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測控中的近地軌道衛(wèi)星SEL事件分析及操控

2019-04-25 02:13徐冰霖王大鵬李會鋒張寶輝曹繼宏王星宇張國云
航天器環(huán)境工程 2019年2期
關(guān)鍵詞:太陽活動器件粒子

李 強,徐冰霖,王大鵬,李會鋒,朱 俊,張寶輝,曹繼宏,王星宇,張國云,祝 彥,習(xí) 斌,張 閃

(1. 航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室;2. 西安衛(wèi)星測控中心:西安 710043)

0 引言

低地球軌道衛(wèi)星在軌運行中,幾乎都會面臨空間環(huán)境[1-2]特別是內(nèi)輻射帶影響??臻g帶電粒子輻射在微電子器件中引起材料電離或產(chǎn)生位移,形成累積輻射效應(yīng)以及瞬時輻射效應(yīng)[3-4],后者主要表現(xiàn)為各種不同類型單粒子效應(yīng)(SEE),例如單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)、單粒子鎖定(SEL)、單粒子燒毀(SEB)等。在當(dāng)前的低軌衛(wèi)星管理中,由SEU與SEL引起的各種故障和異常的處理與維護最為常見,而累積輻射效應(yīng)下的器件性能衰退、衛(wèi)星老化[5]等相關(guān)處理與維護工作則在其次。對于SEL的相關(guān)研究工作,多集中在SEL發(fā)生機理、危害減緩或抑制、地面測試與檢驗等方面。文獻[6]使用器件模擬方法,探究了180 nm體硅工藝下互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)反相器的SEL敏感性關(guān)鍵因素,發(fā)現(xiàn)CMOS電路不同位置的單粒子鎖定事件響應(yīng)差別很大,電路存在鎖定敏感區(qū)域。文獻[7]則開展了90 nm CMOS靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)的SEU和SEL效應(yīng)實驗,認為P/N阱電勢塌陷效應(yīng)是導(dǎo)致器件出現(xiàn)SEL傳播效應(yīng)的內(nèi)在物理機制。文獻[8]研究了鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)的SEL敏感性,指出了FinFET的立體結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致其對SEL更加敏感。文獻[9]報道了歐洲原子核研究委員會針對商業(yè)器件和微納衛(wèi)星的SEL測試結(jié)果,認為SRAM器件仍然是SEL影響下的關(guān)注重點。以上SEL相關(guān)研究工作多集中在地面進行,對于在軌驗證與應(yīng)對處理的內(nèi)容提及較少。雖然大多數(shù)研究、測試結(jié)果都支持器件發(fā)生SEU的概率要比SEL的高,但在某些情形特別是復(fù)雜空間環(huán)境影響下,會出現(xiàn)單器件SEL頻發(fā)的現(xiàn)象。與SEU相比較,SEL發(fā)生后不僅可能影響器件、插板、系統(tǒng)等的穩(wěn)定運行,其產(chǎn)生的大電流與升溫還常常帶來次生影響(在器件延壽、降級、老化等特殊應(yīng)用場合,次生影響有時可能更為嚴重,極端時甚至可能導(dǎo)致任務(wù)失?。?。因此,器件發(fā)生SEL后帶來的危害程度往往高于SEU發(fā)生后的情形,在測控中需要重點關(guān)注。在當(dāng)前大數(shù)量衛(wèi)星集中監(jiān)控下,做好SEL頻發(fā)衛(wèi)星的管理與維護始終是測控工程師的一項重要工作。

本文以某衛(wèi)星在軌測控為例,分析其頻發(fā)SEL事件的時空特征,討論應(yīng)對措施,以期提升衛(wèi)星長期管理水平。

1 軌道環(huán)境與器件SEL電流、溫度

某太陽同步軌道衛(wèi)星軌道高度約665 km(近圓軌道),降交點地方時在06:30 AM附近,設(shè)計壽命為1年(截至2018年9月,已超期服役4年多),采用三軸穩(wěn)定、零動量控制方式。衛(wèi)星入軌以來的軌道高度、傾角、光照角(這里將其定義為地–日矢量與太陽電池陣法線的夾角)、降交點地方時(LTDN)變化如圖1所示,其中橫坐標為約簡儒略日(MJD)。

