談 駿， 鄒 波

（上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

太陽(yáng)風(fēng)暴是由太陽(yáng)劇烈活動(dòng)引發(fā)的一種常見(jiàn)空間災(zāi)害現(xiàn)象，太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生期間，太陽(yáng)釋放出大量帶電粒子所形成的高速粒子流以及等離子體流，對(duì)地球磁層、電離層以及中性大氣的狀態(tài)造成影響，在地球空間導(dǎo)致災(zāi)害性響應(yīng)，特別是對(duì)航天、通信、電力、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域的影響最為嚴(yán)重。劇烈的太陽(yáng)活動(dòng)一般持續(xù)數(shù)分鐘，對(duì)地球空間的影響則從數(shù)小時(shí)到數(shù)天不等。太陽(yáng)風(fēng)暴能量或物質(zhì)傳遞方式包括三種：電磁輻射傳遞、高能粒子流傳遞、低能等離子體傳遞。

航天器是在地球大氣層以外的宇宙空間，執(zhí)行探索、開(kāi)發(fā)或利用太空等航天任務(wù)的飛行器，航天器在地球大氣層以外運(yùn)行，擺脫了大氣層阻礙，可以接收到來(lái)自宇宙天體的全部電磁輻射信息，開(kāi)辟了全波段天文觀測(cè)［1］。

航天器從近地空間飛行到行星際空間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間環(huán)境的直接探測(cè)以及對(duì)月球和太陽(yáng)系大行星的逼近觀測(cè)和直接取樣觀測(cè)。航天器的出現(xiàn)使人類(lèi)的活動(dòng)范圍從地球大氣層擴(kuò)大到廣闊無(wú)垠的宇宙空間，引起了人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然和改造自然能力的飛躍，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活產(chǎn)生了重大影響。但是由于缺乏大氣層的保護(hù)，航天器直接暴露在太陽(yáng)風(fēng)暴下，使得太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)航天器的影響尤為嚴(yán)重。

最近幾個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期內(nèi)發(fā)生的強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)航天器造成的影響值得關(guān)注：

a）1989年3月太陽(yáng)風(fēng)暴（強(qiáng)磁暴）爆發(fā)，曾導(dǎo)致美國(guó)共計(jì)46顆衛(wèi)星發(fā)生異常；

b）1990年11月初太陽(yáng)風(fēng)暴（耀斑）爆發(fā)，曾導(dǎo)致我國(guó)“風(fēng)云一號(hào)”氣象衛(wèi)星計(jì)算機(jī)程序混亂，衛(wèi)星姿態(tài)失控［2］；

c）1994年太陽(yáng)風(fēng)暴（日冕物質(zhì)拋射）爆發(fā)，導(dǎo)致加拿大通信衛(wèi)星Anik E1和Anik E2等多顆衛(wèi)星在軌異常并最終報(bào)廢［2］；

d）2001年4月發(fā)生的太陽(yáng)風(fēng)暴使我國(guó)的短波通信和偵測(cè)等用戶系統(tǒng)故障，中斷約3小時(shí)；

e）2003年10 月太陽(yáng)風(fēng)暴引起強(qiáng)烈的北極光，曾導(dǎo)致日本高級(jí)地球觀測(cè)衛(wèi)星Midori-2等多顆衛(wèi)星失靈［2］；

f）2006年12 月13 日 發(fā) 生X3 級(jí) 的 太 陽(yáng) 風(fēng)暴，造成我國(guó)廣東、海南、重慶等地?zé)o線電波觀測(cè)中斷3個(gè)多小時(shí)。

2 太陽(yáng)風(fēng)暴產(chǎn)生原因

要了解太陽(yáng)風(fēng)暴的產(chǎn)生原因，需先了解太陽(yáng)大氣的分層情況。一般情況下，太陽(yáng)大氣分為六層，由內(nèi)往外依次命名為：日核，輻射區(qū)，對(duì)流層，光球，色球，日冕。日核的半徑占太陽(yáng)半徑的四分之一左右，它集中了太陽(yáng)質(zhì)量的大部分，并且是太陽(yáng)百分之九十九以上的能量的發(fā)生地。光球是我們平常所見(jiàn)的明亮的太陽(yáng)圓面，太陽(yáng)的可見(jiàn)光全部是由光球面發(fā)出的。而日冕位于太陽(yáng)的最外層，屬于太陽(yáng)的外層大氣。太陽(yáng)風(fēng)暴就是在這里形成并發(fā)射出去的。

