宇航学报
JournalofAstronautics
Vol．40JuneNo．62019
XQＲ2V3000FPGA单粒子翻转率在轨探测研究
12
韦欣荣，王金华，王
13颖，田金超
（1．北京空间飞行器总体设计部，北京100094；2．北京卫星导航中心，北京100094；
3．北京遥测技术研究所，北京100076）
摘IGSO轨道卫星上的单粒子探测器对XQＲ2V3000FPGA配置存储器进行了在轨要：通过搭载在某MEO、
并对在2016年太阳活单粒子翻转探测。利用一种基于复位计数统计的FPGA配置存储器单粒子翻转的监测方法，
动平静期以及2017年9月6日太阳耀斑爆发期的2颗MEO卫星以及1颗IGSO卫星的XQＲ2V3000FPGA配置存储器单粒子翻转次数进行统计，依据卫星轨道根数获得了翻转事件的空间分布。结果表明，在太阳平静期，设备等处于MEO轨道和IGSO轨道的XQＲ2V3000配置存储器单粒子翻转率分别为效铝屏蔽厚度为6mm的情况下，
0．513次/（器件·天）和0．491次/（器件·天），分别为CＲEME96模型预测结果的22．4%和16．9%，两种轨道的翻MEO与IGSO轨道单粒子翻转率分别上升为2．5次/（器件·天）和转率相当。在太阳耀斑爆发期间，
5次/（器件·天），比平静期高了一个数量级。试验所得的单粒子翻转率可为相同轨道卫星电子设备单粒子翻转率的预示提供有效的参考。
关键词：XQＲ2V3000；配置存储器；单粒子翻转率；探测中图分类号：V417+7
文献标识码：A
1328（2019）06-0719-06文章编号：1000-DOI：10．3873/j．issn．1000-1328．2019．06．013
ＲesearchonDetectionofSEUＲatesofXQＲ2V3000FPGAinOrbit
WEIXin-rong1，WANGJin-hua2，WANGYing1，TIANJin-chao3
（1．BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering，Beijing100094，China；2．BeijingSatelliteNavigationCenter，
Beijing100094，China；3．BeijingＲesearchInstituteofTelemetry，Beijing100076，China）
Abstract：TheSEUdetectorsonsomeMEOandIGSOsatellitesareusedtodetectthesingleeventupset（SEU）oftheconfigurationmemoryofXQＲ2V3000FPGA．ThemethodbasedonthestatisticalnumberofresettodetectSEUisintroduced．ThestatisticalnumberofSEUoftheconfigurationmemoryofthetwoMEOsatellitesandanIGSOsatellitearegivenduringthequietperiodsofthesolaractivityin2016andduringthesolarflaresburstonSeptember6，2017．ThespatialdistributionofSEUisgotaccordingtotheorbitalelements．Theresultsshowthat，inthequietperiodsofthesolaractivity，theequivalentaluminumshieldingthicknessoftheequipmentis6mm，theSEUratesoftheconfigurationmemoryofFPGAinMEOandIGSOarerespectively0．513upsets/（device·d）and0．491upsets/（device·d），about22．4%ofthepredictioninMEOorbitand16．9%ofthepredictioninIGSOorbitbasedontheCＲEME96model，andtheSEUratesofthetwoorbitsareequivalent．Duringthesolarflareeruption，theSEUratesoftheconfigurationmemoryofFPGAinMEOandIGSOriseto2．5upsets/（device·d）and5upsets/（device·d）respectively．TheSEUratecanprovideaneffectivereferenceforthepredictionofSEUrateofthesatelliteelectronicequipmentinthesameorbit．
