低轨互联网卫星在轨单粒子翻转分析及防护措施

尚 琳，刘晓娜，曹彩霞，李国通，朱 野

（1. 上海微小卫星工程中心； 2. 中国科学院 微小卫星创新研究院：上海 201203）

0 引言

近年来，随着卫星技术、电子技术和新材料技术的迅猛发展，国内外纷纷提出包含几千至数万颗低轨卫星的互联网星座建设计划，如美国的StarLink、OneWeb 和我国的“虹云”“鸿雁”等卫星星座系统。这些卫星互联网星座系统大部分采用轨道高度1000～1200 km、轨道倾角85°～90°的极地轨道。

低轨卫星在轨运行中不可避免地受到复杂空间环境影响，卫星元器件性能会不同程度地出现退化甚至损毁，其中单粒子事件对于在轨卫星有较大影响。针对低轨卫星在轨单粒子效应问题，国内外学者采用在轨单粒子事件记录、地面加速辐照试验和模型计算分析等手段开展了大量研究工作，但试验数据大多针对500～800 km 的太阳同步轨道，针对互联网卫星典型轨道高度（1000～1200 km）的极地轨道缺少在轨试验验证结果。

本文对某型号两颗卫星在轨7 个月以来的单粒子事件记录数据进行分析和处理，给出互联网卫星极地轨道不同轨道高度（1050～1425 km）上单粒子翻转（SEU）事件发生的频度、区域及概率，结合卫星在轨运行情况，提出互联网卫星在轨单粒子软硬件防护措施。

1 卫星运行轨道及器件参数

某型号A、B 两颗卫星于2019 年11 月成功发射，A 星运行于入轨轨道高度1050 km 的圆轨道；B 星入轨轨道为近地点1050 km、远地点1425 km的椭圆轨道，入轨3 个月后实施轨控进入轨道高度1050 km 的圆轨道。两颗卫星具体的运行轨道参数见表1。

表1 A、B 两星运行轨道参数Table 1 In-orbit parameters of the two satellites

该型号A、B 两颗卫星的星载计算机架构如图1 所示，采用宇航级芯片AT697F 作为主处理器，支持Flash、SRAM、SDRAM 和I/O 映射空间的访问，且直接集成SRAM EDAC 算法，可对SRAM存储器进行检二纠一校验。AT697F 外围配置2 片3D PLUS 公司3DSR20M40VS2708 SRAM 存储器，CPU 读取SRAM 数据发现位翻转错误时，可通过EDAC 进行校正并记录位翻转事件次数和发生时间，并将数据遥测传送至地面进行相关分析。

图1 该型号A、B 两星的星载计算机架构Fig. 1 The onboard computer architecture of the two satellites

该SRAM 芯片材料为Si，工作电压3.3 V，存储容量2×20 Mbit（单片容量20 Mbit）。根据芯片使用手册，该SRAM 存储器的空间辐照相关指标如下：

1）抗总剂量（TID）能力：≥100 krad(Si)；

2）抗单粒子锁定（SEL）阈值：110 MeV·cm/mg；

3）抗单粒子翻转（SEU）阈值：0.7 MeV·cm/mg。

2 在轨SEU 事件数据统计及分析

2.1 卫星在轨SEU 事件数据统计

对A、B 两颗卫星从2019 年11 月—2020 年6 月的在轨SEU 事件进行统计，结果如图2 所示。

图2 A、B 两星在轨SEU 事件发生频度统计Fig. 2 Frequency statistics of single event upsets of the two satellites

从图中可以看出，A 星在轨道高度1050 km、轨道倾角89°的极地圆轨道的SEU 发生频度约为32 次/d，即7.63×10bit·d，B 星在近地点1050 km、远地点1425 km、轨道倾角89°的极地椭圆轨道的SEU 发生频度约为60 次/d，即1.43×10bit·d。B 星于2020 年3 月轨控进入1050 km 极地圆轨道之后的SEU 发生频度与A 星相近。

