申请/专利权人：西北核技术研究所

申请日：2017-12-19

公开（公告）日：2020-10-09

公开（公告）号：CN108181524B

主分类号：G01R31/00(20060101)

分类号：G01R31/00(20060101);G06F30/398(20200101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.09#授权;2018.07.13#实质审查的生效;2018.06.19#公开

摘要：本发明提供了一种辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，充分考虑到电子系统与底层器件失效判据不同的实际状况，通过逐一辐照电子系统中底层器件并进行概率合成以评价整个电子系统单粒子效应敏感性，解决了现有系统级单粒子效应敏感性评价方法未考虑底层器件与电子系统明显失效判据不同以及单粒子防护措施多样性的技术问题。

主权项：1.辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：1确定分析对象所述分析对象为包含所有底层器件且能够执行正常功能的电子系统，所包含的底层器件均已接入电子系统；2确定电子系统的工作状态电子系统处于加电模式，所有需要的激励信号均需接入，保证电子系统执行正常功能；3辐照评价3.1设定电子系统的工作模式，所述工作模式包括加固模式和非加固模式；3.2在重离子环境中逐一辐照电子系统中的底层器件，按照系统失效判据统计电子系统的失效次数，根据失效次数计算出单粒子出错截面，每只器件均需获取至少五组表示该器件对系统单粒子出错截面贡献与重离子线性能量转移值具有对应关系的数据点；系统失效判据包括以下三种：a向电子系统持续输入数据向量或模拟信号的同时监测电子系统输出，电子系统输出值与预期值不符时判定出现系统数据错误；b对复杂电子系统执行擦除复位转存应答类型的指令操作时，检验电子系统是否能够正常响应，不能正常响应时判定发生系统出错；c针对具有自检测功能的电子系统，监测是否能按预设输出正常或故障提示信息，如果不能，判定发生系统出错；3.3在质子环境中逐一辐照电子系统中的底层器件，按照系统失效判据统计电子系统的失效次数，根据失效次数计算出单粒子出错截面，每只器件均获取至少五组表示该器件对系统单粒子出错截面贡献与质子能量值具有对应关系的数据点；系统失效判据包括以下三种：a向电子系统持续输入数据向量或模拟信号的同时监测电子系统输出，电子系统输出值与预期值不符时判定出现系统数据错误；b对复杂电子系统执行擦除复位转存应答类型的指令操作时，检验电子系统是否能够正常响应，不能正常响应时判定发生系统出错；c针对具有自检测功能的电子系统，监测是否能按预设输出正常或故障提示信息，如果不能，判定发生系统出错；3.4分别对每只器件的重离子辐照数据点和质子辐照数据点逐一进行Weibull曲线拟合，拟合曲线方程如式1和式2所示： 其中，σion,iLET为重离子辐照第i只底层器件时电子系统发生单粒子出错的截面，σsat,ion,i、L0,ion,i、Wion,i和Sion,i依次分别为重离子辐照第i只底层器件时电子系统单粒子出错截面的Weibull拟合曲线所对应饱和截面、LET阈值、尺度参数和形状参数； 其中，σproton,iE为质子辐照第i只底层器件时电子系统发生单粒子出错的截面，σsat,proton,i、E0,proton,i、Wproton,i和Sproton,i依次分别为质子辐照第i只底层器件时电子系统单粒子出错截面的Weibull拟合曲线所对应饱和截面、能量阈值、尺度参数和形状参数；3.5根据选定的航天器轨道参数、太阳活动状况、屏蔽参数确定重离子LET谱和质子能谱；将Weibull曲线的拟合参数σsat,ion,i、L0,ion,i、Wion,i、Sion,i、σsat,proton,i、E0,proton,i、Wproton,i和Sproton,i作为表征每只底层器件对系统单粒子敏感性贡献的输入参数；根据重离子LET谱、质子能谱及Weibull曲线的拟合参数，计算每只底层器件对应的在轨系统失效率；3.6电子系统在特定空间辐射环境中发生单粒子出错的失效率λTotal＝∑iλi，其中λi代表第i只底层器件所对应的在轨系统失效率。