Keywords：XQＲ2V3000；Configurationmemory；SEUrate；Detection
收稿日期：2018-03-12；修回日期：2018-06-29
基金项目：国家自然科学基金（11675013）
720
宇航学报第40卷
0引言
目前，越来越多的大规模集成电路在星载设备中应用，从2003年Xilinx公司的VirtexFPGA（XQVＲ4000XL）在火星探测任务中成功应用之后，国内外航天领域对FPGA的应用兴趣大增
［1］
。由于
基于SＲAM的FPGA在轨容易发生单粒子翻转事件，
所以一般采用地面模拟和卫星搭载两种方法对FPGA上发生的单粒子翻转事件进行研究。国内外多个研究机构对FPGA进行了单粒子翻转特性地面试验，
试验结果可以用来对单粒子翻转情况进行评估。文献［
2］中给出了Virtex-II系列FPGA配置存储单元和Block存储单元的单粒子效应模拟试验结果。文献［
3］给出了Xilinx公司Virtex-IIXQ2V1000芯片重离子辐射测试的试验数据。文献［4］依据CＲEME96模型对Virtex-II系列XCV1000FPGA在450～800km低地球轨道、GPS轨道、GEO轨道等在几种空间环境条件下的单粒子翻转率进行了预测。文献［5］依据CＲEME96模型对Virtex-II、Virtex-4系列FPGA在低轨道、
GPS轨道等的单粒子翻转率进行预测。由于地面试验很难模拟真实的空间环境，预估的单粒子翻转率往往欠准确，因此国内外多个机构也进行了FPGA单粒子翻转率在轨探测研究，文献［6］中，给出了CibolaFlightExperiment（CFE）卫星对Virtex-1000FPGA配置存储器单粒子翻转率在低轨道的在轨探测结果，
翻转率为0．47次/（器件·天），为CＲEAM96模型预计结果的25%。文献［7］描述了中国遥感卫星上的单粒子探测器对某种400万门FPGA和60万门FPGA在低轨道上的单粒子翻转率统计。文献［
8］中描述了LosAlamos国家实验室发射的试验载荷，名为MissionＲesponse
Module（MＲM），对Virtex-4系列XQＲ4VLX200和XQＲ4VSX55进行了单粒子翻转探测，
XQＲ4VSX55芯片在低轨道翻转率为5．08次/（器件·天），为CＲEAM96模型预计结果的28%。
而在中高轨道卫星上的单粒子翻转率在轨探测较少，
基于以上原因，在2颗MEO轨道卫星和1颗IGSO轨道卫星上搭载了单粒子探测器，对Virtex-II系列的XQＲ2V3000FPGA配置存储器进行了中高轨道在轨单粒子翻转的探测。
1在轨单粒子翻转探测原理
XQＲ2V3000FPGA配置存储器单粒子翻转探
测的原理框图如图1所示。该探测器由反熔丝芯片作为监控FPGA，
XQＲ2V3000作为检测FPGA，两个FPGA分别使用独立的晶振，由监控FPGA对检测FPGA内部单粒子翻转情况进行实时监测。检测FPGA由基本算法组成，资源占用率为78%，芯片XQＲ2V3000不做任何抗单粒子防护设计。
图1单粒子翻转探测器原理框图
Fig．1
TheblockdiagramoftheSEUdetection
图2单粒子翻转监测方法流程图
Fig．2
TheflowchartoftheSEUdetectionmethod
探测器上电后，监控FPGA从PＲOM里读取配置程序，
加载检测FPGA，加载完成后，把第一次回读的配置数据校验和作为参考基准值，
后续以2s为周期，周期性地回读配置数据校验和，并与参考基准值相比较。在采用监控FPGA回读完整的检测
第6期韦欣荣等：XQＲ2V3000FPGA单粒子翻转率在轨探测研究721
FPGA配置数据之前，首先进行帧地址寄存器（FAＲ）回读操作和状态（Status）寄存器的回读校验。帧地址寄存器测试和状态寄存器测试都成功通过后，开始进行器件内部寄存器数据回读。过程中对回读数据进行校验和对比，
如果连续3次校验错误则判断FPGA发生了单粒子事件，从而重新加载检测FPGA。回读数据包含FPGA配置寄存器中所使用的配置比特，共6852480bit，当配置寄存器发生1bit单粒子翻转时，则监控FPGA对检测FPGA程序重新加载，
