CC BY
35
Исследование влияния факторов космического пространства на бортовую радиоэлектронную аппаратуру по результатам эксперимента на космическом аппарате «Можаец»
ЯР. Горшков, Г.В. Кремез, Н.В. Михеев Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Санкт-Петербург, Российская Федерация gvkremez@mail.ru
Аннотация. Показана целесообразность проведения натурных экспериментов (в том числе космических) для создания и совершенствования интеллектуальных автоматических и автоматизированных систем, а также использования экспериментальных данных в учебном процессе вуза. Изложена постановка натурных экспериментов, проведенных ВКА им. А.Ф. Можайского на космических аппаратах «Можаец-3» и «Можаец-4», по исследованию работоспособности микросхем генераторов тактовых импульсов и памяти в условиях влияния факторов космического пространства.
На Землю передаются параметры: информация о работоспособности комплекса «Призма-2» перед каждым включением и число отказов испытываемых микросхем за период включения, напряжение на выходе вторичного источника питания, накопленная доза ионизирующего излучения за время полета КА, температура в блоках с микросхемами. Путем анализа значений параметров микросхем определяется работоспособность испытываемых приборов в зависимости от уровня внешних воздействий, оцениваемых по информации от датчиков дозы и температуры.
Приведены экспериментальные данные по числу отказов микросхем. Получены математические выражения, позволяющие прогнозировать количество отказов и, как следствие, определять уровень рационального резервирования бортовой аппаратуры. Намечены пути развития экспериментальных исследований в рассмотренной предметной области.
Ключевые слова: космический эксперимент, бортовая аппаратура, надежность, ионизирующее излучение, число отказов микросхем.
Введение
Интеллектуальные технологии на транспорте развиваются в ногу со временем. На данный момент человек-оператор некоторые свои функции перекладывает на интеллектуальные системы. Поэтому одной из задач внедряемых технологий является поддержка принятия решений [1]. Важными аспектами в этом направлении являются [2]:
• контроль состояния бортового оборудования;
• повышение надежности системы;
• эффективное использование ресурсов, затрачиваемых на функционирование системы;
• решение проблем, связанных с ошибками и отказами в работе бортовой системы транспортных средств, в режиме реального времени;
• применение методов резервирования.
Бортовая система играет важнейшую роль на протяжении всего жизненного цикла транспортных средств. Следовательно, ей необходимо уделять особое внимание.
Аналогичная задача стоит и перед теми, кто занимается контролем и обеспечением процесса использования по целевому назначению космических аппаратов (КА), несмотря на то, что средой их функционирования является космическое пространство [3].
Цели и задачи экспериментальных исследований
Оценивание технического ресурса космического аппарата (КА) в процессе его эксплуатации является сложной задачей [4-6]. Расчет и моделирование в наземных условиях с достаточной точностью влияния на бортовую аппаратуру комплекса многочисленных факторов космического пространства (ионизирующих излучений, вакуума, перепадов температуры, электризации и др.) не представляется возможным из-за высокой сложности этого процесса.
Разработка технических решений, обеспечивающих увеличение ресурса бортовой аппаратуры, связана с проведением натурных экспериментов [7]. Они позволяют эмпирическим путем интегрально оценить результаты одновременного воздействия на аппаратуру многообразия факторов космического пространства [8, 9].
Помимо научной и практической значимости экспериментальные исследования важны для решения задач обучения в вузе. В учебном процессе Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского рассматриваются методики, комплексирующие испытания в космосе, на Земле, математическую обработку их результатов, а также моделирование.
В частности, такой подход реализуется в рамках специальности 230106 «Применение и эксплуатация автоматизированных систем» (специализация «Эксплуатация вычислительных машин, комплексов, систем и сетей»). При этом математическое образование обучающихся совершенствуется в ходе изучения дисциплин «Моделирование и проектирование систем», «Надежность автоматизированных систем», «Эксплуатация автоматизированных систем», а также при подготовке выпускной квалифика-
ционной работы в рамках Государственной итоговой аттестации.