全文数据：辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法技术领域[0001]本发明属于航天电子系统单粒子效应评估技术领域，具体说是一种辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法。背景技术[0002]单粒子效应是航天应用中电子系统常见的空间辐射效应之一。近年来，为节约成本、缩短开发周期，电子系统中越来越多的开始采用商用现货COTS器件，力争通过系统级加固手段保证电子系统的在轨辐照可靠性。为量化评价电子系统单粒子失效率及验证加固技术有效性，有必要开展系统级单粒子效应敏感性评价工作。[0003]开展辐照试验是获取抗辐照指标最直接的方式，而利用地面模拟装置评价单个器件的抗辐照指标已经是比较成熟的工作。考虑到国内重离子辐照环境所能提供的束斑尺寸为厘米量级，无法直接辐照整个系统评价其单粒子效应敏感性。[0004]为解决这一问题，在专利CN105893664“一种系统级单粒子效应影响表征参数及评价方法”中，建议根据系统功能分析，建立以元器件为底事件的系统功能模型，通过确定系统各层次间单粒子效应影响传递因子，基于单粒子事件的叠加性原理，计算系统单粒子事件率。在专利CN103605835A“航天器系统级抗单粒子设计及评估方法”和专利CN105117576“基于故障传播的航天器系统级单粒子翻转影响分析方法”中，建议基于系统组成，从器件到单机、系统逐步开展单粒子翻转故障率计算，评价单粒子效应对系统的影响。这些工作的共同特征是按照器件、单机、系统的形式逐级执行故障率计算，按串并联原则对同层级组件之间的关系进行简化近似，特别是对系统级加固技术带来的影响以线性关系式进行失效率等效。存在的问题具体表现在：[0005]1仅利用底层器件尚未应用于电子系统时的单粒子出错数据作为计算基础，未考虑不同层级间，特别是器件级与系统级明显不同的失效判据，如底层器件中存储数据被改变时发生单粒子翻转），由于系统资源占用、工作模式的限制，系统级只有一定可能会表现出可见的单粒子错误。[0006]2仅采用简单的线性关系式衡量系统级加固技术对于失效率的影响，未考虑单粒子防护措施的多样性，参见专利CN104461811A“一种分级、分层次的航天器单粒子软错误防护体系机构”。发明内容[0007]为解决现有系统级单粒子效应敏感性评价方法未考虑底层器件与电子系统明显失效判据不同以及单粒子防护措施多样性的技术问题，本发明提出一种辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，用于准确、直观的得到系统失效率指标。[0008]本发明的技术解决方案是：[0009]本发明的辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：[00ΊΟ]1确定分析对象[0011]所述分析对象为包含所有底层器件且能够执行正常功能的电子系统，所包含的底层器件均已接入电子系统；[0012]2确定电子系统的工作状态[0013]电子系统处于加电模式，所有需要的激励信号均需接入，保证电子系统执行正常功能；[0014]3辐照评价[0015]3.1设定电子系统的工作模式，所述工作模式包括加固模式和非加固模式；[0016]3.2在重离子环境中逐一辐照电子系统中的底层器件，按照系统失效判据统计电子系统的失效次数，根据失效次数计算出单粒子出错截面，每只器件均需获取至少五组表示该器件对系统单粒子出错截面贡献与重离子线性能量转移值具有对应关系的数据点；[0017]3.3在质子环境中逐一辐照电子系统中的底层器件，按照系统失效判据统计电子系统的失效次数，根据失效次数计算出单粒子出错截面，每只器件均获取至少五组表示该器件对系统单粒子出错截面贡献与质子能量值具有对应关系的数据点；[0018]3.4分别对每只器件的重离子辐照数据点和质子辐照数据点逐一进行Weibull曲线拟合，拟合曲线方程如式⑴和式⑵所示：[0020]其中，〇1Qn,,LET为重离子辐照第i只底层器件时电子系统发生单粒子出错的截面，〇sat,ion,i、Lo,ion,i、Wion,i和Sion,i依次分别为重离子福照第i只底层器件时电子系统单粒子出错截面的Weibull拟合曲线所对应饱和截面、LET阈值、尺度参数和形状参数；[0022]其中，Oprcitcm,,⑻为质子辐照第i只底层器件时电子系统发生单粒子出错的截面，〇sat，proton,i、E〇，proton,i、评[_11,1和\_11,1依次分别为质子辐照第1只底层器件时电子系统单粒子出错截面的Weibul1拟合曲线所对应饱和截面、能量阈值、尺度参数和形状参数；[0023]3.5根据选定的航天器轨道参数、太阳活动状况、屏蔽参数确定重离子LET谱和质子能谱；[0024]将Weibu11曲线的拟合参数〇sat,ion，i、L〇，i〇n,i、Wi〇n,i、Si〇n,i、〇sat,proton,i、E〇,proton,i、Wprcitcinil和Sprcitcinil作为表征每只底层器件对系统单粒子敏感性贡献的输入参数；[0025]根据重离子LET谱、质子能谱及Weibull曲线的拟合参数，计算每只底层器件对应的在轨系统失效率；[0026]3.6电子系统在特定空间辐射环境中发生单粒子出错的失效率ATcital=EAi,其中\代表第i只底层器件所对应的在轨系统失效率。