陳嘉鵬，蔡潔明，黃旭東，宋國棟

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214035）

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宇航元器件在軌測試研究

陳嘉鵬，蔡潔明，黃旭東，宋國棟

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214035）

摘要：對國內宇航元器件應用現(xiàn)狀進行調查研究，闡述了宇航元器件進行在軌測試的必要性。對宇航元器件在軌測試的方法進行探討，列舉了目前常用的在軌測試方法。重點對宇航元器件進行在軌測試參數(shù)選擇，對實施方案進行分析，同時對航天元器件在軌參數(shù)進行了研究。隨著航天事業(yè)不斷發(fā)展，宇航元器件在軌測試將會得到更多的關注和應用，將為實現(xiàn)宇航元器件的自主發(fā)展打下基礎。

關鍵詞：宇航元器件；在軌測試；抗輻射

1　宇航元器件在軌測試驗證的必要性

1.1背景概況

隨著我國航天事業(yè)的高速發(fā)展，衛(wèi)星不僅在國防事業(yè)中扮演重要的角色，而且逐步應用于國民經(jīng)濟的各個方面。航天事業(yè)的多元化快速發(fā)展，對衛(wèi)星的要求大大提高，對宇航用元器件的可靠性也提出了更高的要求。目前，航天用進口元器件的數(shù)量和品種雖然比例不高，但如果無法采購到部分關鍵元器件（尤其是性能復雜、高質量等級的元器件），航天產(chǎn)品研制就可能出現(xiàn)不良后果[1]。舉例說明近5年我國進口幾種類型的元器件情況見表1。

消除、規(guī)避風險的出路在于逐步實現(xiàn)宇航元器件的自主設計研制，并對研制的產(chǎn)品進行更為合理、充分的驗證、評價。近年來，為實現(xiàn)宇航元器件的自主可控，國家安排了一系列國產(chǎn)元器件研究項目，加大了對核心器件的應用驗證力度，在軌測試作為元器件應用驗證必要階段正發(fā)揮越來越重要的作用[2]。

1.2必要性分析

航天器在研制、發(fā)射、入軌、返回過程中要經(jīng)歷4個階段的環(huán)境，包括地面環(huán)境、發(fā)射環(huán)境、軌道環(huán)境(空間環(huán)境)和返回環(huán)境。在每個階段，航天器都要受到多種環(huán)境應力的綜合作用。其中，又以空間環(huán)境最為重要，因素最為復雜、影響最大。據(jù)統(tǒng)計，70％的航天器故障是由于空間環(huán)境的影響而造成的[3]。

表1　近5年進口元器件使用產(chǎn)品型號和數(shù)量

空間輻射對航天器的效應主要表現(xiàn)在兩個方面[4]：(1)高能粒子對航天器的材料、電子器件、生物載荷及航天器的輻射總劑量損傷效應；(2)高能帶電粒子與航天器電子器件或電路在空間輻射環(huán)境中相互作用，使后者發(fā)生邏輯錯誤、功能異常甚至造成器件或電路損毀等現(xiàn)象，造成單粒子效應。

衛(wèi)星和航天器的工作特殊性使其對電子設備的可靠性、安全性要求非常高。這些空間設備又不可避免地要處于空間輻射環(huán)境中，空間輻射是誘發(fā)衛(wèi)星和航天器異?；蚬收系闹饕蛑?。歐洲航天局報告指出，衛(wèi)星等電子設備反?，F(xiàn)象中，由于輻射損傷而造成的達33％?？臻g的輻射對衛(wèi)星及航天器中的微電子器件是個嚴重威脅，特別是半導體器件和元器件易受輻射損傷而失效，從而造成整個衛(wèi)星的失效?？臻g輻射對衛(wèi)星主要元器件可能產(chǎn)生的輻射效應如表2所示[5]。

