商业卫星要不要抗辐射，是个问题！如何抗辐射，更是个问题！
作者：韩建伟
商业卫星具有诸多特点与优势，如低研制成本、短周期研制与部署、高性能载荷设备等，其必定要大量使用非宇航级的军级、车规级、工业级、商业级器件。这些低等级器件很多时候被笼统地称为商业现货（COTS）器件，具有价格低、供货快、电性能高等特点，符合商业航天的发展要求。
现代工艺的低等级器件，温度特性不太差！军级具有与宇航级相同的-55～125℃温度适用性、车规级-40～125℃、工业级-40～85℃、商业级0～70℃，可以较好地用于舱内，工业级以上器件也可用于舱外设备。
现代工艺的器件，随着特征工艺尺寸减小、介质隔离层变薄，天然地具有较强的抗电离总剂量（TID）能力，无论是专门进行了抗辐射加固的宇航级器件还是军级及以下器件都较容易抗100krad[Si]的总剂量辐射。当然，也有少数的低等级器件具有十至数十krad[Si]的抗总剂量水平，按照图1所示的不同高度轨道辐射剂量分布[1]，这些器件对于主要应用于1000km以下的低轨短周期任务的商业卫星来说也够用。需要特别注意的是，2000km附近的低轨道商业卫星，其年剂量水平与GEO卫星相当甚至更高。总体来说，现代工艺的低等级器件抗总剂量辐射能力通常不差！可满足商业卫星的需求。
现代工艺的器件，随着特征工艺尺寸减小、功耗降低、运行速度提高，实现数字信息的存储与处理以及模拟信号的处理只需要操纵少量的载流子即可，这样空间单个粒子只要注入少量的额外电荷就对器件正常的信息和信号造成干扰，即空间单粒子天然地导致现代工艺数字器件单粒子翻转（SEU）、模拟电路与光电器件单粒子瞬态脉冲（SET）问题严重！发生单粒子效应的阈值在1MeV.cm2/mg左右，甚至越来越多的器件小于此值。为了减缓SEU及SET，部分宇航级器件针对器件结构和电路版图等进行设计加固（RHBD），一定程度上提高了单粒子效应阈值，但是极大地牺牲了现代小特征工艺尺寸器件的系列优势。由于SEU和SET主要导致器件电路出现“软错误”，因此大量的现代工艺宇航级器件采用与低等级器件类似的各种EDAC耐辐射容错设计（radiation/fault-tolerant-design ）满足空间应用，一定程度上牺牲了高性能器件资源和性能。即现代工艺的低等级器件通过EDAC等设计抗SEU与SET软错误能力不比宇航级器件差！可满足商业卫星的需求。
现代工艺CMOS器件，随着特征工艺尺寸减小与功耗降低，其寄生的PNPN结构在空间单粒子注入较少的电荷下就容易被触发导通而发生单粒子锁定（SEL）现象，即低等级器件SEL阈值整体上越来越低。航天实践发现，在130/180nm工艺节点附近，较多低等级器件的SEL阈值跌破了1MeV.cm2/mg！如2007年诱发我国某卫星故障的SRAM器件测得的最低锁定阈值为0.37 MeV.cm2/mg[2]，2009年导致俄罗斯“福布斯-土壤”火星探测器失效的SRAM器件测得的锁定阈值为0.6 MeV.cm2/mg[3]。由于采用了其他一些设计，也有部分较大工艺尺寸的低等级器件抗SEL特性并不差！如Xilinx的Virtex-2 FPGA，即使是商业级也对SEL免疫。随着特征工艺尺寸进入到90nm以下，由于内核工作电压降低，难以提供维持锁定发生的维持电压，器件不易发生SEL[4]。但是，近年发现针对Xilinx的28nm Kintex-7、20nm kintex-Ultrascale、以及16nm FinFET工艺Zynq Ultrascale+等FPGA，剧情再一次反转，它们在LET值低到1.3 MeV.cm2/mg 等的离子轰击下，内核、IO、辅助电压端等发生锁定或微锁定[5]。器件一旦发生锁定，应用电路进入到异常大电流状态会导致一系列不良后果，而且必须执行较复杂的断电和重上电操作才能退出锁定。总之，低等级器件抗SEL能力整体偏差、且鱼龙混杂！抗SEL是商业卫星抗辐射设计的重中之重！
当然了，低等级器件抗破坏性单粒子烧毁（SEB）等的能力也不强！此方面无需赘述。
