——基于AS32S601型MCU試驗(yàn)數(shù)據(jù)的適用性評(píng)估

摘要 ：高軌航天器面臨的空間輻射環(huán)境較中低軌道呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)惡化，對(duì)微控制器的抗輻照能力提出極為嚴(yán)苛的要求。本文基于國(guó)科安芯研制的AS32S601型商業(yè)航天級(jí)MCU的脈沖激光單粒子效應(yīng)、質(zhì)子單粒子效應(yīng)及總劑量效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從輻射環(huán)境模型、器件本征抗輻照能力、系統(tǒng)級(jí)冗余架構(gòu)、成本效益權(quán)衡及供應(yīng)鏈安全五個(gè)維度，構(gòu)建高軌航天器MCU選型約束框架，強(qiáng)調(diào)必須結(jié)合任務(wù)軌道特征、壽命周期、預(yù)算限制與技術(shù)自主可控要求進(jìn)行綜合權(quán)衡。

1. 引言

高軌航天器通常指運(yùn)行于地球同步軌道（GEO，高度約35786公里）或更高軌道的衛(wèi)星系統(tǒng)，此類平臺(tái)具有通信覆蓋廣域、持續(xù)觀測(cè)能力強(qiáng)、軌位資源稀缺等顯著優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代通信、導(dǎo)航、預(yù)警及深空探測(cè)任務(wù)的核心基礎(chǔ)設(shè)施。然而，相較于近地軌道（LEO，高度200-2000公里）的空間環(huán)境，高軌區(qū)域面臨的輻射環(huán)境在質(zhì)與量上均呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)惡化。地球輻射帶外帶質(zhì)子通量在GEO軌道較LEO軌道高出2-3個(gè)量級(jí)，銀河宇宙射線（GCR）重離子成分更為豐富且能量更高，太陽(yáng)爆發(fā)事件引發(fā)的粒子通量激增對(duì)長(zhǎng)壽命高軌平臺(tái)構(gòu)成持續(xù)性威脅。微控制器單元（MCU）作為航天器姿態(tài)軌道控制、熱控、能源管理等分系統(tǒng)的核心處理單元，其抗輻照性能直接決定任務(wù)成敗。

傳統(tǒng)高軌航天器普遍采用經(jīng)QML-V認(rèn)證或同等軍用等級(jí)的抗輻照器件，如基于SOI或SOS工藝的專用航天芯片，雖可靠性極高，但存在采購(gòu)成本高昂、交付周期漫長(zhǎng)、技術(shù)自主性受限等固有局限。隨著商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的興起，以AS32S601為代表的商業(yè)航天級(jí)器件應(yīng)運(yùn)而生，其具備SEU/SEL≥75 MeV·cm2·mg?1、TID≥150 krad(Si)的抗輻照指標(biāo)，并采用開放的RISC-V指令集架構(gòu)，為低成本高軌任務(wù)提供了潛在選擇。然而，商業(yè)航天級(jí)器件在試驗(yàn)充分性、環(huán)境覆蓋度及長(zhǎng)期可靠性方面與傳統(tǒng)航天級(jí)器件存在顯著差異，其應(yīng)用于高軌平臺(tái)的選型約束亟待系統(tǒng)性分析。

2. 高軌輻射環(huán)境特征與量化模型構(gòu)建

2.1 輻射源構(gòu)成與通量分析

高軌航天器面臨的輻射環(huán)境呈多源疊加特征。首先，地球輻射帶外帶質(zhì)子能量范圍覆蓋100 keV至數(shù)百M(fèi)eV，其中100 MeV質(zhì)子注量率在中等地磁活動(dòng)條件下可達(dá)10? p·cm?2·s?1量級(jí)，年累積注量高達(dá)1012 p·cm?2。其次，銀河宇宙射線重離子成分從氫至鈾元素全覆蓋，LET值連續(xù)分布，其中LET>30 MeV·cm2·mg?1的重離子雖通量較低，但對(duì)深度電離效應(yīng)極為敏感。再者，太陽(yáng)質(zhì)子事件（SPE）在爆發(fā)期可導(dǎo)致GEO軌道質(zhì)子通量瞬時(shí)提升3-5個(gè)量級(jí)，對(duì)未加防護(hù)的器件構(gòu)成毀滅性威脅。