從X 射線或遠(yuǎn)紫外線拍下的日冕照片上可以觀察到，在日冕中存在著大片的長(zhǎng)條形的或是不規(guī)則的暗黑區(qū)域，通過(guò)人造衛(wèi)星和宇宙空間探測(cè)器拍攝的照片可以發(fā)現(xiàn)，在日冕上長(zhǎng)期存在著這些長(zhǎng)條形的大尺度的黑暗區(qū)域，這里的X 射線強(qiáng)度比其他區(qū)域要低得多，從表觀上看就像日冕上的一些洞，稱之為冕洞［3］。

冕洞是太陽(yáng)磁場(chǎng)的開(kāi)放區(qū)域，這里的磁力線向宇宙空間擴(kuò)散，大量的等離子體順著磁力線跑出去，形成高速運(yùn)動(dòng)的粒子流。粒子流在冕洞底部速度為16km／s左右，當(dāng)?shù)竭_(dá)地球軌道附近時(shí)，速度可達(dá)300km／s～400km／s以上，這種高速運(yùn)動(dòng)的等離子體流就是太陽(yáng)風(fēng)暴。太陽(yáng)風(fēng)暴從冕洞噴發(fā)而出后，夾帶著被裹挾在其中的太陽(yáng)磁場(chǎng)向四周迅速吹散。

當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴到達(dá)地球附近時(shí)，與地球的偶極磁場(chǎng)發(fā)生作用，并把地球磁場(chǎng)的磁力線吹得向后彎曲，地磁場(chǎng)的磁壓阻滯了等離子體流的運(yùn)動(dòng)，使得太陽(yáng)風(fēng)不能侵入地球大氣而繞過(guò)地磁場(chǎng)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，于是形成一個(gè)空腔，地磁場(chǎng)就被包含在這個(gè)空腔里。但是，當(dāng)太陽(yáng)出現(xiàn)突發(fā)性的劇烈活動(dòng)時(shí)，情況會(huì)有所變化。此時(shí)太陽(yáng)風(fēng)暴中的高能離子會(huì)增多，這些高能離子能夠沿著磁力線侵入地球的極區(qū)，并在地球兩極的上層大氣中放電，產(chǎn)生絢麗壯觀的極光。

太陽(yáng)風(fēng)暴構(gòu)成人類(lèi)活動(dòng)的外層空間環(huán)境，太陽(yáng)大氣的擾動(dòng)通過(guò)太陽(yáng)風(fēng)暴傳到地球，通過(guò)與地球磁場(chǎng)的相互作用，會(huì)引起一系列影響人類(lèi)航天活動(dòng)的事件，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生災(zāi)害性事件，因此研究太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)航天器的影響是人類(lèi)航天活動(dòng)的重要組成部分。

3 太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)航天器電子產(chǎn)品的影響

太陽(yáng)風(fēng)暴能夠?qū)υ谲夁\(yùn)行的航天器電子產(chǎn)品造成多種損傷，其中對(duì)航天器電子產(chǎn)品影響最大的是太陽(yáng)風(fēng)暴引起的航天器電子元器件輻射損傷。

電子元器件輻射損傷效應(yīng)包括總電離損害和單粒子效應(yīng)?？傠婋x損害是裝置暴露在電離輻射環(huán)境中長(zhǎng)期衰變的累計(jì)；單粒子效應(yīng)是單個(gè)電離粒子在電子產(chǎn)品中引起的個(gè)別事件。

單粒子效應(yīng)可分為兩種：軟錯(cuò)誤和硬錯(cuò)誤。軟錯(cuò)誤對(duì)電子產(chǎn)品是非破壞性的，可以導(dǎo)致存儲(chǔ)單元狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)，狀態(tài)的鎖定或者是發(fā)生在輸入、輸出、邏輯電路及其他電路的瞬間現(xiàn)象，也包括引起電子產(chǎn)品中斷正常操作的狀態(tài)。硬錯(cuò)誤是衛(wèi)星電子產(chǎn)品的物理?yè)p壞，而且是永久性的、不可恢復(fù)的。太陽(yáng)電磁輻射對(duì)集成電路的影響主要表現(xiàn)在使輸入電流增大，輸出低電平提高以及輸出高電平降低，引起噪聲容限下跌，從而表現(xiàn)為邏輯錯(cuò)誤。

