單粒子效應及充放電效應誘發(fā)航天器故障的甄別與機理探討

韓建偉，陳睿，李宏偉，朱 翔

（1.中國科學院國家空間科學中心，北京 100190；2.中國科學院大學天文與空間科學學院，北京 101407）

0 引言

國內(nèi)外的航天實踐表明，空間環(huán)境是導致近地航天器異常的重要因素。其中，高能重離子與質(zhì)子以及低能等離子體電子與外輻射帶增強高能電子等帶電粒子，通過單粒子效應（SEE,single event effects）和充放電效應（SESD,spacecraft charging induced electrostatic discharge）誘發(fā)的航天器異常占比極高[1-2]。1996年、1999年、2009年，美國航空航天局（NASA）馬歇爾飛行中心（MSFC）、美國AEROSPACE公司分別在相關(guān)研究報告中[1-3]分析了從1974年至2009年間114、299和476起空間環(huán)境誘發(fā)的航天器異常事件，認為其中由SEE 和SESD導致的異常占比分別為38.7%和33%，28.4%和54.2%以及46%和25%。

由于半導體器件的集成度不斷提高、運算速度快速提升、功耗大幅度減小，致使其對SEE愈加敏感[4]，單粒子翻轉(zhuǎn)等“軟錯誤”成為高性能信息處理器件的固有特性，必須依賴系統(tǒng)層級的解決方案。2004年，歐洲空間局（ESA）支持的研究報告指出：“自從在地球同步軌道航天器上首次發(fā)現(xiàn)在軌靜電放電證據(jù)的30年以來，充放電始終對航天器造成威脅。盡管充放電效應的物理機制已了解，有關(guān)減緩技術(shù)已知曉，我們?nèi)匀徊荒茉诎l(fā)射前評估確認衛(wèi)星是否能完全規(guī)避充電異常。航天器充電問題需要具體深入的研究?！盵5]

由于空間環(huán)境誘發(fā)的航天器異常大多數(shù)是通過SEE 和SESD造成的，國內(nèi)外學者對這2種效應的研究較多，其基本問題研究相對成熟，但這2個效應仍是威脅航天器安全與可靠性的突出問題，而且二者的混淆越來越嚴重。本文希望通過對這2種效應誘發(fā)的航天器故障的關(guān)聯(lián)性進行分析，對引起二者混淆的可能原因進行剖析，并介紹中國科學院國家空間科學中心（空間中心）通過地面模擬實驗，針對JK 觸發(fā)器、運算放大器、靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）初步研究的SEE 和SESD誘發(fā)軟錯誤的異同表象和作用機制，為進一步發(fā)展準確甄別與應對有關(guān)在軌故障的技術(shù)方法提供參考。

1 SEE和SESD誘發(fā)的航天器異常的關(guān)聯(lián)性實例分析

SEE和SESD 雖然起因完全不同，對航天器的影響途徑各異，但在很多情形下二者誘發(fā)的異常都表現(xiàn)為星用電子設備出現(xiàn)數(shù)據(jù)或邏輯狀態(tài)跳變，工作模式非受控地切換，邏輯運行或執(zhí)行操作異常等理論上“可恢復的”現(xiàn)象，其底層原因均為所使用的電子器件產(chǎn)生了“軟錯誤”。下面給出作者分析相關(guān)文獻梳理出來的若干相關(guān)聯(lián)的SEE 及SESD異常事例。

1975年，正是SESD研究如火如荼的年代，大量的地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星的異常被認為與其相關(guān)。然而，D.Binder 等敏銳地發(fā)現(xiàn)在17年的GEO衛(wèi)星運行歷史中，有4例異?，F(xiàn)象發(fā)生在地磁平靜期間，很難歸咎于SESD；于是，他們大膽提出了空間環(huán)境誘發(fā)衛(wèi)星異常的一種新機制——銀河宇宙線粒子轟擊類似JK 觸發(fā)器這樣的數(shù)字電路關(guān)鍵晶體管、產(chǎn)生電離電荷并被收集，從而觸動數(shù)字電路邏輯狀態(tài)發(fā)生改變[6-8]。這就是首次在空間應用中提出的SEE，可見SEE一開始就是與SESD密切關(guān)聯(lián)的。

1983年至1991年間，美國的TDRS系列衛(wèi)星在軌出現(xiàn)了較多的空間環(huán)境誘發(fā)異常。針對其中的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)（ACS）控制處理電路（CPE）異常，有研究認為是SESD所致[9]，也有認為是該電路系統(tǒng)中的RAM 芯片發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）所致[6,10-11]。

