一种基于粒子滤波模型的单粒子功能中断截面评估方法与流程

本发明属于系统单粒子软错误可靠性评估技术。

背景技术：

在通常情况下，单个线性能量传输(let)值下的功能中断截面是借助重离子辐照试验获取，随后通过weibull函数拟合获取系统功能中断截面随let值的变化曲线，最终可换算得到航天器系统的在轨预示指标。然而，受国内重离子加速器的试验条件限制，无法获取满足足够条件下的试验数据。

当前，单粒子截面评估技术的相关研究分为两个侧重点，一个侧重点是完全依靠单粒子辐照试验或者基于单一测试模块建立简化等效模型获取静态测试数据；另一个侧重点是建立概率分析模型，以重要度评估系统各功能块单粒子防护设计。以上方法均无法针对结构复杂全系统设计，建立等效辐照试验的动态单粒子试验数据分析模型。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于粒子滤波模型的单粒子功能中断截面评估方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于粒子滤波模型的单粒子功能中断截面评估方法，通过下述方式实现：

进行重粒子加速辐照试验，统计对应let0值离子辐照下，平均一次功能中断的离子注量率l0和平均一次功能中断累积辐照总注量n0，并作为基准数据；同时，利用配置存储区回读机制，统计平均试验中平均翻转的bit数，记为i0；

假设在预评估let1值下，辐照试验的重离子注量率设为l1，建立粒子滤波模型，预估发生seu次数的期望值

定义系统等效的功能耦合因子为λ，λ表示系统发生任意单bit翻转时候，造成系统功能出错的概率；根据λ的定义，对系统功能中断截面σsys进行等效；

根据上述预估的发生seu次数的期望值以及基准数据，评估未知let1值下的系统功能中断截面。

进一步的，所述建立粒子滤波模型通过下述方式实现：

(1)基于sram型fpga配置存储区的seu静态翻转截面σ，构建重离子辐照试验初始时刻t时刻，粒子采样序列先验概率分布函数，获取初始化采样粒子样本；

(2)假设在重离子辐照试验状态下，基于步骤(1)获取的初始化采样粒子样本，利用重要性采样原理，重新确定重要性采样后的粒子

(3)根据粒子seu的状态转移模型，预估t+1时刻重要性采样后的粒子发生seu次数的期望值

进一步的，所述的获取初始化采样粒子样本通过下述方式实现：

(1.1)依据fpga已知配置存储区静态翻转截面变化曲线，确定预评估let1值对应的静态翻转截面为σ1；

(1.2)根据fpga配置存储区大小结合(1.1)的结果，计算重离子辐照初始时间段t内配置存储区发生seu的平均次数υ；

(1.3)根据fpga配置存储区发生seu的次数服从泊松分布的规律，确定初始化采样粒子的先验概率分布函数第j个初始化采样粒子发生i次seu的概率以及第j个初始化采样粒子的概率归一化粒子权重上标j定义为采样粒子排序的索引值；

(1.4)针对所有采样例子执行上述步骤(1.3)，获取初始化采样粒子

进一步的，步骤(1.2)中配置存储区发生seu的平均次数按照下式计算：

υ＝σ1·nsrams·t·l1；

式中，变量nsrams表示fpga配置存储区大小，单位:bit；

l1为let1值离子辐照下，平均一次功能中断的离子注量率，单位：个/cm²·s。

进一步的，所述步骤(1.3)中先验概率分布函数第j个初始化采样粒子发生i次seu的概率分别通过下述公式进行计算：

进一步的，所述步骤(2)按照下述过程进处理：

(2.1.1)初始化设置，设累积函数

(2.1.2)令i^j在[2,n]内依次取值，按照如下公式计算累积函数

(2.1.3)在u[0,1/n]范围内抽取起始点u1；

(2.1.4)令j在[1,m]内依次取值，每次取值后计算uj＝u1+(j-1)/m，当满足时，将i^j值加1；设定父样本信息则为t时刻的重要性采样后的粒子

进一步的，所述步骤(3)通过下述方式实现：

(3.1)统计时刻t到时刻t+1，辐照试验造成新增的seu次数δυ；

(3.2)根据t时刻的重要性采样后的粒子构建t+1时刻的seu状态转移模型，确定重要性采样后的粒子由t时刻到t+1时刻的seu时序状态转移概率分布函数，进而获取此时刻的粒子发生seu概率