2.2 在轨SEU 发生区域分析

南大西洋异常区（SAA）位于南美洲东侧南大西洋区域，涉及纬度范围15°N～55°S、经度范围15°E～90°W，其内磁场强度仅约为同纬度正常区的一半，使得空间高能带电粒子环境分布改变，对于低轨卫星在轨单粒子锁定、翻转有较大影响。

对A、B 两颗卫星在轨SEU 发生的星下点位置进行统计，结果如图3 和图4 所示，可以看出，除了中高纬度区域零星发生的SEU 事件外，A 星和B 星的在轨SEU 大部分发生在SAA 区域，统计结果见表2。

图3 A 星在轨SEU 发生的星下点位置统计Fig. 3 Statistics of the sub-satellite points of in-orbit single event upsets of satellite A

图4 B 星（轨控前）在轨SEU 发生的星下点位置统计Fig. 4 Statistics of the sub-satellite points of in-orbit singleevent upsets of satellite B

表2 A、B 两星在轨SEU 事件中SAA 区域及中高纬度地区的占比统计Table 2 Statistics of the ratios of SEU in SAA region and mid-high latitude regions of the two satellites

2.3 不同轨道高度空间环境分析

对B 星在实施轨控前运行于近地点1050 km、远地点1425 km 的椭圆轨道时发生的近6000 次SEU 进行统计分析，按照发生SEU 时的卫星轨道高度进行分类的结果如表3 所示。从表中数据可以看出，有约66.2%的SEU 发生在1250 km 以上的轨道高度，特别是1350 km 以上发生的SEU 占事件总数的41.4%；轨道高度1050～1150 km 与1150～1250 km 内SEU 发生的数量相当，均远少于1250 km以上高度的，说明此轨道高度空间环境相对温和。

表3 B 星不同轨道高度发生SEU 的事件总数占比统计Table 3 Statistics of the ratios of single event upsets at different orbital altitudes of satellite B

B 星在2020 年3 月完成了轨道控制，轨道远地点高度（平根数）由1430.0 km 下降至1067.7 km。对变轨过程中随卫星轨道高度降低发生的SEU 进行统计分析，结果如图5 所示。

图5 B 星轨控过程中SEU 发生频度统计Fig. 5 Frequency of single event upsets during the orbit maneuver of satellite B

从图中可以看出，在轨道高度下降过程中，SEU 发生的频度也逐步下降，与表3 统计结果趋势一致。

3 轨道空间辐射通量及器件翻转概率仿真计算

3.1 轨道空间辐射通量计算

采用AP-8 质子辐射模型和CREME96 GCR 重离子辐射模型对A 星和B 星（轨控前）空间辐射环境进行仿真，器件等效屏蔽厚度设为3 mm(Al)。图6 和图7 分别给出两颗卫星运行轨道的质子能谱和质子、重离子LET 值谱。从图6 可以看出，A、B 两星运行轨道的空间质子辐射最大能量超过100 MeV，B 星运行轨道的质子辐射平均积分通量较A 星运行轨道的大2～3 倍。从图7 可以看出，A、B 两星运行轨道的空间重离子辐射对卫星的影响主要在高能谱段，且两个轨道上的空间重离子能谱值比较接近。

图6 A、B 两星在轨质子平均辐射积分通量Fig. 6 Averaged proton fluxes of the two satellites

图7 A、B 两星在轨质子和重离子平均LET (Si)积分通量Fig. 7 Average LET (Si) proton and heavy ion fluxes of the two satellites

3.2 SRAM 器件在轨单粒子翻转概率仿真

从器件手册中仅能查询到该星载SRAM 芯片抗SEU 阈值为0.7 MeV·cm/mg，无法获取芯片的高能质子和重离子模型参数，且没有地面辐照模拟试验相关数据。为了能够与在轨实测数据进行比较分析，参考ESA 的空间环境信息系统（SPENVIS）中存储容量与该芯片相近的SAMSUNG 16M(3.3 V)和HITACHI 16M(3.3 V)器件的重离子Weibull 模型和质子Bendel 模型相关参数，并结合该芯片抗单粒子阈值参数进行修改。首先修改仿真参数以尽量匹配A 星在轨SEU 事件发生概率，再利用相同的参数仿真B 星（轨控前）在轨SEU 的发生概率。