目前航天器電子產(chǎn)品組成中，大量采用FPGA 和DSP等數(shù)字邏輯元器件，承擔(dān)著星上信息處理、導(dǎo)航控制信號(hào)生成、在軌測(cè)試測(cè)量、工況信息檢測(cè)等非常重要的功能，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將對(duì)上述的各功能產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致航天器失效。隨著元器件集成度提高，芯片的容量也逐漸增大，動(dòng)輒百萬(wàn)門(mén)的集成度，在簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，也使得單個(gè)元器件承擔(dān)的處理能力更大，同時(shí)其受損害的風(fēng)險(xiǎn)隨之增加，一旦一個(gè)元器件出現(xiàn)故障，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的幾率也隨之加大。從目前導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生信號(hào)中斷的原因分析，90%以上的故障都是由于太陽(yáng)輻射對(duì)集成電路影響所致。

例如微波源是航天器電子產(chǎn)品運(yùn)行的心臟，尤其對(duì)于微波系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，所有時(shí)序運(yùn)行的基準(zhǔn)都是基于微波源頻率的穩(wěn)定性，各種主振、本振、系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生與保持也依賴于電路各組成元器件的穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)強(qiáng)太陽(yáng)輻射來(lái)到時(shí)，會(huì)影響微波源頻率基準(zhǔn)信號(hào)的穩(wěn)定性，產(chǎn)生信號(hào)抖動(dòng)，直接影響信號(hào)品質(zhì)，甚至引起時(shí)序錯(cuò)誤，進(jìn)而影響航天器電子產(chǎn)品測(cè)量等功能的實(shí)現(xiàn)。

為了減小電子元器件遭受輻射效應(yīng)所引起的電離總劑量效應(yīng)、單粒子鎖定、單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)效應(yīng)、單粒子功能中斷等影響，在航天器電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用系統(tǒng)級(jí)抗輻射加固、元器件級(jí)抗輻射加固、軟件編碼糾錯(cuò)加固等技術(shù)，以提高衛(wèi)星系統(tǒng)在軌運(yùn)行可靠性。

4 提高航天器電子產(chǎn)品抗太陽(yáng)風(fēng)暴能力的措施

4.1 硬件加固設(shè)計(jì)

硬件加固措施是航天器電子產(chǎn)品抗太陽(yáng)風(fēng)暴的重要手段，主要采取的措施包括：

a）加強(qiáng)元器件選擇，選擇高質(zhì)量等級(jí)的元器件，其總劑量、抗單粒子翻轉(zhuǎn)／單粒子鎖定、抗充／放電等指標(biāo)應(yīng)滿足太陽(yáng)風(fēng)暴下的使用要求。其通常具有比較高的品質(zhì)保證，同時(shí)抗太陽(yáng)風(fēng)暴的能力也相應(yīng)較高；

b）分析每個(gè)電路在最壞情況下性能，充分考慮太陽(yáng)風(fēng)暴引起的器件性能下降對(duì)產(chǎn)品的影響，集成電路在條件許可下優(yōu)先考慮使用中小規(guī)模集成電路。折衷考慮抗鎖定限流電阻的選取。盡量使電阻大些，讓鎖定的可能性最小，但又不干擾正常工作；

c）進(jìn)行硬件冗余設(shè)計(jì)，包括采用計(jì)算機(jī)冗余，存儲(chǔ)器冗余等，冗余技術(shù)是提高星載計(jì)算機(jī)可靠性的常規(guī)技術(shù)。硬件冗余設(shè)計(jì)可以從整機(jī)冗余、模塊冗余、部件冗余和可重構(gòu)等方面采取措施。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，芯片級(jí)冗余也已日趨成熟，在芯片級(jí)采取冗余容錯(cuò)技術(shù)可以極大的降低航天電子產(chǎn)品的體積和重量，也使得太陽(yáng)能風(fēng)暴對(duì)航天器電子產(chǎn)品的硬件影響程度降到最低；

d）固化航天器電子產(chǎn)品程序。由于PROM是只讀存儲(chǔ)器，并具有固化后不能改變的特點(diǎn)，它的抗干擾能力特別是抗SEU 的能力較RAM 強(qiáng)，將重要程序和一些固定的常數(shù)都固化在PROM中，減少程序發(fā)生SEU 錯(cuò)誤的概率；

e）選擇合適的屏蔽及屏蔽材料，除鋁外，鉭材料也可，對(duì)芯片采取貼鉛皮等抗輻照加固措施。

4.2 軟件加固設(shè)計(jì)

