太陽風暴對航天器電子產品的影響

談 駿， 鄒 波

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

太陽風暴是由太陽劇烈活動引發(fā)的一種常見空間災害現(xiàn)象，太陽風暴發(fā)生期間，太陽釋放出大量帶電粒子所形成的高速粒子流以及等離子體流，對地球磁層、電離層以及中性大氣的狀態(tài)造成影響，在地球空間導致災害性響應，特別是對航天、通信、電力、衛(wèi)星導航等領域的影響最為嚴重。劇烈的太陽活動一般持續(xù)數(shù)分鐘，對地球空間的影響則從數(shù)小時到數(shù)天不等。太陽風暴能量或物質傳遞方式包括三種：電磁輻射傳遞、高能粒子流傳遞、低能等離子體傳遞。

航天器是在地球大氣層以外的宇宙空間，執(zhí)行探索、開發(fā)或利用太空等航天任務的飛行器，航天器在地球大氣層以外運行，擺脫了大氣層阻礙，可以接收到來自宇宙天體的全部電磁輻射信息，開辟了全波段天文觀測［1］。

航天器從近地空間飛行到行星際空間，實現(xiàn)了對空間環(huán)境的直接探測以及對月球和太陽系大行星的逼近觀測和直接取樣觀測。航天器的出現(xiàn)使人類的活動范圍從地球大氣層擴大到廣闊無垠的宇宙空間，引起了人類認識自然和改造自然能力的飛躍，對社會經濟和社會生活產生了重大影響。但是由于缺乏大氣層的保護，航天器直接暴露在太陽風暴下，使得太陽風暴對航天器的影響尤為嚴重。

最近幾個太陽活動周期內發(fā)生的強太陽風暴對航天器造成的影響值得關注：

a）1989年3月太陽風暴（強磁暴）爆發(fā)，曾導致美國共計46顆衛(wèi)星發(fā)生異常；

b）1990年11月初太陽風暴（耀斑）爆發(fā)，曾導致我國“風云一號”氣象衛(wèi)星計算機程序混亂，衛(wèi)星姿態(tài)失控［2］；

c）1994年太陽風暴（日冕物質拋射）爆發(fā)，導致加拿大通信衛(wèi)星Anik E1和Anik E2等多顆衛(wèi)星在軌異常并最終報廢［2］；

d）2001年4月發(fā)生的太陽風暴使我國的短波通信和偵測等用戶系統(tǒng)故障，中斷約3小時；

e）2003年10 月太陽風暴引起強烈的北極光，曾導致日本高級地球觀測衛(wèi)星Midori-2等多顆衛(wèi)星失靈［2］；

f）2006年12 月13 日 發(fā) 生X3 級 的 太 陽 風暴，造成我國廣東、海南、重慶等地無線電波觀測中斷3個多小時。

2 太陽風暴產生原因

要了解太陽風暴的產生原因，需先了解太陽大氣的分層情況。一般情況下，太陽大氣分為六層，由內往外依次命名為：日核，輻射區(qū)，對流層，光球，色球，日冕。日核的半徑占太陽半徑的四分之一左右，它集中了太陽質量的大部分，并且是太陽百分之九十九以上的能量的發(fā)生地。光球是我們平常所見的明亮的太陽圓面，太陽的可見光全部是由光球面發(fā)出的。而日冕位于太陽的最外層，屬于太陽的外層大氣。太陽風暴就是在這里形成并發(fā)射出去的。

從X 射線或遠紫外線拍下的日冕照片上可以觀察到，在日冕中存在著大片的長條形的或是不規(guī)則的暗黑區(qū)域，通過人造衛(wèi)星和宇宙空間探測器拍攝的照片可以發(fā)現(xiàn)，在日冕上長期存在著這些長條形的大尺度的黑暗區(qū)域，這里的X 射線強度比其他區(qū)域要低得多，從表觀上看就像日冕上的一些洞，稱之為冕洞［3］。

冕洞是太陽磁場的開放區(qū)域，這里的磁力線向宇宙空間擴散，大量的等離子體順著磁力線跑出去，形成高速運動的粒子流。粒子流在冕洞底部速度為16km／s左右，當?shù)竭_地球軌道附近時，速度可達300km／s～400km／s以上，這種高速運動的等離子體流就是太陽風暴。太陽風暴從冕洞噴發(fā)而出后，夾帶著被裹挾在其中的太陽磁場向四周迅速吹散。