仿真选用的重离子Weibull 模型和质子Bendel模型参数如下：

1）等 效 辐 射 灵 敏 体 积：3.14 μm×3.14 μm×0.10 μm；

2）重离子Weibull 模型参数：

S

=4.11，

L

=0.70 MeV·cm/mg，

W

=7.90 MeV·cm/mg，

σ

=1.50×10cm/bit；3）质 子Bendel 模 型 参 数：

A

=1.18 MeV，

B

=0.92 MeV。

表4 给出A、B 两颗卫星运行轨道上高能质子引起的SEU 概率仿真结果，从表中数据可以看出仿真结果与2.1 节B 星（轨控前）在轨SEU 发生概率统计结果仅有2%～3%的偏差，且重离子单粒子翻转占比与2.2 节中高纬度地区SEU 发生概率统计结果也相近，表明该组仿真参数对该SRAM 器件有较好的适应性。

表4 A、B 两星在轨质子、重离子单粒子翻转概率预测Table 4 Probability prediction of proton and heavy ion single event upset in the orbit for the two satellites

4 低轨互联网卫星单粒子防护措施

该型号A、B 两颗卫星在设计时选用了大量工业级、军级的低成本元器件，部分元器件缺少抗辐照指标，因此针对低等级SRAM、Flash、SRAM 型FPGA 及重要CPU 器件采取了许多软硬件防护设计。两星发射入轨以来，各单机工作状态正常。结合该型号卫星抗单粒子效应软硬件防护设计经验，归纳低轨互联网卫星提高可靠性的主要措施包括：

1）加强元器件选用控制，对于不能确定抗SEL和SEL 阈值（或饱和截面）参数的器件，特别是低等级元器件，须在地面通过辐照试验进行测定；

2）通过EDAC 电路加强SRAM 器件的抗SEU能力，如该型号A、B 两颗卫星的EDAC 电路可以有效检测出SRAM 在轨的2 位翻转、纠正1 位翻转（目前该型号卫星所用SRAM 在轨出现的均为1 位翻转，通过EDAC 电路校正可以保证器件正常工作）；

3）通过重要电路和数据三模冗余、代码定时刷新等手段纠正在轨SEU 错误，如该型号A、B 两颗卫星载荷采用SRAM 型FPGA 器件，软件代码在Flash 中三模冗余且具备定时刷新功能，可以保证载荷的正常工作；

4）对于Flash 存储器件，可以通过存储校验、按比特位或字节3 取2 等软件手段，检测和纠正在轨单粒子错误，该型号A、B 两颗卫星的星载计算机实时对Flash 器件存储的代码及重要数据进行校验，可以及时发现和处理在轨出现的单粒子翻转事件；

5）通过对重要DC-DC、CPU 芯片增加限流措施等设计，可以有效避免器件在轨发生单粒子锁定时电流过大造成卫星功能失效；

6）通过星载计算机软件对卫星平台和载荷重要单机进行自主健康管理，在单机发生单粒子翻转、单粒子锁定引起通信异常、数据错误等问题时，单机可及时实施自主恢复。

5 结束语

根据某型号A、B 两颗卫星在轨7 个月以来的SRAM 器件SEU 记录数据分析结果显示，当前低轨互联网卫星典型的1000～1200 km 高度运行轨道，对于抗SEU 阈值为0.7 MeV·cm/mg 的低阈值SRAM 器件，在轨SEU 大部分发生在SAA 区域，发生概率约7.63×10bit·d。结合该型号卫星在轨空间防护设计经验，通过加强元器件选用控制、软硬件冗余设计、关键器件限流等措施，可以有效提高低轨互联网卫星在轨的可靠性。