微型星敏感器抗單粒子翻轉(zhuǎn)設(shè)計和驗證

王燕清，杜偉峰，金 荷，占曉敏，鐘金鳳，張 磊

（上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

星敏感器是一種以恒星作為測量參考基準的空間姿態(tài)敏感器，是迄今為止航天器上姿態(tài)測量精度最高的敏感器，具有實時捕獲姿態(tài)信息且不隨時間產(chǎn)生漂移等優(yōu)點，在對地遙感、深空探測、空間攻防等航天應(yīng)用中具有重要的戰(zhàn)略意義[1-2]。隨著以美國星鏈（Starlink）為代表的互聯(lián)網(wǎng)星座衛(wèi)星的發(fā)展，衛(wèi)星需要星敏感器滿足輕小型、高精度、低成本、批量化、生產(chǎn)周期短的技術(shù)要求[3]，因此微型星敏感器的電路系統(tǒng)需要選用高集成度、小封裝的電子元器件。在半導(dǎo)體電荷存儲器，如靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）[4]和動態(tài)隨機存儲器（RAM）[5]中，高能離子入射會在MOS 晶體管的阱區(qū)和源漏端引發(fā)電子-空穴對，產(chǎn)生的寄生電流會使存儲單元比特狀態(tài)改變，導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）錯誤；且隨著器件的特征尺寸越來越小，以往大尺寸器件中不明顯的效應(yīng)（如單粒子效應(yīng)）顯得愈發(fā)突出而成為新的器件損傷因素[6-12]。

目前針對SEU 現(xiàn)象采取的防護措施包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面。文獻[13]提出的單粒子效應(yīng)防護措施主要包括加強元器件選用控制、軟硬件冗余設(shè)計以及關(guān)鍵器件限流等，需要對選用的低等級元器件在地面通過輻照試驗進行測定；然而輻照試驗周期長、費用高，因此，在商業(yè)航天中考慮到低成本和快速研制需求，微型星敏感器選用了大量低等級元器件，并不適合采取上述防護措施。文獻[14]提出的抗SEU 可靠性設(shè)計認為，選用抗SEU 器件，配置刷新芯片進行回讀刷新和定時刷新等是解決SEU 的根本辦法。但是抗SEU 器件、配置刷新芯片價格昂貴，且體積較大，不能滿足微型星敏感器的小型化設(shè)計和成本控制要求。文獻[15]提出的抗SEU 技術(shù)采用傳統(tǒng)的DSP+FPGA 架構(gòu)，增加反熔絲元器件作為檢測和邏輯譯碼單元，通過回讀對比功能進行監(jiān)控和處理。該方法主要依靠反熔絲元器件的高可靠性保證，但受成本和體積約束，同樣不適用于微型星敏感器。

本文從微型星敏感器的電路框架硬件平臺和器件選用的特點出發(fā)，根據(jù)星敏感器工作流程，給出了流程監(jiān)控狀態(tài)字實時檢測軟件運行狀態(tài)的方案；同時對于SRAM 區(qū)運行的程序和寄存于Flash中的程序進行比對和校正，通過向姿軌控分系統(tǒng)提供統(tǒng)計分類復(fù)位次數(shù)和產(chǎn)品狀態(tài)字的方式由系統(tǒng)用戶進行綜合診斷干預(yù)，旨在快速有效地發(fā)現(xiàn)和解決SEU 問題。

1 某星敏感器在軌SEU 現(xiàn)象

SEU 現(xiàn)象的發(fā)生與空間天然輻射環(huán)境和衛(wèi)星運行區(qū)域有關(guān)[13]。某星座衛(wèi)星為太陽同步軌道衛(wèi)星，軌道高度500～800 km。2023 年2 月下旬，在太陽風暴和地球磁場的相互作用下，該星座衛(wèi)星上的微型星敏感器在相近的時間段內(nèi)相繼出現(xiàn)SEU 導(dǎo)致在軌工作異常的現(xiàn)象，無法正常為航天器提供準確的姿態(tài)數(shù)據(jù)，在整星對星敏感器斷電、上電重啟后恢復(fù)了正常工作。星敏感器故障現(xiàn)象和數(shù)據(jù)表現(xiàn)如表1 所示。

表1 某衛(wèi)星上微型星敏感器在軌SEU 故障現(xiàn)象和數(shù)據(jù)表現(xiàn)Table 1 In-orbit SEU fault and data performance of micro star sensors on a satellite

2 電路架構(gòu)和軟件工作流程

微型星敏感器采用傳統(tǒng)的DSP+FPGA 架構(gòu)[16]，其中：FPGA 采用MICROSEMI 公司的Flash 型器件，抗SEU 能力較強；DSP 采用TI 公司的TMS320XX系列器件。微型星敏感器的應(yīng)用軟件在ISSI 公司的SRAM 中運行，而SRAM 中容易發(fā)生SEU 現(xiàn)象。考慮到微型星敏感器主要應(yīng)用于商業(yè)航天，不適合選用高等級元器件，因此需要通過軟件設(shè)計增強器件發(fā)生SEU 時星敏感器檢測和恢復(fù)的能力，從而提高整機的可靠性。為此，需對微型星敏感器應(yīng)用軟件的工作流程進行梳理。星敏感器可在星跟蹤和全天識別兩種模式間切換，正常工作時99.9%的情況下處于星跟蹤模式，其流程如圖1 所示。