當太陽風暴到達地球附近時，與地球的偶極磁場發(fā)生作用，并把地球磁場的磁力線吹得向后彎曲，地磁場的磁壓阻滯了等離子體流的運動，使得太陽風不能侵入地球大氣而繞過地磁場繼續(xù)向前運動，于是形成一個空腔，地磁場就被包含在這個空腔里。但是，當太陽出現(xiàn)突發(fā)性的劇烈活動時，情況會有所變化。此時太陽風暴中的高能離子會增多，這些高能離子能夠沿著磁力線侵入地球的極區(qū)，并在地球兩極的上層大氣中放電，產生絢麗壯觀的極光。

太陽風暴構成人類活動的外層空間環(huán)境，太陽大氣的擾動通過太陽風暴傳到地球，通過與地球磁場的相互作用，會引起一系列影響人類航天活動的事件，有時甚至會產生災害性事件，因此研究太陽風暴對航天器的影響是人類航天活動的重要組成部分。

3 太陽風暴對航天器電子產品的影響

太陽風暴能夠對在軌運行的航天器電子產品造成多種損傷，其中對航天器電子產品影響最大的是太陽風暴引起的航天器電子元器件輻射損傷。

電子元器件輻射損傷效應包括總電離損害和單粒子效應?？傠婋x損害是裝置暴露在電離輻射環(huán)境中長期衰變的累計；單粒子效應是單個電離粒子在電子產品中引起的個別事件。

單粒子效應可分為兩種：軟錯誤和硬錯誤。軟錯誤對電子產品是非破壞性的，可以導致存儲單元狀態(tài)的翻轉，狀態(tài)的鎖定或者是發(fā)生在輸入、輸出、邏輯電路及其他電路的瞬間現(xiàn)象，也包括引起電子產品中斷正常操作的狀態(tài)。硬錯誤是衛(wèi)星電子產品的物理損壞，而且是永久性的、不可恢復的。太陽電磁輻射對集成電路的影響主要表現(xiàn)在使輸入電流增大，輸出低電平提高以及輸出高電平降低，引起噪聲容限下跌，從而表現(xiàn)為邏輯錯誤。

目前航天器電子產品組成中，大量采用FPGA 和DSP等數(shù)字邏輯元器件，承擔著星上信息處理、導航控制信號生成、在軌測試測量、工況信息檢測等非常重要的功能，一旦出現(xiàn)問題，將對上述的各功能產生影響，甚至導致航天器失效。隨著元器件集成度提高，芯片的容量也逐漸增大，動輒百萬門的集成度，在簡化了系統(tǒng)設計的同時，也使得單個元器件承擔的處理能力更大，同時其受損害的風險隨之增加，一旦一個元器件出現(xiàn)故障，對系統(tǒng)產生影響的幾率也隨之加大。從目前導航系統(tǒng)產生信號中斷的原因分析，90%以上的故障都是由于太陽輻射對集成電路影響所致。

例如微波源是航天器電子產品運行的心臟，尤其對于微波系統(tǒng)來說，所有時序運行的基準都是基于微波源頻率的穩(wěn)定性，各種主振、本振、系統(tǒng)時鐘信號的產生與保持也依賴于電路各組成元器件的穩(wěn)定運行，當強太陽輻射來到時，會影響微波源頻率基準信號的穩(wěn)定性，產生信號抖動，直接影響信號品質，甚至引起時序錯誤，進而影響航天器電子產品測量等功能的實現(xiàn)。

為了減小電子元器件遭受輻射效應所引起的電離總劑量效應、單粒子鎖定、單粒子翻轉、單粒子瞬態(tài)效應、單粒子功能中斷等影響，在航天器電子產品設計時應采用系統(tǒng)級抗輻射加固、元器件級抗輻射加固、軟件編碼糾錯加固等技術，以提高衛(wèi)星系統(tǒng)在軌運行可靠性。