Экспериментальные исследования проводятся на базе учебно-исследовательских малых космических аппаратов «Можаец-3» (запуск состоялся 28 ноября 2002 года) и «Можаец-4» (запуск состоялся 27 сентября 2003 года) с использованием комплексов научной аппаратуры «Приз-ма-1» и «Призма-2». КА «Можаец-3», «Можаец-4» функционируют на орбитах, близких к круговым, высотой около 700 км, наклонением 86°.
Проводимые экспериментальные исследования предполагают разработку предложений, направленных на решение задачи увеличения длительности активного функционирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) отечественных КА до десяти лет и более. При этом рассматривается возможность обеспечения исправного функционирования электронной компонентной базы (ЭКБ) в условиях комплексного воздействия факторов космического пространства, разгерметизации приборного отсека КА или за его пределами.
Исследование работоспособности генераторов тактовых импульсов
Комплекс научной аппаратуры «Призма-1» [10] обеспечивает испытания трех генераторов тактовых импульсов. Каждый из них расположен в отдельном блоке электронных приборов (БЭП 1, 2 и 3) с толщиной корпуса 1, 2 и 3 мм соответственно. Блоки размещены на внешней поверхности космического аппарата (КА) между панелями солнечных батарей. Рядом с испытываемой аппаратурой установлены два блока с датчиками внешних воздействий (температуры, ионизирующих воздействий). Перечисленные блоки подключены к блоку сопряжения комплекса (БС), расположенному в приборном отсеке КА. Он связан с бортовым комплексом управления, системами телеметрии и энергоснабжения КА. Внешний вид комплекса научной аппаратуры «Призма-1» приведен на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид комплекса научной аппаратуры «Призма-1»
По каналам телеметрии получено и обработано свыше 150 000 значений оцениваемых параметров комплекса «Призма-1». определяющим телеметрическим параметром комплекса «Призма-1» является амплитуда выходного напряжения каждого из трех испытываемых генераторов. За время функционирования отмечается незначительная
деградация электрических параметров испытываемых генераторов прямоугольных импульсов (в пределах 5 %). Периодичность изменения амплитуды выходного напряжения вторичного источника питания составляет около 100 минут. Период изменения температуры на борту КА равен приблизительно 100 минутам.
Значения температуры хорошо коррелируют с напряжением вторичного источника питания. Ни верхние, ни нижние значения выходного напряжения всех блоков не вышли за допустимые пределы. При этом полагалось, что значения амплитуды выходного напряжения для каждого генератора в исправном состоянии находятся в диапазоне 3,0+0,2 В. Пример диаграммы среднего отклонения амплитуды выходного напряжения комплекса «Призма-1» представлен на рис. 2.
I 0.02
4
ш
,—
и «г-
Бремя
|КБЭП< сбэп; :)ЕЗп:
Рис. 2. Диаграмма среднего отклонения амплитуды выходного напряжения комплекса «Призма-1» в зависимости от длительности функционирования экспериментальной аппаратуры
Исходными данными для прогнозирования на основании математического анализа статистических данных о работе бортовой аппаратуры являются вектор моментов измерений (включения аппаратуры) /0, /2, ... (п-\, 1„ и вектор значений определяющего телеметрического параметра у (амплитуды) на этих интервалах времени {у,}, , = 0, 1, ..., п. В качестве математического аппарата использовались известные методы аппроксимации или приближения функциональной зависимости к изменению значений определяющих параметров.
Получены уравнения, аппроксимирующие процесс деградации амплитуды выходного напряжения генераторов каждого из трех блоков в зависимости от времени функционирования следующего вида:
А №ых(0 = а t + А Uвых0, (1)
где Аивых(0 - значение амплитуды в момент времени ^ А ивых0 - при первом включении.
с учетом выражения (1) уравнения для блоков 1-3 с испытываемыми изделиями записываются соответственно:
для первого блока
Аивых = 0,00000214 t + 2,94246437; (2)
для второго блока
Аивых = -0,00000062 t + 2,91151035; (3)
для третьего блока
Аивых = -0,00000301 t + 2,90724837. (4)
В результате получены зависимости, описывающие деградацию генераторов прямоугольных импульсов по амплитуде выходного напряжения при функционировании в условиях внутреннего естественного радиационного пояса Земли вне герметичного отсека КА.
