技术领域本发明涉及航空电子系统技术领域，尤其是涉及一种航空电子系统大气中子单粒子效应的分析方法和一种航空电子系统大气中子单粒子效应的分析系统。
背景技术：
带有存储结构复杂微电子器件的机载电子设备在飞行高度3000～20000米的自然空间环境中会遭遇大气中子。这些大气中子能量范围为0.025eV～1000MeV，大约每小时每平方厘米300～18000个，其穿透力强，金属材料几乎没有阻挡作用，因此，会穿透机舱蒙皮，打在机载电子设备的核心关键指令控制单元或关键数据存储单元上，在器件级产生单粒子效应软错误、固定错误或硬错误，在设备级产生单粒子效应软失效、固定失效或硬失效，在系统级产生单粒子效应软故障、固定故障或硬故障。从而引起死机、复位、重启、数据丢失、命令丢失等安全性危害，会造成安全等级降级，会导致可靠性降低，还会影响设备维修性与可用性。这种由单个高能中子打击在带有存储结构的微电子器件上，导致逻辑状态从1变成0或从0变成1，发生改变从而产生错误，传递至航空电子设备产生失效，传递至航空电子系统产生故障的现象，称之为大气中子单粒子效应。单粒子效应通常在器件级有常见的8种类型的效应，如下表所示：目前航空电子设备采用的可靠性预计方法没有考虑空间辐射环境导致的单粒子效应的危害影响。而国际上采用的分迪模型即FIDES电子设备可靠性预计方法，该方法将物理应力按照属性分为热应力、电应力、热循环应力、机械应力、湿度应力以及化学应力等，在不同研制阶段对电子器件的可靠性展开分析与预计工作。也没有考虑或没有公开空间辐射环境导致的单粒子效应的危害影响。在现有可靠性预计方法中，没有考虑单粒子效应对航空电子设备的影响，但研究表明，单粒子效应已经成为航空电子设备的主要危害源之一，美国、欧洲等航空领域已经将单粒子效应危害分析纳入了安全性分析过程，并在适航认证要求中明确要求应当加以分析，形成了IEC62396航空电子过程管理－单粒子效应危害分析与防护相关系列标准。因此需要一种分析单粒子效应对航空电子系统的影响程度的分析方法。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是如何分析大气中子单粒子效应对航空电子系统的影响程度。解决上述技术问题，本发明提出了一种航空电子系统大气中子单粒子效应的分析方法，该方法包括：S1、确定分析对象，其中，所述分析对象为航空电子系统、航空电子系统中的电子设备和/或电子设备中的电子器件；S2、获取航空电子系统在系统级、设备级和/或器件级的故障信息数据；S3、根据所述故障信息数据，计算所述分析对象因大气中子单粒子效应发生故障的总故障率；S4、根据所述总故障率，分析大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度。进一步地，所述步骤S3包括：S31、根据所述故障信息数据，分别计算所述分析对象因大气中子单粒子效应发生每一类型故障的故障率，所述类型包括软失效、固定失效和硬失效；S32、将步骤S31中计算得到的所有类型故障的故障率之和作为所述总故障率。进一步地，所述步骤S4包括：判断所述步骤S3中计算得到的总故障率是否低于预期故障率，若是，则大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度在预期范围内；否则，大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度超出预期范围。进一步地，采用下式计算所述航空电子系统的总故障率：λSEE-system=Σi=1nλSEE-equipment-i=Σj=1mλSEE-device-j=Σk=1qλSEE-element-k]]>其中，λSEE-equipment-i为所述航空电子系统中第i个电子设备的总故障率，n为航空电子系统中电子设备的个数，λSEE-device-j为所述航空电子系统中第j个电子器件的总故障率，m为航空电子系统中电子器件的个数，λSEE-element-k为所述航空电子系统中第k个功能块的总故障率，所述第k个功能块的总故障率为第k个功能模块因大气中子发生的所有类型单粒子效应的故障率之和，q为航空电子系统中功能块的个数。进一步地，所述λSEE-device-j通过下式计算：λSEE-device-j=Σu=1wΣv=1sλSEE-element-vu×ϵ1×ϵ2×ϵ3]]>其中，λSEE-element-vu为第j个电子器件中的第v个功能块因大气中子发生第u种类型单粒子效应的故障率，s为第j个电子器件中功能块的个数，w为单粒子效应的类型数目，ε1为第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的比特位占用率，ε2为第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的有效时间比率，ε3为第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的防护效果传递率。进一步地，所述λSEE-element-vu通过下式计算：其中，为导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的能量E大于能量阈值E0的高能中子的个数，为第v个功能块由能量E大于能量阈值E0的高能中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面，flux热中子为导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的热中子的个数，σ热中子为第v个功能块由热中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面，所述能量阈值E0小于10MeV。