相比辐射总剂量相对温和的商业卫星服役的太阳同步低轨道，诱发单粒子效应的宇宙线重离子较中高轨温和半个量级[6]，属于50步笑100步，如图2所示，对于较低倾角的低轨道会有大幅度改善。但是，对于上述SEL阈值较低的SRAM等器件，以及类似图3所示的Virtex-2 FPGA这样SEU阈值较低的现代工艺数字器件，低轨道的辐射带质子会导致频繁的在轨单粒子效应，500km以上的风险不低于中高轨，1500km附近的单粒子效应频次约是中高轨的两个量级[6]！即低轨道不简单地是商业卫星的“温柔乡”，其中的质子单粒子效应危害严重！
图2 典型轨道宇宙线重离子LET谱
图3 以Virtex-2FPGA为例的低SEU阈值数字器件
在不同高度轨道的翻转情况
商业卫星采用大量的低等级器件，单粒子效应风险高，抗单粒子辐射设计工作量大。如表1所示，是当前传统卫星与商业卫星在抗辐射方面的一些基本情况。追求低成本和快速响应的商业卫星，抗还是不抗辐射设计？这是个问题！
表1 传统卫星与商业卫星抗辐射设计基本状况
2000年前后甚至更早，国内部分卫星尝试使用各别工业级器件，通过层层的升级筛选试验“选出”极少量的达到宇航级水平的器件来用，最终耗费的经费和时间成本比直接使用同功能的宇航级器件还要多，幸运的是那时的低等级器件抗单粒子效应水平还没有今天这么糟糕，目前少量国家空间任务使用的部分低等级器件还是如此操作。商业卫星使用的低等级器件显然不能走“升筛”道路。
据了解，被“低轨道辐射环境温和”的说法一叶障目，当前国内商业卫星基本上乐观地不怎么做抗辐射设计！当然各别高素质的商业航天公司除外。如上章节所述，1000km以下的低轨道的“总剂量”辐射环境是温和的，仅此而已。图4是NASA电子器件与封装（NEPP）项目2017年统计的入轨的332颗立方星情况，可见完成全部任务目标的仅占17.2%。听天由命不进行抗辐射设计的商业卫星，貌似省了钱，但故障率高、用户体验差、买单用户少、收益低，最终的性价比低，难以成就成功的商业航天。
低成本和快速响应是商业卫星必须坚守的禀性，商业卫星抗单粒子辐射也必须低成本便捷地实施辐照试验、电路板及单机加固设计、设计验证等，以获得足够的可靠性。传统地依赖大型粒子加速器开展的器件单粒子效应辐照试验，机时少、等待周期长、花费高，首先就给商业卫星抗辐射一个“下马威”。近年来，国内外发展日渐成熟的激光试验单粒子效应，成本低、可随时试验、快速试验，可批量研制试验设备进行规模化试验，符合商业卫星禀性要求，可帮助商业卫星挣脱抗辐射囧境。
中科院空间中心历经20年自主创新发展，掌握了国际领先的激光试验单粒子效应技术，自主研制和为用户单位定制开发了多台试验设备，建立了开放的激光试验公共平台，服务国内所有宇航器件厂商和重要卫星单机设备研制单位等70余家用户，年均试验1000小时，已试验器件达600余种，2019年获“自主可控专项二等奖”，“快、省、好”地为宇航用核心器件和航天装备自主可控发展提供了有效的技术手段[7]、[8]。图5是空间中心服务全国和国外用户的分布及在役的数台激光试验装备情况。
在役试验设备（下）情况
以激光辐照试验为主要支撑手段的商业卫星抗单粒子辐射工作主要包括以下几方面：
利用可随时试验且试验环境开放的激光装置，快速、批量、低成本地试验评估拟用器件的抗单粒子效应水平。发现和剔除单粒子极端敏感器件，尤其是需要重上电的SEL和毁坏性SEB敏感器件，避免做冤大头！（例如，俄罗斯“福布斯-土壤”号探测器星载计算机用SRAM器件在205km´319km、51.4º的低轨道不到3小时就发生了一次SEL导致探测器失效[3]。）确认抗单粒子能力较强的器件，可以放心地使用。识别单粒子效应较敏感器件，重视后续防护设计。如图5是空间中心针对空间站项目使用的百余款低等级器件进行的单粒子效应评估激光试验情况[8]。
通过大量试验积累形成低等级器件辐射试验数据库，为其他商业卫星抗辐射提供数据查询支持，支撑后续卫星安全使用有可靠辐射数据的低等级器件，大幅减少后续卫星单粒子辐照试验工作量。如图6是空间中心已经建成并共享使用的“宇航电子器件空间辐射效应数据库”，其已为空间站等项目发挥重要的数据支持作用[9]。
