太阳风暴对航天器电子产品的影响

谈 骏， 邹 波

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

太阳风暴是由太阳剧烈活动引发的一种常见空间灾害现象，太阳风暴发生期间，太阳释放出大量带电粒子所形成的高速粒子流以及等离子体流，对地球磁层、电离层以及中性大气的状态造成影响，在地球空间导致灾害性响应，特别是对航天、通信、电力、卫星导航等领域的影响最为严重。剧烈的太阳活动一般持续数分钟，对地球空间的影响则从数小时到数天不等。太阳风暴能量或物质传递方式包括三种：电磁辐射传递、高能粒子流传递、低能等离子体传递。

航天器是在地球大气层以外的宇宙空间，执行探索、开发或利用太空等航天任务的飞行器，航天器在地球大气层以外运行，摆脱了大气层阻碍，可以接收到来自宇宙天体的全部电磁辐射信息，开辟了全波段天文观测［1］。

航天器从近地空间飞行到行星际空间，实现了对空间环境的直接探测以及对月球和太阳系大行星的逼近观测和直接取样观测。航天器的出现使人类的活动范围从地球大气层扩大到广阔无垠的宇宙空间，引起了人类认识自然和改造自然能力的飞跃，对社会经济和社会生活产生了重大影响。但是由于缺乏大气层的保护，航天器直接暴露在太阳风暴下，使得太阳风暴对航天器的影响尤为严重。

最近几个太阳活动周期内发生的强太阳风暴对航天器造成的影响值得关注：

a）1989年3月太阳风暴（强磁暴）爆发，曾导致美国共计46颗卫星发生异常；

b）1990年11月初太阳风暴（耀斑）爆发，曾导致我国“风云一号”气象卫星计算机程序混乱，卫星姿态失控［2］；

c）1994年太阳风暴（日冕物质抛射）爆发，导致加拿大通信卫星Anik E1和Anik E2等多颗卫星在轨异常并最终报废［2］；

d）2001年4月发生的太阳风暴使我国的短波通信和侦测等用户系统故障，中断约3小时；

e）2003年10 月太阳风暴引起强烈的北极光，曾导致日本高级地球观测卫星Midori-2等多颗卫星失灵［2］；

f）2006年12 月13 日 发 生X3 级 的 太 阳 风暴，造成我国广东、海南、重庆等地无线电波观测中断3个多小时。

2 太阳风暴产生原因

要了解太阳风暴的产生原因，需先了解太阳大气的分层情况。一般情况下，太阳大气分为六层，由内往外依次命名为：日核，辐射区，对流层，光球，色球，日冕。日核的半径占太阳半径的四分之一左右，它集中了太阳质量的大部分，并且是太阳百分之九十九以上的能量的发生地。光球是我们平常所见的明亮的太阳圆面，太阳的可见光全部是由光球面发出的。而日冕位于太阳的最外层，属于太阳的外层大气。太阳风暴就是在这里形成并发射出去的。

从X 射线或远紫外线拍下的日冕照片上可以观察到，在日冕中存在着大片的长条形的或是不规则的暗黑区域，通过人造卫星和宇宙空间探测器拍摄的照片可以发现，在日冕上长期存在着这些长条形的大尺度的黑暗区域，这里的X 射线强度比其他区域要低得多，从表观上看就像日冕上的一些洞，称之为冕洞［3］。

冕洞是太阳磁场的开放区域，这里的磁力线向宇宙空间扩散，大量的等离子体顺着磁力线跑出去，形成高速运动的粒子流。粒子流在冕洞底部速度为16km／s左右，当到达地球轨道附近时，速度可达300km／s～400km／s以上，这种高速运动的等离子体流就是太阳风暴。太阳风暴从冕洞喷发而出后，夹带着被裹挟在其中的太阳磁场向四周迅速吹散。

当太阳风暴到达地球附近时，与地球的偶极磁场发生作用，并把地球磁场的磁力线吹得向后弯曲，地磁场的磁压阻滞了等离子体流的运动，使得太阳风不能侵入地球大气而绕过地磁场继续向前运动，于是形成一个空腔，地磁场就被包含在这个空腔里。但是，当太阳出现突发性的剧烈活动时，情况会有所变化。此时太阳风暴中的高能离子会增多，这些高能离子能够沿着磁力线侵入地球的极区，并在地球两极的上层大气中放电，产生绚丽壮观的极光。

太阳风暴构成人类活动的外层空间环境，太阳大气的扰动通过太阳风暴传到地球，通过与地球磁场的相互作用，会引起一系列影响人类航天活动的事件，有时甚至会产生灾害性事件，因此研究太阳风暴对航天器的影响是人类航天活动的重要组成部分。

3 太阳风暴对航天器电子产品的影响

太阳风暴能够对在轨运行的航天器电子产品造成多种损伤，其中对航天器电子产品影响最大的是太阳风暴引起的航天器电子元器件辐射损伤。

电子元器件辐射损伤效应包括总电离损害和单粒子效应。总电离损害是装置暴露在电离辐射环境中长期衰变的累计；单粒子效应是单个电离粒子在电子产品中引起的个别事件。

单粒子效应可分为两种：软错误和硬错误。软错误对电子产品是非破坏性的，可以导致存储单元状态的翻转，状态的锁定或者是发生在输入、输出、逻辑电路及其他电路的瞬间现象，也包括引起电子产品中断正常操作的状态。硬错误是卫星电子产品的物理损坏，而且是永久性的、不可恢复的。太阳电磁辐射对集成电路的影响主要表现在使输入电流增大，输出低电平提高以及输出高电平降低，引起噪声容限下跌，从而表现为逻辑错误。