Исследование работоспособности микросхем памяти
Комплекс научной аппаратуры «Призма-2» предназначен для испытания микросхем оперативной памяти компьютеров [11]. В составе комплекса «Призма-2» испытаны микросхемы статического оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), выполненные по КМОП-технологии. Данные микросхемы являются изделиями отечественной электронной промышленности высокой степени интеграции (каждая содержит около 445 500 элементов).
Внешний вид аппаратуры приведен на рис. 3. Комплекс содержит размещаемые на внешней поверхности КА аналогично комплексу «Призма-1»: четыре блока с четырьмя микросхемами оперативной памяти 537РУ16 (блоки черного цвета в правом верхнем углу на рис. 3).
Рис. 3. Внешний вид комплекса научной аппаратуры «Призма-2»
Датчики температуры и накопленной дозы расположены совместно с испытываемой микросхемой памяти в одном из блоков. Блоки имеют толщину корпуса 1, 2 (два блока) и 3 мм. В приборном отсеке КА расположен блок согласования с бортовым комплексом управления (блок белого цвета слева на рис. 3), обеспечивающий тестирование испытываемых микросхем и передачу контролируемых параметров в систему телеметрии. Кроме того, в состав комплекса «Призма-2» входит не устанавливаемый на борту КА пульт наземного контроля, посредством которого осуществляется автономная проверка работоспособности экспериментальной аппаратуры.
При проведении экспериментальных исследований микропроцессорный блок согласования записывает в ячейки памяти испытываемых микросхем тестовые коды (все нули, все единицы, шахматный код), затем считывает содержимое ячеек и сравнивает с эталонными значениями. Количество несовпадений подсчитывается и фиксируется как число отказов микросхем.
Через систему телеметрии на Землю передаются следующие параметры: информация о работоспособности комплекса «Призма-2» перед каждым включением (слово
состояния процессора блока согласования) и число отказов испытываемых микросхем за период включения, напряжение на выходе вторичного источника питания аппаратуры, накопленная доза ионизирующего излучения за время полета КА, температура в блоках с испытываемыми микросхемами.
Путем анализа переданных значений параметров микросхем определяется работоспособность испытываемых приборов в зависимости от уровня внешних воздействий, оцениваемых по информации от датчиков дозы и температуры. Частота измерения параметров испытываемых приборов (включения комплекса) определяется этапом их эксплуатации (динамикой изменения параметров).
За время полета космического аппарата «Можаец-4» испытываемые блоки проработали в активном режиме более 400 часов. По каналам телеметрии получены и проанализированы более 20 000 значений оцениваемых параметров. Отмечается устойчивое функционирование комплекса научной аппаратуры «Призма-2». Микросхемы во втором и четвертом блоках работали стабильно. Минимальное число правильно срабатывавших ячеек памяти превышало 40 % и с октября 2003 года по май 2004 года уменьшилось на 15 %. Цепи обращения к испытываемым микросхемам первого и третьего блоков работали неустойчиво (их удавалось включить не более 500 раз), поэтому результаты функционирования памяти в этих блоках в дальнейшем не рассматривались.
Определяющим телеметрическим параметром комплекса «Призма-2» является среднее число работоспособных байтов (ячеек памяти) в процентах от их общего числа за интервал измерения, а также значения выходного напряжения дозиметра. Для аппроксимации зависимости доли исправных ячеек от времени пребывания КА на орбите использован многочлен второго порядка. Параметры функционирования комплекса на интервале 0-30 000 часов представлены на рис. 4.
Рис. 4. Зависимости процентной доли исправных ячеек ОЗУ от времени пребывания КА на орбите
Доля исправных ячеек, бывших работоспособными в момент проведения первого измерения, аппроксимируется функцией
~а) = -1,9548-10 12 - 3,1108-10 61 +1. (5)
В условиях эксперимента в качестве параметра потока отказов принимается производная по времени доли ис-
правных ячеек памяти с обратным знаком, в результате чего для временного интервала проведения эксперимента получены плотность распределения отказов, 1/ч,
/ (^ = е-1-5610 1 (3,91 • 10 "п г + 3,11 • 10 ~6) (6) и интенсивность отказов, 1/ч, X^) = 3,113 • 10"6 + 3,847 • 10"111 + 1,675 • 10~1612. (7)
Коэффициент корреляции между параметрами работы различных блоков равен 0,96, т. е. колебания их параметров в значительной степени взаимосвязаны, что свидетельствует о воздействии на устойчивость функционирования электронных изделий внешних факторов.
