空间辐射环境引起在轨卫星故障分析与加固对策

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1、航天器环境工程第29卷第4期392SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2012年8月空间辐射环境引起在轨卫星故障分析与加固对策周飞，李强，信太林，韦锡峰，张华（上海卫星工程研究所，上海200240）摘要：文章对卫星由于空间辐射环境导致的在轨故障进行了统计；对某卫星数传综合处理器在轨单粒子翻转故障的现象、机理和措施等进行了分析；根据在轨故障案例、实际工程经验和仿真分析，从硬件和软件两方面提出了具体的降低单粒子效应的多种抗辐射加固设计方法，以延长卫星在轨工作寿命。关键词：卫星；单粒子翻转；在轨故障；抗辐射加固++中图分类号：V417.7;V419.2文献标识码：A文章编

2、号：1673-1379(2012)04-0392-05DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2012.04.0060引言1卫星辐射损伤分析空间辐射环境主要由地球外辐射带粒子（主要空间辐射环境中的带电粒子对航天器材料、微成分是质子和电子）、太阳耀斑（主要是质子和α电子器件、光学窗口、温控表面、搭载生物样品及[1]航天员等均会产生辐射损伤，是目前航天器在轨异粒子）以及银河宇宙线等组成，容易对在轨运行的卫星产生总剂量效应、单粒子效应以及充放电效常和失效的重要原因之一。空间辐射对卫星主要元应。这些环境效应严重威胁到卫星的长寿命和高可器件可能产生的辐射效应如表1所示。靠稳定运行，是引

3、起卫星故障的重要原因之一[2-3]。表1卫星部分元器件的辐射效应Table1Radiationeffectsonpartsofsatellites’electronicdevices目前，国内对卫星抗辐射加固工作已经比较重器件隶属功能块可能发生的辐射效应视，但仍有少数设计人员存在对空间环境认识不电离总剂量；单粒子翻FPGA、DSP、时序发生电路转；单粒子瞬态干扰；足、过分依赖经验、缺乏抗辐射设计知识等问题，SRAM等数据合成电路单粒子锁定。设计不到位使得卫星因空间环境导致的在轨故障电离总剂量；单粒子瞬MOSFET驱动电路态干扰；单粒子烧毁；时有发生。如某型号卫星数传综合处理器多次出现驱动器单粒

4、子栅击穿。FPGA单粒子翻转事件，导致地面接收到的数据发双极型电离总剂量、单粒子瞬滤波电路生了若干次异常现象，影响了图像数据的正常获运算放大器态干扰。电离总剂量；单粒子翻取，主要原因是对FPGA单粒子翻转及产生的危害视频处理视频信号转；单粒子瞬态干扰；专用器件处理电路估计不足。单粒子锁定。本文首先分析不同轨道卫星遭遇到的空间环电离总剂量；位移损伤CCD探测器总剂量。境以及卫星的易损性，然后统计航天某院在轨卫星2在轨卫星故障案例统计与分析因空间辐射环境导致故障的案例，并分析故障产生机理和采取的相关措施，综合以前经验积累，最后2.1故障统计结果得到卫星抗天然环境辐射的典型设计方法。本文部从2004

5、年10月到2011年8月，航天某院在分研究结果已在相关型号上得到应用，其结论可用轨卫星由于空间环境造成的故障案例共有7起，详于指导现有型号的环境与可靠性设计。见表2。————————————收稿日期：2011-12-12；修回日期：2012-04-15基金项目：“十二五”支撑技术预研课题作者简介：周飞（1983—），男，博士学位，主要从事空间辐射环境分析、抗辐射加固设计以及卫星可靠性设计等方面的研究。Email：zhouf05@gmail.com。第4期周飞等：空间辐射环境引起在轨卫星故障分析与加固对策393表2空间环境造成的卫星在轨故障案例Table2On-orbitfailurescaus

6、edbyspaceradiationenvironment序号单机名称在轨问题描述故障定位措施落实1）关键数据进行三备份处理和三取二判读。遥测GPS定位数据全“0”。在轨单粒子翻转造成软件通1GPS接收机2）修改GPS软件，在接单机重启后，恢复正常工作。道选星工作异常。收机出现0.5h以上非定位现象时，自主复位。高能电子造成卫星表面高负对后续星的电缆设计、加电位充电或星内深层充电，多次消旋短暂失锁导致不工工艺和接地状态进行从而引发卫星静电放电，造2消旋组件能对地定向，与地面的通信了充放电防护设计，电缆成地球敏感器“地”中脉冲中断。插头尾罩根部采取密封信号异常，并导致天线消旋屏蔽处理。短暂失锁。

7、卫星遥测机A机遥测采集经地面分析、试验，认为很可切换至B机，到目前为止，3遥测机A速度加快，导致一级分频能是由于FPGA单粒子翻转。遥测机B机工作正常。失效。1）每次数据回放完毕后由于空间环境导致FPGA发关机，首次成像任务前开地面遥测收到数传综合处数传综合处生单粒子翻转，使得FPGA机。4理器若干次异常数据，影响理器功能异常，引起在轨的异常2）后续02星对存储介了图像数据的正常获取。现象。质、F