4 提高航天器電子產品抗太陽風暴能力的措施

4.1 硬件加固設計

硬件加固措施是航天器電子產品抗太陽風暴的重要手段，主要采取的措施包括：

a）加強元器件選擇，選擇高質量等級的元器件，其總劑量、抗單粒子翻轉／單粒子鎖定、抗充／放電等指標應滿足太陽風暴下的使用要求。其通常具有比較高的品質保證，同時抗太陽風暴的能力也相應較高；

b）分析每個電路在最壞情況下性能，充分考慮太陽風暴引起的器件性能下降對產品的影響，集成電路在條件許可下優(yōu)先考慮使用中小規(guī)模集成電路。折衷考慮抗鎖定限流電阻的選取。盡量使電阻大些，讓鎖定的可能性最小，但又不干擾正常工作；

c）進行硬件冗余設計，包括采用計算機冗余，存儲器冗余等，冗余技術是提高星載計算機可靠性的常規(guī)技術。硬件冗余設計可以從整機冗余、模塊冗余、部件冗余和可重構等方面采取措施。近年來，隨著微電子技術的發(fā)展，芯片級冗余也已日趨成熟，在芯片級采取冗余容錯技術可以極大的降低航天電子產品的體積和重量，也使得太陽能風暴對航天器電子產品的硬件影響程度降到最低；

d）固化航天器電子產品程序。由于PROM是只讀存儲器，并具有固化后不能改變的特點，它的抗干擾能力特別是抗SEU 的能力較RAM 強，將重要程序和一些固定的常數(shù)都固化在PROM中，減少程序發(fā)生SEU 錯誤的概率；

e）選擇合適的屏蔽及屏蔽材料，除鋁外，鉭材料也可，對芯片采取貼鉛皮等抗輻照加固措施。

4.2 軟件加固設計

軟件已逐步成為航天器電子產品的核心，其運行的可靠度是電子產品整體可靠度的重要環(huán)節(jié)，在對抗太陽風暴設計中必須重視，對軟件采取的加固措施主要包括：

（1）三模冗余設計

即三取二表決法，在每個采樣周期都把對程序運行有重大影響的標志及對運算結構起關鍵作用的數(shù)據(jù)進行三取二比對表決。在單機時間差比對發(fā)現(xiàn)錯誤后，轉入錯誤處理程序，對中間變量也進行三取二處理，避免RAM 的SEU 軟故障。

（2）設置軟件看門狗（WDT）

當程序按正常路徑執(zhí)行時，不斷清除WDT，如果程序進入死循環(huán)，則WDT 在規(guī)定的時間內不被清除，發(fā)出計算機復位信號，進行初始化處理，使計算機重新開始運行，從死循環(huán)中解脫出來。

（3）程序設計技術

減小太陽風暴引起的代碼出錯，根據(jù)航天產品軟件設計的實施經驗，主要采取的設計技術有：

a）對決定程序分支標志的重要參數(shù)FLAG，用一個字節(jié)或字作標志，不用0或1兩種狀態(tài)作為判斷標志；

b）模式間轉換采用立即數(shù)跳轉方式而少用存儲器及寄存器跳轉方式；

c）數(shù)據(jù)區(qū)與程序區(qū)隔離，避免程序進入RAM 中，大面積沖毀RAM 中數(shù)據(jù)；

d）對CPU、PROM、RAM 空閑區(qū)全部填充HLT 指令。若程序一旦跳入空閑區(qū)就進行跑飛程序處理，將程序拉回。

針對目前航天器電子產品構成及各單機抗太陽風暴的能力分析，應該對重要的單機設備以及芯片，包括星載的FPGA 芯片、星載DSP芯片等，做出防范措施，盡可能地選用高等級的元器件，并加強防護措施。

在軟件設計方面，提高軟件運行狀態(tài)巡檢和復位能力，一旦出現(xiàn)異常，盡可能在不影響系統(tǒng)運行的情況下，進行軟件恢復。在單機設計方面，在不影響正常工作情況下，在核心元器件的周圍添加防護層設計，減緩太陽風暴對重要元器件的沖擊。

5 結束語

太陽風暴對航天器電子產品的影響是客觀存在的，且不可避免。必須建立完善的設計保障系統(tǒng)，制定相關預案，采取必要措施，保證系統(tǒng)安全，平穩(wěn)度過可能發(fā)生的超強太陽風暴。

［1］ 彭成榮.航天器總體設計［M］.北京：中國科學技術出版社，2011.

［2］ 劉俊.關注太陽風暴［M］.北京：軍事科學出版社，2009.

［3］ 林元章.太陽風暴及其后果［C］.第六屆海峽兩岸天文推廣教育研討會論文集，2004.