宇航元器件在轨测试研究

陈嘉鹏，蔡洁明，黄旭东，宋国栋

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035）



宇航元器件在轨测试研究

陈嘉鹏，蔡洁明，黄旭东，宋国栋

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035）

摘要：对国内宇航元器件应用现状进行调查研究，阐述了宇航元器件进行在轨测试的必要性。对宇航元器件在轨测试的方法进行探讨，列举了目前常用的在轨测试方法。重点对宇航元器件进行在轨测试参数选择，对实施方案进行分析，同时对航天元器件在轨参数进行了研究。随着航天事业不断发展，宇航元器件在轨测试将会得到更多的关注和应用，将为实现宇航元器件的自主发展打下基础。

关键词：宇航元器件；在轨测试；抗辐射

1　宇航元器件在轨测试验证的必要性

1.1背景概况

随着我国航天事业的高速发展，卫星不仅在国防事业中扮演重要的角色，而且逐步应用于国民经济的各个方面。航天事业的多元化快速发展，对卫星的要求大大提高，对宇航用元器件的可靠性也提出了更高的要求。目前，航天用进口元器件的数量和品种虽然比例不高，但如果无法采购到部分关键元器件（尤其是性能复杂、高质量等级的元器件），航天产品研制就可能出现不良后果[1]。举例说明近5年我国进口几种类型的元器件情况见表1。

消除、规避风险的出路在于逐步实现宇航元器件的自主设计研制，并对研制的产品进行更为合理、充分的验证、评价。近年来，为实现宇航元器件的自主可控，国家安排了一系列国产元器件研究项目，加大了对核心器件的应用验证力度，在轨测试作为元器件应用验证必要阶段正发挥越来越重要的作用[2]。

1.2必要性分析

航天器在研制、发射、入轨、返回过程中要经历4个阶段的环境，包括地面环境、发射环境、轨道环境(空间环境)和返回环境。在每个阶段，航天器都要受到多种环境应力的综合作用。其中，又以空间环境最为重要，因素最为复杂、影响最大。据统计，70％的航天器故障是由于空间环境的影响而造成的[3]。

表1　近5年进口元器件使用产品型号和数量

空间辐射对航天器的效应主要表现在两个方面[4]：(1)高能粒子对航天器的材料、电子器件、生物载荷及航天器的辐射总剂量损伤效应；(2)高能带电粒子与航天器电子器件或电路在空间辐射环境中相互作用，使后者发生逻辑错误、功能异常甚至造成器件或电路损毁等现象，造成单粒子效应。

卫星和航天器的工作特殊性使其对电子设备的可靠性、安全性要求非常高。这些空间设备又不可避免地要处于空间辐射环境中，空间辐射是诱发卫星和航天器异常或故障的主要原因之一。欧洲航天局报告指出，卫星等电子设备反常现象中，由于辐射损伤而造成的达33％。空间的辐射对卫星及航天器中的微电子器件是个严重威胁，特别是半导体器件和元器件易受辐射损伤而失效，从而造成整个卫星的失效。空间辐射对卫星主要元器件可能产生的辐射效应如表2所示[5]。

表2　卫星部分元器件的辐射效应

虽然结合现有理论研究和实验基础，我们可以在地面开展关于器件辐射效应敏感度的评估实验，但是模拟试验不能完全模拟空间辐射环境，不能百分之百保证该器件在长时间的太空飞行中可靠。国内外已有统计数据表明，地面试验解决暴露的问题，宇航应用中往往较少发生，但是宇航元器件在应用期间有故障发生，尤其是应用初期发生大量的问题和故障，说明航天产品地面试验的充分性、有效性还不够[6]。积极开展在轨测试验证还可以运用飞行试验数据验证地面模拟试验结果准确性，为研究抗辐射效应提供更多宝贵的试验数据，为后续更准确、更有效地开展地面辐照模拟试验指明道路，因此在轨测试验证和地面模拟验证两者相辅相成，缺一不可。为此，开展在轨测试验证，研究微电子器件的辐射效应及提高器件的抗辐射能力势在必行。

2　宇航元器件在轨测试方法探讨

随着航天事业的不断发展，宇航用元器件覆盖范围越来越广，需要对不同类型的电路进行在轨测试验证，以满足太空中复杂的使用需求。如DSP广泛应用于通信、信号处理、自动控制、雷达、声呐等领域，总线电路在飞机、卫星上有着广泛的应用。可编程器件广泛应用于航空、航天、电子、船舶等项目中的控制系统设计。存储器广泛应用于军事雷达、电子对抗、移动通信等领域，其他如DC/DC、DDS等电路均广泛应用于航天器和卫星之上。

针对元器件空间环境适应性和应用性开展在轨测试，经研究总结一般具有如下评估试验方法，这些方法在元器件飞行验证工程中具有可实施性，在轨测试时应根据验证考虑重点不同对实施方法进行选取[7]。

