СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧНОСТИ КОНТРОЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ПРИ ФУНКЦИОНИРОВАНИИ В РАДИАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА НА СОЛНЕЧНО-СИНХРОННОЙ ОРБИТЕ
METHOD OF DETERMINING PERIODICITY OF INSPECTING RANDOM ACCESS MEMORY DURING OPERATION IN RADIATION CONDITIONS OF COSMIC SPACE ON SUN-SYNCHRONOUS ORBIT

«Область техники, к которой относится изобретение»
Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники, функционирующей в радиационных условиях космического пространства, и может быть использовано для повышения эффективности функционирования бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ) низкоорбитальных космических аппаратов (КА), функционирующих на солнечно-синхронной орбите, в процессе их применения по целевому назначению.
«Уровень техники»
Известны способы определения периодичности контроля оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) бортовой цифровой вычислительной машины в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства, приводящего к перемежающимся и устойчивым отказам в работе интегральных микросхем оперативного запоминающего устройства из-за генерации электронно-дырочных пар вдоль трека высокоэнергетической ядерной частицы в полупроводниковой подложке.
Под контролем ОЗУ понимаются мероприятия, связанные с функциональным тестированием интегральных микросхем с целью выявления перемежающихся отказов ячеек памяти, а также перезагрузкой БЦВМ в случае, если количество перемежающихся отказов ячеек памяти ОЗУ превысит допустимое.
Один из известных способов приведен в источнике: Гобчанский О.П. Устойчивость IBM PC совместимых контроллеров к радиационным сбоям на орбитах космических аппаратов. / О.С.Гобчанский, Н.В.Кузнецов // Современные технологии автоматизации. - 2005. - №3. - С.46-51. В соответствии с изложенным подходом предполагается проводить перезагрузку ОЗУ, не дожидаясь проявления перемежающегося отказа. Данные мероприятия проводятся перед ответственными работами, связанными с выполнением космическим аппаратом целевых задач, после прохождения КА участков с повышенным радиационным фоном, а также с определенной периодичностью (явно не заданной).
Недостатком этого способа является отсутствие обоснования в определении периодичности контроля оперативного запоминающего устройства, в зависимости от радиационных условий функционирования. Данный недостаток снижает эффективность использования БЦВМ, в состав которой входит оперативное запоминающее устройство, по целевому назначению в результате потери времени на проведение операций контроля с необоснованно заданной периодичностью, поскольку периодичность проведения указанных операций напрямую связана с изменением радиационных условий функционирования БЦВМ и не может являться постоянной величиной.
Наиболее близкий способ по отношению к предлагаемому изложен в источнике: Козлов Д.И. Управление космическими аппаратами дистанционного зондирования Земли. Компьютерные технологии / Д.И.Козлов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1998. - 367 с. Приводится обоснование периодичности проверок БЦВМ и ее составных элементов, включая оперативное запоминающее устройство, в процессе заводских испытаний космического аппарата. В частности, в предположении об экспоненциальном законе распределения отказов представлена формула для определения относительного периода контроля БЦВМ
БВС
где Т - период контроля БЦВМ;
N - общее число элементов в БЦВМ;
ср
λ - средняя интенсивность отказов элементов;
n
Т - продолжительность контроля БЦВМ.
Поскольку интегральные микросхемы ОЗУ являются наименее надежными элементами БЦВМ ввиду их наибольшей степени интеграции, исходя из формулы (1), определяется частная формула для контроля оперативного запоминающего устройства
ОЗУ
где T - период контроля оперативного запоминающего устройства;
имс
N - общее число интегральных микросхем в оперативном запоминающем устройстве;
- средняя интенсивность отказов интегральных микросхем ОЗУ;
n
T - продолжительность контроля оперативного запоминающего устройства.
Однако известный способ имеет следующий недостаток. Практика испытаний и эксплуатации БЦВМ низкоорбитальных космических аппаратов, функционирующих на солнечно-синхронной орбите, показала, что интенсивность перемежающихся отказов существенно выше устойчивых. Поэтому использование в качестве показателя среднего значения интенсивности отказов интегральных микросхем ОЗУ, определяемого по результатам эксплуатации БЦВМ в процессе применения космического аппарата по целевому назначению, не обеспечивает оперативность прогноза состояния ОЗУ на заданный интервал функционирования в целях определения времени его контроля.
«Раскрытие изобретения»
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности функционирования резервированной бортовой цифровой вычислительной машины низкоорбитальных космических аппаратов, функционирующих на солнечно-синхронной орбите, за счет снижения временных затрат на контроль и (или) восстановление работоспособности ОЗУ из состава БЦВМ в случае возникновения перемежающихся отказов ячеек памяти в ОЗУ.
