СПОСОБ АДАПТИВНОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ БЛОКОВ ПРИБОРОВ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF ADAPTIVE RESERVATION OF ELECTRONIC INSTRUMENT UNITS OF SPACECRAFT ON-BOARD EQUIPMENT UNDER INFLUENCE OF IONIZING RADIATION

Изобретение относится к области резервирования электронной аппаратуры, в частности к способам построения высоконадежных электронных блоков, длительно работающих в условиях воздействия ионизирующего излучения, с использованием динамического резервирования.
Под электронными блоками понимаются различные системы сбора, обработки, хранения и передачи данных с использованием цифровых, аналоговых и аналого-цифровых полупроводниковых элементов различной функциональной сложности: простейшие активные и пассивные элементы, интегральные схемы усилителей, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, микроконтроллеры и программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).
Под динамическим резервированием понимается резервирование замещением, при котором основным критерием замены основного и резервного электронных блоков служит не только возникновение катастрофического отказа, но и наличие внешних управляющих сигналов, причем количество подобных переключений ограничено только ресурсом элементов подачи питания.
Известен способ резервирования полупроводниковых объектов, работающих под действием ионизирующего излучения, состоящий в том, что используют активный объект, находящийся в температурных условиях, считающихся нормальными для его работы, и идентичный ему выключенный резервный объект, и замещают активный объект на резервный при получении сигнала замещения, формируемого при отказе активного объекта, при этом нагревают резервный объект до заданной температуры, при которой в нем идет интенсивный отжиг радиационных дефектов его полупроводниковых приборов, но которая не приводит к необратимой неисправности этого объекта, формируют дополнительно сигнал замещения при достижении допустимого уровня деградации полупроводниковых приборов активного объекта до наступления потери им работоспособности, затем перед замещением активного объекта охлаждают резервный объект до температуры, считающейся нормальной для работы активного объекта, и замещают активный объект охлажденным резервным объектом, который используют как новый активный объект (см. патент RU №2413281, кл. Н05К 10/00, опубл. 27.02.2011).
Однако для реализации данного способа резервирования необходима чрезвычайно сложная техническая реализация - необходимость разработки отдельной системы нагрева и охлаждения, а также температурного контроля этих процессов. Для удаленных автоматических систем, например систем космического назначения, использование подобного метода может быть в связи с вышеуказанным затруднено, особенно при создании малых космических аппаратов, при этом данный способ существенно усложнит проектирование аппарата в целом из-за дополнительных проблем по распределению и отводу тепла, а также температурного контроля процесса отжига.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является система управления объектами, которая использует данные детекторов внешних дестабилизирующих воздействий в качестве критерия выдачи управляющего сигнала для выполнения (см. патент RU №2494006, кл. В63Н 25/04, опубл. 27.09.2013).
Однако данный способ управления резервируемой системой не учитывает зависимость параметров стойкости электронной компонентной базы от ее электрического режима работы. Результаты исследований на радиационную стойкость указывают на зависимость предельной поглощенной дозы ряда электронных компонентов от их электрического режима работы, что приводит к неоптимальности использования холодного резервирования.
Задачей изобретения является преодоление указанных недостатков.
Технический результат заключается в том, что достигается возможность обеспечения длительного срока активного существования электронного устройства в условиях воздействия ионизирующего излучения за счет повышения стойкости электронной компонентной базы к «дозовым» отказам, т.е. отказам в связи с накоплением дозы ионизирующего излучения.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения заключается в том, что в электронном устройстве устанавливают идентичные основной и резервные электронные блоки с возможностью их работы в режиме динамического резервирования, дозовый детектор и электронный блок сбора и обработки данных, при этом предварительно по результатам испытаний для конкретных микросхем выявляют зависимость вероятности возникновения одиночного отказа от уровня накопленной дозы, а также зависимость предельной поглощенной дозы от электрического режима работы, в процессе работы регистрируют показания дозового детектора с заданной частотой и вычисляют на основании полученных показаний интегральную накопленную электронными блоками дозу ионизирующего излучения и на основании информации об интегральной дозе генерируют управляющие сигналы для бортового компьютера на переключение работы с основного электронного блока на резервный и обратно для равномерного распределения эффективной накопленной дозы на каждый из электронных блоков.
Активное время работы основного и резервного электронных блоков определяют на основании анализа его интегральной накопленной дозы в реальном времени с учетом различия величин предельной поглощенной дозы электронной компонентной базы в разных электрических режимах работы и изменяют адаптивно к изменению внешней радиационной обстановки.
Основной и резервный электронные блоки в каждый отдельный момент времени работают в режиме N-кратного холодного резервирования с полным или частичным отключением питания электронной компонентной базы в составе блока.
При определении интегральной накопленной дозы учитывают различие величин предельной поглощенной дозы электронной компонентной базы в разных электрических режимах работы.