(1)采用成熟电路验证元器件，方便元器件替代应用和问题定位；

(2)比较法，和已验证的特性明确元器件进行在轨对比验证；

(3)直测法，对电压、电流、温度等进行直接监测；

(4)拉偏测量法，电性能拉偏，温度宽范围考核；

(5)器件自检测法：元器件循环自检，如指令集、存储器等；

(6)同工艺器件组合验证法：同一生产线相同工艺不同器件组成应用线路验证。

以DSP电路为例，针对器件受电离辐射及单粒子效应可能发生的失效情况，对于数字信号处理器的嵌入式存储器，可以在辐照前每个字节写入数据，在辐照过程中循环读取存储单元的数据，与辐照前进行比较，记录出错单元、统计出错数量和类型，同时检测器件功耗电流变化情况，分析数据错误与器件功耗电流变化的关系及存储器总剂量效应机理；对于DSP的其他各个功能模块，可以运行各种不同功能：算术逻辑运算、浮点运算、寄存器测试、缓冲寄存器测试、其他外设功能测试。通过运算结果与正确结果的比较，判断运算是否正确，在辐照时循环监测寄存器或存储器中的数据，检查有无错误，同时监测芯片功耗电流变化情况，根据运算结果和相关寄存器的数据变化分析原因。同时监测结果通过主控板CAN总线接口遥测下传。同时DSP系统与CPU系统也不断将自身运行情况发送到主控板的CAN总线。可以通过CPU实时访问数据及地址总线检测存储器及寄存器的当前状态来确定是否发生SEU等现象。同时，通过与标准1553B测试平台进行实时通讯，也可以确定电路功能是否正常。以上检测方法可行，且实现起来较为容易。

3　宇航元器件在轨测试关键参数分析

3.1空间试验下的行为分析

在轨测试时，为验证元器件可靠性，需要进行如下试验：（1）电路参数测试试验；（2）电路功能测试试验；（3）SEL试验；（4）SEU试验；（5）通信实验。

在轨高端数字元器件主要指信号处理器以及与处理器配套使用的FPGA、SRAM、EEPROM等。这类器件的共同特点是都采用MOS元器件结构，空间辐射对它们的影响主要有两种形式：总剂量效应和单粒子事件。总剂量效应改变器件的性能，如产生MOS管阈值电压漂移；单粒子事件使器件产生状态改变，这可能导致电路误动作或器件功能改变[8]。

数据处理器单元是卫星的核心单元，其数据的准确安全是卫星正常工作的前提[9]。宇航用卫星可采用DSP作为图像信息处理CPU，抗辐射DSP是一种高性能、高可靠、适应空间环境的数据处理器[10]。同时近年发展利用ASIC如FPGA结合CPU来提高卫星和航天器自主性和数据更新速率，实现体积更小、功耗更低的卫星。FPGA尤其是SRAM型FPGA对空间辐射比较敏感，成为卫星和航天器处理器单元“单粒子事件”的主要原因，所以在使用过程中应结合各种容错方法来避免故障，一种对FPGA进行监视配置的容错方案在航天器上得到广泛应用，这可在不损害FPGA速度的前提下，提高其可靠性[11～12]。PROM用来存储程序数据，其数据的安全直接关系程序的正常运行，而EEPROM和SRAM的可靠性要求比PROM要低，处理过程中的个别数据错误可以通过有效的算法消除，重要的常量应多处存放。

根据辐照设计裕度对数字电路进行合理筛选并降额使用，采用屏蔽措施以及冗余纠错处理，航天器的数据处理单元经过合理的软硬件设计和适当的加固措施可基本满足一般在轨期间正常工作的要求。

3.2在轨参数测试

3.2.1空间测试参数

（1）电流变化

对于电路的在轨测试来说，电流为电路工作正常最直接的表征量。电流检测通常检测器件的静态电流和动态电流。对器件的静态电流进行监控，可以监控电路的抗总剂量性能指标，通过空间电流监测和地面模拟空间总剂量试验结果进行对照，可以更好地指导地面进行总剂量试验，为后续电路总剂量指标提升提供重要参数。另一方面，由于发生单粒子锁定电流将大幅度增加，所以大部份元器件的单粒子锁定研究都可以通过电源输入端的电流变化确定单粒子锁定现象，并将其作为单粒子锁定的重要特征[13]。同样可以和地面模拟试验相互对照，使得地面模拟试验更准确，从而对电路抗闩锁性能改进提供更多、更有效的数据。

（2）功能测试

智能控制装置中各个分系统相对独立，相互无逻辑连锁，使手动、自动运行转换能顺利进行。正常运行时均至自动位，当设备自动运行出现故障状态时，将该分系统转换开关至手动位，手动起停相应设备。其余设备仍自动运行，整个系统稳定、可靠。

对于数字电路在轨测试，器件的功能测试为器件正常运行最直接的表征量。大型数字电路主要指信号处理器以及与处理器配套使用的FPGA、SRAM、PROM和EEPROM等。这类器件一个共同特点是都采用MOS元器件结构，空间辐射对它们的影响主要有两种形式：总剂量效应和单粒子事件。总剂量效应改变器件的性能，如产生MOS管阈值电压漂移；单粒子事件使器件产生状态改变，这可能导致电路误动作或器件功能改变。