Указанный технический результат достигается за счет применения в известном способе адаптивной стратегии контроля ОЗУ и учете дополнительных условий осуществления операций контроля оперативного запоминающего устройства БЦВМ, полученных в результате натурного эксперимента по испытанию интегральных микросхем статического оперативного запоминающего устройства в условиях космического пространства.
Эффективность функционирования БЦВМ в условиях космического пространства характеризуется устойчивостью оперативного запоминающего устройства к воздействию ионизирующих излучений высокоэнергичных протонов и определяется временем активного функционирования БЦВМ в интересах решения целевой задачи космическим аппаратом. Реализация адаптивной стратегии контроля ОЗУ при учете дополнительных условий функционирования интегральных микросхем памяти оперативного запоминающего устройства, полученных в результате натурного космического эксперимента, позволяет своевременно определить время рестарта (перезагрузки) БЦВМ и избежать необходимых временных затрат на поиск и установление неисправности в космическом аппарате и тем самым минимизировать время восстановления работоспособности БЦВМ и космического аппарата в целом.
«Краткое описание чертежей»
На фиг.1 представлен график изменения интенсивности отказов испытываемых интегральных микросхем ОЗУ 537РУ16Б за весь период проведения эксперимента на космическом аппарате «Можаец-4» (с января 2004 года по сентябрь 2007 года).
На фиг.2 представлены графики изменения среднего отклонения интенсивности отказов ячеек интегральной микросхемы ОЗУ и мощности дозы протонного излучения на интервале усреднения 4 суток, построенные по результатам экспериментальных данных.
«Осуществление изобретения»
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующей последовательности действий и условиях их проведения:
1. С использованием известного соотношения оценивают радиационные условия функционирования для оперативного запоминающего устройства БЦВМ с учетом толщины защитных экранов
Dpx
где Р(t) - мощность дозы протонов на заданный момент времени t за слоем защиты толщиной х;
-8
k - коэффициент перехода от потока к дозе, k=1,6·10;
t
p
http://ngdc.noaa.gov;
φ(E, t) - плотность потока протонов с энергией больше Е на заданный момент времени t, определяемая на основании данных, полученных с космических аппаратов серии «POES», функционирующих на солнечно-синхронной орбите, и опубликованных на официальном сайте Национального Центра геофизических данных США
p
p
-1
-0,73
S(E) - удельные потери для протонного излучения в поглощающей среде, МэВ·см, определяемые с использованием известного соотношения S(E)=83050,27E;
1
Е - нижний предел интегрирования, определяемый пороговой энергией протонов, проходящих через слой защиты толщиной х;
2
Е - верхний предел интегрирования, определяемый максимально возможным значением энергий протонов, идентифицируемых бортовой аппаратурой космических аппаратов серии «POES».
Допускается также использовать для определения радиационных условий функционирования БЦВМ другие источники объективной информации. Использование данных с космических аппаратов серии «POES» обосновывается наличием орбитальной группировки из 4 космических аппаратов, что обеспечивает высокую достоверность результатов.
2. Определяют интенсивность перемежающихся отказов ячеек памяти в интегральных микросхемах ОЗУ в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства на основании результатов натурного космического эксперимента по испытанию интегральных микросхем статического оперативного запоминающего устройства 537РУ16Б за защитой алюминиевым корпусом толщиной 1 мм, 2 мм, 3 мм на космическом аппарате «Можаец-4», радиационные условия для которого (высота орбиты около 680 км и наклонение 98°) соответствуют условиям работы бортовых вычислительных систем низкоорбитальных космических аппаратов, функционирующих на солнечно-синхронной орбите, с использованием полученных эмпирических соотношений.
2.1. Определяют интенсивность перемежающихся отказов ячеек памяти в интегральных микросхемах ОЗУ в зависимости от календарного времени функционирования:
для интервала оценки в 30 суток
где  - интенсивность перемежающихся отказов ячеек в интегральной микросхеме ОЗУ для интервала прогнозирования в 30 суток;
i - номер календарного месяца; ;
для интервала оценки в 1 сутки
где λ(i) - интенсивность перемежающихся отказов ячеек в интегральной микросхеме ОЗУ для интервала прогнозирования в 1 сутки;
i - номер календарного дня в году; .
Корректность полученных эмпирических формул (4)-(5) подтверждается графиком изменения интенсивности отказов испытываемых интегральных микросхем ОЗУ 537РУ16Б за весь период проведения эксперимента (с января 2004 года по сентябрь 2007 года), представленном на фиг.1. В результате натурного космического эксперимента установлено, что изменение интенсивности перемежающихся отказов ячеек памяти ОЗУ имеет циклический сезонный характер: минимум приходится на январь, максимум - на июль месяц.
