XQR2V3000 FPGA单粒子翻转率在轨探测研究

韦欣荣，王金华，王 颖，田金超

(1. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2. 北京卫星导航中心，北京 100094；3. 北京遥测技术研究所，北京 100076)

0 引 言

目前，越来越多的大规模集成电路在星载设备中应用，从2003年Xilinx公司的Virtex FPGA(XQVR4000XL)在火星探测任务中成功应用之后，国内外航天领域对FPGA的应用兴趣大增[1]。由于基于SRAM的FPGA在轨容易发生单粒子翻转事件，所以一般采用地面模拟和卫星搭载两种方法对FPGA上发生的单粒子翻转事件进行研究。国内外多个研究机构对FPGA进行了单粒子翻转特性地面试验，试验结果可以用来对单粒子翻转情况进行评估。文献[2]中给出了Virtex-II系列FPGA配置存储单元和Block存储单元的单粒子效应模拟试验结果。文献[3]给出了Xilinx公司Virtex-II XQ2V1000芯片重离子辐射测试的试验数据。文献[4]依据CREME96模型对Virtex-II系列XCV1000FPGA在450～800 km低地球轨道、GPS轨道、GEO轨道等在几种空间环境条件下的单粒子翻转率进行了预测。文献[5]依据CREME96模型对Virtex-II、Virtex-4系列FPGA在低轨道、GPS轨道等的单粒子翻转率进行预测。由于地面试验很难模拟真实的空间环境，预估的单粒子翻转率往往欠准确，因此国内外多个机构也进行了FPGA单粒子翻转率在轨探测研究，文献[6]中，给出了Cibola Flight Experiment(CFE)卫星对Virtex-1000FPGA配置存储器单粒子翻转率在低轨道的在轨探测结果，翻转率为0.47 次/(器件·天)，为CREAM96模型预计结果的25%。文献[7]描述了中国遥感卫星上的单粒子探测器对某种400万门FPGA和60万门FPGA在低轨道上的单粒子翻转率统计。文献[8]中描述了Los Alamos国家实验室发射的试验载荷，名为Mission Response Module(MRM)，对Virtex-4系列XQR4VLX200和XQR4VSX55进行了单粒子翻转探测，XQR4VSX55芯片在低轨道翻转率为5.08 次/(器件·天)，为CREAM96模型预计结果的28%。

而在中高轨道卫星上的单粒子翻转率在轨探测较少，基于以上原因，在2颗MEO轨道卫星和1颗IGSO轨道卫星上搭载了单粒子探测器，对Virtex-II系列的XQR2V3000 FPGA配置存储器进行了中高轨道在轨单粒子翻转的探测。

1 在轨单粒子翻转探测原理

XQR2V3000 FPGA配置存储器单粒子翻转探测的原理框图如图1所示。该探测器由反熔丝芯片作为监控FPGA，XQR2V3000作为检测FPGA，两个FPGA分别使用独立的晶振，由监控FPGA对检测FPGA内部单粒子翻转情况进行实时监测。检测FPGA由基本算法组成，资源占用率为78%，芯片XQR2V3000不做任何抗单粒子防护设计。

图1 单粒子翻转探测器原理框图Fig.1 The block diagram of the SEU detection

图2 单粒子翻转监测方法流程图Fig.2 The flowchart of the SEU detection method

探测器上电后，监控FPGA从PROM里读取配置程序，加载检测FPGA，加载完成后，把第一次回读的配置数据校验和作为参考基准值，后续以2 s为周期，周期性地回读配置数据校验和，并与参考基准值相比较。在采用监控FPGA回读完整的检测FPGA配置数据之前，首先进行帧地址寄存器(FAR)回读操作和状态(Status)寄存器的回读校验。帧地址寄存器测试和状态寄存器测试都成功通过后，开始进行器件内部寄存器数据回读。过程中对回读数据进行校验和对比，如果连续3次校验错误则判断FPGA发生了单粒子事件，从而重新加载检测FPGA。回读数据包含FPGA配置寄存器中所使用的配置比特，共6852480 bit，当配置寄存器发生1 bit 单粒子翻转时，则监控FPGA对检测FPGA程序重新加载，程序重新开始运行。系统中记录了检测FPGA每次重加载的时间，统计检测FPGA重加载的时间和次数，即可得到单粒子事件发生的时间和次数。