图5 空间中心为空间站项目用低等级器件进行的单粒子效应激光试验
图6 空间中心建立和共享使用的“宇航电子器件空间辐射效应数据库”
对于商业卫星必须使用的较多的对单粒子辐射敏感的低等级器件，在具体应用电路中采取主要思路与传统卫星一致但相对“轻量化防护设计”，保证卫星核心生存能力，保证卫星重要功能受到单粒子干扰后可恢复或不丧失，保证卫星相关数据信息受到单粒子干扰后可弥补或无重要影响，即以较低成本的抗辐射获得足够的可靠性，依然秉持商业卫星低成本快速响应的特色。
在该过程中，利用便捷、试验环境开放的激光辐照试验，可快速充分暴露辐射敏感器件一旦发生单粒子效应对应用电路的具体影响，调试可能的防护电路。如图7是空间中心为“嫦娥3号”卫星某关键载荷用工业级器件抗SEL设计调试提供的激光辐照试验支持[10]。
梳理长期积累的低等级器件轻量化抗单粒子辐射设计技术思路，可形成符合商业卫星特点的抗辐射设计经验与指南技术手册，造福后续商业卫星研制。
（3）抗单粒子辐射防护设计验证
针对商业卫星用单粒子辐射敏感低等级器件的电路防护设计，需要闭环的验证检验，确保达到预期效果。针对SEU等导致的软错误，可以利用软件故障注入结合激光辐照软件不可访问区域的方式进行全面检验。对于SEL、SEB等出现异常大电流物理现象的防护设计，则需要实际的实验触发该单粒子现象以进行检验。如图8是空间中心针对空间站某设备的抗SEL设计，利用激光辐照实验触发SEL现象并保持8个小时，检验其防护设计效果[8]。
近些年，NASA针对其空间任务使用的低等级器件抗单粒子辐射筛选和防护设计也开展了较多的激光辐照试验[11]。2005年，NASA介绍了针对伽马射线大面积空间望远镜（GLAST）任务采用的数千只商用ADC及DAC器件进行的抗单粒子效应筛选激光试验情况，“Searching for and qualifying devices is a route normally viewed as crazy in the modern electronics world, but our results show that it is possible to find modern commercial Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) devices that are usable for space flight”。2013年，NASA介绍了针对国际空间站（ISS）基于商用Virtex-4 FPGA的高性能数据处理器，综合利用软件注入故障仿真和激光辐照试验高效率全面评估和检验了抗单粒子翻转设计。
图9 NASA为GLAST任务用COTS器件抗单粒子效应筛选进行的激光试验
图10 NASA为国际空间站高性能计算平台抗单粒子效应设计
进行的激光试验
激光辐照试验低成本快速响应支撑商业卫星抗单粒子辐射
激光试验单粒子效应具有天然的低成本和快速响应特点，完全顺应商业卫星发展要求。配合批量商业卫星及星载电子设备的设计制造，可做为商业卫星标配试验，低成本、快速、批量、可靠地进行单粒子效应激光辐照试验，评估筛选拟用器件，支撑应用电路针对辐射较敏感器件的防护设计调试，对防护设计效果进行验证，并积累试验数据和形成防护设计技术手册服务后续商业卫星研制。
在商业卫星设计研制中引入激光试验单粒子效应，微量增加（～5%）研制成本，有望使卫星获得较高（～95%）的抗辐射可靠性，可助力高性价比商业卫星发展，成就成功的商业航天！
相关参考资料，请阅读以下链接文章：
（7）高分六号卫星幕后的英雄之一：脉冲激光试验单粒子效应装置
（11）NASA利用脉冲激光进行的低等级器件抗单粒子效应筛选与防护设计试验
做实验，搞科研，学知识
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