[0027]进一步地，为验证系统级抗辐照加固措施的有效性，本发明通过比较电子系统工作在非加固模式和加固模式下的单粒子出错的失效率来判断加固措施是否有效，当加固情况下电子系统失效率明显低于非加固情况时，可认为所采用的系统级抗辐射加固措施是有效的。[0028]进一步地，基于经验对电子系统发生单粒子出错的各类现象进行的总结，确定了系统的失效判据，步骤3.2和步骤3.3中的系统失效判据包括以下三种：[0029]1向电子系统持续输入数据向量或模拟信号的同时监测电子系统输出，电子系统输出值与预期值不符时判定出现系统数据错误；[0030]2对复杂电子系统执行擦除复位转存应答类型的指令操作时，检验电子系统是否能够正常响应，不能正常响应时判定发生系统出错；。[0031]3针对具有自检测功能的电子系统，监测是否能按预设输出正常或故障提示信息，如果不能，判定发生系统出错。[0032]其中1中持续输入数据向量或模拟信号监测输出是最常见最基本的，用于判别系统出现的数据错误;2中是为了检验电子系统的功能错误;3是针对运行过程中可以监测内部信息判别是否工作正常的电子系统而做的补充。[0033]进一步地，为使电子系统中的底层器件逐一受到辐照，步骤3.2及步骤3.3中电子系统中的底层器件均排布于电路板同一侧，如果电子系统包含多块电路板，则将所有电路板摊开处于同一平面，电子系统所包含的多块电路板之间采用软线缆互联。[0034]进一步地，步骤3.5中根据重离子LET谱、质子能谱及Weibull曲线的拟合参数，计算每只底层器件对应的系统失效率时，可选用自行编程或利用商用预估软件的方式，可选的商用预估软件包括SPACERADIATION或CREME。[0035]预估软件SPACERADIATION和CRfiME都是计算单粒子失效率的经典软件，依靠软件计算失效率最大的好处就是方便快捷，自行编程也是可行的，只不过就会花费大量无谓的时间。[0036]本发明与现有技术相比，优点是：[0037]1、本发明提出的辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，通过统一针对系统级失效判据统计出错截面，回避了底层器件与电子系统明显失效判据不同而通过概率运算互相求取的潜在问题。[0038]2、本发明提出的辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，在计算电子系统失效率时，避免了将所有底层器件对电子系统单粒子出错截面的贡献直接加和时，因器件敏感性差异很大导致电子系统总出错截面与重离子LET值或质子能量之间的关系不服从Weibull分布。正常的单粒子效应数据均默认服从Weibull分布，以此为基础才可以开展下一步的失效率计算工作。如果不服从Weibull分布，原则上就无法拟合并预估失效率，这种情况下如果强行拟合就会漏掉关键的特征信息。[0039]3、本发明提出的辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，在评价系统级加固技术对于失效率的影响时，无需对系统级加固技术带来的影响以线性关系式进行失效率等效，便可实现对加固前后电子系统失效率指标的准确估计。[0040]4、本发明提出的辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，在评价系统级加固技术对于失效率的影响时，无需了解系统内部构造和所采取系统级抗辐射加固措施的细节，对任意系统均可采用，具有较强的可操作性。附图说明[0041]图1表示由底层器件A、B、C、D、……组成的典型电子系统的示意图；[0042]图2为单粒子敏感性评价中器件失效判据、单机失效判据和系统失效判据之间的关系不意图；[0043]图3为辐照不同底层器件时对应电子系统单粒子出错截面与重离子LET值之间的关系图。