Резервирование является традиционным аппаратным методом повышения надежности на уровне отдельного модуля. Наиболее критичные с точки зрения функционирования в условиях воздействия факторов космического пространства электронные блоки (ЭБ), выполняющие задачи сбора, обработки и хранения научных и телеметрических данных приборов целевой аппаратуры, в частности в космических аппаратов (КА), кратно резервируются и находятся в холодном резерве, в связи с чем резервные электронные блоки и основные электронные блоки часто называют полукомплектами (ПК). Решение об отключении основного полукомплекта и вводе в эксплуатацию резервного принимается по факту отказа первого, на основании данных телеметрии.
Путем проведения испытаний электронной компонентной базы (ЭКБ) на стойкость к дозовому воздействию определяют зависимость величины предельной поглощенной дозы (ППД) определенных микросхем от их электрического режима работы. В частности, испытания вторичных источников питания (DC-DC преобразователей), применяемых во всех ЭБ, в составе которых имеются интерфейсные и микропроцессорные сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), демонстрируют значительное уменьшение ППД при их нахождении в отключенном состоянии. С другой стороны, результат аналогичных испытаний микросхем NOR Flash памяти, отказ которых может привести к полному отказу блока при их использовании в качестве постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) хранения программы микропроцессора или конфигурации ПЛИС, показывает обратный эффект: величина ППД в выключенном состоянии в несколько раз превышает ППД во включенном.
В условиях радиационного воздействия космического излучения одновременно с деградацией электрических и временных параметров ЭКБ происходят одиночные отказы. По результатам комплексных испытаний для конкретных микросхем выявлена зависимость вероятности возникновения одиночного отказа от уровня накопленной дозы.
Возможное действие синергетического эффекта увеличения вероятности возникновения одиночных сбоев по мере накопления дозы, а также влияние электрического режима на величину ППД для компонентов в составе ЭБ может привести к неэффективности использования холодного резервирования как метода повышения надежности. К моменту отказа основного полукомплекта резервный модуль будет иметь сравнительно меньшие показатели надежности или, в худшем случае, наберет ППД и откажет вскоре после введения в работу, если в его состав входят электронные компоненты с большим темпом деградации в выключенном состоянии.
Включение дозового детектора при мониторинге радиационной обстановки КА позволяет с наибольшей точностью в реальном времени анализировать и вычислять интегральную накопленную дозу и по результатам расчета определять длительность нахождения каждого полукомплекта ЭБ в том или ином режиме работы.
SW
САС
В ходе проведенного исследования был установлен алгоритм управления полукомплектами ЭБ, который в данном случае сводится к заданию опорного значения интегральной накопленной дозы - D за половину периода работы блока в динамическом режиме и поддержанию этой величины в течение всего срока активного существования (САС) КА - Т с использованием показаний бортовой дозиметрии.
SW
D
r
MAX
SW
Значение D определяется исходя из ожидаемой усредненной мощности поглощенной дозы на орбите КА - J, времени релаксации дозового воздействия - t и ресурса по переключению - N релейных элементов подачи питания на ЭБ с учетом коэффициента запаса - k в соответствии с математическим уравнением:
Базовое уравнение модели, при использовании которого устанавливается адаптивная циклограмма работы блока, обеспечивающая равномерное распределение эффективной поглощенной дозы для всех его полукомплектов, имеет вид:
s
T - длительность работы полукомплекта до переключения
Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения может быть реализован в составе служебной аппаратуры космического аппарата.
SW
Для реализации способа адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения, совокупность признаков которого приведена выше, электронный блок сбора и обработки данных выполняет считывание показаний дозового детектора с заданной частотой и вычисляет интегральную накопленную дозу. При достижении заданной величины D блок сбрасывает внутренний счетчик дозы и передает центральному бортовому компьютеру аппарата сигнал на переключение полукомплекта, т.е. на переключение работы с основного электронного блока на резервный электронный блок. Перевод операции переключения полукомплектов на центральный бортовой компьютер продиктован обеспечением надежности всей системы: выход из строя монитора дозы не должен влиять на режим работы целевого блока. Затем операция снова повторяется. Таким образом, длительность работы полукомплекта Ts определяется исходя из реальной радиационной обстановки на борту космического аппарата и изменяется адаптивно к изменению мощности дозы.
При этом достигается равномерное распределение интегральной накопленной дозы для каждого полукомплекта при каждом электрическом режиме работы.
Оперативные данные об уровне накопленной дозы вместе с характеристиками электронной компонентной базы в составе целевого блока, полученными по результатам испытаний на дозовую стойкость в различных режимах работы, позволят выработать объективный критерий по управлению процессом переключения полукомплектов с целью повышения надежности блока и увеличения его срока активного существования.