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国外航天器的单粒子故障情况分析

时间:2023-06-25 理论教育 版权反馈
【摘要】:微处理器单元中也发生单粒子翻转现象,处理单元中的计数寄存器被无故刷新,在观测的第8天,所有设置值返回到初值。在后来TDRS卫星系统设计中,用CMM5114存储器替代93L422存储器后,单粒子翻转明显减少。1994年1月20日,Anik-E1和Anik-E2通信卫星在8 h内先后发生故障,原因是陀螺定向系统的控制电路受单粒子事件影响,导致卫星在轨道上翻滚。

国外航天器的单粒子故障情况分析

以下是一些典型的国外卫星在轨单粒子效应造成的故障事例。

1.化学释放/辐射效应卫星(CRRES)

CRRES卫星是美国DOD和NASA联合研制的一颗化学释放/辐射效应卫星,其主要目的是进行空间飞行试验,飞行试验包括化学释放和空间辐射两大部分,于1990年7月25日发射深空。

CRRES卫星包括18个试验装置,并搭载一套特殊微电子器件装置包(Microelectronics Package,MEP),该装置中包括700多个半导体器件和集成电路用来验证总电离剂量效应(TID)和单粒子效应(SEE)。由于该卫星设计的主要目标是对空间辐射效应科学现象的观测,除了设计上考虑的对单粒子效应的测量要求以外,卫星任务目标并没有过多关注卫星上有关辐射环境和辐射效应测试的电子设备与测量仪器出现的故障特征,但飞行试验期间,在搭载的某些试验装置上观测到了单粒子翻转诱发设备与测量仪器的故障现象,故障总数目达到764次之多,表5-12列出了CRRES卫星上发生故障的电子设备仪器及发生故障的次数。

表5-12 CRRES卫星上发生故障的电子设备仪器及发生故障次数

为了鉴别空间辐射环境诱发卫星故障的主要因素,在卫星上携带如表5-12所列的各种电子设备及仪器,用以监测各种辐射环境因素的发生情况,基于这样的测试和记录手段,确定出CRRES卫星在其工作寿命期间,携带的特殊微电子器件装置包发生的单粒子翻转总数达到30 000次之多,而且也明确了如此之多的单粒子翻转主要由空间高能质子所引起。

2.TOPEX/Poseidon卫星

TOPEX/Poseidon卫星所处轨道的高度约1 336 km,轨道倾角为66°,在轨道上,卫星要经受内辐射带捕集质子较长时间的照射,应当提及的是,在1992年8月,发射了两颗小卫星处于类似于TOPEX/Poseidon卫星轨道上。

在TOPEX/Poseidon卫星在轨观测海洋表面期间,卫星上携带的5个主要设备均发生单粒子翻转,NASA高度计(包括微处理器、存储器等)发生单粒子翻转,在南大西洋异常区发生SEU的频度要比在其他区域高,地面验证评估后预示的单粒子翻转率为4~14天才发生一次单粒子翻转,而在轨实际观测到的为6天就发生一次单粒子翻转。地球敏感器中发生的两类故障现象被确认为是单粒子翻转所引起,在6个月中,发生了400次故障,发生故障区主要仍在南大西洋地磁异常区(SAA),对故障的分析表明,该设备运算放大器中发生的瞬时SEU是故障的主要原因,这是因为在敏感器中采用的信号处理器的第一级如果有杂散脉冲信号输入会造成该故障。

微处理器单元中也发生单粒子翻转现象,处理单元中的计数寄存器被无故刷新,在观测的第8天,所有设置值返回到初值。分析表明,该现象是由单粒子多位翻转所造成。当卫星工作到第331天时,星敏感器噪声增大,使其不能正常工作,而采用EDAC程序触发复位控制信号时无效,A/D转换器处在一个反常工作模式,并且锁定滞留在该模式下。当时怀疑是单粒子锁定(SEL),但切掉电源重新启动后,星敏感器仍一直不能工作。在TOPEX/Poseidon卫星工作期间,是雷达高度计中采用的80C86微处理器发生翻转造成工作指令混乱。

3.地球静止轨道卫星(GOES)

