空间信息系统COTS技术下的抗辐射设计

空间信息处理系统作为小卫星上的核心部件，它主要用于卫星控制、星务管理、数据处理等，空间信息处理系统工作在一个相对地面更加恶劣的环境中，给研究人员提出了更高的要求。

一个自然的办法是进行屏蔽和加固，相关数据表明：铝板越厚，辐射作用越小，且宇航级加固的CMOS器件抗辐射能力大大强于常规CMOS。目前宇航级抗辐射加固的微处理器以及其他计算机器件落后最先进的商用产品数年，如图1所示。  

  
COTS(Commercial Off-The-Shelf)技术的引入，即用商用器件代替宇航级的抗辐射加固器件，是当前设计空间信息处理系统的一个趋势。如何保证系统的可靠性，如何在采用更廉价的商用器件，充分利用其运算速度快、软什编程平台完善、应用软件多、系统组成灵活等特点的同时，对商用现货器件采取措施使之对空间环境具有抗辐射的功能，是一个具有挑战性的课题。  

1 空间辐射环境及效应分析

1.1 空间辐射效应

太空辐射环境对电子设备的效应主要分为两类。

①辐射总剂量TID(Total Ionizing Dbse)：描述的是电子器件在辐射环境下的一组特性，指器件在发生重大改变(永久故障)前所能承受的总吸收能量级。它的单位为Rad，即存积在一克硅中的能量。

②单粒子效应SEE(Single-Event Effect)：指单个高能粒子撞击引起的电子器件状态的瞬时扰动，或是永久性的损伤。太空中的高能粒子包括重粒子、质子、α粒子、中子等。单粒子效应又分为两类。

◆单粒子翻转SEU(Single-Event Upset)：引起电路中的触发器和存储单元的翻转，出现了逻辑错误、存储器错误或丢失同步信号等。SEU常被视为软错误(softerror)。
◆单粒子闭锁SEL(Single-Evcnt Latchup)：辐射环境下造成的门击、烧毁或闭锁(1atch up)，表现为CMOS电路短路、闭锁热应力过载等。SEL常被视为硬错误(harderror)。

1.2 对策研究综述

由于小卫星的空间位置和使用年限不同，而空间信息处理系统的辐射总剂量和单粒子效应随不同太空环境(轨道高度、倾角)和不同任务时间差别很大(辐射环境参数甚至会有几个数量级的变化)，所以，其抗辐射的程度和措施也不尽相同。

目前，完全在硬件上屏蔽和避免辐射是很难实现且没有必要的。而在COTS技术的应用中，在采取适当的屏蔽和加固措施后，仍无法完全达到系统抗辐避错的情况下，容许系统出现辐射效应；但通过冗余(如烈机系统)和容错计算使系统正常进行工作，并设计使用一些应对辐射效应的保护电路，就成为了解决问题的办法。

CMOS技术不断发展，目前典型的CMOS技术下设备在物理损坏前能够承受的TID大约为5 KRad；而根据美国国家航空和宇宙航行局(NAsA)提供的辐射模型分析显示，其具有代表意义的小卫星ION-F的计算机应用信息处理模块C&DH(Command and Data Handling)子系统的TID为25 Rad。由此可以得出结论：仅就小卫星中的空间信息处理系统而言，在典型的任务周期和环境下，TID的影响可以忽略。我国的“实践五号”卫星分析也得出了类似的结论。考虑到小卫星任务年限和环境的多变性，一般性的加固和适当厚度的铝屏蔽应该足以满足扰TID的要求。

随着技术的发展。伴随着器件电压的降低和位密度的增加，SEE的发牛频率呈上升趋势，而屏蔽对高能粒子的作用也是十分有限的。因此，相当长的时间内，SEE相对而言是设计中更值得注意且潜伏危险性更高的问题。SEU对存储器件影响最大，COTS技术下处理器内部可利用冗余技术(如双机系统)并采用合适的体系结构组织，存储器用ECC或其他校验码检测及自行校正错误，另外还可以使用看门狗(watch dog)技术。

屏蔽和加固技术不在本文的研究范围内；比较成熟的双机系统结构、校验码和看门狗技术则解决了SEU辐射效应的问题。  

2 SEL解决方案设计

SEL是体效应技术CMOS(Bulk CMOS technologies)(非绝缘硅)的寄生双极晶体管被局部沉积的电荷所触发而引起在电源供给和接地之间的一种短路。CMOS的加工工艺在正常的操作情况下防止了这种情况的出现。但是在宇宙中，由穿越高能粒子引起的局部电荷沉积仍可能触发这种效应。SEL可能局限在一个很小的本地区域内．也可能传播影响至芯片的大部分。如果不采取保护措施，则由短路引起的大电流就可能使器件造成永久损坏。

2．1 SEL解决关键

与SEU相比，SEL是纯粹的硬错误。如前文所述，SEL将引起器件中产生大电流。这个电流甚至可能会比器件典型的操作电流大几个量级，并在其内部产生相当高的温度。如果不及时补救．那么将造成器件永久性的损害。因此，虽然SEL发生的次数很少，但是却是设计中最有挑战性的问题。

目前，COTS下消除SEL的可行办法只能是在大电流发生后重启电源，因此设计的关键就在于系统中有：

◇能够监测大电流的过流监视器装置；
◇自动断电和恢复的开关电路(即重启电源)。