程序重新开始运行。系统中记录了检测FPGA每次重加载的时间，
统计检测FPGA重加载的时间和次数，即可得到单粒子事件发生的时间和次数。2在轨单粒子翻转探测结果及分析
2．1
太阳平静期单粒子翻转率的实测与预示在轨测试期间为2016年，
如表1所示，在2016年1月1日至2016年12月31日共366天的时间内，
该探测器在2颗MEO轨道卫星上分别发生了105次和118次单粒子翻转事件，在1颗IGSO轨道卫星上发生了123次单粒子翻转事件。每颗星每个月发生的单粒子翻转次数最多为16次，
最少的仅有3次，次数变化范围较大，平均为9．6次。如表2所示，
由于遥测数据的统计率不同，因此修正单粒子翻转率分别约为0．517次/（器件·天）、
0．439次/（器件·天）、
0．457次/（器件·天）。又由于试验所使用的配置存储器位数为6852480bit，
而XQＲ2V3000的配置存储器总共有7347524bit，经换算得到XQＲ2V3000FPGA配置存储器单粒子翻转率分别为0．554次/（器件·天）、
0．471次/（器件·天）、0．491次/（器件·天），MEO轨道配置存储器单粒子翻转率取MEO轨道A和MEO轨道B的均值，为0．513次/（器件·天）。可见MEO轨道与IGSO轨道的单粒子翻转率相当。
Virtex-II系列XQＲ2V3000配置存储单元重离子Weibull参数LET阈值为1MeV·cm2
/mg，器件重离子饱和翻转截面约为4．37×10
－8
cm2/bit
［5］
，饱
和翻转截面较低。在此基础上，
根据MEO卫星和IGSO卫星的轨道参数，探测器的实际等效铝屏蔽厚度6mm，
结合CＲEME96空间环境模型［9］
，分别对
太阳活动低年、
太阳活动高年、耀斑增强最差一星期、
耀斑增强最差一天、耀斑增强峰值（5min平均）空间环境下的XQＲ2V3000配置存储器轨道翻转率进行了预测，
如表3和表4所示。根据预计结果，在太阳活动低年，
MEO轨道和IGSO轨道的单粒子翻转率分别为3．36次/（器件·天）和3．43次/（器件·天）。在太阳活动高年，
MEO轨道和IGSO轨道的单粒子翻转率分别为1．22次/（器件·天）和2．39次/（器件·天）。由于从2008年10月起，太阳开始进入第24太阳活动周，2013年至2014年到达太阳活动峰值
［10］
，而2016年介于太阳活动低年和
太阳活动高年之间。并且根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）空间环境预报中心网站的数据显示
［11］
，在2016年全年，
GEO卫星轨道仅发生了1次小太阳质子事件，
即2016年1月2日，GEO轨道能量大于10MeV的质子通量为4．5×105Protons/（cm2
·
d·sr）。所以，2016年为太阳活动平静期，单粒子事件主要受重离子影响。如表5所示，
对于2016年，取表3和表4中的太阳活动低年和太阳活动高年二者的单粒子翻转率均值，
MEO轨道和IGSO轨道分别为2．29次/（器件·天）和2．91次/（器件·天）。与在轨实测的MEO轨道及IGSO轨道配置存储器单粒子翻转率0．513次/（器件·天）以及0．491次/（器件·天）相比，MEO轨道的实测结果为预测结果的22．4%，
IGSO轨道实测结果为预测结果的16．9%，这与国外CFE卫星以及MＲM载荷的在轨实测数据与预测数据的比例
［6，8］
相匹配。
表1XQＲ2V3000FPGA配置存储器单粒子翻转计数统计（2016年）
Table1
ThestatisticsnumberofSEUofXQＲ2V3000
FPGA’
sconfigurationmemory（In2016）月份MEO轨道A单粒MEO轨道B单粒IGSO轨道单粒
子翻转计数/次子翻转计数/次子翻转计数/次
1月711122月87103月613164月11675月9676月12997月109168月312129月1212910月811711月7101012月12128总计
105
118
123
722
表2
Table2
项目单粒子翻转率修正后的单粒子翻转率配置存储器单粒子翻转率
宇航学报
XQＲ2V3000FPGA配置存储器单粒子翻转率计算
MEO轨道B单粒子翻
·（器件·转率/（次天）－1）
0．3220．4390．471
第40卷
ThecalculationoftheSEUrateoftheconfigurationmemoryofXQＲ2V3000FPGA
MEO轨道A单粒子
·（器件·翻转率/（次天）－1）
0．2860．5170．554