在由4个地球静止轨道卫星GOES 4、GOES 5、GOES 6、GOES 7组成的跟踪和数据中继卫星系统(TDRS)中,观察到了单粒子效应引起的卫星系统故障现象,经分析后确认是93L422 SRAM发生单粒子翻转。当卫星在轨运行时,在1989年的8月12—17日内,记录到23次单粒子翻转,在9月29日—10月1日的3天内,记录到91次单粒子翻转,在10月19日—25日的时间内,记录到249次单粒子翻转。以上的单粒子翻转是由93L422组成的存储器中观察到的。在后来TDRS卫星系统设计中,用CMM5114存储器替代93L422存储器后,单粒子翻转明显减少。

4.太阳日光层观测卫星(SOHO)

SOHO卫星是一颗由以欧洲空间局为主与美国宇航局(NASA)合作研制的科学探测与研究卫星,SOHO卫星1995年由美国航天航空局负责发射成功并运行,主要目标是研究太阳活动及日光层变化。SOHO卫星工作在日地线上,距地球150万千米的拉格朗日绕日地第一引力平衡点(L1)运动,卫星轨道运行的六个月时间内,可以覆盖运行轨道椭平面面积达到200 000 km×650 000 km的区域,而且可以穿出椭平面到达120 000 km处位置,从而可以实现24 h全天候观测太阳活动及日光层变化。

由于SOHO卫星脱离地球磁场的影响而运行于深空辐射环境中,其遭遇到的主要是银河宇宙射线和太阳喷发的能量带电离子。在SOHO卫星成功运行的几年时间内(1996—2001),卫星系统的平台和有效载荷经历了多次单粒子效应诱发的部件及设备级故障,诸如,系统平台的各种供电单元(PSU)、数据记录设备(SSR)、姿态控制单元及数据管理单元等;各种有效载荷也不同程度地发生了单粒子效应诱发的设备级故障,诸如,太阳红外辐射亮度与引力振荡观测仪(VIRGO)、大角度日冕光谱仪(LASCO)、低频球形振荡器(GOLF)等。值得一提的是,在SOHO卫星运行期间,由于各种供电单元频繁发生电源掉电的故障,欧洲空间局在地面组织了相关的验证分析试验,试验采用了与卫星设备采用器件为相同批次的电子器件与集成电路作为试验测试样品,结果分析认为,SOHO卫星电源掉电故障主要来自线性器件中产生的单粒子翻转和单粒子瞬态所引起。

5.其他卫星(www.xing528.com)

1986年发射的法国地球资源卫星SPOT-1,其星载计算机存储器在轨工作的前3~5年共发生11次单粒子翻转事件,平均每年3~5次,通常每次翻转会影响卫星工作1~3天。

1994年1月20日,Anik-E1和Anik-E2通信卫星在8 h内先后发生故障,原因是陀螺定向系统的控制电路受单粒子事件影响,导致卫星在轨道上翻滚。

2010年4月,国际通信卫星公司在轨运行5年的Galaxy-15卫星与地面失去联系,后经分析认为可能是由于太阳风暴影响导致卫星在轨故障。

2003年10月底至11月初太阳活动频繁,许多在轨航天器都受到了影响。在2003年10月24日,由于太阳活动而发生在轨故障航天器包括:

美国X射线观测卫星Chandra:由于辐射量值过高迫使观测中止,25日恢复;

美国星尘彗星监测器Stardust:由于读数错误进入安全模式,后恢复;

日本先进地球观测卫星Adeos 2:进入安全模式,电源中断导致完全报废(该卫星价值约6亿美元,设计寿命三年,只工作了10个月);

美国静止环境业务卫星GOES 9、GOES 10:出现高误码率

美国静止环境业务卫星GOES12:磁力矩器停止工作。

表5-13列出了国外不同航天器记录的单粒子翻转情况数据,包括GPS、NDS(Navigation Data Satellites)、SMM(Solar Maximum Mission)、HST(Hubble Space Telescope)、TOMSIMETEOR-3(Total Ozone Mapping Spectrometer)、SAMPEX(Solar Anomalous,Magnetospheric,Particle Explorer)、SHUTTLE等卫星。

表5-13 辐射诱发航天器故障情况

表5-14给出的是处于质子辐射带的低轨卫星由高能质子引起的单粒子效应故障情况,包括单粒子翻转与多位翻转现象,并且这些翻转现象主要集中在南大西洋异常区域。

表5-14 质子辐射引起的卫星单粒子效应

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