具体实施方式[0044]本发明评价电子系统的单粒子效应敏感性时，充分考虑到电子系统与底层器件失效判据不同的实际状况，提出了通过逐一辐照电子系统中底层器件并进行概率合成以评价整个电子系统单粒子效应敏感性的方法，优选流程具体包括以下步骤：[0045]1确定分析对象[0046]分析对象为包含所有底层器件且能够执行正常功能的电子系统，所包含底层器件均已接入电子系统中；[0047]2确定电子系统工作状态及布放方式[0048]2.1电子系统处于加电模式，所有需要的激励信号均需接入，保证电子系统执行正常功能；[0049]2.2电子系统中的底层器件均排布于电路板同一侧，如果电子系统包含多块电路板，则应将所有电路板摊开处于同一平面，电路板之间的互联优先采用软线缆；[0050]3确定电子系统失效判据[0051]系统失效判据包括以下三种：[0052]1向电子系统持续输入数据向量或模拟信号的同时监测电子系统输出，电子系统输出值与预期值不符时判定出现系统数据错误；[0053]2对复杂电子系统执行擦除复位转存应答类型的指令操作时，检验电子系统是否能够正常响应，不能正常响应时判定发生系统出错；[0054]3针对具有自检测功能的电子系统，监测是否能按预设输出正常或故障提示信息，如果不能，判定发生系统出错。[0055]4在辐射环境中逐一辐照电子系统中的底层器件[0056]4.1设定系统工作在非加固模式，即应用非加固备份机同时运行非加固软件版本；[0057]4.2在重离子环境中逐一辐照电子系统中的底层器件，按照步骤3给出的系统失效判据统计电子系统的失效次数，根据失效次数计算出单粒子出错截面，每只器件均需获取至少五组表示该器件对系统单粒子出错截面贡献与重离子线性能量转移值具有对应关系的数据点；[0058]4.3在质子环境中逐一辐照电子系统中的底层器件，按照系统失效判据统计电子系统的失效次数，根据失效次数计算出单粒子出错截面，每只器件均获取至少五组表示该器件对系统单粒子出错截面贡献与质子能量值具有对应关系的数据点；[0059]4.4分别对每只器件的重离子辐照数据点和质子辐照数据点逐一进行Weibull曲线拟合，如下所示：[0062]其中〇1Qn,,LET为重离子辐照第i只底层器件时电子系统发生单粒子出错的截面，〇sat,ion,i、L〇,i〇n,i、Wi〇n,i和Si〇n,i分别为重尚子福照第i只底层器件时电子系统单粒子出错截面的Weibull拟合曲线对应饱和截面、LET阈值、尺度参数和形状参数。〇P_n,i⑹为质子辐照第i只底层器件时电子系统发生单粒子出错的截面，Sprcitcin,i分别为质子辐照第i只底层器件时电子系统单粒子出错截面的Weibull拟合曲线对应饱和截面、能量阈值、尺度参数和形状参数；[0063]4.5根据选定的航天器轨道参数、太阳活动状况、屏蔽参数确定重离子LET谱和质子能谱，利用Weibull曲线的拟合参数作为表征每只底层器件对系统单粒子敏感性贡献的输入参数，采取以RPP平行六面体模型为基础的预估软件SPACERADIATION和CRfiMIU十算每只底层器件对应的在轨系统失效率，A1代表第i只底层器件的在轨系统失效率，即单只器件单位时间内导致电子系统发生单粒子出错的次数。[0064]4.6电子系统在特定空间辐射环境中发生单粒子出错的失效率ATcital=EAi。[0065]5验证系统级抗辐照加固措施的有效性[0066]5.1设定系统工作在加固模式，即应用加固备份机同时运行加固软件版本；[0067]5.2重复步骤4.2-4.6，计算工作在加固模式时电子系统发生单粒子出错的失效率；[0068]5.3当加固情况下电子系统失效率明显低于非加固情况时，可认为所采用的系统级抗辐射加固措施是有效的。[0069]下面结合附图对本发明做进一步的阐述。[0070]图1所示为包含多个器件的典型系统，器件按照六、8、：、0，一的方式进行命名。[0071]图2所示为器件失效判据、单机失效判据和系统失效判据之间的关系，可以看出，系统发生失效时一定同时发生了器件失效和单机失效，但器件失效不一定能引发单机失效或系统失效。如对于某电子系统，底层器件的失效判据为器件中的存储位发生状态翻转;而单机级的失效判据与具体单机执行的性能相关，如信号处理平台的误码率指标、不能正常响应平台系统给出的指令、数据包不能按时上传、遥控遥测指令不能正常响应等;整系统的失效判据则更加宏观，表现为系统对指令的响应时间小于一定数值、系统下传数据的时间间隔小于一定数值等。[0072]开展辐照试验时，保证电子系统中的底层器件均排布于电路板同一侧，如电子系统包含多块电路板则应将所有电路板摊开处于同一平面，电路板之间的互联优先采用软线缆，这种情况下辐射粒子能够实现逐一辐照各底层器件。[0073]图3所示为重离子环境下辐照底层器件A、B、C对应的电子系统单粒子出错截面与重离子LET值之间的关系，可以看出三只器件对应系统级单粒子功能中断的阈值和饱和截面均不相同。如果采用直接加和的方式计算系统总截面，所得曲线显然明显不符合Weibull分布的形式，将导致无法进一步计算具体轨道上的失效率。按照步骤4中给定的流程，首先通过Weibull拟合以及以RPP模型为基础的翻转率预估软件计算不同器件对应的重离子引发在轨失效率，并按照同样的流程计算不同器件对应的质子引发在轨失效率，以此计算辐照单只器件对应的电子系统失效率。最后，由于系统不发生失效等同于所有底层器件均不引发系统失效，可按照步骤4.6计算电子系统的失效率。