2 在轨单粒子翻转探测结果及分析

2.1 太阳平静期单粒子翻转率的实测与预示

在轨测试期间为2016年，如表1所示，在2016年1月1日至2016年12月31日共366天的时间内，该探测器在2颗MEO轨道卫星上分别发生了105 次和118 次单粒子翻转事件，在1颗IGSO轨道卫星上发生了123 次单粒子翻转事件。每颗星每个月发生的单粒子翻转次数最多为16 次，最少的仅有3次，次数变化范围较大，平均为9.6 次。如表2所示，由于遥测数据的统计率不同，因此修正单粒子翻转率分别约为0.517 次/(器件·天)、0.439 次/(器件·天)、0.457 次/(器件·天)。又由于试验所使用的配置存储器位数为6852480 bit，而XQR2V3000的配置存储器总共有7347524 bit，经换算得到XQR2V3000 FPGA配置存储器单粒子翻转率分别为0.554 次/(器件·天)、0.471 次/(器件·天)、0.491 次/(器件·天)，MEO轨道配置存储器单粒子翻转率取MEO轨道A和MEO轨道B的均值，为0.513 次/(器件·天)。可见MEO轨道与IGSO轨道的单粒子翻转率相当。

Virtex-II系列XQR2V3000配置存储单元重离子Weibull参数LET阈值为1 MeV·cm2/mg，器件重离子饱和翻转截面约为4.37×10-8cm2/bit[5]，饱和翻转截面较低。在此基础上，根据MEO卫星和IGSO卫星的轨道参数，探测器的实际等效铝屏蔽厚度6 mm，结合CREME96空间环境模型[9]，分别对太阳活动低年、太阳活动高年、耀斑增强最差一星期、耀斑增强最差一天、耀斑增强峰值(5 min平均)空间环境下的XQR2V3000配置存储器轨道翻转率进行了预测，如表3和表4所示。根据预计结果，在太阳活动低年，MEO轨道和IGSO轨道的单粒子翻转率分别为3.36 次/(器件·天)和3.43 次/(器件·天)。在太阳活动高年，MEO轨道和IGSO轨道的单粒子翻转率分别为1.22 次/(器件·天)和2.39 次/(器件·天)。由于从2008年10月起，太阳开始进入第24太阳活动周，2013年至2014年到达太阳活动峰值[10]，而2016年介于太阳活动低年和太阳活动高年之间。并且根据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)空间环境预报中心网站的数据显示[11]，在2016年全年，GEO卫星轨道仅发生了1次小太阳质子事件，即2016年1月2日，GEO轨道能量大于10 MeV 的质子通量为4.5×105Protons/(cm2·d·sr)。所以，2016年为太阳活动平静期，单粒子事件主要受重离子影响。如表5所示，对于2016年，取表3和表4中的太阳活动低年和太阳活动高年二者的单粒子翻转率均值，MEO轨道和IGSO轨道分别为2.29 次/(器件·天)和2.91 次/(器件·天)。与在轨实测的MEO轨道及IGSO轨道配置存储器单粒子翻转率0.513 次/(器件·天)以及0.491 次/(器件·天)相比，MEO轨道的实测结果为预测结果的22.4%，IGSO轨道实测结果为预测结果的16.9%，这与国外CFE卫星以及MRM载荷的在轨实测数据与预测数据的比例[6,8]相匹配。

表1 XQR2V3000 FPGA配置存储器单粒子翻转计数统计(2016年)Table 1 The statistics number of SEU of XQR2V3000 FPGA’s configuration memory (In 2016)

表2 XQR2V3000 FPGA配置存储器单粒子翻转率计算Table 2 The calculation of the SEU rate of the configuration memory of XQR2V3000 FPGA

表3 XQR2V3000 FPGA MEO轨道单粒子翻转率预计(轨道高度约21000 km，倾角55°)Table 3 XQR2V3000 FPGA MEO orbit SEU rate predictions (Altitude about 21000 km, inclination 55°)

表4 XQR2V3000 FPGA IGSO轨道单粒子翻转率预计 (轨道高度约36000 km，倾角55°)Table 4 XQR2V3000 FPGA IGSO Orbit SEU Rate Predictions (Altitude about 36000 km, inclination 55°)

表5 XQR2V3000配置存储器单粒子翻转率比较Table 5 The comparison of SEU rate of XQR2V3000 FPGA’s configuration memory

2.2 太阳平静期单粒子事件的频繁度

2颗MEO轨道卫星和1颗IGSO轨道卫星在一天内发生1～4次单粒子翻转事件的天数如表6所示，由表中数据可看出，1天内只发生1次单粒子事件的天数为41～46天，1天内发生2次单粒子事件的天数为22～35天，1天内发生3次单粒子事件的天数为3～5天，1天内发生4次单粒子事件的天数为0。说明单粒子事件比较分散，大部分时间1天内仅发生1次单粒子事件。