Для обобщенного оценивания надежности электронной компонентной базы, функционирующей в составе БВС в условиях, близких к условиям проведения экспериментов с КА серии «Можаец», целесообразно представить (7) в виде
Х^) = Х 0(1 +1,236 -10~51 + 5,381 -Ш"1112), Х0 =Х(0). (8)
Таким образом формализованы зависимости интенсивности потоков отказов для ячеек ОЗУ при их работе в условиях полета КА «Можаец-4».
На основе обработки и анализа экспериментальных данных от комплексов «Призма-1, 2» получена информация о характере функционирования электронных изделий в условиях воздействия факторов космического пространства, позволившая построить модели потоков отказов электронных компонентов перспективных БВС.
Выводы
Испытания показали возможность длительной работы типовых электронных компонентов на борту КА в негер-метизированных блоках. При этом микросхемы с невысокой степенью интеграции функционировали с единичными сбоями. Большие (сверхбольшие) интегральные микросхемы работали со сбоями в течение каждого интервала включения. обеспечение надежности устройств на их основе возможно посредством реализации методов резервирования. Значительный временной интервал проведения экспериментов и объем опытных данных позволили сделать вывод о возможности и целесообразности использования полученных результатов при оценивании технических характеристик перспективных бортовых вычислительных систем КА, обладающих сроками активного существования до десяти лет.
Дальнейшая разработка предложений по рациональному построению бортовых вычислительных средств КА требует использования перспективных компонентов [12, 13] и, как следствие, постановки новых космических экспериментов [14], например, на борту Международной космической станции (МКС). Высокий качественный уровень такого космического эксперимента связан с уникальными возможностями по проведению экспериментов на борту МКС с участием ее экипажа, а также возможностью возвращения объектов испытания из космоса.
Результаты эксперимента могут иметь широкое применение для интеллектуальных систем, используемых на транспорте. Аппаратно-программный комплекс (АПК) диагностики и принятия решений может существенно модернизировать подвижной состав многих транспортных систем. АПК имеет в своей структуре два компонента:
систему поддержки принятия решения и систему самодиагностики.
Методика прогнозирования сбоев и отказов бортовой аппаратуры, разработанная по результатам проекта, является базой для построения системы поддержки принятия решений. Эта система сможет в автоматическом режиме осуществлять поиск неисправностей и предупреждать их, при этом выдавая необходимую информацию оператору.
Опыт съема телеметрической информации может применяться в системе самодиагностики. Данные, получаемые этой системой, будут направляться в систему поддержки принятия решения, что образует единый комплекс.
Литература
1. Moore, Robert C. Autonomous Safeing and Fault Protection for the New Horisons Mission to Pluto: The Johns Hopkins University Applied Physic Laboratory, Laurel, Maryland, USA, 57th, International Astronautical Congress, Valencia, Spain, 2006.
2. ECSS-E-ST-10-04C Space engineering. Space environment. - Secretariat ESA-ESTEC Requirements & Standards Division Noordwijk, The Netherlands. - 2008. - P. 198.
3. OSACR: A compact, powerful and versatile On Board Computer based on LEON3 Core / Poupat, Gean-Luc; Lefe-vre, Aurelien; Koebel, Franck: Data Systems in Aerospace, DASIA 2011 Conference, 2011, San Anton, Malta.
4. Макриденко Л.А. Обзор космических факторов, влияющих на эксплуатационные характеристики низкоорбитальных спутников / Л.А. Макриденко, В.Я. Геча, Н.И. Сидняев, В.В. Онуфриев // Проблемы создания и применения малых космических аппаратов и робототех-нических средств: труды Всероссийской научно-практической конференции. Т. 2. - СПб., 2016.- С. 234239.
5. Пичхадзе К.М. Расчет локальных поглощенных доз с учетом реальной конфигурации космического аппарата / К.М. Пичхадзе, Н.М. Хамидуллина, И.В. Зефиров // Космические исследования. - 2006. - Т. 44, № 2. - С. 179-182.