1990年發(fā)射的CRRES衛(wèi)星在軌運行期間多臺設備出現(xiàn)了可恢復的異?，F(xiàn)象。航天器充放電效應研究領(lǐng)域的權(quán)威專家Frederickson A.R.等認為這些異常的頻繁程度與星上高能電子探測器、內(nèi)部放電探測器（IDM）的探測結(jié)果相關(guān)性最高，于是得出深層充放電是導致異常的最主要原因的結(jié)論[12]。但是，該衛(wèi)星同樣觀測到了大量芯片發(fā)生的SEU[13]，尤其是在易發(fā)深層充電效應的中高軌道，這些SEU 的頻次與上述異常也有一定的關(guān)聯(lián)性，并不能完全排除SEU 導致異常的可能。

1994年，美國DSCS Ⅲ系列多顆衛(wèi)星發(fā)生KI-31設備的時鐘異常切換，有的被認為是SEU 所致，有的則被認為是SESD所致[2]。

1994年和1995年，美國某系列衛(wèi)星IRON 7092的電池充電調(diào)節(jié)器（BCR）發(fā)生多次異常，如定時器雙倍時間工作、軟件系統(tǒng)崩潰以及與星上控制模塊通信中斷等，以及IRON 3122在1997年發(fā)生的多次指令處理器復位異常等，均被認為既有SEU 也有SESD所致[2]。

2004年，我國“地球空間雙星探測計劃”的TC-1和TC-2科學衛(wèi)星在相同的時段于不同的軌道位置發(fā)生多起深層充放電誘發(fā)的異常和故障，包括多臺載荷設備的異常關(guān)機和復位以及2顆衛(wèi)星的姿控計算機失靈[14-15]。雖然該姿控計算機系統(tǒng)已經(jīng)針對可能的SEE 影響采取了雙機備份的防護措施，但是其在影響方式不完全相同的SESD作用下依然發(fā)生了故障，引起了一定的反思。

2010年，法國國家空間研究中心（CNES）的空間環(huán)境專家對歐洲TELECOM2系列GEO通信衛(wèi)星的在軌異常進行了分析診斷，指出由SESD導致的異常也可由SEE誘發(fā)，反之亦然[7]，認為由充放電效應和輻射效應的專家共同針對空間環(huán)境誘發(fā)的衛(wèi)星異常開展綜合分析診斷是十分必要的。

2013年，CNES的空間環(huán)境專家進一步質(zhì)疑低軌道衛(wèi)星DEMETER（高度715 km，傾角98.23°）和SAC-C（高度705 km，傾角98.2°）上的器件在中高緯度發(fā)生的“所謂”SEU 有一部分很可能是深層充放電所致[16]。

2016年，美國國家大氣海洋局（NOAA）針對所運營的太陽同步軌道（高度824 km）S-NPP衛(wèi)星的紅外交叉跟蹤探空儀（CrIS）在軌運行發(fā)生的10次“復位”現(xiàn)象，組織衛(wèi)星運管專家、空間環(huán)境專家以及該儀器的制造商進行故障原因分析，初步研究認為：故障原因可能有SEU、表面充放電和深層充放電，如表1所示，準確地證明或排除故障原因就是SEU 是困難的，尚需深入研究[17]。

表1 S-NPP衛(wèi)星紅外交叉跟蹤探空儀在軌“復位”事件及其相關(guān)空間環(huán)境與效應Table 1 In orbit resetsand the correlated spaceenvironmentsand effectsfor S-NPP CrIS payload

2 SEE和SESD對航天器影響易相互混淆的原因分析

導致SEE 和SESD對航天器用電子器件與設備影響相互混淆的原因有很多。

首先，航天器異常問題本身就十分復雜，涉及系列的、因果交織的工程技術(shù)環(huán)節(jié)，在軌發(fā)生的異?，F(xiàn)象較難在地面完全、徹底地通過實驗得到復現(xiàn)和深入研究。同時，航天器異常問題涉及諸多商業(yè)和技術(shù)秘密，涉事方不愿意公開相關(guān)信息，公開發(fā)表的相關(guān)研究文獻亦絕大多數(shù)停留在對航天器異?，F(xiàn)象和明顯的空間環(huán)境擾動或異常分布的相關(guān)性分析層面，難以深入研究SEE 和SESD等對航天器具體系統(tǒng)、設備、電路或器件造成的異常。