根據(jù)ASTM F1892標(biāo)準(zhǔn)空間環(huán)境模型，GEO軌道15年任務(wù)周期內(nèi)，屏蔽厚度為100 mil（2.54 mm）鋁等效條件下，器件承受的總劑量約為100-300 krad(Si)，具體數(shù)值取決于太陽(yáng)活動(dòng)周期與屏蔽設(shè)計(jì)方案。對(duì)于未采取局部屏蔽的MCU裸芯片，TID水平可能超過(guò)500 krad(Si)。因此，器件的TID耐受能力必須留有充足余量，通常要求額定值高于預(yù)期環(huán)境值的1.5-2倍。

2.2 單粒子效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)量化模型

單粒子效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需結(jié)合器件敏感截面與軌道粒子通量。典型CMOS工藝的SEL截面在LET=20-40 MeV·cm2·mg?1區(qū)間可達(dá)10?3-10?? cm2，在GEO環(huán)境下，若器件SEL閾值低于30 MeV·cm2·mg?1，其年失效率可能超過(guò)10?2次/器件，必須通過(guò)系統(tǒng)級(jí)冗余規(guī)避。

SEU效應(yīng)雖不致永久性損傷，但導(dǎo)致的位翻轉(zhuǎn)可能引發(fā)控制邏輯錯(cuò)亂。對(duì)于無(wú)ECC保護(hù)的SRAM，GEO軌道SEU錯(cuò)誤率可達(dá)10?? upset·bit?1·day?1，512 KiB容量的SRAM每日可能產(chǎn)生超過(guò)40次軟錯(cuò)誤，必須通過(guò)軟件或硬件ECC/EDAC機(jī)制予以糾正。AS32S601的SRAM集成ECC功能，可將錯(cuò)誤率降低至10??量級(jí)，但仍需評(píng)估其覆蓋范圍與糾錯(cuò)延遲。

2.3 任務(wù)剖面與劑量深度分析

不同任務(wù)剖面顯著影響器件選型約束。通信衛(wèi)星要求99.9%以上的可用性，允許中斷時(shí)間<1秒；遙感衛(wèi)星在成像期間需連續(xù)穩(wěn)定工作，非成像期可進(jìn)入安全模式；技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星可容忍更高風(fēng)險(xiǎn)。因此，選型時(shí)必須結(jié)合任務(wù)失效容忍度、備份策略及重構(gòu)能力，制定差異化的抗輻照指標(biāo)要求。

3. 抗輻照性能的核心技術(shù)約束維度

3.1 器件本征抗輻照能力約束

器件抗輻照指標(biāo)是選型的首要?jiǎng)傂约s束。AS32S601為"商業(yè)航天級(jí)"，承諾TID≥150 krad(Si)、SEL/SEU≥75 MeV·cm2·mg?1。這一指標(biāo)體系的設(shè)定需基于以下技術(shù)考量：

總劑量耐受能力方面 ，150 krad(Si)的閾值對(duì)于5年以內(nèi)LEO任務(wù)或中等屏蔽條件下的MEO任務(wù)具備足夠余量，但對(duì)于15年長(zhǎng)壽命GEO任務(wù)，若局部屏蔽不足，實(shí)際累積劑量可能逼近或超過(guò)該限值。試驗(yàn)報(bào)告顯示，器件在150 krad(Si)輻照后性能合格，但工程應(yīng)用中必須結(jié)合詳細(xì)劑量深度曲線（DDD分析），確保在最劣屏蔽條件下，器件工作壽命末期（EOL）的累積劑量留有至少30%的安全裕度。對(duì)于高軌任務(wù)，建議采用200 krad(Si)作為設(shè)計(jì)閾值。

單粒子鎖定閾值方面 ，脈沖激光試驗(yàn)與質(zhì)子試驗(yàn)均證明SEL閾值≥75 MeV·cm2·mg?1，且在高注量輻照下未觀測(cè)到鎖定現(xiàn)象，表明器件在版圖級(jí)采用了保護(hù)環(huán)、外延層等抗閂鎖設(shè)計(jì)。然而，高軌環(huán)境中存在LET值高達(dá)100 MeV·cm2·mg?1以上的重離子，雖然通量極低，但對(duì)長(zhǎng)壽命任務(wù)仍構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。