IGSO轨道A单粒子
·（器件·翻转率/（次天）－1）
0．3360．4570．491
表3Table3
辐射环境条件太阳活动低年太阳活动高年耀斑增强最差一星期耀斑增强最差一天
XQＲ2V3000FPGAMEO轨道单粒子翻转率预计（轨道高度约21000km，倾角55°）
质子
次/（位·天）
－－1．03×10－55．95×10－51．69×10－4
次/（器件·天）
－－75．64．37×1021．24×103
重离子
次/（位·天）4．57×10－71．66×10－75．96×10－75．96×10－75．96×10－7
次/（器件·天）
3．361．224．384．384．38
次/（位·天）4．57×10－71．66×10－71．09×10－56．01×10－56．9×10－4
总和
次/（器件·天）
3．361．2279．94．42×1021．24×103
XQＲ2V3000FPGAMEOorbitSEUratepredictions（Altitudeabout21000km，inclination55°）
耀斑增强峰值（5min平均）
表4Table4
辐射环境条件太阳活动低年太阳活动高年耀斑增强最差一星期耀斑增强最差一天
XQＲ2V3000FPGAIGSO轨道单粒子翻转率预计（轨道高度约36000km，倾角55°）
质子
次/（位·天）
－－1．46×10－58．44×10－42．38×10－4
次/（器件·天）
－－1．07×1026．2×1031．75×103
重离子
次/（位·天）4．67×10－73．25×10－76．65×10－76．65×10－76．65×10－7
次/（器件·天）
3．432．394．894．894．89
次/（位·天）4．67×10－73．25×10－71．52×10－58．5×10－52．4×10－4
总和
次/（器件·天）
3．432．391．12×1026．25×1021．76×103
XQＲ2V3000FPGAIGSOOrbitSEUＲatePredictions（Altitudeabout36000km，inclination55°）
耀斑增强峰值（5min平均）
表5
Table5
轨道MEO轨道IGSO轨道
XQＲ2V3000配置存储器单粒子翻转率比较
单粒子翻转率预测
结果/（次·（器件·天）
2．292．91
实测相对于预测的比例/%
22．416．9
ThecomparisonofSEUrateofXQＲ2V3000FPGA’sconfigurationmemory
－1
单粒子翻转率在轨实测
结果（2016年）/（次·（器件·天）
0．5130．491
）
－1
）
2．2
太阳平静期单粒子事件的频繁度
2颗MEO轨道卫星和1颗IGSO轨道卫星在一
表6Table6
单粒子翻转事件的频繁度（2016年）ThefrequencyofSEUevent（in2016）
项目
MEO轨道A卫星/次
462250
MEO轨IGSO轨道B卫道卫
星/次星/次413430
443530
天内发生1～4次单粒子翻转事件的天数如表6所
1天内只发生1次单粒子事由表中数据可看出，示，
1天内发生2次单粒子事件件的天数为41～46天，
1天内发生3次单粒子事件的的天数为22～35天，
1天内发生4次单粒子事件的天数天数为3～5天，
大部分时间1天为0。说明单粒子事件比较分散，内仅发生1次单粒子事件。
1天内只发生1次单粒子事件的天数1天内发生2次单粒子事件的天数1天内发生3次单粒子事件的天数1天内发生4次单粒子事件的天数
第6期韦欣荣等：XQＲ2V3000FPGA单粒子翻转率在轨探测研究723
2．3
太阳平静期单粒子事件翻转的空间分布
依据翻转事件发生的时刻及轨道根数，
可以得到翻转事件的空间分布情况。图3至图5分别为3
颗卫星单粒子翻转事件的星下点位置。同时统计了单粒子翻转事件随纬度变化的规律，
如表7所示。在轨数据表明2颗MEO卫星的中纬度南北纬30°～55°范围内的单粒子翻转次数分别为67次和70次，低纬度南北纬0°～29°范围内的计数分别为38次和48次，前者远大于后者。对于IGSO轨道卫
星，
中纬度南北纬30°～55°范围内的单粒子翻转次数为64次，低纬度南北纬0°～29°范围内的计数为59次，二者相当，前者略大于后者。对于MEO轨道A、MEO轨道B、IGSO轨道三颗卫星，北纬0°～55°范围内的计数分别为55次、67次、65次，南纬0°～
55°范围内的计数分别为50次、51次、58次，北半球的次数略大于南半球的次数。MEO轨道A卫星单
