空间嵌入式系统抗单粒子翻转软防护的可靠性和代价建模研究

Single event upset (Single Events Upset, SEU) has a significant impact on the reliability and life of space equipment, and soft mitigation is the most economic and effective way of dealing with this problem. But the current studies mostly focus on the part of the study of the single device and internal research on anti-SEU, the overall performance of hybrid system consisting of multiple devices is not sufficient. However, the reliability of the system level is the fundamental guarantee for reliable operation of space equipment. This project is aimed at space embedded electronic system with FPGA and DSP as the core, using the reasoning mechanism of neural network in the system layer, task layer and hardware layer on reliability and cost estimation model. The the highest reliability and minimum mitigation cost are taken as the common goal, and improved multiple objective discrete particle swarm optimization algorithm is used to search system level optimal protection design which can be used to guide the engineering mitigation design. The research results of this project help on the engineering design of SEU reliability quantitative assessment, and provide soft protection scheme optimization, effectively reduce the fault rate of equipment ground space, shorten the design cycle, maximize the effectiveness of hardware system, promote the development of space of equipment, improve the overall reliability, prolonging the service life.

单粒子翻转（Single Events Upset, SEU）对于空间设备运行可靠性和寿命有重大影响，软防护是应对该问题的最经济有效的手段。但目前的研究多集中于对单个器件及内部组成部分的研究，对多器件组成的混合系统抗SEU整体性能的研究尚不充分，然而系统层面的可靠性才是空间设备可靠运行的根本保障。本项目针对以FPGA和DSP为核心的空间嵌入式电子系统，采用神经网络推理等机制在系统层、任务层和硬件层三个层面上进行可靠性和代价估算建模，并创新性地以可靠性最高和防护代价最小作为共同目标，采用改进型的多目标离散粒子群优化算法，求解出系统层面的最优防护方法，指导工程防护设计。本项目的研究成果能够对工程设计进行抗单粒子翻转可靠性进行定量评估，并能够提供优化的软防护方案，形成自主知识产权，有效降低空间设备的故障率，缩短地面设计周期，最大程度发挥硬件系统效能，促进我国空间设备的研发。

单粒子翻转（Single Events Upset, SEU）对于空间设备运行可靠性和寿命有重大影响，软防护是应对该问题的最经济有效的手段。但目前的研究多集中于对单个器件及内部组成部分的研究，对多器件组成的混合系统抗SEU整体性能的研究尚不充分，然而系统层面的可靠性才是空间设备可靠运行的根本保障。.课题组以神经网络推理机制为基础，构建了以FPGA和DSP为核心空间嵌入式电子系统的系统、任务和硬件三层逻辑关系模型；针对空间嵌入式电子系统的不同任务处理、信息交换机制和实现路线，研究提出了基于神经网络推理的SRAM型FPGA/DSP器件连接关系分析方法，构建空间嵌入式电子系统的系统层模型，提出以“软错误率鲁棒因子”为概念的软错误率计算方法；对FPGA/DSP的编程语言进行抽象提炼，提出以“功能模块”为概念的跨器件统一表达方式，定量估算防护代价，定位工程中易受单粒子翻转影响的薄弱环节；设计一套系统性的空间嵌入式电子系统抗单粒子翻转性能可靠性分析设计软件，针对特定工程在系统层面给出粒度可控的软防护优化设计规则。.课题组研究工作基本按照原计划实施，完成了计划研究任务。项目共资助发表/录用论文36篇，其中SCI论文12篇（1篇为IEEE Transactions on Image Processing，2019）；EI论文24篇；申请国家发明专利16项；培养博士生6名，硕士生30名；参加国际会议4次；构建了一套单粒子翻转综合评价（Evaluation for Single Event Upset，EvaSEU）软件，以软件的形式对各项理论研究成果进行了落实。.课题组通过创新性的空间嵌入式电子系统软防护性能评估方法和最佳组合防护方法的研究，形成自主知识产权，培养具有国际视野的创新人才。本项目的研究成果可以对已有电子系统的抗单粒子翻转可靠性进行评估，通过优化工程的抗单粒子翻转软防护设计，预期降低故障率达两个数量级以上，极大地提高系统的可靠性，有助于提高我国相关领域的装备运行可靠性。