單粒子翻轉(zhuǎn)特性方面 ，脈沖激光試驗(yàn)在LET=75 MeV·cm2·mg?1下觀測(cè)到CPU復(fù)位現(xiàn)象，表明器件內(nèi)部監(jiān)控電路對(duì)SEU具有響應(yīng)機(jī)制。

3.2 試驗(yàn)充分性與標(biāo)準(zhǔn)符合性約束

商業(yè)航天級(jí)器件的試驗(yàn)覆蓋度與傳統(tǒng)航天級(jí)存在顯著差異。AS32S601的試驗(yàn)矩陣包括脈沖激光SEE試驗(yàn)、質(zhì)子SEE試驗(yàn)及總劑量試驗(yàn)，但未涵蓋的關(guān)鍵項(xiàng)目包括：

重離子SEE試驗(yàn) ：未使用真實(shí)重離子源（如Xe、Bi）進(jìn)行微束掃描，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定σ-LET曲線及飽和截面，這是估算高軌SEU率的核心數(shù)據(jù)。 高溫工作壽命（HTOL）與輻照協(xié)同效應(yīng) ：未進(jìn)行TID與溫度、電壓的加速壽命試驗(yàn)，無(wú)法驗(yàn)證150 krad(Si)劑量下15年工作的參數(shù)漂移。 位移損傷（DD）試驗(yàn) ：高能質(zhì)子（>50 MeV）引起的晶格位移效應(yīng)未評(píng)估，可能影響模擬電路性能。 多芯片批次一致性 ：試驗(yàn)樣品均為同一批次，未考核不同晶圓、不同封裝批次間的抗輻照參數(shù)離散性。

因此，選型約束要求：若任務(wù)采用商業(yè)航天級(jí)器件，必須補(bǔ)充上述缺項(xiàng)試驗(yàn)，或接受因試驗(yàn)不充分帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)增量，并在系統(tǒng)級(jí)采取更嚴(yán)苛的冗余措施。

3.3 系統(tǒng)級(jí)冗余與容錯(cuò)設(shè)計(jì)約束

鑒于器件本征抗輻照能力存在不確定性，高軌任務(wù)必須在系統(tǒng)層面構(gòu)建多重防御。AS32S601的硬件特性為冗余設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。雙機(jī)冷/熱備份架構(gòu)可利用其低功耗模式，備用節(jié)點(diǎn)可在軌長(zhǎng)期待命，主備切換時(shí)間需<10 ms。關(guān)鍵控制環(huán)采用TMR設(shè)計(jì)，三份變量存儲(chǔ)于帶ECC的SRAM中，每1 ms進(jìn)行多數(shù)表決。通信冗余方面，4路CAN-FD與6路SPI支持物理層冗余，避免單點(diǎn)故障。電源監(jiān)控電路可在SEL引發(fā)的過(guò)流異常時(shí)觸發(fā)斷電重啟，響應(yīng)時(shí)間需<1 ms以防止熱燒毀。

然而，冗余設(shè)計(jì)帶來(lái)成本、功耗與復(fù)雜度代價(jià)。對(duì)于資源受限的微小衛(wèi)星，必須權(quán)衡冗余帶來(lái)的可靠性提升與平臺(tái)承載能力。約束條件轉(zhuǎn)化為：若器件SEL截面>10?? cm2，則必須采用雙機(jī)冗余；若SEU錯(cuò)誤率>10?? upset·bit?1·day?1，則SRAM必須配置TMR+ECC。這些約束直接決定了系統(tǒng)架構(gòu)的最低復(fù)雜度。

4. AS32S601試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深度解讀與適用性評(píng)估

4.1 脈沖激光試驗(yàn)的等效性與局限性分析

脈沖激光試驗(yàn)通過(guò)雙光子吸收機(jī)制模擬重離子電離效應(yīng)，具有快速定位敏感節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。AS32S601試驗(yàn)采用120 pJ-1830 pJ能量范圍，等效LET覆蓋5-75 MeV·cm2·mg?1，該范圍覆蓋了90%以上的空間重離子LET分布。試驗(yàn)觀測(cè)到SEU引發(fā)CPU復(fù)位，但未出現(xiàn)SEL，證明器件在版圖級(jí)采用了有效保護(hù)結(jié)構(gòu)。