粒子翻转事件星下点位于西经区域的为35次，位于东经区域的为70次，
MEO轨道B卫星单粒子翻转事件星下点位于西经区域的为42次，
位于东经区域的为76次，
由此可见，对于MEO轨道卫星，星下点位于东经区域的次数明显大于位于西经区域的次数。IGSO轨道星下点轨迹为“8”
字形，南北纬对称分布，
由图5可以看出，单粒子翻转事件在IGSO轨道上近似于均匀分布。
表7
单粒子翻转次数纬度分布
Table7
TheLatitudedistributionofSEUnumber
项目MEO轨道AMEO轨道BIGSO轨道卫星/次
卫星/次
卫星/次
北纬30°～55°384540北纬0°～29°172225南纬30°～55°292524南纬0°～29°
21
26
34
图3MEO轨道A卫星单粒子翻转事件空间分布Fig．3
ThespacedistributionofSEUinMEOAorbit
图4MEO轨道B卫星单粒子翻转事件空间分布Fig．4
ThespacedistributionofSEUinMEOBorbit
图5IGSO轨道卫星单粒子翻转事件空间分布Fig．5
ThespacedistributionofSEUinIGSOorbit
2．42017年9月6日两次大太阳耀斑爆发后的单
粒子事件统计
2017年9月6日，太阳爆发了两次太阳耀斑，到达峰值的时间分别是北京时间17∶10和20∶02，级别分别为X2．2和X9．3，后者是有史以来最耀眼的耀斑。统计了9月5日至13日3颗星探测器的
单粒子翻转时刻，
时间均为北京时间，如表8所示。从中可以得到每天的翻转数。
在9月6日17∶10太阳爆发耀斑之后，由表中可以看出，
约在9月11日1∶30开始，即102h后，三颗卫星均发生了频繁的单粒子翻转事件，在9月11日，
MEO轨道A卫星、MEO轨道B卫星、IGSO轨道卫星分别发生2次、
3次、5次单粒子翻转，相邻两次的最小时间间隔为0．3h，
间隔时间短，比较频繁。根据NOAA空间环境预报中心网站的数据［12］
，在9月11日，GEO轨道质子通量最大，超过10MeV
的质子通量为9．4×107Protons/（cm2
·d·sr）。与本文统计的单粒子事件在9月11日达到峰值相
吻合。3
结论
本文利用一种FPGA配置存储器单粒子翻转事
件的监测方法，
对2颗MEO卫星以及1颗IGSO卫724
表8
Table8
卫星分类MEO轨道A卫星MEO轨道B卫星IGSO轨道卫星
9月5日
－5∶49
9月6日8∶34－2∶31
宇航学报
太阳耀斑爆发期间的单粒子翻转时刻
9月7日
－－
2∶355∶2911∶26
9月9日
－－23∶19
9月11日2∶113∶584∶174∶358∶17
9月12日
－10∶04
第40卷
ThetimeofSEUoftheconfigurationmemoryduringthesolarflaresburst
9月13日12∶4500∶0600∶31
1∶306∶008∶149∶1520∶453∶555∶39
星在2016年太阳活动平静期以及2017年9月6日太阳耀斑爆发期间所监测的单粒子翻转次数进行统
计分析，
得到以下结论：1）在太阳活动平静期，设备等效铝屏蔽厚度为
6mm的情况下，处于MEO轨道和IGSO轨道的XQＲ2V3000配置存储器单粒子翻转率分别为0．513次/（器件·天）和0．491次/（器件·天），分别为CＲEME96模型预测结果的22．4%和16．9%，这与国外CFE卫星以及MＲM载荷的在轨实测数据与预测数据的比例相匹配。
2）在太阳耀斑爆发期间，MEO与IGSO轨道单粒子翻转率分别上升为2．5次/（器件·天）和5次/（器件·天），比平静期高了一个数量级。
3）MEO轨道卫星单粒子翻转事件空间分布，东经区域明显大于西经区域，
中纬度区域明显大于低纬度区域，对于IGSO轨道卫星中纬度区域与低纬度区域数量相近。
试验所得的单粒子翻转率可为相同轨道卫星电
子设备单粒子翻转率的预示提供有效的参考。
参
考
文
献
［1］邢克飞，杨俊，王跃科，等．XilinxSＲAM型FPGA抗辐射设计
技术研究［J］．宇航学报，2007，28（1）：123－124．［XingKe-fei，YangJun，WangYue-ke，etal．Studyontheanti-radiationtechniqueforXilinxSＲAMBasedFPGA［J］．JournalofAstronautics，2007，28（1）：123－124．］
［2］SwiftMG．Xilinxsingleeventeffects1stconsortiumreport