其次，傳統(tǒng)的SEE研究主要涉及空間輻射環(huán)境對星用器件與電路的影響，而傳統(tǒng)的SESD研究主要涉及空間等離子體與高能電子暴環(huán)境對星用材料與結(jié)構(gòu)的影響，這就使得國際上形成了兩大群體相對獨立開展各自研究的態(tài)勢——前者主要通過核與空間輻射效應會議（NSREC）以及器件和系統(tǒng)輻射效應會議（RADECS）進行交流，后者主要通過航天器充電技術(shù)會議（SCTC）進行交流，鮮有二者聯(lián)合開展的研究。

還有，相對于研究較充分的SEE對器件及電路的影響，針對SESD對器件及電路影響的研究較為薄弱，進一步制約了對二者異同的特征、規(guī)律及機理的比較研究。關(guān)于SESD，除了上述的大量開展的航天器異常與誘發(fā)充放電的空間環(huán)境擾動的宏觀關(guān)聯(lián)性研究之外，其他研究主要聚焦于充電過程的理論、仿真和模擬實驗，只有少量工作涉及放電現(xiàn)象本身的研究，而針對SESD對星用器件和電路影響的研究則更少。能夠檢索到的2010年前后研究SESD對器件和電路影響的國內(nèi)外工作主要見文獻[18-23]。

如前所述，雖然SEE和SESD通過“軟錯誤”誘發(fā)航天器異常在宏觀表象上有很強的關(guān)聯(lián)性，但是二者是完全相同，還是有所不同？二者的微觀作用機制有什么區(qū)別？在工程應用上，這2種效應的混淆對于數(shù)量較多既受SEE 又受SESD作用的中高軌甚至低高度極軌航天器造成重大隱患，如何及時正確診斷在軌由空間環(huán)境誘發(fā)故障的原因，如何全面準確試驗和分析評估研發(fā)的航天器面臨的兩類“似同非同”的風險，又如何針對此兩類危害進行無死角的綜合防護設計以確保在軌不會“顧此失彼”，均是困惑國內(nèi)外航天界的重大難題。

3 SEE和SESD致星用器件錯誤的初步比較研究

空間中心于2009年開展了SESD地面模擬實驗，結(jié)果提示類似JK 觸發(fā)器的星上數(shù)字電路在軌發(fā)生的邏輯及信息狀態(tài)翻轉(zhuǎn)并不都是SEE 所致，也可由SESD觸發(fā)[22-23]。當航天器材料在模擬充放電實驗中產(chǎn)生SESD信號（見圖1(a)）時，附近的CD4027 JK 觸發(fā)器的低電平輸出信號1 受到瞬間的干擾，隨后恢復正常；高電平輸出信號2則在此放電信號的作用下變?yōu)榈碗娖?，發(fā)生了邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)（見圖1(b)）。

圖1 地面模擬實驗的SESD引起的JK 觸發(fā)器擾動及翻轉(zhuǎn)Fig.1 Disturbance and upset of JK flip-flop induced by simulated SESD

2010年，空間中心針對某衛(wèi)星的2臺有效載荷設備進行的地面充放電模擬實驗中，觀測到SESD導致設備出現(xiàn)了多種與在軌運行異常表象相同的現(xiàn)象，見表2，然而設計師之前的故障分析和試驗卻把這些異常均歸為SEE所致；試驗還初步驗證了針對這些SESD誘發(fā)異常的電磁屏蔽防護效果。該試驗結(jié)果引起了相關(guān)管理部門和設計單位的重視，空間中心也由此開始了這兩類空間環(huán)境效應誘發(fā)星用電子器件錯誤及設備異常的比較研究。

表2 模擬試驗的SESD誘發(fā)某衛(wèi)星載荷設備異?，F(xiàn)象Table 2 Anomalies of a satellite payload induced by ground simulationed SESD

近年，空間中心針對常見的運算放大器（OPA）模擬電路、靜態(tài)存儲器（SRAM）、可編程邏輯器件（FPGA）等數(shù)字電路以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）混合電路等，分別采用脈沖激光輻照器件誘發(fā)SEE 和靜電放電槍模擬產(chǎn)生SESD脈沖作用于器件，初步開展了二者誘發(fā)星用器件錯誤與異常的比對實驗及機理研究[24-28]。

針對LM124運算放大器，SEE和SESD觸發(fā)了相似的異常瞬態(tài)脈沖現(xiàn)象[24,26-27]。如圖2所示，不同能量的脈沖激光SEE 轟擊運放內(nèi)部晶體管，不同放電電壓的SESD干擾附近的運放器件，均使器件產(chǎn)生了相似的異常瞬態(tài)脈沖輸出，且瞬態(tài)脈沖的幅度與寬度均與脈沖激光能量或放電電壓正相關(guān)。

圖2 SEE 和SESD誘發(fā)運放輸出異常的模擬實驗Fig.2 Transients of OPA induced by simulated SEE and SESD

