Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 621.3.084.89.629.78
КОНТРОЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА НА РАДИОЭЛЕКТРОННУЮ АППАРАТУРУ КАК СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКИХ СРОКОВ АКТИВНОГО СУЩЕСТВОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В. С. Анашин
Рассмотрены проблемы создания системы мониторинга ионизирующих излучений космического пространства по контролю за их воздействием на радиоэлектронную аппаратуру космических аппаратов. Предложена структура системы мониторинга, состоящая из бортового и наземного сегментов. В качестве бортовых измерителей (дозиметров) рекомендованы сенсоры накопленной дозы (на основе МДП-транзисторов) и сигнализаторы тяжелых заряженных частиц (на основе статических оперативных запоминающих устройств).
Ключевые слова: ионизирующие излучения космического пространства, система мониторинга, структурно-алгоритмические методы повышения срока активного существования, бортовой сегмент, наземный сегмент, сенсоры накопленной дозы, сигнализаторы тяжелых заряженных частиц.
Анализ динамики развития спутниковых систем в последнее десятилетие позволяет выявить такие основные тенденции, как
— снижение удельной стоимости информации;
— увеличение функциональной сложности, включая рост числа корпусов электронной компонентной базы (ЭКБ), увеличение степени интеграции ЭКБ, переход на СБИС и "системы-на-кристалле";
— удлинение срока активного существования космических аппаратов (КА).
Ионизирующее излучение (ИИ) является главенствующим естественным фактором космического пространства (КП), ограничивающим срок активного существования (САС) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) КА из-за его воздействия на электронную компонентную базу. Оно проявляется в одиночных и дозовых эффектах. Дозовые эффекты от протонов и электронов естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ) приводят к параметрическим и функциональным отказам; одиночные эффекты от воздействия протонов и ионов ЕРПЗ, солнечных (СКЛ) и галактических космических лучей (ГКЛ) приводят к обратимым (сбоям) и необратимым (катастрофическим) отказам. На долю ИИ КП падает от 30 до 50 % квалифицированных отказов аппаратуры [1], хотя реально этот процент еще выше из-за того, что вызываемая излучением деградация материалов стимулирует отказы других типов. В настоящее время не вся ЭКБ имеет должный гарантирован-
ный уровень стойкости к ИИ КП, что приводит к необходимости оценивать остаточный ресурс РЭА каждого КА и применять структурно-алгоритмические методы повышения САС, что возможно лишь при проведении постоянного мониторинга воздействия ИИ КП на критические узлы РЭА в различных местах КА. Эти подходы реализуются при создании системы мониторинга ИИ КП (в части контроля воздействия на РЭА КА), являющейся дополнением к научным системам контроля ИИ КП и предназначенной, в основном, для:
— измерения характеристик воздействия ИИ КП на РЭА КА;
— расчета и контроля остаточного ресурса КА;
— управления структурно-алгоритмическими методами для повышения САС РЭА КА;
— прогнозирования изменения (в том числе опасного) воздействия ИИ КП на РЭА КА;
— уточнения технических требований к РЭА КА;
— уточнения норм и методов наземных испытаний РЭА (ЭКБ) КА;
— получения полетных данных по стойкости РЭА (ЭКБ) КА;
— уточнения механизмов влияния ИИ КП на РЭА КА;
— уточнения моделей космоса;
— прогноза "космической погоды".
Система мониторинга, структура которой
представлена на цветной вклейке, состоит из бортового и наземного сегментов. В бортовой набор
входит набор микроминиатюрных (малые масса, габариты и потребление) систем бортовых измерителей ионизирующего излучения (МСБ ИИ), который может устанавливаться на все КА (как в виде интегрированного в РЭА набора сенсоров, так и в виде самостоятельной системы). Он сопрягается с телеметрическими подсистемами для обеспечения непрерывного сброса измерений на Землю. Наземный сегмент базируется, в основном, на существующем оборудовании и линиях связи и включает центр мониторинга воздействий ИИ КП, обеспечивающий, в первую очередь контроль и расчет "остаточного" ресурса, и центр оперативного мониторинга и моделирования, обеспечивающий прогноз ИИ в КП. Результаты мониторинга ИИ КП доступны также и в информационно-справочной системе по стойкости к ИИ КП.
Данный подход, в отличие от прогнозирования только состояния полей ИИ КП по измерениям на нескольких КА, находящихся на типовых орбитах, позволяет с требуемой точностью измерять как непосредственное воздействие ИИ КП на РЭА КА, так и своевременно реагировать на его опасные уровни. При этом должна обеспечиваться возможность замыкания обратной связи измерений ИИ КП как на борту КА через наземную станцию управления КА, так и через центр мониторинга. Применяемый способ контроля воздействия ИИ КП должен быть максимально приближен к специфике эффектов, протекающих в реальной ЭКБ.