表2　衛(wèi)星部分元器件的輻射效應

雖然結合現(xiàn)有理論研究和實驗基礎，我們可以在地面開展關于器件輻射效應敏感度的評估實驗，但是模擬試驗不能完全模擬空間輻射環(huán)境，不能百分之百保證該器件在長時間的太空飛行中可靠。國內外已有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，地面試驗解決暴露的問題，宇航應用中往往較少發(fā)生，但是宇航元器件在應用期間有故障發(fā)生，尤其是應用初期發(fā)生大量的問題和故障，說明航天產(chǎn)品地面試驗的充分性、有效性還不夠[6]。積極開展在軌測試驗證還可以運用飛行試驗數(shù)據(jù)驗證地面模擬試驗結果準確性，為研究抗輻射效應提供更多寶貴的試驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)更準確、更有效地開展地面輻照模擬試驗指明道路，因此在軌測試驗證和地面模擬驗證兩者相輔相成，缺一不可。為此，開展在軌測試驗證，研究微電子器件的輻射效應及提高器件的抗輻射能力勢在必行。

2　宇航元器件在軌測試方法探討

隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，宇航用元器件覆蓋范圍越來越廣，需要對不同類型的電路進行在軌測試驗證，以滿足太空中復雜的使用需求。如DSP廣泛應用于通信、信號處理、自動控制、雷達、聲吶等領域，總線電路在飛機、衛(wèi)星上有著廣泛的應用?？删幊唐骷V泛應用于航空、航天、電子、船舶等項目中的控制系統(tǒng)設計。存儲器廣泛應用于軍事雷達、電子對抗、移動通信等領域，其他如DC/DC、DDS等電路均廣泛應用于航天器和衛(wèi)星之上。

針對元器件空間環(huán)境適應性和應用性開展在軌測試，經(jīng)研究總結一般具有如下評估試驗方法，這些方法在元器件飛行驗證工程中具有可實施性，在軌測試時應根據(jù)驗證考慮重點不同對實施方法進行選取[7]。

(1)采用成熟電路驗證元器件，方便元器件替代應用和問題定位；

(2)比較法，和已驗證的特性明確元器件進行在軌對比驗證；

(3)直測法，對電壓、電流、溫度等進行直接監(jiān)測；

(4)拉偏測量法，電性能拉偏，溫度寬范圍考核；

(5)器件自檢測法：元器件循環(huán)自檢，如指令集、存儲器等；

(6)同工藝器件組合驗證法：同一生產(chǎn)線相同工藝不同器件組成應用線路驗證。

以DSP電路為例，針對器件受電離輻射及單粒子效應可能發(fā)生的失效情況，對于數(shù)字信號處理器的嵌入式存儲器，可以在輻照前每個字節(jié)寫入數(shù)據(jù)，在輻照過程中循環(huán)讀取存儲單元的數(shù)據(jù)，與輻照前進行比較，記錄出錯單元、統(tǒng)計出錯數(shù)量和類型，同時檢測器件功耗電流變化情況，分析數(shù)據(jù)錯誤與器件功耗電流變化的關系及存儲器總劑量效應機理；對于DSP的其他各個功能模塊，可以運行各種不同功能：算術邏輯運算、浮點運算、寄存器測試、緩沖寄存器測試、其他外設功能測試。通過運算結果與正確結果的比較，判斷運算是否正確，在輻照時循環(huán)監(jiān)測寄存器或存儲器中的數(shù)據(jù)，檢查有無錯誤，同時監(jiān)測芯片功耗電流變化情況，根據(jù)運算結果和相關寄存器的數(shù)據(jù)變化分析原因。同時監(jiān)測結果通過主控板CAN總線接口遙測下傳。同時DSP系統(tǒng)與CPU系統(tǒng)也不斷將自身運行情況發(fā)送到主控板的CAN總線。可以通過CPU實時訪問數(shù)據(jù)及地址總線檢測存儲器及寄存器的當前狀態(tài)來確定是否發(fā)生SEU等現(xiàn)象。同時，通過與標準1553B測試平臺進行實時通訊，也可以確定電路功能是否正常。以上檢測方法可行，且實現(xiàn)起來較為容易。

3　宇航元器件在軌測試關鍵參數(shù)分析

3.1空間試驗下的行為分析

在軌測試時，為驗證元器件可靠性，需要進行如下試驗：（1）電路參數(shù)測試試驗；（2）電路功能測試試驗；（3）SEL試驗；（4）SEU試驗；（5）通信實驗。

在軌高端數(shù)字元器件主要指信號處理器以及與處理器配套使用的FPGA、SRAM、EEPROM等。這類器件的共同特點是都采用MOS元器件結構，空間輻射對它們的影響主要有兩種形式：總劑量效應和單粒子事件?？倓┝啃淖兤骷男阅?，如產(chǎn)生MOS管閾值電壓漂移；單粒子事件使器件產(chǎn)生狀態(tài)改變，這可能導致電路誤動作或器件功能改變[8]。