圖1 某太陽同步軌道衛(wèi)星軌道參數(shù)變化Fig. 1 Variations of orbital parameters of an SSO satellite

由圖1可見,衛(wèi)星在軌期間未進行過軌道控制,半長軸在大氣阻尼[10-11]作用下緩慢衰減近3.12 km,平均衰減率略高于1.88 m/d;在早期約1.5年時間里,軌道衰減相對較快,共衰減約1.92 km,平均衰減率約3.60 m/d;后期衰減明顯降速,共衰減約1.20 km,平均衰減率約1.07 m/d。低軌衛(wèi)星軌道高度變化受到太陽活動調(diào)制相對明顯[10]:在太陽活動高年,軌道衰減相對劇烈;而在太陽活動低年,軌道衰減則相對緩慢。

傾角變化主要受到太陽攝動影響,具有年周期變化規(guī)律。從極值變化來看,傾角一直呈振蕩減小趨勢,但目前可能已經(jīng)接近谷底,后期可能開始振蕩上升。

光照角同樣有年周期變化規(guī)律。從極值變化可知,光照角緩慢下降段已經(jīng)結(jié)束,正在逐漸變大過程之中。盡管如此,衛(wèi)星在軌期間,光照角整體上變化較小,這樣也有利于晨昏軌道衛(wèi)星良好光照與光能輸入的保持。

降交點地方時變化也有年周期規(guī)律,入軌早期的初值接近07:00 AM,隨后一直振蕩變小,現(xiàn)在已經(jīng)下行至06:00 AM附近;后續(xù)可能還會進一步朝05:00 AM方向減小至谷底,然后再緩慢回升。相關(guān)軌道攝動分析可參見文獻[12-13]。

衛(wèi)星在軌期間,有一例行維護工作。衛(wèi)星某器件因為SEL效應(yīng)影響,其工作電流與溫度經(jīng)常超出正常范圍,如圖2所示(圖中橫坐標為積秒,以任一日零點為起點累積計時,至次日零點結(jié)束,單位為s)。

圖2 某器件發(fā)生SEL期間電流與溫度變化Fig. 2 Current and temperature changes of a certain device during SELs

遙測顯示,器件電流正常值約為0.21 A,出現(xiàn)異常后,電流上升至0.59 A左右,增加約2倍;器件溫度逐漸上升,最高值在80 ℃附近,相對于正常在軌溫度(40~50 ℃)升幅超過30 ℃。較大幅度的電流突然躍升與溫度升高基本與器件SEL效應(yīng)下的特征相符合,可以判斷該異常為SEL效應(yīng)導(dǎo)致。此外,升溫與降溫的時間相對于電流而言,都要長一些;電流躍變時間很短(基本小于1 s),遙測采樣難以監(jiān)測其過程;而溫度升、降的時長一般在1800 s以上,但與SEL事件出現(xiàn)時長以及處理時機也有關(guān)系:SEL事件的時長越短、處理越快,則溫變時長越短。

2 SEL事件分析

2.1 SEL 事件的星下點分布統(tǒng)計

根據(jù)電流出現(xiàn)躍變的時間和軌道根數(shù)[3],可以計算得到SEL效應(yīng)發(fā)生時刻對應(yīng)的衛(wèi)星星下點。通過統(tǒng)計得到某衛(wèi)星在軌以來的SEL事件星下點分布如圖3所示。圖中等值線為665 km高度處的地磁場強度,nT。

圖3 某衛(wèi)星SEL事件星下點分布Fig. 3 Sub-satellite points related with SELs on the geomagnetic contour map

