导航卫星单粒子软错误影响建模与仿真方法

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1、2016年5月第42卷第5期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMav2016V01．42No．5http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0325导航卫星单粒子软错误影响建模与仿真方法范基坪1，焦健1’+，赵海涛2，赵廷弟1(1．北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京100083；2．北京空间飞行器总体设计部，北京100

2、094)摘要：单粒子(SEU)软错误是导致卫星中断、影响卫星可用性的重要因素。针对SEU软错误在导航卫星内部的失效传播过程描述与影响评估问题，提出一种基于有限状态机(FSM)理论／Stateflow的软错误影响传播过程建模方法，阐述了构建软错误传播过程有限状态机模型的基本元素与原则，并针对导航卫星特点提出软错误影响传播与防护恢复策略的建模思路。利用Stateflow仿真得到单星可用度与平均任务中断时间，分析了多种恢复策略时间对整星可用性指标的影响；并通过构建MATLAB与STK联合仿真平台，由单星软错误传播仿真结果得到

3、星座位置精度因子(PDOP)可用性指标，从而评估了SEU软错误在整星与星座2个层级的影响。关键词：单粒子(SEU)软错误；失效传播；有限状态机(FSM)；可用性；Stateflow中图分类号：V19；TP391．9；N945文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)05—1008-08自1975年Binder等⋯发现空间飞行器单粒子效应以来，由高能质子与重离子造成的现场可编程门阵列(FPGA)等逻辑器件单粒子(SEU)效应日益成为航天设计与研究的焦点。空间环境中辐射条件对FPGA的主要影响分为长期辐射累积造

4、成的总剂量效应(TID)和单个高能粒子电离辐射引起的单粒子效应(SEE)。随着半导体工艺的提高，FPGA门数激增，核电压降低，器件对总剂量效应的抵抗能力增强，但是更容易产生单粒子效应。2013年ITRS报告旧1指出，器件软错误率源自多位翻转的概率由2007年65nm工艺下的16％上升到2013年35nm工艺下的64％，并有可能在2016年25nm工艺下达到100％。单粒子翻转效应已经成为纳米工艺下航天集成电路产品面临的最重要挑战之一。目前国内外对单粒子效应的研究集中在单粒子翻转机理口。5]、器件加固、恢复技术M‘81以

5、及探测评估技术"。11

6、，器件单粒子软错误对整星的影响则主要凭借工程经验进行分析。然而，实际情况中单粒子效应在器件级表现为多类失效模式，并在卫星各单元间传递失效影响，同时由于卫星设计中的防护与恢复策略，使得单粒子软错误影响在整星层表现出明显的随机特性。另一方面，在导航卫星整星乃至星座层面，可用性是衡量导航服务质量的重要参数之一¨2

7、，软错误中断虽然不会造成卫星的永久损伤，但影响到服役卫星的可用性，降低对用户的服务水平，因此分析单粒子软错误的失效传播并评估其对卫星可用性的影响也是单粒子效应研究的重要内容。本文在研究单粒子

8、软错误防护与恢复策略的基础上，结合导航卫星有效载荷的信息流与功能结构，提出单粒子软错误影响传播的有限状态机(FSM)模型，利用Stateflow仿真得到单星可用性指标，并从影响结果、发生概率和持续时间等方面分析软错误及各类恢复措施对整星可用性的影响，为导航卫星可靠性设计决策提供支持。并通收稿日期：2015-05-21；录用日期：2015-08-26；网络出版时间：2015-10—1915：20网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151019．1520．010．html

9、}通讯作者：Tel．：010&2317665E-mail：jiaojian@buaa．edu．cn；l,eg格式：范基坪，焦健，赵海涛，等．导航卫星单粒子载错误影响建模与仿真方法ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，42f5)：1008．1015．FANjP．JIA0】．ZHA0HT．eta1．SEUsofte／TOteffectmodelingandsimulationmethodfornavigationsatellite【J]．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandA

10、stronautics，2016，42(5)：1008—1015(inChinese)．第5期范基坪，等：导航卫星单粒子软错误影响建模与仿真方法1009过MATLAB与STK联合仿真，分析了单星软错误中断状态在星座层面的影响。1面向任务中断的软错误影响分析1．1软错误及其防护／恢复策略分析导航卫星结构按功能分为平台与有效载荷两部分