數(shù)據(jù)處理器單元是衛(wèi)星的核心單元，其數(shù)據(jù)的準確安全是衛(wèi)星正常工作的前提[9]。宇航用衛(wèi)星可采用DSP作為圖像信息處理CPU，抗輻射DSP是一種高性能、高可靠、適應空間環(huán)境的數(shù)據(jù)處理器[10]。同時近年發(fā)展利用ASIC如FPGA結合CPU來提高衛(wèi)星和航天器自主性和數(shù)據(jù)更新速率，實現(xiàn)體積更小、功耗更低的衛(wèi)星。FPGA尤其是SRAM型FPGA對空間輻射比較敏感，成為衛(wèi)星和航天器處理器單元“單粒子事件”的主要原因，所以在使用過程中應結合各種容錯方法來避免故障，一種對FPGA進行監(jiān)視配置的容錯方案在航天器上得到廣泛應用，這可在不損害FPGA速度的前提下，提高其可靠性[11～12]。PROM用來存儲程序數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)的安全直接關系程序的正常運行，而EEPROM和SRAM的可靠性要求比PROM要低，處理過程中的個別數(shù)據(jù)錯誤可以通過有效的算法消除，重要的常量應多處存放。

根據(jù)輻照設計裕度對數(shù)字電路進行合理篩選并降額使用，采用屏蔽措施以及冗余糾錯處理，航天器的數(shù)據(jù)處理單元經(jīng)過合理的軟硬件設計和適當?shù)募庸檀胧┛苫緷M足一般在軌期間正常工作的要求。

3.2在軌參數(shù)測試

3.2.1空間測試參數(shù)

（1）電流變化

對于電路的在軌測試來說，電流為電路工作正常最直接的表征量。電流檢測通常檢測器件的靜態(tài)電流和動態(tài)電流。對器件的靜態(tài)電流進行監(jiān)控，可以監(jiān)控電路的抗總劑量性能指標，通過空間電流監(jiān)測和地面模擬空間總劑量試驗結果進行對照，可以更好地指導地面進行總劑量試驗，為后續(xù)電路總劑量指標提升提供重要參數(shù)。另一方面，由于發(fā)生單粒子鎖定電流將大幅度增加，所以大部份元器件的單粒子鎖定研究都可以通過電源輸入端的電流變化確定單粒子鎖定現(xiàn)象，并將其作為單粒子鎖定的重要特征[13]。同樣可以和地面模擬試驗相互對照，使得地面模擬試驗更準確，從而對電路抗閂鎖性能改進提供更多、更有效的數(shù)據(jù)。

（2）功能測試

智能控制裝置中各個分系統(tǒng)相對獨立，相互無邏輯連鎖，使手動、自動運行轉換能順利進行。正常運行時均至自動位，當設備自動運行出現(xiàn)故障狀態(tài)時，將該分系統(tǒng)轉換開關至手動位，手動起停相應設備。其余設備仍自動運行，整個系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

對于數(shù)字電路在軌測試，器件的功能測試為器件正常運行最直接的表征量。大型數(shù)字電路主要指信號處理器以及與處理器配套使用的FPGA、SRAM、PROM和EEPROM等。這類器件一個共同特點是都采用MOS元器件結構，空間輻射對它們的影響主要有兩種形式：總劑量效應和單粒子事件?？倓┝啃淖兤骷男阅埽绠a(chǎn)生MOS管閾值電壓漂移；單粒子事件使器件產(chǎn)生狀態(tài)改變，這可能導致電路誤動作或器件功能改變。

（3）翻轉率

宇航元器件單粒子翻轉率反映了器件的抗單粒子翻轉能力，是航天用戶最為關注的效應參數(shù)之一?？臻g應用時，衛(wèi)星用微處理器程序設計決定了器件的單粒子翻轉率，完成功能不同，獲取的動態(tài)單粒子翻轉率也不完全相同。在軌測試時可通過調整程序占空比來降低器件的動態(tài)單粒子翻轉率，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)翻轉率的降低[14]。