由圖3可見,SEL事件的星下點數(shù)據(jù)共有236個,其分布具有明顯的地域特征:在南大西洋區(qū)域發(fā)生次數(shù)最多、最密集,這一區(qū)域也經(jīng)常被稱之為南大西洋異常(South Atlantic Anomaly, SAA)區(qū)域[14],共發(fā)生120起;發(fā)生在南、北兩極區(qū)域的SEL次數(shù)次之,共78起;其他區(qū)域的相對較少,分布也稀疏,共38起;三者之間的比例大致為3∶2∶1。

顯然,SEL事件的空域分布與地磁場的分布有關(guān)聯(lián)。因為磁軸與地軸不重合,地磁場的空間分布不對稱,在SAA區(qū)域的分布相對較弱。在SAA區(qū)域的高能粒子相對較多,成為航天器單粒子事件的多發(fā)區(qū)域。

文獻[15]給出了早期美國航天飛機SEU事件的星下點分布圖,文獻[3]則給出了最近的國際空間站的SEU事件數(shù)據(jù)。應(yīng)該指出,航天飛機與國際空間站因為軌道傾角的關(guān)系,其SEU事件星下點分布不涉及高緯度的極地區(qū)域,而圖3包括極地區(qū)域。盡管如此,單粒子事件星下點分布在SAA區(qū)域最為密集這一特征相同。另外,文獻[3, 15]給出的是SEU數(shù)據(jù),圖3給出的是SEL數(shù)據(jù),樣本在不同區(qū)域的分布比例存在明顯差別。

一般認為,在SAA區(qū)域的單粒子事件主要由地球輻射帶高能質(zhì)子作用產(chǎn)生;而極地區(qū)域由于極冠吸收[16]原因,各種高能粒子聚集較多,使得這一區(qū)域也成為單粒子事件的重災(zāi)區(qū)(極區(qū)主要是由于地磁截止剛度較低,能量較低的太陽宇宙射線和銀河宇宙射線也可進入這個區(qū)域);而其他區(qū)域,一般認為是銀河宇宙射線[17](GCR)作用導(dǎo)致單粒子事件發(fā)生。關(guān)于空間環(huán)境單粒子效應(yīng)作用機理,還可參見文獻[3, 17]。文獻[3]同時也指出,低軌道空間的SEU與SEL事件多為空間高能質(zhì)子所致。

2.2 SEL 事件的時間分布統(tǒng)計

統(tǒng)計SEL事件的發(fā)生時刻分布,數(shù)據(jù)起止時刻對應(yīng)MJD值為4975與6735。衛(wèi)星的平均SEL事件發(fā)生率略高于0.134 d-1。比較而言,衛(wèi)星在軌前期的事件相對稀疏,其中尤以MJD值5250和5750前后最為明顯;而后期則相對密集,其情形在MJD值6150和6550附近相對較多。為便于敘述,后續(xù)在討論衛(wèi)星在軌前期與后期時,以MJD值5850為界。前期共發(fā)生了SEL事件90起,發(fā)生率不足0.103 d-1;后期共發(fā)生SEL事件146起,發(fā)生率約為0.165 d-1,后期的發(fā)生率比前期的高約60%。

圖4為相鄰SEL事件之間的時間間隔,這里將第1起SEL事件的時間間隔定義為0??梢钥闯觯g隔極大值為35.514 d,極小值為0.174 d(不考慮第1個數(shù)值0)??梢钥闯?,低值的時間間隔在后期相對密集。

圖4 SEL事件時間間隔Fig. 4 SEL event time interval

采用動態(tài)計算方法(即累計數(shù)據(jù)值除以累計數(shù)據(jù)點數(shù))得到SEL事件平均的時間間隔曲線(見圖5),極大值為10 d,發(fā)生在前期;極小值為2 d(不考慮第1個數(shù)值0),也發(fā)生在前期(第2個數(shù)值)。極小值發(fā)生在前期的原因是此時數(shù)據(jù)樣本太小。實際上,從長期變化趨勢來看,前期平均值相對較大,后期相對較小。