圖1 星敏感器星跟蹤流程Fig.1 Star tracking process of a star sensor

從圖1 可以發(fā)現(xiàn)，星跟蹤模式下，軟件功能模塊包括：角速率估計；四元數(shù)和光軸指向估計；星矢量之和的計算；二分查找；查找視場內(nèi)的導(dǎo)航星；計算導(dǎo)航星在星敏感器坐標系下的坐標；反算導(dǎo)航星在探測器像面上的坐標；姿態(tài)解算。

軟件在SRAM 中運行；當發(fā)生SEU 時，功能模塊數(shù)據(jù)錯誤將使工作流程出現(xiàn)混亂。因此，通過對正常工作流程的實時監(jiān)控可以及時發(fā)現(xiàn)流程異常、診斷SEU 問題。

3 抗單粒子翻轉(zhuǎn)方法

3.1 軟件流程監(jiān)控

結(jié)合第2 章對微型星敏感器電路架構(gòu)和軟件工作流程的分析，為提高器件發(fā)生SEU 時的檢測和恢復(fù)能力，需要增強軟件和FPGA 產(chǎn)品的可靠性。為了監(jiān)測SEU 發(fā)生時刻及在軟件流程中的位置，增加軟件對星敏感器全天識別與星跟蹤流程各個模塊的自主檢測功能，以便實時發(fā)現(xiàn)SEU 現(xiàn)象并進行自主復(fù)位；同時上報系統(tǒng)用戶，通過系統(tǒng)級保護恢復(fù)機制來提高系統(tǒng)的抗SEU 能力和可靠性。

采用流程監(jiān)控字方式，開辟一個監(jiān)控寄存器，用于軟件運行流程監(jiān)控（功能類似看門狗），監(jiān)控功能僅在星敏感器正常工作模式（即全天識別模式和星跟蹤模式）下運行，其流程如圖2 所示。

圖2 星敏感器軟件運行流程監(jiān)控Fig.2 Flow monitoring for software running of a star sensor

正常工作模式下，軟件運行時依次向FPGA寫入監(jiān)控字（全天識別或星跟蹤模式下），由FPGA檢測寫入寄存器中的監(jiān)控字是否完整正確：若寫入的監(jiān)控字在設(shè)定的安全時間內(nèi)不更新或不符合上述流程監(jiān)控規(guī)則時，判定軟件運行流程異常，同時，F(xiàn)PGA 對軟件進行復(fù)位，流程監(jiān)控復(fù)位次數(shù)加1。

3.2 程序比對檢測

微型星敏感器受到空間輻射影響會發(fā)生SEU，出現(xiàn)應(yīng)用軟件運行異常，因此需要對軟件進行實時檢測和校正。微型星敏感器的應(yīng)用軟件、導(dǎo)航星庫、標定參數(shù)和壞像元參數(shù)均存儲3 份（A、B、C）于Flash 中，且這3 份數(shù)據(jù)完全一致。DSP 地址空間中，程序Flash 的起始地址為0x000000。

應(yīng)用軟件、導(dǎo)航星庫、標定參數(shù)和壞像元參數(shù)在Flash 存儲器中的存儲要求見表2。

表2 微型星敏感器程序Flash 數(shù)據(jù)存儲要求Table 2 Flash data storage requirements for micro star sensor program

微型星敏感器上電后，應(yīng)用軟件、導(dǎo)航星庫、標定參數(shù)和壞像元參數(shù)依次從Flash 加載至程序SRAM中運行，SRAM 存儲空間為1 Mbyte×16 bit。DSP 地址空間中，程序SRAM 的主程序段地址為0x400000至0x441000。

程序比對檢測流程如圖3 所示。應(yīng)用軟件在執(zhí)行每幀圖像周期的全天識別模式或星跟蹤模式過程中，向FPGA 寄存器寫入監(jiān)控字，之后分別讀取Flash 中的A、B、C 份和程序SRAM 軟件，并將上述4 份軟件寫入FPGA 的塊RAM 中，完成后軟件再向FPGA 寄存器寫入對應(yīng)的監(jiān)控字。FPGA 得到檢測通知并進行軟件比對，比對原則為：FPGA 將Flash 中的3 份軟件進行三取二比對，并將三取二結(jié)果與程序SRAM 軟件進行比對，若比對結(jié)果存在不一致，則FPGA 對DSP 器件進行復(fù)位，應(yīng)用軟件重新從Flash 加載至程序SRAM 中，程序比對復(fù)位次數(shù)加1。完成上述流程后，開始下一輪比對檢測。

圖3 程序比對檢測流程Fig.3 Flowchart for software comparison and testing

3.3 分類復(fù)位計數(shù)