（4）誤碼率

造成參數(shù)空間誤碼率的原因有很多，主要可以分為兩個方面：（a）空間環(huán)境對器件直接干擾，發(fā)生單粒子、總劑量效應，造成器件的參數(shù)超差甚至失效，導致產(chǎn)生錯誤信號，增加誤碼率。（b）空間環(huán)境對信號傳輸路徑產(chǎn)生干擾，降低鏈路傳輸功率，增加了鏈路的溫度噪聲，降低了信噪比，從而增加鏈路的誤碼率。

3.2.2測試推薦方案

以1553總線電路為例，簡述一款在軌測試方案。總線電路JKRXXXXX在軌分析試驗系統(tǒng)硬件部分由3塊控制板及相應的總線及耦合器構成。3塊控制板相互的連接關系如圖1所示。

圖1　控制板互聯(lián)關系

·抗輻照FPGA：用于控制電路時序，將電路配置為特定模式；處理采樣到的電流值，判斷是否有閂鎖發(fā)生；判斷電路是否發(fā)生SEU及SEFI現(xiàn)象，并將結果記錄于EEPROM中。

·抗輻照總線驅動器164245：提供CPU與電路之間的電平轉換。

·抗輻照模數(shù)轉換器AD：用于實時采樣電路工作時的電流值，并交由FPGA處理；采樣總線上所有模擬信號，待傳回地面進行分析。

·抗輻照EEPROM：用于存儲電路SEU、SEL、SEFI以及總線模擬信號等信息。

·供電及1553總線接口：用于電源輸入及總線通信。

·其他外圍器件：電容、電阻、隔離變壓器等。

在軌測試涉及的主要參數(shù)及功能如下：

·總線電路電流；

·總線信號的上升及下降時間；

·總線信號的峰峰值；

·BC到RT通信；

·RT到BC通信；

·RT到RT通信。

控制板的功能框圖如圖2所示。

控制板的大小為15cm×15cm，單板重量小于500g，加上外圍線纜等，總重小于5 kg。電源部分采用協(xié)議處理器、收發(fā)器A、收發(fā)器B及外圍器件分開供電，單板總功率小于5 W，3塊板合計小于15 W。

圖2　控制板功能框圖

4　結束語

本文通過對空間環(huán)境進行研究，分析在軌衛(wèi)星和航天器中各類常用宇航元器件的表現(xiàn)行為，進而提出了典型國產(chǎn)元器件進行在軌測試的指標參數(shù)以及開展參數(shù)測試的推薦方案。在軌測試的目的是為了通過研究分析得到宇航元器件設計中存在的問題，對設計工作進行指導，全面提高抗輻射加固設計水平，提高宇航元器件的可靠性，提高衛(wèi)星的可靠性。隨著國家對航天及戰(zhàn)略武器裝備自主可控要求越來越高，對宇航元器件進行科學的在軌測試驗證，是宇航元器件能快速應用于宇航系統(tǒng)的有效途徑。隨著宇航技術及元器件技術的發(fā)展，新的元器件及宇航應用技術需要通過在軌測試來降低宇航應用風險。在軌測試將會得到更多的發(fā)展，必將為實現(xiàn)宇航事業(yè)的自主發(fā)展奠定堅實的基礎[15]。

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[15]王文炎，高媛.宇航元器件飛行驗證的實踐與思考[C].航天元器件專題論壇，2013.

陳嘉鵬（1982—），男，江蘇鹽城人，畢業(yè)于東南大學，本科，工程師，主要研究方向為抗輻射集成電路測試、驗證及可靠性研究。

The Research of Aerospace Components Measurement Applied in Space Orbit

CHEN Jiapeng, CAI Jieming, HUANG Xudong, SONG Guodong
（China Electronics Technology Group Corporation No．58 Research Institute，Wuxi 214035，China）

Abstract：The paper investigated applications of Aerospace Components, and discussed about the necessity of Aerospace components measurement in Space Orbit. The ways of Aerospace components measurement in Space Orbit were discussed and list.Especially, the method of out space orbit measurement and parameters selection of components were discussed. At the same time, data received from components in Space Orbit were analyzed. With the development of space industry, aerospace components will get more applications and attention.It will lay a good foundation of achieve aerospace components independent development.

Keyword:aerospace component; space orbit measurement; radiation hardened

作者簡介：

收稿日期：2015-12-21

中圖分類號：V443，TN306

文獻標識碼：A

文章編號：1681-1070（2016）04-0013-05