答:卫星的“单粒子翻转”是什么意思?

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空少问答

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第八十九期

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答:卫星的“单粒子翻转”是什么意思?

上周六,空少为大家留了1个问题,来看看空少的解答以及从留言中选出的最佳答案吧!

想要查看原问题背景介绍的朋友们可以点击《问:卫星的“单粒子翻转”是什么意思?~下面就让我们来看看空少的解答吧!

空少正解

上期我们讲到,30年前发射的风云一号A星(FY-1A)遭遇强烈的太阳活动,卫星发生“单粒子翻转”事件,最后导致姿态失控,仅工作了39天后就故障并最终失效。这种名为“单粒子翻转”(Single Event Upset,简称SEU)的现象可谓是航空航天器的杀手,例如1995年的实践四号卫星上搭载的2台用于单粒子事件测量的监测装置,在入轨后的19天内共发生了65次翻转;另外风云一号B卫星(FY-1B)依然多次因太阳单粒子翻转事件导致姿态控制系统失控,这也会为什么系统最后过早的失效。

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FY-1A卫星黑白照片,它因为单粒子翻转导致姿态失控(来源:http://rammb.cira.colostate.edu/dev/hillger/polar-wx.htm)

在1954年至1957年地面核试验期间,科学家首次发现并描述了单粒子翻转,当时在电子监测设备中观察到许多异常。虽然很难将单粒子翻转这类“软故障”与其他形式的干扰分辨开,但在20世纪60年代的空间科学研究中观测到了很多的此类问题。1972年,一颗Hughes卫星发生故障,地面与卫星的通信中断了96秒,然后卫星重新被捕获,对此,科学家DanBinder、Edward C. Smith和Al Holman把这种异常解释为一次由单个高能粒子引起的扰乱,并于1975年在IEEE的核科学学报上发表了论文,这可能是最早的关于单粒子翻转的论文。

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1975年早期的关于单粒子翻转的论文(来源:https://ieeexplore.ieee.org/document/4328188/)

那么,卫星的“单粒子翻转”是什么意思呢?

我们知道现在的计算机领域,存储器采用的是二进制,也就是0或者1,这也是半导体特性决定的,半导体是构成电路的基本原件,简单的说1就是通电,0就是不通电。所以电子仪器、电路板中由一系列0或者1构成信息。

简而言之,单粒子翻转是由于宇宙空间存在大量高能量的粒子辐射,由单个高能粒子进入半导体器件灵敏区(如例微处理器、半导体存储器或功率晶体管中)中引起的反应,导致存储单元发生位翻转(即内容由 0 变为 1,或由 1 变为 0),由此引起的仪器错误。这种0和1的逻辑状态变化是由在逻辑单元(例如,“bit”)的重要节点内或附近电离产生自由电荷的结果。

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单粒子翻转的示意图,箭头代表粒子射入,正号代表正电荷,负号代表负电荷(来源:https://www.researchgate.net/figure/Example-of-Single-Event-Effect-Single-Event-Upset-20_fig2_320126769)

高能粒子进入半导体灵敏区可能引起多种单粒子效应,而单粒子翻转是空间辐射造成的多种单粒子效应中最常见和最典型的一种,甚至成为星载计算机中最常见的错误。单粒子翻转主要发生在数据存储或指令相关器件中。单粒子翻转造成的器件错误属“软错误”,即通过系统复位、重新加电或重新写入能够恢复到正常状态。

单粒子翻转指标用单粒子翻转率来描述,单粒子翻转率是器件每天每位发生单粒子翻转的概率,计算质子单粒子翻转率的一般性公式:

其中, 为阈值能量,单位兆电子伏特(MeV)(电子伏特是空间粒子能量的单位,指的是一个电子(所带电量为-1.6×10-19C)经过1伏特的电位差加速后所获得的动能。);为质子单粒子翻转截面积,单位 ;为质子微分流量。

留言区·精选

@ 枫

粒子翻转(SEU):Single Event Upset

在一些电磁、辐射环境比较恶劣的情况下,大规模集成电路(IC)常常会受到干扰,例如宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区,使器件逻辑状态翻转:原来存储的"0"变为"1",或者"1"变为"0",从而导致系统功能紊乱,严重时会发生灾难性事故。SEU造成的逻辑错误不是永久性的,也被称为软错误。

最容易发生SEU的是像RAM这种利用双稳态进行存储的器件,其次是CPU,再其次是其它的接口电路。随着芯片集成度的增加,发生SEU错误的可能性也在增大。在特定的应用中,SEU已经成为一个不能忽视的问题。

典型的SEU易发环境是空间电子应用领域,由于太空中高能粒子的轰击,SEU已经成为星载计算机中最常见的错误。

@ 周登峰

单粒子翻转是宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区,使器件逻辑状态翻转的现象。单粒子翻转最容易发生SEU的是像RAM这种利用双稳态进行存储的器件,其次是CPU,再其次是其它的接口电路。随着芯片集成度的增加,发生SEU错误的可能性也随之增大。

感谢大家的支持,我们下期再见! 返回搜狐,查看更多

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