6. Никифоров А.Ю. Заблуждения и реальность в области оценки радиационной стойкости электронной компонентной базы // Спецтехника и связь. - 2011. - № 4. - С. 63-67.
7. Galileo GIOVE-A MEORAD Results and Analysis /
B.Taylor, C.Underwood, et al. // IEEE Transactions On Nuclear Science. - 2008. - Vol. 55. - № 6.
8. Полесский С. Обеспечение радиационной стойкости аппаратуры космических аппаратов при проектировании /
C. Полесский, В. Жаднов, М. Артюхова [и др.] // Компоненты и технологии. - 2010. - № 9. - С. 93-98.
9. Koebel, Franck; Coldefy, Jean-Francois. SCOC3: a space computer on a chip An example of successful development of a highly integrated innovative ASIC: Microelectronics Presentation Days ESA/ESTEC, 2010, Noordwijik, Netherlands.
10. Басыров А.Г. Повышение устойчивости функционирования бортовых вычислительных систем по результатам космических экспериментов / А.Г. Басыров, В. А. Гонча-ренко, В.С. Забузов, Г.В. Кремез, К.А. Эсаулов //Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2009. -Т. 52. - № 4. - С. 70-74.
11. Захаров И.В. Построение бортовых вычислительных систем с учетом результатов испытаний элементной базы в условиях космического пространства / И.В. Захаров, Г.В. Кремез // Научное обозрение. - Саратов : ООО «Буква», 2014. - Вып. 2. - С.176-179.
12. http://nepp.nasa.gov/MRAM technology status, Flash memory reliability (дата обращения 01.09.2018).
13. Single-event upset in flash memories / Nichols D., Schwartz H. // IEEE Trans. Nuclear Sci. - 1997. - Vol. 44. -№ 6. - Pp. 2215-2324.
14. Петров А.Г. Исследования потери информации в микросхемах флэш-памяти в активном и пассивном режимах при ионизирующем воздействии / А.Г. Петров, А.В. Уланова, А.И. Чумаков, А.Л. Васильев // Радиационная стойкость электронных систем. Стойкость-2014. - 2014. -Вып. 17. - С. 175-176.
Study of the Influence of Space Factors on the Onboard Radio-Electronic Equipment Based on the Results of Experiment on the Spacecraft
«Mozhaets»
Y.R. Gorshkov, G.V. Kremez, N.V. Miheev A.F. Mozhaisky Military Aerospace Academy St. Petersburg, Russia gvkremez@mail.ru
Abstract. The expediency of carrying out full-scale experiments (including space ones) for creating and improving intellectual automatic and automated systems, as well as using experimental data in the educational process of the university, is shown. Presented setting field experiments conducted by the GCA them. A.F. Mozhaisky on the spacecraft "Mozhaets-3" and "Mozhaets-4", to study the performance of the microcircuits of the clock and memory generators under the influence of space factors.
The following parameters transmitted to the Earth: information on the working capacity of the prism-2 complex before each switch-on and the number of failures of the tested chips during the switch-on period, the output voltage of the secondary power source, the accumulated dose of ionizing radiation during the SPACECRAFT flight, the temperature in the blocks with chips. By analyzing the values of the chip parameters, the efficiency of the tested devices is determined depending on the level of external influences, estimated from the information from the dose and temperature sensors.
The experimental data on the number of microcircuit failures are given. Mathematical expressions been obtained that make it possible to predict the number of failures and, as a result, to determine the level of rational redundancy of the onboard equipment. Outlined the way for the development of experimental research in the considered subject area.
Keywords: space experiment, onboard equipment, reliability, ionizing radiation, number of microcircuit failures.
References
1. Moore, Robert C. Autonomous Safeing and Fault Protection for the New Horisons Mission to Pluto: The Johns Hopkins University Applied Physic Laboratory, Laurel, Maryland, USA, 57th, International Astronautical Congress, Valencia, Spain, 2006.
2. ECSS-E-ST-10-04C Space engineering. Space environment. - Secretariat ESA-ESTEC Requirements & Standards Division Noordwijk, The Netherlands. - 2008. -P. 198.