（3）翻转率

宇航元器件单粒子翻转率反映了器件的抗单粒子翻转能力，是航天用户最为关注的效应参数之一。空间应用时，卫星用微处理器程序设计决定了器件的单粒子翻转率，完成功能不同，获取的动态单粒子翻转率也不完全相同。在轨测试时可通过调整程序占空比来降低器件的动态单粒子翻转率，从而实现整个系统翻转率的降低[14]。

（4）误码率

造成参数空间误码率的原因有很多，主要可以分为两个方面：（a）空间环境对器件直接干扰，发生单粒子、总剂量效应，造成器件的参数超差甚至失效，导致产生错误信号，增加误码率。（b）空间环境对信号传输路径产生干扰，降低链路传输功率，增加了链路的温度噪声，降低了信噪比，从而增加链路的误码率。

3.2.2测试推荐方案

以1553总线电路为例，简述一款在轨测试方案。总线电路JKRXXXXX在轨分析试验系统硬件部分由3块控制板及相应的总线及耦合器构成。3块控制板相互的连接关系如图1所示。

图1　控制板互联关系

·抗辐照FPGA：用于控制电路时序，将电路配置为特定模式；处理采样到的电流值，判断是否有闩锁发生；判断电路是否发生SEU及SEFI现象，并将结果记录于EEPROM中。

·抗辐照总线驱动器164245：提供CPU与电路之间的电平转换。

·抗辐照模数转换器AD：用于实时采样电路工作时的电流值，并交由FPGA处理；采样总线上所有模拟信号，待传回地面进行分析。

·抗辐照EEPROM：用于存储电路SEU、SEL、SEFI以及总线模拟信号等信息。

·供电及1553总线接口：用于电源输入及总线通信。

·其他外围器件：电容、电阻、隔离变压器等。

在轨测试涉及的主要参数及功能如下：

·总线电路电流；

·总线信号的上升及下降时间；

·总线信号的峰峰值；

·BC到RT通信；

·RT到BC通信；

·RT到RT通信。

控制板的功能框图如图2所示。

控制板的大小为15cm×15cm，单板重量小于500g，加上外围线缆等，总重小于5 kg。电源部分采用协议处理器、收发器A、收发器B及外围器件分开供电，单板总功率小于5 W，3块板合计小于15 W。

图2　控制板功能框图

4　结束语

本文通过对空间环境进行研究，分析在轨卫星和航天器中各类常用宇航元器件的表现行为，进而提出了典型国产元器件进行在轨测试的指标参数以及开展参数测试的推荐方案。在轨测试的目的是为了通过研究分析得到宇航元器件设计中存在的问题，对设计工作进行指导，全面提高抗辐射加固设计水平，提高宇航元器件的可靠性，提高卫星的可靠性。随着国家对航天及战略武器装备自主可控要求越来越高，对宇航元器件进行科学的在轨测试验证，是宇航元器件能快速应用于宇航系统的有效途径。随着宇航技术及元器件技术的发展，新的元器件及宇航应用技术需要通过在轨测试来降低宇航应用风险。在轨测试将会得到更多的发展，必将为实现宇航事业的自主发展奠定坚实的基础[15]。

参考文献：

[1]夏泓，江帆.航天元器件自主与可控概念及量化方法研究[C].航天元器件专题论坛，2013.

[2]王文炎，高媛.宇航元器件飞行验证的实践与思考[C].航天元器件专题论坛，2013.

[3]黄本诚.黄本诚文集[M].北京：中央编译出版社，2007.

[4]侯明东，马峰，刘杰.宇航器件中的单粒子效应及其加速器地面模拟[J].核物理动态，1996.

[5]周飞，李强.空间辐射环境引起在轨卫星故障分析与加固对策[J].航天器环境工程，2012.

[6]郭振伟，遇今.航天器产品可靠性技术现状与发展探讨[C].航天可靠性学术交流会论文集，2015.

[7]倪卫星，夏泓，任泽亮.国产元器件飞行验证技术研究与探索[C].航天元器件专题论坛，2013.

[8]冯彦君，华更新.航天电子抗辐射研究综述[J].宇航学报，2007.

[9]周建涛，蔡伟，武延鹏，卢欣.星敏感器空间辐射效应研究[J].宇航学报，2010.

[10]黄欣.新型APS星敏感器[C].中国科协年会，2006.

[11]邢克飞，杨俊.星用SRAM型FPGA加固设计方法研究[J].电子器件，2007.

[12]郝志刚，杨孟飞.星用SRAM型FPGA的故障模式分析和容错方法研究[J].空间控制技术与应用，2008.

[13]薛玉雄，杨生胜.空间单粒子锁定效应研究[J].核技术，2012，9.

[14]李强，高洁.星用微处理器抗单粒子翻转可靠性预示研究[J].核技术，2010，11.

[15]王文炎，高媛.宇航元器件飞行验证的实践与思考[C].航天元器件专题论坛，2013.

陈嘉鹏（1982—），男，江苏盐城人，毕业于东南大学，本科，工程师，主要研究方向为抗辐射集成电路测试、验证及可靠性研究。

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

作者简介：

收稿日期：2015-12-21

中图分类号：V443，TN306

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2016）04-0013-05