2.2. Определяют среднее отклонение интенсивности перемежающихся отказов ячеек памяти интегральных микросхем ОЗУ в зависимости от мощности дозы протонного излучения
где  - зависимость среднего отклонения интенсивности перемежающихся отказов ячеек памяти интегральной микросхемы ОЗУ от мощности дозы протонного излучения на интервале усреднения Δt=4 суток;
- мощность дозы протонного излучения с учетом задержки воздействия ионизирующего излучения на интегральную микросхему τ.
Корректность формулы (6), полученной в ходе оценки результатов эксперимента с использованием известного метода регрессионного анализа, подтверждается графиками изменения среднего отклонения интенсивности отказов ячеек памяти интегральной микросхемы ОЗУ и мощности дозы протонного излучения на интервале усреднения 4 суток, построенными по результатам экспериментальных данных и представленными на фиг.2. Экспериментально установлена задержка воздействия ионизирующего излучения на интегральную микросхему τ, которая составляет 4-8 суток.
Использование в качестве характеристики качества функционирования ОЗУ среднего отклонения интенсивности отказов ячеек памяти ОЗУ обусловлено известным свойством постепенного накопления суммарного заряда, собранного из ионизационного трека носителей, для образования перемежающегося отказа ячейки памяти.
2.3. Значение интенсивности перемежающихся отказов ячеек памяти ОЗУ, функционирующего в условиях космического пространства, определяют с использованием соотношения
где  - зависимость интенсивности перемежающихся отказов ячеек памяти интегральной микросхемы ОЗУ от мощности дозы протонного излучения;
- среднее значение интенсивности перемежающихся отказов ячеек памяти интегральной микросхемы ОЗУ в зависимости от выбранного интервала оценки;
- среднее отклонение интенсивности отказов ячеек памяти интегральной микросхемы ОЗУ на интервале усреднения Δt=4 суток.
3. С использованием соотношения (2) определяют периодичность контроля оперативного запоминающего устройства БЦВМ низкоорбитального космического аппарата, функционирующего на солнечно-синхронной орбите.
ср
Ω
Достижение заявляемого технического результата поясняется на примере низкоорбитального космического аппарата наблюдения, функционирующего на околокруговой солнечно-синхронной квазигеосинхронной орбите с параметрами: высота орбиты Н - 730÷740 км; наклонение i - 98,3°; драконический период обращения T - 99,32 мин.
Предположим, что оперативное запоминающее устройство бортовой цифровой вычислительной машины объемом 110 Кбайт и 16-разрядной адресацией, что соответствует объему ОЗУ бортовой вычислительной системы типа «Салют-5М», построено с использованием интегральных микросхем типа 537РУ16А объемом 8 Кбит × 8 и временем цикла записи (считывания) 350 нс.
Возможность использования соотношений (4)-(7), полученных в ходе космического эксперимента для прогнозирования работоспособности интегральных микросхем, отличных от испытываемых на космическом аппарате «Можаец-4», обосновывается расчетом интенсивности отказов ячеек памяти в интегральной микросхеме, а не интенсивности отказов интегральных микросхем как таковых.
Длительность контроля оперативного запоминающего устройства определяется временем тестового функционального контроля или временем рестарта (перезагрузки) бортовой цифровой вычислительной машины. При этом операции тестового функционального контроля проводятся на бортовой цифровой вычислительной машине, находящейся в горячем резерве, так что обеспечивается возможность применения космического аппарата по целевому назначению в процессе тестового функционального контроля ОЗУ. Корректность допущения о применении резервированной бортовой цифровой вычислительной машины в составе космического аппарата подтверждается требованиями повышенной надежности необслуживаемой космической техники.
Функциональный тестовый контроль оперативного запоминающего устройства осуществляется с использованием известных тестовых последовательностей, описанных в источнике: Горшков В.Н. Надежность оперативных запоминающих устройств ЭВМ. / В.Н.Горшков. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1987. - 168 с.
Для гарантированного обнаружения перемежающихся отказов в матрице элементов памяти и в дешифраторе интегральной микросхемы используем функциональный тест типа «Попарное считывание по диагонали», длительность которого определяется известным соотношением
m
где Т - длительность функционального теста;
m
L - емкость интегральной микросхемы ОЗУ;
ц
t - длительность цикла записи (считывания) интегральной микросхемы ОЗУ;
имс
N - количество интегральных микросхем в ОЗУ;
имс
а - разрядность интегральной микросхемы ОЗУ;
озу
а - разрядность оперативного запоминающего устройства в целом.