进一步地，所述λSEE-element-vu通过下式计算：λSEE-element-vu=fluxE>E0×σE>E0+R1(flux)×flux(>10MeV)×R2(σ)×σ(>10MeV)]]>其中，为导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的能量E大于能量阈值E0的高能中子的个数，为第v个功能块由能量E大于能量阈值E0的高能中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面，R1(flux)为导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的热中子个数与导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的能量大于10MeV的高能中子个数之间的比值，R2(σ)为第v个功能块因热中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面与第v个功能块因能量大于10MeV的高能中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面之间的比值，flux(>10MeV)为导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的能量E大于10MeV的高能中子的个数，σ(>10MeV)为第v个功能块因能量E大于10MeV的高能中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面。本发明还提供一种航空电子系统大气中子单粒子效应的分析系统，该系统包括：确定模块，用于确定分析对象，其中，所述分析对象为航空电子系统、航空电子系统中的电子设备和/或电子设备中的电子器件；获取模块，用于获取航空电子系统在系统级、设备级和/或器件级的故障信息数据；计算模块，用于根据所述故障信息数据，计算所述分析对象因大气中子单粒子效应发生故障的总故障率；分析模块，用于根据所述总故障率，分析大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度。进一步地，计算模块包括：第一计算单元，用于根据所述故障信息数据，分别计算所述分析对象因大气中子单粒子效应发生每一类型故障的故障率，所述类型包括软失效、固定失效和硬失效；第二计算单元，用于将第一计算单元中计算得到的所有类型故障的故障率之和作为所述总故障率。进一步地，所述分析模块具体用于：判断所述计算模块中计算得到的总故障率是否低于预期故障率，若是，则大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度在预期范围内；否则，大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度超出预期范围。本发明首先确定分析对象，然后根据相关的数据计算分析对象的总故障率，并利用该总故障率对大气中子单粒子效应对分析对象的影响程度进行分析，因此提供了一种大气中子单粒子效应的分析方法，而且，总故障率作为分析大气中子单粒子效应对分析对象的影响程度的判断标准，直观、准确。还有，由故障率还可以计算出电子设备的可用度、连续性、完好性、生存概率等表征空间辐射环境可靠性的指标，从而进一步判断大气中子单粒子效应对空间辐射环境可靠性的影响程度。附图说明通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：图1示出了根据本发明航空电子系统大气中子单粒子效应的分析方法一实施例的流程图；图2示出了根据本发明航空电子系统大气中子单粒子效应的分析系统一实施例的结构框图。具体实施方式为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。本发明提供一种航空电子系统大气中子单粒子效应的分析方法，如图1所示，该方法包括：S1、确定分析对象，其中，所述分析对象为航空电子系统、航空电子系统中的电子设备和/或电子设备中的电子器件；S2、获取航空电子系统在系统级、设备级和/或器件级的故障信息数据；S3、根据所述故障信息数据，计算所述分析对象因大气中子单粒子效应发生故障的总故障率；S4、根据所述总故障率，分析大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度。分析对象一般根据用户所提出的要求确定的，例如某一用户的要求为分析大气中子单粒子效应对航空电子系统中的某一设备的影响程度。那么，步骤S1中所确定的分析对象为该设备。如果用户的要求是针对整个航空电子系统或航空电子系统中的某一电子器件，则分析对象则是该航空电子系统或该电子器件。另外，如果根据该要求，还可以判断出该设备的故障与其他设备有关，还可以将分析对象扩展到其他设备。当然，分析对象可以为多个，例如两个设备、一个设备和多个器件、整个系统和两个设备等。本发明中采用大气中子单粒子效应所引发分析对象故障的故障率，作为分析大气中子单粒子效应对分析对象的影响程度的判断标准，直观、准确。而且，由故障率还可以计算出电子设备的可用度、连续性、完好性、生存概率等表征空间辐射环境可靠性的指标，从而进一步判断大气中子单粒子效应对空间辐射环境可靠性的影响程度。