針對HM62V8100i SRAM器件，SEE 和SESD觸發(fā)產(chǎn)生了“似同非同”的SEU 現(xiàn)象[26,28]。圖3所示為寫入不同數(shù)據(jù)內(nèi)容的SRAM器件在不同能量脈沖激光SEE和不同放電電壓SESD作用下產(chǎn)生的錯誤數(shù)。在寫入內(nèi)容為“FF”“AA”“55”時，錯誤數(shù)整體上均隨SEE和SESD作用的增強而增多并有飽和的趨勢，且SEE 觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的閾值相同，而SESD觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的閾值有所不同。在寫入內(nèi)容為“00”時，不同放電電壓的SESD都無法觸發(fā)錯誤。對于寫入“FF”的SRAM 器件，不同能量脈沖激光SEE 和不同放電電壓SESD作用產(chǎn)生的單位翻轉(zhuǎn)（SBU）和多位翻轉(zhuǎn)（MBU）情況有很大不同，如圖4所示，SEE 既導致SBU 也導致MBU，較高激光能量下以MBU 為主；而各種放電電壓SESD作用均只導致MBU。

圖3 SEE 和SESD誘發(fā)的SRAM 器件翻轉(zhuǎn)模擬實驗曲線Fig.3 Upsets of SRAM induced by simulated SEE and SESD

圖4 SEE 和SESD誘發(fā)SRAM 器件單位和多位翻轉(zhuǎn)的模擬實驗曲線Fig.4 SBU and MBU of SRAM induced by simulated SEE and SESD

對芯片進行掃描測試發(fā)現(xiàn)，該SRAM器件對SEE 敏感的部位為各存儲單元（如圖5(a)中的綠色點跡所示），對SESD敏感的部位為其內(nèi)部供電網(wǎng)絡（見圖5(b)）。器件仿真揭示：SEE作用在SRAM器件存儲位單元的關(guān)鍵反偏PN 結(jié)，產(chǎn)生和收集額外電離電荷導致關(guān)鍵節(jié)點高低電勢水平發(fā)生變化，從而導致位信息翻轉(zhuǎn)；SESD脈沖主要作用于器件電源端，導致器件內(nèi)部電源和接地之間短時間的大范圍“路軌塌陷”，使得相關(guān)存儲單元位信息失效，隨后供電網(wǎng)絡恢復正常、存儲單元位信息被重置，重置狀態(tài)與器件結(jié)構(gòu)設計等有關(guān)[28]。這些研究結(jié)果一定程度上解釋了上述SEE和SESD致SRAM 器件翻轉(zhuǎn)的異同規(guī)律。

圖5 芯片掃描揭示的SRAM 器件對SEE 和SESD 敏感的部位分布Fig.5 Sensitive regions of SRAM for SEE and SESD revealed by scanning test of the chip

4 結(jié)束語

單粒子效應和充放電效應同為空間環(huán)境誘發(fā)航天器異常的主要作用方式，研究梳理既往的航天器異常事件，發(fā)現(xiàn)二者誘發(fā)了系列宏觀表象相同的異常。近10年，國內(nèi)外航天界越來越多地建議將此2種效應引發(fā)的異常做綜合歸因?？臻g中心開展的初步地面模擬實驗研究表明，單粒子效應和充放電效應均可觸發(fā)運算放大器輸出異常的瞬態(tài)脈沖信號；二者均可觸發(fā)SRAM器件存儲單元位發(fā)生翻轉(zhuǎn)；器件產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖和單元位翻轉(zhuǎn)次數(shù)整體上與二者的作用強度正相關(guān)；但是后者導致的翻轉(zhuǎn)對器件原始信息狀態(tài)依賴性更大，并且全部導致多位翻轉(zhuǎn)；對于SRAM器件，前者通過電離電荷脈沖導致位單元關(guān)鍵節(jié)點電勢變化而引起翻轉(zhuǎn)，后者作用于器件內(nèi)部供電網(wǎng)絡導致“路軌塌陷”使得存儲信息被重置而發(fā)生可能的改變。

深入研究揭示單粒子效應和充放電效應對航天器用電子器件與設備影響的關(guān)聯(lián)和區(qū)別，既是空間環(huán)境學科自身需要闡明的重要基礎科學問題，也是大量航天工程型號任務需要解決的現(xiàn)實技術(shù)難題。揭示二者異同的規(guī)律與機理，建立二者誘發(fā)故障的甄別、風險評估、危害防護設計的相關(guān)技術(shù)體系，對于進一步提高軌道航天器的在軌可靠性十分必要且重要。