然而，激光試驗(yàn)的等效性存在固有限制：激光能量沉積為柱狀，實(shí)際重離子為錐形徑跡；激光無(wú)法模擬核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子；激光試驗(yàn)未考核LET>75 MeV·cm2·mg?1區(qū)域。高軌任務(wù)的重離子環(huán)境LET可達(dá)100 MeV·cm2·mg?1以上，雖然通量極低，但長(zhǎng)壽命任務(wù)的累積風(fēng)險(xiǎn)不可忽略。因此，激光試驗(yàn)結(jié)果僅能作為初步篩選，不能替代重離子試驗(yàn)用于最終選型決策。

4.2 質(zhì)子試驗(yàn)的能量覆蓋度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)評(píng)估

100 MeV質(zhì)子試驗(yàn)覆蓋了地球輻射帶外帶的主要質(zhì)子能量，但在高軌環(huán)境中，質(zhì)子能量可延伸至數(shù)百M(fèi)eV，且太陽(yáng)質(zhì)子事件能量可達(dá)GeV量級(jí)。高能質(zhì)子不僅引發(fā)SEE，還可能通過(guò)散裂反應(yīng)產(chǎn)生重離子次級(jí)粒子，誘發(fā)高能LET事件。試驗(yàn)注量率1×10? p·cm?2·s?1雖能加速測(cè)試，但未考核突發(fā)高強(qiáng)度SPE下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

質(zhì)子試驗(yàn)中器件功能正常，表明其對(duì)典型輻射帶質(zhì)子具備免疫力。但高軌任務(wù)需評(píng)估最壞情況下的SPE，其瞬時(shí)通量可達(dá)10? p·cm?2·s?1，可能誘發(fā)非線性效應(yīng)。因此，選型約束要求：若任務(wù)期間遭遇SPE概率>10%，需增加局部屏蔽或設(shè)計(jì)"安全模式"，在預(yù)警后關(guān)閉非關(guān)鍵電路。

4.3 總劑量試驗(yàn)的加速因子與失效物理機(jī)制

總劑量試驗(yàn)采用25 rad(Si)/s的劑量率，雖符合QJ 10004A標(biāo)準(zhǔn)，但高軌實(shí)際劑量率約為0.1-1 rad(Si)/s，相差2個(gè)量級(jí)。低劑量率輻照（LDR）下，時(shí)間依賴劑量率效應(yīng)（TDE）可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的退化，表現(xiàn)為界面態(tài)緩慢建立與電荷補(bǔ)償。AS32S601試驗(yàn)未進(jìn)行LDR對(duì)比，無(wú)法評(píng)估TDE影響，這對(duì)15年長(zhǎng)壽命任務(wù)構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)后器件工作電流下降3 mA，雖在合格范圍內(nèi)，但可能源于界面態(tài)充電導(dǎo)致的閾值電壓漂移，影響時(shí)序邏輯。高軌任務(wù)需補(bǔ)充ELDRS（增強(qiáng)低劑量率敏感）試驗(yàn)，或采用10-50 rad(Si)/s的保守劑量率進(jìn)行鑒定。此外，試驗(yàn)僅考核室溫條件，未涵蓋-55°C與+125°C極端溫度，而高軌器件常年經(jīng)歷溫度交變，TID與熱應(yīng)力的協(xié)同效應(yīng)未充分驗(yàn)證。

**5. **具體應(yīng)用約束分析

5.1 姿態(tài)控制力矩陀螺（CMG）框架驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

CMG是高軌衛(wèi)星姿態(tài)控制的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其框架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求MCU具備高精度位置控制與快速響應(yīng)能力。AS32S601的180 MHz主頻與32位高級(jí)定時(shí)器可生成16 kHz以上的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微步細(xì)分控制。ADC采樣率2 Msps可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繞組電流，實(shí)現(xiàn)恒流斬波。但高軌輻射環(huán)境可能導(dǎo)致ADC參考電壓漂移，需采用外部基準(zhǔn)源并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，位置反饋采用絕對(duì)式編碼器，通過(guò)SPI接口通信。為抵御SEU導(dǎo)致的通信錯(cuò)誤，需在協(xié)議層增加CRC-32校驗(yàn)與應(yīng)答重傳機(jī)制。位置環(huán)與速度環(huán)運(yùn)算變量存儲(chǔ)于SRAM的ECC保護(hù)區(qū)域，每執(zhí)行周期進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性檢查。當(dāng)檢測(cè)到位翻轉(zhuǎn)超過(guò)ECC糾正能力時(shí)，觸發(fā)安全制動(dòng)模式，鎖定電機(jī)位置。