微型星敏感器設(shè)置3 種復(fù)位方式，用于對流程監(jiān)控、程序比對和看門狗超時復(fù)位次數(shù)進行統(tǒng)計，同時為用戶診斷提供參考。其中，系統(tǒng)復(fù)位主要是為了防止應(yīng)用程序跑飛或者死循環(huán)，當DSP 長時間不向FPGA 發(fā)送喂狗信號或者FPGA 監(jiān)控字寄存器長時間不更新時，F(xiàn)PGA 對DSP 進行復(fù)位，軟件重新從Flash 加載至程序SRAM 中，看門狗超時復(fù)位次數(shù)加1。DSP 對分類復(fù)位計數(shù)只讀。微型星敏感器設(shè)置的狀態(tài)字分類復(fù)位計數(shù)寄存器為32 位寄存器，各位的定義見表3。

表3 微型星敏感器狀態(tài)字分類復(fù)位計數(shù)寄存器位定義Table 3 Definition of classified reset count of status word for micro star sensors

4 測試試驗驗證

為了驗證第2 章所述通過分類復(fù)位計數(shù)來診斷SEU 故障方法的有效性，需要人為制造錯誤來模擬在軌SEU 事件：第一種方法是開發(fā)單粒子效應(yīng)模擬軟件，通過在軌編程模擬單粒子效應(yīng)逐次隨機更改程序SRAM 中的1 bit 數(shù)據(jù)；第二種方法是通過仿真器，分別修改程序中使用的恒星庫、角距庫、壞像元以及標定參數(shù)等重要數(shù)據(jù)，模擬產(chǎn)品中這些數(shù)據(jù)被單粒子破壞的情況。

4.1 流程監(jiān)控、程序比對、看門狗超時測試

通過上述在軌編程和仿真器修改數(shù)據(jù)的測試方法人為制造數(shù)據(jù)錯誤后，觸發(fā)星敏感器的流程監(jiān)控錯誤、程序比對錯誤或看門狗超時從而觸發(fā)軟件復(fù)位操作，通過觀察遙測數(shù)據(jù)包中分類復(fù)位計數(shù)寄存器的內(nèi)容，可以統(tǒng)計各類復(fù)位情況。微型星敏感器程序Flash 數(shù)據(jù)存儲要求如表4 所示。

表4 微型星敏感器程序Flash 數(shù)據(jù)存儲要求Table 4 Flash data storage requirements for micro star sensor program

從測試結(jié)果分析，星敏感器通過流程監(jiān)控、程序比對、看門狗超時復(fù)位等可以對SEU 造成的故障進行自我診斷和恢復(fù)，有效避免類似在軌數(shù)據(jù)異常情況的發(fā)生。

4.2 星庫變量、壞像元、標定參數(shù)數(shù)據(jù)維護測試

該測試項目用于測試星敏感器應(yīng)用軟件利用Flash 中燒錄的星庫、壞像元和標定參數(shù)信息，對程序SRAM 中星庫變量、壞像元、標定參數(shù)等重要數(shù)據(jù)進行校驗，對SRAM 中被破壞的數(shù)據(jù)進行自動恢復(fù)。

通過仿真器模擬產(chǎn)品中重要數(shù)據(jù)被單粒子破壞后數(shù)據(jù)維護的測試情況如表5 所示。從表中可以看出，通過仿真器將程序中使用的恒星庫、角距庫、壞像元以及標定參數(shù)等重要數(shù)據(jù)進行修改來模擬數(shù)據(jù)被單粒子破壞的情況，最終被破壞的數(shù)據(jù)均成功恢復(fù)為正確值，表明在軌出現(xiàn)SEU 數(shù)據(jù)錯誤時，可以被自動維護修正。

表5 星庫變量、壞像元、標定參數(shù)數(shù)據(jù)維護測試Table 5 Maintenance and testing of library, bad pixel data, and calibration parameters

5 結(jié)束語

本文針對微型星敏感器在軌SEU 引起的異常現(xiàn)象，基于商業(yè)衛(wèi)星微型星敏感器的元器件低成本、小封裝等特點，從電路架構(gòu)和軟件工作流程出發(fā)，設(shè)計了軟件流程監(jiān)控、程序比對檢測、看門狗超時復(fù)位等軟件增強設(shè)計來提高器件的抗SEU 能力，并通過地面修改相關(guān)參數(shù)或者隨機生成錯誤的方式進行模擬驗證。分析測試數(shù)據(jù)，表明該方案對于SEU 產(chǎn)生的故障可以及時發(fā)現(xiàn)、有效恢復(fù)，從出現(xiàn)故障到發(fā)現(xiàn)故障的時間＜19 s，從發(fā)現(xiàn)故障到恢復(fù)星敏感器姿態(tài)正常輸出的時間＜0.2 s，是原先需要地面判斷和控制所需時間的千分之一。同時，該方案可為地面基站遙測控制范圍外的航天器發(fā)生故障時的自主恢復(fù)提供有效保證，提高了微型星敏感器的在軌可靠性，也為航天飛行器的其他單機產(chǎn)品提供了一種新的抗SEU 解決方案。

后續(xù)將開展地面SEU 環(huán)境試驗，進一步驗證該SEU 解決方案的有效性。