圖5 SEL事件平均時間間隔Fig. 5 Average time interval of SEL events

圖6為SEL事件月統(tǒng)計數(shù)據(jù):極大值為8,共有2個月份,均在后期出現(xiàn);極小值為1,共計4個月份,均在前期出現(xiàn);前期月均發(fā)生3次,后期月均發(fā)生接近5次(4.867次)。

圖6 SEL事件逐月統(tǒng)計Fig. 6 Monthly statistics of SELs

圖7所示為表征太陽活動的F10.7曲線[18]。顯然,前期太陽活動相對較強,后期則相對較弱或者平靜。與圖4~圖6對比(衛(wèi)星在軌前期發(fā)生的SEL事件相對較多,后期相對較少),SEL事件發(fā)生頻度與太陽活動強弱呈負相關(guān)特性[19]:太陽活動強,事件頻度低;太陽活動弱,事件頻度高。

圖7 太陽F10.7曲線Fig. 7 Solar F10.7 curve

此外,地面的中子監(jiān)測數(shù)據(jù)也可用來表征宇宙射線變化[20-21],其變化規(guī)律大致與F10.7呈負相關(guān)??梢酝茰y,中子監(jiān)測曲線在高位時SEL事件發(fā)生較多,而在低位時SEL事件發(fā)生相對較少,即SEL事件發(fā)生頻度與中子監(jiān)測曲線呈正相關(guān)特性。

圖8為SEL事件累月統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果,圖8(a)為總量數(shù)據(jù)、圖8(b)為均值數(shù)據(jù):前者是按照不同月份分別統(tǒng)計得到,后者是在前者基礎(chǔ)上的平均。例如,圖6中的1月份共出現(xiàn)5次,對應(yīng)的SEL事件次數(shù)為 2、6、6、4、7,則總量為 25 次,對應(yīng)均值為每月發(fā)生5次。圖8數(shù)據(jù)表明,總量極大值為31次(發(fā)生在12月份),極小值為9次(發(fā)生在7月份);均值極大值為每月6.2次(發(fā)生在12月份),極小值為每月2.25次(發(fā)生在7月份)。

圖8 SEL事件累月統(tǒng)計數(shù)據(jù)Fig. 8 Cumulative monthly statistics of SELs

顯然,12月份可看成是SEL事件高發(fā)期,而7月份則為低發(fā)期?;蛞?2月前后,地球處在近日點附近,衛(wèi)星距離太陽相對較近,太陽活動作用明顯,故SEL事件多發(fā);而在7月前后,地球處在遠日點,則反之。但是,近日點與遠日點在周日運動中的時期相對較短,屬于年周內(nèi)的短時段。而圖4~圖6的統(tǒng)計數(shù)據(jù)則是在年周期之上的分析結(jié)果,與遠、近點分析有所不同。

綜合圖4~圖8的統(tǒng)計數(shù)據(jù),可以認為:從長期來看,宇宙射線對SEL事件有重要影響;從短期來看,太陽活動對SEL也有重要影響。二者間的關(guān)系類似于圖1中的傾角、LTDN的變化規(guī)律所示:既有短期的年周期變化,又有長期變化(這在圖6中其實已有一定程度展示)。

相比較而言,長期性影響處于主要地位,即宇宙射線影響更大。但是,宇宙射線影響大的原因?qū)嶋H上是太陽活動相對減弱導(dǎo)致(參見圖6~圖7)。因此,從根本上來說,SEL事件發(fā)生頻度受太陽活動調(diào)制。

從傳統(tǒng)的季節(jié)劃分來看,SEL事件在各季節(jié)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖9所示。統(tǒng)計的極大值為20,發(fā)生在2017年夏季;極小值為6,發(fā)生在2014年秋季;平均每個季節(jié)發(fā)生次數(shù)約為11.24。可以看出,在季節(jié)統(tǒng)計上,夏季的SEL事件相對較多。這與圖8中的數(shù)據(jù)似乎有一些抵觸。實際上,如果按照近日點、遠日點為參考進行季節(jié)劃分,即3月—5月為春季、6月—8月為夏季、9月—11月為秋季,余下的為冬季,可得到不同的統(tǒng)計結(jié)果。以上劃分的考慮主要以遠日點、近日點所在月份(7月與1月)為參考。