(3.3)计算得到t+1时刻，重要性采样后的粒子的归一化权重

(3.4)根据上述得到的归一化权重，由t时刻预估得到t+1时刻重要性采样后的粒子发生seu的粒子次数，即为t+1时刻下的seu发生次数的期望值。

进一步的，所述(3.2)中重要性采样后的粒子由t时刻到t+1时刻的seu时序状态转移概率分布函数

式中，σ1为预评估let1值对应的静态翻转截面；

进一步的，系统功能中断截面σsys等效公式如下：

重离子辐照试验总注量为n时，sram型fpga发生配置存储区发生seu的次数为i；σsys单位：cm²/器件。

进一步的，评估未知let1值下的系统功能中断截面计算公式如下：

其中，

本发明与现有技术相比有益效果为：

本发明提出了结合单机设备级系统功能架构设计特性，构建了一种基于粒子滤波模型的单粒子功能中断截面评估方法。该方法利用粒子滤波模型在非线性、递归序贯采样评估的优势，对辐照试验下连续时间、随机不确定性发生seu概率进行模拟，结合已得到的部分试验数据，完成对指定let值下的系统功能中断截面值的拟合，减少通过单粒子辐照试验获取数据的依赖性，可缓解试验机时供需紧张问题，优化了单粒子试验过程，提升了系统抗seu评估效率；同时，该方法应用的主要对象是宇航数字信号处理单机系统，在适用性、可操作性，以及创新性均有所突破，具备广阔的市场应用前景。所具备的优点如下：

1.发明方法从数学建模，理论推导得出系统功能中断截面，简化了辐照试验过程，缓解了试验机时供需紧张问题，同时提升了系统抗seu评估效率，节省了试验代价开销。

2.发明方法构建的系统功能中断概率截面评估模型，结合了单粒子软错误传播机理和系统防护架构，并利用粒子滤波模型的原理评估下个不同时刻系统单粒子翻转概率，完成理论模型与辐照试验数据的契合，从多维角度加强了模型建立的可靠度。

3.发明方法采用了粒子滤波模型分析单粒子翻转概率，有效地模拟了单粒子辐照试验时seu发生概率随时间累积和变化的不确定性，从而优化了数据分析计算精度。

4.发明方法构建的let值与系统功能中断截面评估方法，利用基准数据进行二次等效，完成不同粒子能谱下的let值与系统中断截面等效耦合关系的理论建模。

5.发明方法应用对象为数字信号处理系统及sram型fpga架构下的单粒子防护效果数据评估，其体系架构涵盖了主流宇航类数字信号处理单机设计体系，设计针对性强，方法具备一定通用性。

附图说明

图1为本发明功能中断截面评估方法设计流程图；

图2为本发明试验系统架构设计图；

图3为本发明系统重离子辐照试验流程；

图4为本发明粒子滤波模型设计流程图；

图5为本发明xqr4vsx55fpga的配置存储区静态翻转曲线；

图6为本发明采样粒子seu时序状态转移模型。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

航天器数字信号处理系统的核心器件为sram型fpga，其核心内部敏感组件配置存储区受到单粒子辐照引发seu效应，随后通过系统传播耦合，最终在系统功能层面表现为关键数据信号传输错误，造成系统功能执行紊乱，该错误状态通常被判读为系统单粒子功能中断。本方法基于sram型fpga器件构建的数字信号处理系统，以配置存储区和内部时序逻辑电路所关联的设计资源作为单粒子效应敏感组件，并利用滤波模型可进行非线性、递归序贯采样评估后验参数的特性，建立基于粒子滤波模型的单粒子功能中断截面评估方法，用于评估下个不同时刻系统单粒子翻转概率，获取饱和let阈值内的let值与系统功能中断截面变化关系。以下为该方法设计流程图。

整个评估方法的设计流程图如图1所示，主要分为三个阶段，分别为：

(1)阶段一：基准数据获取

以数字处理系统为试验系统，完成系统单粒子防护架构设计和建立测试系统，选择合适离子能谱开展辐照试验，采集基准数据。

步骤1：基于图2系统架构设计，确定单粒子效应主要作用对象为子系统sram型fpga的配置存储区及相关联的设计资源。

步骤2：选取某一fpga子系统为辐照试验测试对象，开展单粒子辐照试验，完成基准数据采集，试验过程如下。

步骤2-1：按照重离子加速器试验环境要求，搭建试验系统，并选择有效射程的let值离子辐照。

步骤2-2：按照图3辐照试验的流程图，依据系统功能中断信号判据，完成fpga子系统的辐照试验，并试验记录数据，统计对应let0值离子辐照下，平均一次功能中断的离子注量率l0(单位：个/cm²·s)和平均一次功能中断累积辐照总注量n0(单位：个/cm²)，并作为基准数据；同时，利用配置存储区回读机制，统计平均试验中平均翻转的bit数，记为i0。