virtex-iistaticseucharacterization［Ｒ］．California：JetPropu-lsionlaboratory，January2004．
［3］宋凝芳，朱明达，潘雄．SＲAM型FPGA单粒子效应试验研究
［J］．宇航学报，2012，33（6）：836－842．［SongNing-fang，ZhuMing-da，PanXiong．Experimentalstudyofsingleeventeffectsinsram-basedFPGA［J］．JournalofAstronautics，2012，33（6）：836－842．］
［4］MorganSK，WirthlinJM．Predictingon-orbitSEUrates［EB/
OL］．2005［2005］．https：//scholarsarchive．byu．edu/facpub/370/Predictingon-orbitSEUrates．pdf
［5］EngelJ，MorganSK，WirthlinJM，etal．Predictingon-orbit
staticsingleeventupsetratesinXilinxVirtexFPGAs［EB/OL］．2006［2006］．https：//scholarsarchive．byu．edu/facpub/1307/Predictingon-orbitstaticsingleeventupsetratesinXilinxVirtexFPGAs．pdf
［6］CaffreyM，WirthlinM，HowesW，etal．On-orbitflightresults
fromthereconfigurablecibolaflightexperimentsatellite（CFESat）［C］．17thIEEEsymposiumonfieldprogrammableCustomComputingMachines，California，USA，April5－7，2009．
［7］侯建文，张爱兵，郑香脂．FPGA单粒子翻转事件在轨探测研
究［J］．宇航学报，
2014，35（4）：454－458．［HouJian-wen，ZhangAi-bin，ZhengXiang-zhi．Ｒesearchonin-OrbitdetectionofSEUofFPGA［J］．JournalofAstronautics，2014，35（4）：454－458．］
［8］QuinnH，GrahamP，MorganK，etal．Flightexperienceofthe
XilinxVirtex-4FPGA［Ｒ］．California：JetPropulsionlaboratory，2015．
［9］PetersenE．Singleeventeffectsinaerospace［M］．American：
Wiley-IEEEPress，2011：223．
［10］呼延奇，蔡震波．空间天气事件对航天器的影响［J］．气象科
技进展，2011（4）：13－14．［HuYan-qi，CaiZhen-bo．Influencesofspaceweathereventsonthespacecraft［J］．AdvancesinMeteorologicalScienceandTechnology，2011（4）：13－14．］
［11］U．S．Dept．ofCommerce，NOAA，SpaceWeatherPrediction
Center．2016DailyParticleData［DB/OL］．［2017-01-02］．ftp：//ftp．swpc．noaa．gov/pub/warehouse/2016/2016_DPD．txt
［12］U．S．Dept．ofCommerce，NOAA，SpaceWeatherPrediction
Center．2017DailyParticleData［DB/OL］．［2018-01-02］．ftp：//ftp．swpc．noaa．gov/pub/warehouse/2017/2017_DPD．txt作者简介：
韦欣荣（1978-），女，硕士，主要从事卫星测控、通信总体技术工作。
通信地址：北京5142信箱367分箱（100094）电话：（010）68747055
E-mail：weixinrong@hotmail．com
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容