Таким образом, для выбранного в качестве примера оперативного запоминающего устройства бортовой вычислительной системы типа «Салют-5М» с учетом 16-разрядной адресации ОЗУ длительность функционального теста составляет 165 с.
ОЗУ
min
max
Период контроля оперативного запоминающего устройства Т при минимальном λ и максимальном λ значениях интенсивности отказов ячеек памяти, полученных с использованием формул (4) или (5), определяется с использованием известного соотношения (2) и составляет
min
ОЗУ
-1
при λ=0,07 сут Т=88,8 мин;
max
ОЗУ
-1
при λ=0,34 сут Т=40,3 мин.
Полученные значения периодичности контроля ОЗУ существенно (в 14,7÷32,3 раза) превышают время контроля ОЗУ, что обеспечивает допустимые значения коэффициента технического использования (0,94÷0,97) тестируемой бортовой цифровой вычислительной машины, находящейся в резерве.
При достижении порогового значения интенсивности отказов ячеек ОЗУ проводится перезагрузка БЦВМ. При этом время, затрачиваемое на перезагрузку БЦВМ, определяется, исходя из особенностей проведения указанной операции и восстановления ориентации космического аппарата, и является одинаковым для известного способа. Время достижения предельного состояния оперативного запоминающего устройства, при котором происходит перемежающийся отказ БЦВМ в целом, в заявляемом и известном способах одинаково, что объясняется идентичными условиями функционирования БЦВМ.
При использовании известного способа определения периодичности контроля БЦВМ в случае возникновения перемежающихся отказов ячеек памяти в ОЗУ, превышающих допустимое пороговое значение, фиксируется отказ БЦВМ, и космический аппарат автоматически переводится в режим неориентированного полета с прекращением выполнения целевой задачи. Для восстановления работоспособности бортовой цифровой вычислительной машины требуется проведение известных операций наземным комплексом управления космическим аппаратом со следующими временными затратами:
1
- время обнаружения неисправности космического аппарата τ;
2
- время определения места неисправности τ;
3
- время принятия решения по неисправности τ;
4
- время проведения операций по рестарту (перезагрузке) бортовой цифровой вычислительной машины τ.
Указанные временные параметры определяются с использованием соотношений в известной модели восстановления работоспособности космических аппаратов, описанной в источнике: Козлов Д.И. Управление космическими аппаратами дистанционного зондирования Земли. Компьютерные технологии. / Д.И.Козлов [и др.] - М.: Машиностроение, 1998. - 367 с.:
1
где τ - время обнаружения неисправности космического аппарата;
2
τ - время определения места неисправности;
L - число последовательных видимых наземным комплексом управления витков в сутки;
Ω
Т - драконический период обращения космического аппарата;
S - целое число витков космического аппарата в сутки;
обр
τ - время обработки полученной с космического аппарата информации;
а
τ - время анализа полученной с космического аппарата информации;
3
где τ - время принятия решения по неисправности;
L - число последовательных видимых наземным комплексом управления витков в сутки;
Ω
Т - драконический период обращения космического аппарата;
S - целое число витков космического аппарата в сутки;
р
τ - время принятия решения и подготовки командной информации для передачи на космический аппарат.
B
Для заявленных в качестве примера параметров низкоорбитального космического аппарата, функционирующего на солнечно-синхронной орбите, при 10 последовательных видимых наземным комплексом управления витков в сутки время восстановления работоспособности бортовой цифровой вычислительной системы T определяется соотношением
обр
где τ - время обработки полученной с космического аппарата информации;
a
τ - время анализа полученной с космического аппарата информации;
p
τ - время принятия решения и подготовки командной информации для передачи на космический аппарат;
4
τ - время проведения операций по рестарту (перезагрузке) бортовой цифровой вычислительной машины.
Достигаемый технический эффект определяется соотношением
B
где Т - время восстановления работоспособности бортовой цифровой вычислительной системы при возникновении перемежающихся отказов ячеек памяти ОЗУ, определяемое в соответствии с выражением (11);
4
τ - время проведения операций по рестарту (перезагрузке) бортовой цифровой вычислительной машины.
Таким образом, даже при технически достижимой в наземных условиях минимизации времени обработки и анализа информации с космического аппарата, а также времени принятия решения по нештатной ситуации, время перерыва в целевом использовании конкретного низкоорбитального космического аппарата, выбранного в качестве примера, при использовании предлагаемого изобретения будет минимум на 184,4 минуты меньше, по сравнению с известным способом, что обеспечивает значительное повышение эффективности функционирования резервированной бортовой цифровой вычислительной машины низкоорбитальных космических аппаратов в радиационных условиях функционирования.