权利要求：1.辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：1确定分析对象所述分析对象为包含所有底层器件且能够执行正常功能的电子系统，所包含的底层器件均已接入电子系统；2确定电子系统的工作状态电子系统处于加电模式，所有需要的激励信号均需接入，保证电子系统执行正常功能；3辐照评价3.1设定电子系统的工作模式，所述工作模式包括加固模式和非加固模式；3.2在重离子环境中逐一辐照电子系统中的底层器件，按照系统失效判据统计电子系统的失效次数，根据失效次数计算出单粒子出错截面，每只器件均需获取至少五组表示该器件对系统单粒子出错截面贡献与重离子线性能量转移值具有对应关系的数据点；3.3在质子环境中逐一辐照电子系统中的底层器件，按照系统失效判据统计电子系统的失效次数，根据失效次数计算出单粒子出错截面，每只器件均获取至少五组表示该器件对系统单粒子出错截面贡献与质子能量值具有对应关系的数据点；3.4分别对每只器件的重离子辐照数据点和质子辐照数据点逐一进行Weibull曲线拟合，拟合曲线方程如式⑴和式2所示：其中，LET为重离子辐照第i只底层器件时电子系统发生单粒子出错的截面，Osat,ion,i、Lo,ion,i、Wion,i和Sion,i依次分别为重离子福照第i只底层器件时电子系统单粒子出错截面的Weibull拟合曲线所对应饱和截面、LET阈值、尺度参数和形状参数；其中，Oprcitcin,iE为质子辐照第i只底层器件时电子系统发生单粒子出错的截面，〇sat,proton,i、Eo,proton,i、Wproton,i和Sproton,i依次分别为质子福照第i只底层器件时电子系统单粒子出错截面的Weibul1拟合曲线所对应饱和截面、能量阈值、尺度参数和形状参数；3.5根据选定的航天器轨道参数、太阳活动状况、屏蔽参数确定重离子LET谱和质子能谱；将Weibu11曲线的拟合参数〇sat,icin，i、L〇，i〇n，i、Wi〇n，i、Sion,i、〇sat，proton,i、E〇，proton,i、Wproton，i和s_ton1作为表征每只底层器件对系统单粒子敏感性贡献的输入参数；根据重离子LET谱、质子能谱及Weibull曲线的拟合参数，计算每只底层器件对应的在轨系统失效率；3.6电子系统在特定空间辐射环境中发生单粒子出错的失效率ATtltal=E1A1，其中\代表第i只底层器件所对应的在轨系统失效率。2.根据权利要求1所述的辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，其特征在于，步骤3之后还包括：步骤4验证系统级抗辐照加固措施的有效性比较电子系统工作在非加固模式和加固模式下的单粒子出错的失效率，当加固情况下电子系统失效率明显低于非加固情况时，可认为所采用的系统级抗辐射加固措施是有效的。3.根据权利要求1或2所述的一种辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，其特征在于：步骤3.2和步骤3.3中的系统失效判据包括以下三种：1向电子系统持续输入数据向量或模拟信号的同时监测电子系统输出，电子系统输出值与预期值不符时判定出现系统数据错误；2对复杂电子系统执行擦除复位转存应答类型的指令操作时，检验电子系统是否能够正常响应，不能正常响应时判定发生系统出错；。3针对具有自检测功能的电子系统，监测是否能按预设输出正常或故障提示信息，如果不能，判定发生系统出错。4.根据权利要求1所述的一种辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，其特征在于：步骤3.2及步骤3.3中电子系统中的底层器件均排布于电路板同一侧，如果电子系统包含多块电路板，则将所有电路板摊开处于同一平面。5.根据权利要求4所述的一种辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，其特征在于：步骤3.2及步骤3.3中电子系统所包含的多块电路板之间采用软线缆互联。6.根据权利要求1至5任一所述的一种辐照底层器件获取电子系统单粒子效应敏感性的评价方法，其特征在于：步骤3.5中根据重离子LET谱、质子能谱及Weibull曲线的拟合参数，计算每只底层器件对应的系统失效率时，可选用自行编程或利用商用预估软件的方式，可选的商用预估软件包括SPACERADIATION或CREME。

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