目前航天器电子产品组成中，大量采用FPGA 和DSP等数字逻辑元器件，承担着星上信息处理、导航控制信号生成、在轨测试测量、工况信息检测等非常重要的功能，一旦出现问题，将对上述的各功能产生影响，甚至导致航天器失效。随着元器件集成度提高，芯片的容量也逐渐增大，动辄百万门的集成度，在简化了系统设计的同时，也使得单个元器件承担的处理能力更大，同时其受损害的风险随之增加，一旦一个元器件出现故障，对系统产生影响的几率也随之加大。从目前导航系统产生信号中断的原因分析，90%以上的故障都是由于太阳辐射对集成电路影响所致。

例如微波源是航天器电子产品运行的心脏，尤其对于微波系统来说，所有时序运行的基准都是基于微波源频率的稳定性，各种主振、本振、系统时钟信号的产生与保持也依赖于电路各组成元器件的稳定运行，当强太阳辐射来到时，会影响微波源频率基准信号的稳定性，产生信号抖动，直接影响信号品质，甚至引起时序错误，进而影响航天器电子产品测量等功能的实现。

为了减小电子元器件遭受辐射效应所引起的电离总剂量效应、单粒子锁定、单粒子翻转、单粒子瞬态效应、单粒子功能中断等影响，在航天器电子产品设计时应采用系统级抗辐射加固、元器件级抗辐射加固、软件编码纠错加固等技术，以提高卫星系统在轨运行可靠性。

4 提高航天器电子产品抗太阳风暴能力的措施

4.1 硬件加固设计

硬件加固措施是航天器电子产品抗太阳风暴的重要手段，主要采取的措施包括：

a）加强元器件选择，选择高质量等级的元器件，其总剂量、抗单粒子翻转／单粒子锁定、抗充／放电等指标应满足太阳风暴下的使用要求。其通常具有比较高的品质保证，同时抗太阳风暴的能力也相应较高；

b）分析每个电路在最坏情况下性能，充分考虑太阳风暴引起的器件性能下降对产品的影响，集成电路在条件许可下优先考虑使用中小规模集成电路。折衷考虑抗锁定限流电阻的选取。尽量使电阻大些，让锁定的可能性最小，但又不干扰正常工作；

c）进行硬件冗余设计，包括采用计算机冗余，存储器冗余等，冗余技术是提高星载计算机可靠性的常规技术。硬件冗余设计可以从整机冗余、模块冗余、部件冗余和可重构等方面采取措施。近年来，随着微电子技术的发展，芯片级冗余也已日趋成熟，在芯片级采取冗余容错技术可以极大的降低航天电子产品的体积和重量，也使得太阳能风暴对航天器电子产品的硬件影响程度降到最低；

d）固化航天器电子产品程序。由于PROM是只读存储器，并具有固化后不能改变的特点，它的抗干扰能力特别是抗SEU 的能力较RAM 强，将重要程序和一些固定的常数都固化在PROM中，减少程序发生SEU 错误的概率；

e）选择合适的屏蔽及屏蔽材料，除铝外，钽材料也可，对芯片采取贴铅皮等抗辐照加固措施。

4.2 软件加固设计

软件已逐步成为航天器电子产品的核心，其运行的可靠度是电子产品整体可靠度的重要环节，在对抗太阳风暴设计中必须重视，对软件采取的加固措施主要包括：

（1）三模冗余设计

即三取二表决法，在每个采样周期都把对程序运行有重大影响的标志及对运算结构起关键作用的数据进行三取二比对表决。在单机时间差比对发现错误后，转入错误处理程序，对中间变量也进行三取二处理，避免RAM 的SEU 软故障。

（2）设置软件看门狗（WDT）

当程序按正常路径执行时，不断清除WDT，如果程序进入死循环，则WDT 在规定的时间内不被清除，发出计算机复位信号，进行初始化处理，使计算机重新开始运行，从死循环中解脱出来。

（3）程序设计技术

减小太阳风暴引起的代码出错，根据航天产品软件设计的实施经验，主要采取的设计技术有：

a）对决定程序分支标志的重要参数FLAG，用一个字节或字作标志，不用0或1两种状态作为判断标志；

b）模式间转换采用立即数跳转方式而少用存储器及寄存器跳转方式；

c）数据区与程序区隔离，避免程序进入RAM 中，大面积冲毁RAM 中数据；

d）对CPU、PROM、RAM 空闲区全部填充HLT 指令。若程序一旦跳入空闲区就进行跑飞程序处理，将程序拉回。

针对目前航天器电子产品构成及各单机抗太阳风暴的能力分析，应该对重要的单机设备以及芯片，包括星载的FPGA 芯片、星载DSP芯片等，做出防范措施，尽可能地选用高等级的元器件，并加强防护措施。

在软件设计方面，提高软件运行状态巡检和复位能力，一旦出现异常，尽可能在不影响系统运行的情况下，进行软件恢复。在单机设计方面，在不影响正常工作情况下，在核心元器件的周围添加防护层设计，减缓太阳风暴对重要元器件的冲击。

5 结束语

太阳风暴对航天器电子产品的影响是客观存在的，且不可避免。必须建立完善的设计保障系统，制定相关预案，采取必要措施，保证系统安全，平稳度过可能发生的超强太阳风暴。

［1］ 彭成荣.航天器总体设计［M］.北京：中国科学技术出版社，2011.

［2］ 刘俊.关注太阳风暴［M］.北京：军事科学出版社，2009.

［3］ 林元章.太阳风暴及其后果［C］.第六届海峡两岸天文推广教育研讨会论文集，2004.