軟件已逐步成為航天器電子產(chǎn)品的核心，其運(yùn)行的可靠度是電子產(chǎn)品整體可靠度的重要環(huán)節(jié)，在對(duì)抗太陽(yáng)風(fēng)暴設(shè)計(jì)中必須重視，對(duì)軟件采取的加固措施主要包括：

（1）三模冗余設(shè)計(jì)

即三取二表決法，在每個(gè)采樣周期都把對(duì)程序運(yùn)行有重大影響的標(biāo)志及對(duì)運(yùn)算結(jié)構(gòu)起關(guān)鍵作用的數(shù)據(jù)進(jìn)行三取二比對(duì)表決。在單機(jī)時(shí)間差比對(duì)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后，轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤處理程序，對(duì)中間變量也進(jìn)行三取二處理，避免RAM 的SEU 軟故障。

（2）設(shè)置軟件看門(mén)狗（WDT）

當(dāng)程序按正常路徑執(zhí)行時(shí)，不斷清除WDT，如果程序進(jìn)入死循環(huán)，則WDT 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不被清除，發(fā)出計(jì)算機(jī)復(fù)位信號(hào)，進(jìn)行初始化處理，使計(jì)算機(jī)重新開(kāi)始運(yùn)行，從死循環(huán)中解脫出來(lái)。

（3）程序設(shè)計(jì)技術(shù)

減小太陽(yáng)風(fēng)暴引起的代碼出錯(cuò)，根據(jù)航天產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，主要采取的設(shè)計(jì)技術(shù)有：

a）對(duì)決定程序分支標(biāo)志的重要參數(shù)FLAG，用一個(gè)字節(jié)或字作標(biāo)志，不用0或1兩種狀態(tài)作為判斷標(biāo)志；

b）模式間轉(zhuǎn)換采用立即數(shù)跳轉(zhuǎn)方式而少用存儲(chǔ)器及寄存器跳轉(zhuǎn)方式；

c）數(shù)據(jù)區(qū)與程序區(qū)隔離，避免程序進(jìn)入RAM 中，大面積沖毀RAM 中數(shù)據(jù)；

d）對(duì)CPU、PROM、RAM 空閑區(qū)全部填充HLT 指令。若程序一旦跳入空閑區(qū)就進(jìn)行跑飛程序處理，將程序拉回。

針對(duì)目前航天器電子產(chǎn)品構(gòu)成及各單機(jī)抗太陽(yáng)風(fēng)暴的能力分析，應(yīng)該對(duì)重要的單機(jī)設(shè)備以及芯片，包括星載的FPGA 芯片、星載DSP芯片等，做出防范措施，盡可能地選用高等級(jí)的元器件，并加強(qiáng)防護(hù)措施。

在軟件設(shè)計(jì)方面，提高軟件運(yùn)行狀態(tài)巡檢和復(fù)位能力，一旦出現(xiàn)異常，盡可能在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，進(jìn)行軟件恢復(fù)。在單機(jī)設(shè)計(jì)方面，在不影響正常工作情況下，在核心元器件的周?chē)砑臃雷o(hù)層設(shè)計(jì)，減緩太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)重要元器件的沖擊。

5 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)航天器電子產(chǎn)品的影響是客觀存在的，且不可避免。必須建立完善的設(shè)計(jì)保障系統(tǒng)，制定相關(guān)預(yù)案，采取必要措施，保證系統(tǒng)安全，平穩(wěn)度過(guò)可能發(fā)生的超強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴。

［1］ 彭成榮.航天器總體設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

［2］ 劉俊.關(guān)注太陽(yáng)風(fēng)暴［M］.北京：軍事科學(xué)出版社，2009.

［3］ 林元章.太陽(yáng)風(fēng)暴及其后果［C］.第六屆海峽兩岸天文推廣教育研討會(huì)論文集，2004.