Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения



Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения
Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения

Владельцы патента RU 2650910:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к резервированию электронной аппаратуры. Технический результат - обеспечение длительного срока активного существования электронного устройства в условиях воздействия ионизирующего излучения. Для этого предложен способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения, который заключается в том, что в электронном устройстве устанавливают идентичные основной и резервный блоки, дозовый детектор и 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 и вычисляют интегральную дозу ионизирующего излучения и на основании информации об интегральной дозе генерируют управляющие сигналы на переключение работы с основного блока на резервный и обратно для равномерного распределения накопленной дозы на каждый из блоков. 3 з.п. ф-лы.

 

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.

В ходе проведенного исследования был установлен алгоритм управления полукомплектами ЭБ, который в данном случае сводится к заданию опорного значения интегральной накопленной дозы - DSW за половину периода работы блока в динамическом режиме и поддержанию этой величины в течение всего срока активного существования (САС) КА - ТСАС с использованием показаний бортовой дозиметрии.

Значение DSW определяется исходя из ожидаемой усредненной мощности поглощенной дозы на орбите КА - JD, времени релаксации дозового воздействия - tr и ресурса по переключению - NMAX релейных элементов подачи питания на ЭБ с учетом коэффициента запаса - kSW 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:

Ts - 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.

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 DSW 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.

1. Способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения, заключающийся 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, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что активное время работы основного и резервного электронных блоков определяют на основании анализа его интегральной накопленной дозы в реальном времени и изменяют адаптивно к изменению внешней радиационной обстановки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что 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.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении интегральной накопленной дозы учитывают различие величин предельной поглощенной дозы электронной компонентной базы в разных электрических режимах работы.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к средствам динамического распределения функциональности при управлении энергопотреблением. Технический результат – обеспечение динамического разделения функциональности между подсистемой обработки данных и одним или более удаленным датчиком.

Изобретение относится к области многозадачных систем реального времени. Техническим результатом является выполнение задач приложения реального времени на многозадачном компьютере.

Группа изобретений относится к системам программного управления. Устройство для защиты управляющего сигнала имеет первый режим работы и второй режим работы и содержит первую клеммную пару, вторую клеммную пару, элемент для временного накапливания электроэнергии и переключающую цепь для управления режимом работы устройства для защиты управляющего сигнала.
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к области геофизических исследований скважин, а именно к способам для осуществления измерения и контроля параметров скважины.

Группа изобретений относится к способу и устройству для управления резервированием электронного блока. Для осуществления способа включают в работу все группы органов управления и индикации, непрерывно выполняют их контроль на доступность и готовность к эксплуатации, распределяют управляющие сигналы между доступными и готовыми к эксплуатации электронными модулями.

Комплекс оборудования состоит из разнородных компонентов, из которых может быть образовано более одной конфигурации, обеспечивающей использование объекта управления по назначению.

Изобретение предназначено для анализа состояния автоматизированных систем (АС). Технический результат - повышение достоверности анализа состояния АС и мониторинг динамических объектов.

Изобретение относится к области вычислительной техники, а более конкретно к резервному копированию и восстановлению данных. Техническим результатом изобретения является снижение объема потери данных по итогам восстановления.

Изобретение относится к устройству определения неправильного распознавания в группе параметров движения транспортного средства, используемых для управления вождением транспортного средства.

Группа изобретений относится к испытанию и контролю систем управления устройств. Способ удаленного взаимодействия с изделием включает в себя использование программы, загруженной на смартфон пользователя.

Все унифицированные по интерфейсам и программному обеспечению вычислители общего назначения, а также специализированные по назначению контроллеры периферийных устройств посредством управляемых сетевых контроллеров/концентраторов подключаются ко всем интерфейсным шинам и могут образовывать любую из предопределенных конфигураций вычислительной среды комплекса.

Изобретение относится к бортовым вычислительным системам и может быть использовано для построения высоконадежных отказоустойчивых комплексных систем управления (КСУ) полетом летательных аппаратов (ЛА).

Изобретение относится к области вычислительной техники и может использоваться при построении высоконадежных вычислительных управляющих систем, предназначенных для приема информации от абонентов, обработки принятой информации и выдачи результирующей информации абоненту.

Группа изобретений относится к вычислительной технике и может быть использована для управления процессорами с использованием резервирования. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости.

Изобретение относится к способу обнаружения ошибки при считывании элемента данных, содержащему этапы, на которых: а) сохраняют первую копию элемента данных в первой области электронной памяти и сохраняют вторую копию элемента данных во второй области электронной памяти, b) считывают значения первой и второй копий элемента данных соответственно в первой и второй областях, с) сравнивают считанные значения первой и второй копий элемента данных, е) если считанные значения первой и второй копий не совпадают, то повторяют предыдущие этапы b) и с), и f) если считанные значения на этапе е) совпадают, обнаруживают ошибку считывания указанного элемента данных, а в противном случае не обнаруживают ошибки считывания указанного элемента данных.

Изобретение относится к оборудованию летательного аппарата. Пассажирский самолет содержит двухконтурную систему управления общесамолетным оборудованием и самолетными системами, включающую основные и резервные блоки вычислителей-концентраторов, блоки преобразования сигналов, блоки коммутации и защиты постоянного и переменного электрического тока, взаимодействующие с общесамолетным оборудованием и самолетными системами по каналам информационного обмена.

Данное изобретение относится к вычислительной технике и автоматике. Технический результат заключается в повышении быстродействия и надежности при передаче цифровой информации через параллельную магистраль.

Изобретение относится к области систем функционального резервирования электронных плат, а именно к резервированию плат измерительного канала космического аппарата.

Изобретение относится к области вычислительной техники и может использоваться в высокопроизводительных системах обработки больших массивов данных, передаваемых по высокоскоростным каналам передачи (приема), в том числе и в режиме реального времени.

Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения и может быть использовано в радиоэлектронной промышленности. Способ защиты от радиации радиоэлектронной аппаратуры заключается в том, что радиоэлектронную аппаратуру, критичную к радиации и работающую в составе объекта, располагают внутри топливной емкости объекта, преимущественно в резервной части, на стенке, прилегающей к объекту.

Изобретение относится к резервированию электронной аппаратуры. Технический результат - обеспечение длительного срока активного существования электронного устройства в условиях воздействия ионизирующего излучения. Для этого предложен способ адаптивного резервирования электронных блоков приборов бортовой аппаратуры космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения, который заключается в том, что в электронном устройстве устанавливают идентичные основной и резервный блоки, дозовый детектор и 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 и вычисляют интегральную дозу ионизирующего излучения и на основании информации об интегральной дозе генерируют управляющие сигналы на переключение работы с основного блока на резервный и обратно для равномерного распределения накопленной дозы на каждый из блоков. 3 з.п. ф-лы.

Наверх