5.2 太陽(yáng)翼展開機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

太陽(yáng)翼展開機(jī)構(gòu)要求在發(fā)射后可靠解鎖與展開，該過(guò)程為一次性操作，但可靠性要求極高。AS32S601的Flash存儲(chǔ)展開序列程序，需采用雙鏡像備份。展開前，系統(tǒng)執(zhí)行Flash自檢，通過(guò)CRC校驗(yàn)確認(rèn)代碼完整性。展開過(guò)程中，TMR機(jī)制監(jiān)控展開角度與電流，當(dāng)三模表決不一致時(shí)，判定為SEU干擾，切換至備用控制序列。

展開機(jī)構(gòu)通常需4-6個(gè)步進(jìn)電機(jī)協(xié)同工作，AS32S601的6路SPI接口可分別連接各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，CAN-FD總線與星務(wù)計(jì)算機(jī)通信接收展開指令。展開過(guò)程中，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)各軸電流與位置偏差，當(dāng)偏差超過(guò)閾值時(shí)判定為卡滯，觸發(fā)反向收回或停止動(dòng)作。Flash記錄展開過(guò)程數(shù)據(jù)，便于在軌故障診斷。輻射環(huán)境下，卡滯誤判可能導(dǎo)致任務(wù)失敗，因此閾值設(shè)定需基于地面輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)留30%裕度。

5.3 相控陣天線指向驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

相控陣天線指向系統(tǒng)要求MCU支持波束成形算法的實(shí)時(shí)計(jì)算。AS32S601的RISC-V內(nèi)核與FPU可執(zhí)行復(fù)數(shù)運(yùn)算，180 MHz主頻滿足計(jì)算需求。ADC采集溫度傳感器數(shù)據(jù)，補(bǔ)償電機(jī)溫漂。系統(tǒng)支持在軌參數(shù)注入，通過(guò)CAN總線更新指向表，靈活應(yīng)對(duì)任務(wù)變更。

指向精度要求優(yōu)于0.1°，對(duì)應(yīng)編碼器分辨率需達(dá)到12位以上。AS32S601的12位ADC可滿足電流采樣，但位置反饋需外部絕對(duì)值編碼器。SPI接口的時(shí)鐘頻率30 MHz支持快速數(shù)據(jù)讀取，但高軌輻射環(huán)境可能導(dǎo)致時(shí)鐘抖動(dòng)，需采用CMU模塊監(jiān)測(cè)時(shí)鐘頻率偏差，當(dāng)偏差>5%時(shí)切換至備用時(shí)鐘源。

6. 結(jié)論與工程實(shí)施建議

高軌航天器MCU選型是可靠性、成本、進(jìn)度與自主可控的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。本文基于AS32S601型MCU的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了高軌航天器MCU選型的多重約束。結(jié)論如下：

短期 ：在商業(yè)通信星座的次要分系統(tǒng)中試用AS32S601，積累在軌飛行數(shù)據(jù)，建立失效數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于高軌技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，可在非關(guān)鍵路徑上部署該器件，驗(yàn)證其在真實(shí)環(huán)境下的表現(xiàn)。

中期 ：針對(duì)高軌任務(wù)需求，推動(dòng)供應(yīng)商開展重離子微束掃描與LDR試驗(yàn)，完善試驗(yàn)矩陣，申請(qǐng)航天級(jí)鑒定。建立國(guó)產(chǎn)商業(yè)航天級(jí)器件的QML認(rèn)證體系。

長(zhǎng)期 ：構(gòu)建覆蓋設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、應(yīng)用全鏈條的國(guó)產(chǎn)抗輻照MCU標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)高軌平臺(tái)核心處理器的自主可控。

AS32S601的出現(xiàn)為商業(yè)航天提供了新選擇，但其應(yīng)用必須建立在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募s束分析與風(fēng)險(xiǎn)管理基礎(chǔ)之上，避免盲目替代帶來(lái)的任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)系統(tǒng)級(jí)的冗余設(shè)計(jì)、完善的試驗(yàn)驗(yàn)證與科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)管理，商業(yè)航天級(jí)器件可在高軌任務(wù)中發(fā)揮重要作用，推動(dòng)我國(guó)從航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

審核編輯 黃宇