Набор сенсоров МСБ ИИ непосредственно измеряет воздействие ИИ КП на РЭА КА в области дозовых и одиночных эффектов (а также дополнительных факторов в случае необходимости) и доведение (через стандартные средства КА) результатов измерений до наземных станций НС. Бортовые измерения в составе телеметрической информации через стандартные средства связи передаются от НС в центр управления полетами ЦУП соответствующего КА и от него поступают в стенд генерального конструктора СГК, где происходит выделение измеренных характеристик и их предварительная обработка с последующей передачей в центральную наземную станцию ЦНС для обработки и в ЛНС ИСС (локальную наземную станцию информационно-справочной системы по стойкости к ИИ КП) для отображения.
Основной функцией ЦУП является управление работой КА, включая прием и передачу информации, транзитную в части информации о бортовых измерениях. На СГК из телеметрических кадров выделяется вся технологическая информация, непосредственно не использующаяся для управления КА, и производится ее обработка (накопление для бортовых измерений ИИ КП).
Наземная измерительная станция НИС измеряет воздействие ИИ КП после атмосферного
ослабления и передает результаты в локальную наземную научную станцию ЛННС, в которой информация собирается, буфферизируется, обрабатывается (с целью предварительного прогноза развития ИИ КП) и транслируется в ЦНС, которая может интегрироваться в международную систему контроля и прогноза "космической погоды".
Станции НИС позволяют проводить измерения характеристик широкого спектра на разнообразном оборудовании вне зависимости от его габаритов. Бортовые измерения в силу ограничения по массогабаритным характеристикам в основном имеют интегральный характер.
Информация бортового сегмента используется для учета влияния атмосферы путем сравнения одновременно (время и место) проведенных орбитальных и наземных измерений и расчета уставок для наземных измерений.
Центральная наземная станция ЦНС вместе с ЛННС и ЛНС ИСС осуществляет сбор и обработку бортовых наземных измерений и выработку прогнозов (на основе предварительно полученных от ЛННС) о состоянии ИИ КП и его воздействии на КА, а также вычисляет остаточный ресурс.
В случае неблагоприятного с точки зрения ИИ КП развития ситуаций возможна передача предупреждающих сигналов на КА (через СГК и ЦУП); по этому же каналу возможно управление структурно-алгоритмическими методами повышения срока активного существования (САС) путем выдачи соответствующих команд на основе анализа воздействий ИИ КП на конкретную РЭА.
К структурно-алгоритмическим методам повышения САС аппаратуры в условиях воздействия ИИ КП с использованием рассматриваемой системы мониторинга можно отнести:
— оптимальное переключение резерва (повышение САС до трех раз в сравнении с последовательным включением резерва при отказе основного);
— временное отключение аппаратуры повышенной чувствительности (при попадании в аномалии ЕРПЗ, при развитии солнечных вспышек и т. п.);
— временное локальное экранирование оптических элементов (при развитии солнечных вспышек).
При этом оперативное решение об использовании данных методов может приниматься как автономно на борту КА, так и по команде с Земли.
Действенность программного переключения резерва (первый метод повышения САС) обусловлена существенно различающимися скоростями накопления полупроводниковыми структурами паразитного заряда во включенном и выключенном состояниях и основана на оптимальном определении времени переключения: набранный за время включенного состояния паразитный заряд максимально релаксируется за время выключен-
В
Отказ
1-1 / / / | Л / / / / / 1 1
/
/ —— -' ( „---
-1
t2 В
Рис. 1. Стандартное резервирование
В
Отк 1з
п - чис / —■ ло образц к / в + + + /
^пер •«—»• t
— функциональная модульность и функциональный минимализм;
— применение только стандартных внутренних и внешних интерфейсов;
— использование стандартных средств разработки и отработки;
— ограничение набора измеряемых параметров — контроль воздействия ИИ КП на РЭА КА (в области дозовых и одиночных эффектов, а также, возможно, всплесков рентгеновского излучения);
— технологическая реализуемость и доступность;
— использование твердотельных сенсоров накопленной дозы и сигнализаторов тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ);
— измерение интегральной накопленной дозы, а не эффективной мощности дозы;
— контроль (1—3) уровней воздействия ТЗЧ;
— возможность применения в виде набора элементов для интегрирования в аппаратуру и в виде самостоятельного прибора;
— максимальное использование задела и передового зарубежного опыта.
Эти принципы реализуются в представленной на цветной вклейке структуре бортового сег-
Рис. 2. Программное управление резервом:
^ер — время переключения; t ~ п — время, пропорциональное числу образцов
ного состояния. Этот метод может быть проиллюстрирован рисунками 1—3, на которых представлены зависимости накопленной дозы Б от времени при стандартном резервировании (резервный канал включается после отказа основного), при переключении резерва по программе и экспериментальные результаты, полученные для флэш-памяти (выигрыш в 1,7 раза при дублировании).
Вт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.