圖9 SEL事件季節(jié)統(tǒng)計數(shù)據(jù)Fig. 9 Quarterly statistics of SELs

參考圖8的月份平均數(shù)據(jù),這里將傳統(tǒng)季節(jié)劃分、至點季節(jié)劃分(按照習(xí)慣,這里將遠日點、近日點仍稱為至點,但實際上不是一回事)下的月均數(shù)據(jù)累加后進行比較,如圖10所示。可以看出,傳統(tǒng)季節(jié)劃分下,極大值為13.2,發(fā)生在春季;極小值為9.45,發(fā)生在秋季。這樣,春、秋兩季成為峰、谷標志季。而且,各季節(jié)之間的數(shù)值差別并不明顯,最大差值為3.75。而在至點季節(jié)劃分下,極大值為14.8,發(fā)生在冬季;極小值為8.25,發(fā)生在夏季。顯然,冬、夏兩季成為峰、谷標志。而且,季節(jié)之間的差別更加明顯,最大差值為6.55(約為傳統(tǒng)季節(jié)劃分的1.75倍)。

圖10 SEL事件季節(jié)統(tǒng)計數(shù)據(jù)平均Fig. 10 Averaged quarterly statistics of SELs

顯然,至點劃分季節(jié)下的結(jié)果與圖8的結(jié)果及分析更相符一些,這也說明在近日點附近(地球公轉(zhuǎn)速度也慢一些),太陽輻射對于SEL事件的影響可能更加明顯。另外,春季的SEL事件也比較多(僅次于冬季),說明太陽輻射影響可能有延遲性或者積累性;而秋季數(shù)據(jù)處于第3位且與春季數(shù)據(jù)差值(3.4次)相對明顯,表明器件在SEL效應(yīng)方面可能具有一定的逆退火特性。

圖11為 SEL事件年統(tǒng)計結(jié)果,2013年—2018年的 SEL 事件次數(shù)為 19、34、37、60、60、26。因為頭尾2個年份中所包含的月份并不完整,在這里只考慮比較2014年—2017年的數(shù)據(jù):前2年發(fā)生較少,一共71次,年均為35.5次;后2年相對較多,共120次,年均60次;后者比前者高約69%。這一結(jié)果與圖7的F10.7曲線呈負相關(guān),再次說明SEL事件發(fā)生的長期特性受到宇宙射線影響。

圖11 SEL事件年統(tǒng)計數(shù)據(jù)Fig. 11 Annual statistics of SELs

3 遙控作業(yè)設(shè)計及處理

針對SEL事件影響,測控中需要給出快速、有效的處理措施,主要采用遙控作業(yè)運行的自動操控來實現(xiàn)。文獻[22-23]利用航天器控制語言設(shè)計了遙控操作平臺與作業(yè)操作模式,可實現(xiàn)對航天器的透明控制;文獻[24]抽象出一種航天器控制高級語言并應(yīng)用于上行操控,可實現(xiàn)遙控任務(wù)過程自動化;文獻[25]將模塊化設(shè)計應(yīng)用于遙控作業(yè)編寫,可提高作業(yè)生成效率。本文同樣采用模塊化設(shè)計進行遙控作業(yè)編寫,分為SEL事件識別與處理2個模塊。

參考圖2中的電流與溫度數(shù)據(jù),采用中值法進行事件判讀與識別;同時考慮到溫度遙測數(shù)據(jù)的更新周期相對較長,主要采用電流數(shù)據(jù)進行判別:當(dāng)電流大于0.40 A時,即認為器件發(fā)生SEL事件有效1次;連續(xù)采集10次,如果出現(xiàn)3次或者3次以上有效,則確認SEL事件發(fā)生,作業(yè)轉(zhuǎn)入處理模塊。在作業(yè)處理模塊中,主要是進行器件斷電、加電操控;完畢后,自動退出模塊,進行其他測控事件處理。