获取基准试验数据实现步骤如下：

(1)开桌面电源，设置并打开信号源时钟；

(2)将上位机界面打开，通过界面发送“加载测试程序”的指令，对监控和测试fpga分别完成程序配置；

(3)记录工作电压和电流，判断其是否正常；

(4)监测系统定义的关键信号，观察有无异常；

(5)开辐照源，用高能离子对被测系统的fpga进行照射；

(6)调节束流密度，束流密度调节方法如下：

将束流密度设为30个/cm²/s。

如果试验开始1分钟内，功能出现异常。停止试验，并将单位时间内通过的单粒子数目减半后继续试验。

试验开始后5分钟内，功能未出现异常。停止试验，并将单位时间内通过的单粒子数目增加一倍，继续试验。

如果试验开始后5分钟左右发生一次单粒子功能中断，则认为密度基本合适，然后在这个束流密度下进行试验。

(7)对系统定义的功能关键信号监测，观察有无异常；

(8)如果发生系统功能中断，则关粒子束，并且功能中断次数加1；同时通过系统控制界面发送复位键，看系统功能是否恢复，如果不能恢复则对数字信号处理器断电并重新加电；

如果系统功能中断次数达到10次或者总注量达到10⁷，则停止本次试验。

(2)阶段二：粒子滤波建模

基于阶段一辐照的fpga子系统，假设在预评估let1值下，辐照试验的重离子注量率设为l1，建立粒子滤波模型，评估fpga子系统的重离子总注量与发生seu概率的变化关系，如图4所示。

步骤3：基于sram型fpga配置存储区的seu静态翻转截面σ(单位：cm²/bit)，构建重离子辐照试验初始时刻t0时刻，粒子采样序列先验概率分布函数，具体实现如下。

步骤3-1：依据fpga已知配置存储区静态翻转截面变化曲线(如图5所示)，确定预评估let值对应的静态翻转截面为σ1；

步骤3-2：依据fpga配置存储区大小，用变量nsrams表示(单位:bit)，获取重离子辐照初始时刻t，利用式(1)，获取配置存储区发生seu的平均次数；

υ＝σ1·nsrams·t·l1(1)

步骤3-3：配置存储区发生seu的次数服从泊松分布，得到在辐照试验t时刻，初始化采样粒子的先验概率分布函数上标j定义为采样粒子排序的索引值，即第j个粒子发生i次seu的概率分布，其概率值为用式(2)表示；

步骤3-4：按照上述采样粒子，依据概率归一化粒子权重

步骤3-5：利用上述步骤3-1～步骤3-4，获取初始化采样粒子

步骤4：假设在重离子辐照试验状态下，基于步骤3获取的初始粒子样本，利用重要性采样原理和粒子seu的状态转移概率函数，评估t+1时刻fpga子系统的seu概率分布函数，具体实现如下。

步骤4-1：基于重要性采样原理，提升采样粒子的评估精度，降低噪声粒子的干扰，重要性采样算法实现过程如下；

(2.1.1)初始化设置，设累积函数

(2.1.2)令i^j在[2,n]内依次取值，按照如下公式计算累积函数

(2.1.3)在u[0,1/n]范围内抽取起始点u1；

(2.1.4)令j在[1,m]内依次取值，每次取值后计算uj＝u1+(j-1)/m，当满足时，将i^j值加1；设定父样本信息则为t时刻的重要性采样后的粒子

步骤4-2：统计时刻t到时刻t+1，辐照试验造成新增的seu次数δυ，其服从[0,σ1·nsrams·l1]的随机分布；

步骤4-3：基于t时刻的重要性采样后的粒子其中上标j定义为重要性采样粒子排序的索引值，一共m个粒子，如图6所示构建t+1时刻的seu状态转移模型；

步骤4-4：由图6可知，t+1时刻第j个粒子发生seu的次数为即因此结合式(2)，粒子由t时刻到t+1时刻的seu时序状态转移概率分布函数可由式(4)表示，同理可获取此时刻的粒子发生seu概率

步骤4-5：基于式(3)，计算得到t+1时刻，粒子的归一化权重

步骤5：；利用上述采样的粒子，由t时刻可以预估得到t+1时刻的发生seu的粒子次数，由式(5)表示：

步骤6：基于式(5)结果即t+1时刻下的seu发生次数的期望值，将代入原交底书公式(2)，即将原公式(2)中的i^j替换为预估得到下个t+1时刻的发生seu的后验概率和后验概率密度因此当辐照试验累计进行到t+1时刻，发生seu次数的期望值为其概率期望为

(3)阶段三：功能中断截面等效

步骤7：定义系统等效的功能耦合因子为λ，表示系统发生任意单bit翻转时候，造成系统功能出错的概率，该因子与系统功能架构和器件的物理特征有关。因此，一旦系统功能设计和器件选型确定，λ即为固定值；

步骤8：构建let值-功能中断截面评估模型，假设已知某let值下，重离子辐照试验总注量为n时，sram型fpga发生配置存储区发生seu的次数为i，代入λ，系统功能中断截面σsys(单位：cm²/器件)可由式(6)等效。

步骤9：利用阶段二粒子滤波模型预估得到t+1时刻，seu次数的期望值结合阶段一基准数据，由已知数据，评估未知let值下的系统重离子试验功能中断截面，计算公式如下

其中，

步骤10：重复步骤3～步骤9，可以评估其它饱和let阈值内，不同需求的let值系统功能中断截面，实现let值与系统功能中断截面重离子辐照试验数据拟合。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。