3. OSACR: A compact, powerful and versatile On Board Computer based on LEON3 Core / Poupat, Gean-Luc; Lefe-vre, Aurelien; Koebel, Franck: Data Systems in Aerospace, DASIA 2011 Conference, 2011, San Anton, Malta.
4. Makridenko L.A., Gecha V. Y., Sidnyaev N.I., Onufriev V.V. Review of space factors affecting the performance of low-orbit satellites [Obzor kosmicheskih faktorov vliyayushchih na ehkspluatacionnye harakteristiki nizkoorbitalnyh sputnikov] /
Problems of creation and application of small spacecraft and robotics: proceedings of the all-Russian scientific and practical conference [Problem sozdaniya i primeneniya malyh kosmich-eskih apparatov i robototekhnicheskih sredstv trudy vserossijskoj nauchno prakticheskoj konferencii]. SPb, 2016, vol. 2, pp. 234239.
5. Pichkhadze K.M., Hamidullina N.M., Zefirov I.V. Calculation of local absorbed doses taking into account the actual configuration of the spacecraft [Raschet lokalnyh pogloshchennyh doz s uchetom realnoj konfiguracii kosmicheskogo apparata] / Space research [Kosmicheskie issledovaniya]. 2006, vol. 44, no. 2, pp. 179-182.
6. Nikiforov A.Y. Misconceptions and reality in the field of evaluation of radiation resistance of electronic component base [Zabluzhdeniya i realnost v oblasti ocenki radiacionnoj stojkosti ehlektronnoj komponentnoj bazy] / Special equipment and communication [Spectekhnika I svyaz]. 2011, no. 4, pp. 63-67.
7. Galileo GIOVE-A MEORAD Results and Analysis / B.Taylor, C.Underwood, et al. // IEEE Transactions On Nuclear Science. - 2008. - Vol. 55. - № 6.
8. Ensuring radiation resistance of spacecraft equipment in the design [Obespechenie radiacionnoj stojkosti apparatury kos-micheskih apparatov pri proektirovanii] / S. Polesskij, V. Zhad-nov, M. Artyuhova [i dr.] // Components and technologies [Komponenty i tekhnologii]. - 2010, no. 9, Pp. 93-98.
9. Koebel, Franck; Coldefy, Jean-Francois. SCOC3: a space computer on a chip An example of successful development of a highly integrated innovative ASIC: Microelectronics Presentation Days ESA/ESTEC, 2010, Noordwijik, Netherlands.
10. Basyrov A.G., Goncharenko V.A., Zabuzov V.S., Kremez G.V., Ehsaulov K.A. Increase of stability of functioning of onboard computer systems by results of space experiments [Pov-yshenie ustojchivosti funkcionirovaniya bortovyh vychislitelnyh system po rezultatam kosmicheskih ehksperimentov] / News of higher educational institutions. Instrument making [Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Priborostroenie]. - 2009, vol. 52, no. 4, pp. 70-74.
11. Zaharov I.V., Kremez G.V. Construction of onBoard computing systems taking into account the results of tests of the element base in space [Postroenie bortovyh vychislitelnyh system s uchetom rezultatov ispytanij ehle-mentnoj bazy v usloviyah kosmicheskogo prostranstva] / Scientific review [Nauchnoe obozrenie]. - Saratov: OOO «Bukva», 2014, no. 2, pp.176-179.
12. http://nepp.nasa.gov/MRAM technology status, Flash memory reliability (accessed 1 Sept. 2018).
13. Single-event upset in flash memories / Nichols D., Schwartz H. // IEEE Trans. Nuclear Sci. - 1997. - Vol. 44. -№ 6. - Pp. 2215-2324.
14. Petrov A.G., Ulanova A.V., Chumakov A.I., Vasilev A.L. The study of information loss in the circuits of flash memory in active and passive modes, when exposed to ionizing [Issledovani-ya poteri informacii v mikroskhemah flehsh pamyati v aktivnom i passivnom rezhimah pri ioniziruyushchem vozdejstvii] / Radiation resistance of electronic systems. «Durability-2014» [Radiacion-naya stojkost ehlektronnyh system. «Stojkost-2014»]. - 2014, vol. 17, Pp. 175-176.