另外，步骤S2中，故障信息数据的获取不限于分析对象所在的层级，这里说的层级为系统级、设备级或器件级。因为如果分析对象处于设备级，在计算分析对象的总故障率时，有可能会用到器件级的数据，所以不一定只是获取设备级的数据。同时，获取故障信息数据的手段不限，可以是通过对分析对象进行仿真实验，得到的故障信息数据，也可以是根据以往的工作经验存留的故障信息数据。本发明首先确定分析对象，然后根据相关的数据计算分析对象的总故障率，并利用该总故障率对大气中子单粒子效应对分析对象的影响程度进行分析，分析过程简单、容易实现。故本发明提供了一种快速、方便大气中子单粒子效应的分析方法。在具体实施过程中，所述步骤S3可包括：S31、根据所述故障信息数据，分别计算所述分析对象因大气中子单粒子效应发生每一类型故障的故障率，所述类型包括软失效、固定失效和硬失效；S32、将步骤S31中计算得到的所有类型故障的故障率之和作为所述总故障率。这里，由于故障有多种类型，有的分析对象仅可能发生软失效，有的分析对象仅可能发生硬失效和固定失效。对于不可能发生的类型的故障率为0。所述步骤32采用下式计算分析对象的总故障率λSEE：λSEE＝λSOFT-FAULT+λFIRM-FAULT+λHARD-FAULT其中，λSOFT-ERROR为大气中子单粒子效应导致所述分析对象发生软失效的故障率，λFIRM-ERROR为大气中子单粒子效应导致所述分析对象发生固定失效的故障率，λHARD-ERROR为大气中子单粒子效应导致所述分析对象发生硬失效的故障率。在具体实施过程中，所述步骤S4可包括：判断所述步骤S3中计算得到的总故障率是否低于预期故障率，若是，则大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度在预期范围内；否则，大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度超出预期范围。通过判断总故障率与预期故障率的大小，判断大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度。若该影响程度在预期范围内，则说明大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度在可接受的范围内。若该影响程度超出预期范围，则说明大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度已经不可接受，风险程度过高，需要对相关设备或器件进行重新设计或者修正。当完成大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度分析后，根据确定的分析对象、获取的故障信息数据、分析对象的预期故障率、分析对象的总故障率后以及分析结果后，得到或生成分析报告。进一步地，可采用下式计算所述航空电子系统的总故障率：λSEE-system=Σi=1nλSEE-equipment-i=Σj=1mλSEE-device-j=Σk=1qλSEE-element-k]]>其中，λSEE-equipment-i为所述航空电子系统中第i个电子设备的总故障率，n为航空电子系统中电子设备的个数，λSEE-device-j为所述航空电子系统中第j个电子器件的总故障率，m为航空电子系统中电子器件的个数，λSEE-element-k为所述航空电子系统中第k个功能块的总故障率，q为航空电子系统中功能块的个数。所述第k个功能块的总故障率为第k个功能模块因大气中子发生的所有类型单粒子效应的故障率之和。当然，还可以采用上述公式计算由大气中子单粒子效应导致所述航空电子系统发生每一类型故障的故障率。此时，λSEE-system为由大气中子单粒子效应导致所述航空电子系统发生每一类型故障的故障率，λSEE-equipment-i为由大气中子单粒子效应导致所述航空电子系统中第i个电子设备发生相应类型故障的故障率，n为航空电子系统中电子设备的个数，λSEE-device-j为由大气中子单粒子效应导致所述航空电子系统中第j个电子器件发生相应类型故障的故障率，m为航空电子系统中电子器件的个数，λSEE-element-k为由大气中子单粒子效应导致所述航空电子系统中第k个功能块发生相应类型故障的故障率，q为航空电子系统中功能块的个数。这一公式从不同层级计算航空电子系统的总故障率或发生每一类型故障的故障率。例如，有的情况下，设备的故障率容易求得。在另一些情况下，器件或功能块的故障率容易求得。在不同的情况下，采用不同层级的故障率求解航空电子系统的总故障率或发生每一类型故障的故障率。由于电子器件内还可能有多个功能块，例如某一器件内包含高速缓存器和寄存器。而且功能块的故障类型不能仅限定在软失效、硬失效和故障失效，因为软失效可能包含单粒子翻转、单粒子瞬态、多位翻转、多单元翻转，固定失效包括单粒子功能中止，硬失效包括单粒子闩锁、单粒子烧毁、单粒子栅穿。这里，单粒子翻转、单粒子瞬态、多位翻转、多单元翻转、单粒子功能中止、单粒子闩锁、单粒子烧毁、单粒子栅穿为不同类型的单粒子效应。可以通过下式计算所述航空电子系统中第j个电子器件的总故障率：λSEE-device-j=Σu=1wΣv=1sλSEE-element-vu×ϵ1×ϵ2×ϵ3]]>其中，λSEE-element-vu为第j个电子器件中的第v个功能块因大气中子发生第u种类型单粒子效应的故障率，s为第j个电子器件中功能块的个数，w为单粒子效应的类型数目，ε1为第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的比特位占用率，ε2为第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的有效时间比率，ε3为第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的防护效果传递率。