一种针对国产DSP类器件的在轨验证方法。验证系统硬件平台采用1∶1热备份设计,提高系统可靠性;验证方法借鉴当前地面应用广泛的功能测试方法,覆盖DSP的全部功能单元;另外考虑空间环境中的电离总剂量效应和单粒子效应影响,对DSP的片内RAM和内部寄存器的单粒子翻转（SEU）进行统计,并最终给出单粒子翻转率,同时检测DSP单粒子锁定（SEL）;最后通过运行DSP典型应用算法——有限长单位冲激响应（FIR）滤波算法验证DSP的系统功能,全面考核国产DSP的空间环境适应性。     

分布式卫星系统在轨操作的多目标分配

针对空间在轨操作目标分配问题,以分布式卫星系统为研究对象,提出了一种基于粒子群算法的在轨操作多目标分配方法。以分布式卫星机动所消耗的总能量最省为目标函数,建立了在轨操作多目标分配的数学模型。基于固定时间拦截理论,以机动时刻和对应的速度增量作表征,设计实现了单颗卫星最优机动方案。通过合理设计粒子位置与目标分配解的对应关系,采用粒子群算法对问题进行了求解,并详细阐述了算法的实现步骤。算例分析结果表明,建立的模型和算法能够快速得到正确的可行解,可有效解决多约束条件下空间在轨操作的多目标分配问题。     

大容量Flash存储器空间辐射效应试验研究

分析了商用Flash存储器应用于航天器时应考虑的空间辐射效应和机理,并利用钴-60γ射线和重离子加速器对韩国三星公司生产的大容量Flash存储器K9XXG08UXA系列进行了抗电离总剂量试验和抗单粒子试验,以评估其空间应用可行性。试验结果显示：这一系列存储器的累积电离总剂量为50krad（Si）时,器件部分数据丢失,重...     

宇航用SRAM存储器单粒子效应试验研究

用高能重离子加速器对宇航用典型静态随机(SRAM)存储器进行了单粒子效应模拟试验研究.给出了测试系统、试验样品、辐射源、试验方法及条件,以及所得单位注量重离子引起的单粒子翻转发生次数-线性能量传输值(σLET)曲线.讨论了重离子单粒子翻转率预估方法和F()M法,并用后者预估了典型GEO轨道上器件的空间单粒子翻转率.     

一种基于FPGA的抗辐射加固星载ASIC设计方法

针对静态随机存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)空间应用的问题,提出了基于FPGA星载抗辐射加固专用集成电路(ASIC)设计的全流程,并重点对扫描链设计、存储器内建自测试、自动向量生成、ASIC封装设计、散热设计、加电振动试验等关键点的设计方法和注意事项进行了介绍。通过设计、测试、封装、试验,实现了基于静态随机存储器型FPGA转化为抗辐射加固ASIC。ASIC抗辐射总剂量大于100krad(Si),抗单粒子闩锁(SEL)阈值大于75 MeV·cm~2/mg,抗单粒子翻转(SEU)阈值大于22 MeV·cm~2/mg,满足空间应用的要求,具有很好的应用前景。     

国产先进工艺SoC器件空间单粒子效应试验研究

国产某型号导航SoC器件采用55nm商用工艺生产。针对该型器件的辐射敏感性分析表明其易受单粒子效应影响,为此利用重离子加速器完成空间单粒子辐照的地面模拟试验,考查器件的单粒子效应,为其空间应用提供数据支撑。结果表明：器件抗单粒子锁定的LET阈值大于81.4 MeV·cm²/mg,满足空间应用指标要求;但器件对单粒子翻转和单粒子功能中断较为敏感。利用ForeCAST软件计算得到GEO、Adams 90%最坏环境模型,3 mm(Al)屏蔽条件下器件的DFT模式单粒子翻转率为6.80×10^-8d^-1·bit^-1,SRAM模式单粒子翻转率为5.61×10^-11d^-1·bit^-1,单粒子功能中断率为5.24×10^-5d^-1,在轨应用时需要采取相应的防护措施。     

大容量抗辐射加固SRAM器件单粒子效应试验研究

针对宇航用大容量SRAM器件抗单粒子效应性能的试验评估需要,利用重离子加速器对抗辐射加固32 M Bulk CMOS工艺SRAM和16 M SOI CMOS工艺SRAM进行了单粒子效应模拟试验研究,获得SRAM器件单粒子效应特性并进行在轨翻转率预估;对单粒子翻转试验中重离子射程的影响,不同SEU类型的翻转截面差异,在轨翻转率预估的有关因素等进行了分析讨论。结果表明,这2款抗辐射加固SRAM器件都达到了较高的抗单粒子效应性能指标。试验结果可以为SRAM器件的单粒子效应试验评估提供参考。