表6 单粒子翻转事件的频繁度(2016年)Table 6 The frequency of SEU event (in 2016)

2.3 太阳平静期单粒子事件翻转的空间分布

依据翻转事件发生的时刻及轨道根数，可以得到翻转事件的空间分布情况。图3至图5分别为3颗卫星单粒子翻转事件的星下点位置。同时统计了单粒子翻转事件随纬度变化的规律，如表7所示。在轨数据表明2颗MEO卫星的中纬度南北纬30°～55°范围内的单粒子翻转次数分别为67次和70次，低纬度南北纬0°～29°范围内的计数分别为38次和48次，前者远大于后者。对于IGSO轨道卫星，中纬度南北纬30°～55°范围内的单粒子翻转次数为64次，低纬度南北纬0°～29°范围内的计数为59次，二者相当，前者略大于后者。对于MEO轨道A、MEO轨道B、IGSO轨道三颗卫星，北纬0°～55°范围内的计数分别为55次、67次、65次，南纬0°～55°范围内的计数分别为50次、51次、58次，北半球的次数略大于南半球的次数。MEO轨道A卫星单粒子翻转事件星下点位于西经区域的为35 次，位于东经区域的为70 次，MEO轨道B卫星单粒子翻转事件星下点位于西经区域的为42 次，位于东经区域的为76 次，由此可见，对于MEO轨道卫星，星下点位于东经区域的次数明显大于位于西经区域的次数。IGSO轨道星下点轨迹为“8”字形，南北纬对称分布，由图5可以看出，单粒子翻转事件在IGSO轨道上近似于均匀分布。

表7 单粒子翻转次数纬度分布Table 7 The Latitude distribution of SEU number

图3 MEO轨道A卫星单粒子翻转事件空间分布Fig.3 The space distribution of SEU in MEO A orbit

图4 MEO轨道B卫星单粒子翻转事件空间分布Fig.4 The space distribution of SEU in MEO B orbit

图5 IGSO轨道卫星单粒子翻转事件空间分布Fig.5 The space distribution of SEU in IGSO orbit

2.4 2017年9月6日两次大太阳耀斑爆发后的单粒子事件统计

2017年9月6日，太阳爆发了两次太阳耀斑，到达峰值的时间分别是北京时间17∶10和20∶02，级别分别为X2.2和X9.3，后者是有史以来最耀眼的耀斑。统计了9月5日至13日3颗星探测器的单粒子翻转时刻，时间均为北京时间，如表8所示。从中可以得到每天的翻转数。

在9月6日17∶10太阳爆发耀斑之后，由表中可以看出，约在9月11日1∶30开始，即102 h后，三颗卫星均发生了频繁的单粒子翻转事件，在9月11日，MEO轨道A卫星、MEO轨道B卫星、IGSO轨道卫星分别发生2次、3次、5次单粒子翻转，相邻两次的最小时间间隔为0.3 h，间隔时间短，比较频繁。根据NOAA空间环境预报中心网站的数据[12]，在9月11日，GEO轨道质子通量最大，超过10 MeV的质子通量为9.4×107Protons/(cm2·d·sr)。与本文统计的单粒子事件在9月11日达到峰值相吻合。

3 结 论

本文利用一种FPGA配置存储器单粒子翻转事件的监测方法，对2颗MEO卫星以及1颗IGSO卫

表8 太阳耀斑爆发期间的单粒子翻转时刻Table 8 The time of SEU of the configuration memory during the solar flares burst

星在2016年太阳活动平静期以及2017年9月6日太阳耀斑爆发期间所监测的单粒子翻转次数进行统计分析，得到以下结论：

1)在太阳活动平静期，设备等效铝屏蔽厚度为6 mm的情况下，处于MEO轨道和IGSO轨道的XQR2V3000配置存储器单粒子翻转率分别为0.513 次/(器件·天)和0.491 次/(器件·天)，分别为CREME96模型预测结果的22.4%和16.9%，这与国外CFE卫星以及MRM载荷的在轨实测数据与预测数据的比例相匹配。

2)在太阳耀斑爆发期间，MEO与IGSO轨道单粒子翻转率分别上升为2.5 次/(器件·天)和5 次/(器件·天)，比平静期高了一个数量级。

3)MEO轨道卫星单粒子翻转事件空间分布，东经区域明显大于西经区域，中纬度区域明显大于低纬度区域，对于IGSO轨道卫星中纬度区域与低纬度区域数量相近。

试验所得的单粒子翻转率可为相同轨道卫星电子设备单粒子翻转率的预示提供有效的参考。