本发明在该公式中考虑到了ε1、ε2、ε3，采用ε1、ε2、ε3对故障率进行修正，减小了计算误差。λSEE-element-vu可通过下式计算：其中，为导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的能量E大于能量阈值E0的高能中子的个数，为第v个功能块由能量E大于能量阈值E0的高能中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面，flux热中子为导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的热中子的个数，σ热中子为第v个功能块由热中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面，所述能量阈值E0小于10MeV。在实际中，由于flux热中子、σ热中子的获取难度比较大，因此可采用以下公式替代：λSEE-element-vu=fluxE>E0×σE>E0+R1(flux)×flux(>10MeV)×R2(σ)×σ(>10MeV)]]>其中，为导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的能量E大于能量阈值E0的高能中子的个数，为第v个功能块由能量E大于能量阈值E0的高能中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面，R1(flux)为导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的热中子个数与导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的能量大于10MeV的高能中子个数之间的比值，R2(σ)为第v个功能块因热中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面与第v个功能块因能量大于10MeV的高能中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面之间的比值，flux(>10MeV)为导致第v个功能块发生第u种类型单粒子效应的能量E大于10MeV的高能中子的个数，σ(>10MeV)为第v个功能块因能量E大于10MeV的高能中子引发第u种类型单粒子效应的敏感截面。在以往的工作中，一般只考虑能量大于10MeV的高能中子，忽略了能量小于10MeV的高能中子和热中子，但实际上这两类中子的影响也不可忽视，例如特殊情况下的热中子的单粒子翻转率往往是高能中子的单粒子翻转率的2-6倍。本发明除了考虑到大于10MeV的高能中子外，还考虑到大于预设能量E0小于10MeV的高能中子和特殊情况下的热中子，进一步提高了故障率的准确性。本发明还提供一种航空电子系统大气中子单粒子效应的分析系统，如图2所示，该系统100包括：确定模块101，用于确定分析对象，其中，所述分析对象为航空电子系统、航空电子系统中的电子设备和/或电子设备中的电子器件；获取模块102，用于获取航空电子系统在系统级、设备级和/或器件级的故障信息数据；计算模块103，用于根据所述故障信息数据，计算所述分析对象因大气中子单粒子效应发生故障的总故障率；分析模块104，用于根据所述总故障率，分析大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度。进一步地，计算模块包括：第一计算单元1031，用于根据所述故障信息数据，分别计算所述分析对象因大气中子单粒子效应发生每一类型故障的故障率，所述类型包括软失效、固定失效和硬失效；第二计算单元1032，用于将第一计算单元中计算得到的所有类型故障的故障率之和作为所述总故障率。进一步地，所述分析模块具体用于：判断所述计算模块中计算得到的总故障率是否低于预期故障率，若是，则大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度在预期范围内；否则，大气中子单粒子效应对所述分析对象的影响程度超出预期范围。本发明航空电子系统大气中子单粒子效应的分析系统为本发明航空电子系统大气中子单粒子效应的分析方法的功能架构模块，其相关部分的说明、解释和有益效果参见本发明航空电子系统大气中子单粒子效应的分析方法中的相应部分，在此不再赘述。综上所述，本发明航空电子系统大气中子单粒子效应的分析方法及系统具有以下优点：(1)本发明建立各层级之间的联系，实现了在根据不同层级的数据计算分析对象的总故障率，例如根据设备级或器件级，甚至是功能块级的数据计算系统级的总故障率；(2)本发明在计算分析对象总故障率时，考虑到了不同的故障类型，提高了计算的准确性；(3)本发明加入了修正参数ε1、ε2、ε3，提高了计算的可靠性，同时避免了欠设计造成设计指标的不达标或过设计造成的资源浪费；(4)本方考虑到能量大于预设能量E0且小于10MeV的高能中子和特殊情况下的热中子，进一步提高了故障率的准确性。在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。