4 操控檢驗

以2018年8月的后5次SEL事件處理為例,表1給出了遙控作業(yè)的處理時長以及器件對應(yīng)電流變化:識別模塊的平均工作時長為62.0 s,均方差約為1.6 s;操控時長平均為68.0 s,均方差約為0.7 s;控前電流均值為0.60 A,均方差在mA量級;控后電流均值為0.20 A,均方差也在mA量級。

表1 SEL 事件操控統(tǒng)計Table 1 Operation statistics of SELs

整個SEL事件自動處理過程耗時平均在130 s,以有效的測控窗口時長(參見圖1的半長軸)為8 min計,SEL事件操控占用率為27%,比例稍大,但并未對其他測控事件造成影響。后續(xù)如果需要改進,可考慮“5取2”規(guī)則進行電流遙測數(shù)據(jù)的判讀與識別,以適當(dāng)壓縮判別時間。

圖12為表1中最后一組操控對應(yīng)的電流與溫度遙測數(shù)據(jù)。顯然,操控在電流下降沿附近進行。與圖2中的數(shù)據(jù)相比,閂鎖電流與工作電流基本保持一致;但是閂鎖期間溫度出現(xiàn)明顯下降,這說明閂鎖雖然造成升溫,但是具體的溫度升幅并不固定,還應(yīng)視器件工作環(huán)境而定,如周圍器件工作溫度以及季節(jié)、光照、老化、熱控涂層性能下降等變化。

圖12 操控中的器件電流與溫度遙測數(shù)據(jù)Fig. 12 Telemetered current and temperature of the device in the operation

后續(xù),隨著衛(wèi)星在軌服役時間增加,空間環(huán)境以及老化等因素影響也會加劇,進一步做好SEL事件處理工作特別是其次生影響的防范工作尤為重要。這需要關(guān)聯(lián)其他器件以及參數(shù)進行遙測分析、評估,但傳統(tǒng)的門限以及規(guī)則等遙測診斷方法[26]可能不太適應(yīng)較為特殊的應(yīng)用場合,尤其是特殊事件約束下的延壽應(yīng)用,需進一步考慮其他遙測分析、處理技術(shù),例如動態(tài)分析、估計與預(yù)測等。

5 結(jié)論及建議

對低軌衛(wèi)星單器件SEL事件進行數(shù)據(jù)分析,得到如下結(jié)論:

1)SEL事件星下點地域分布特征相當(dāng)明顯,在南大西洋區(qū)域發(fā)生頻率最高,在南、北兩極高緯度區(qū)域次之,其他區(qū)域相對較少,三者間比例大致為 3∶2∶1。

2)SEL事件的發(fā)生在時域上具有長期性和年周期性變化規(guī)律:長期性表現(xiàn)在太陽活動較強時,宇宙射線對衛(wèi)星影響減弱,器件的SEL事件相對減少,而當(dāng)太陽活動較弱時則情況相反;年周期性表現(xiàn)在地球處于近日點附近時,太陽輻射影響較強,SEL事件相對增多,而在遠日點附近時則情形相反;比較而言,長期性影響更大一些;同時,長期性和年周期性變化均受太陽活動調(diào)制。

3)采用模塊化方式設(shè)計遙控作業(yè),進行SEL事件自動操控處理,平均耗時約130 s。

后期工作需結(jié)合器件參數(shù)例如LET(線性能量傳遞)閾值與飽和截面、環(huán)境探測數(shù)據(jù)例如“風(fēng)云”與GOES等氣象衛(wèi)星的高能粒子數(shù)據(jù)做進一步的理論分析計算,得出更加深入準確的規(guī)律,為衛(wèi)星應(yīng)對SEL提供依據(jù)。

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