아리랑 2호의 방사능 환경 및 영향에 관한 분석(II)- SINGLE EVENT 영향 중심으로 - THE ANALYSIS ON SPACE RADIATION ENVIRONMENT AND EFFECT OF THE KOMPSAT-2 SPACECRAFT(II): SINGLE EVENT EFFECT원문보기
본 논문에서는 아리랑 2호가 운용될 궤도의 우주방사능 환경 및 single event 영향(SEE)에 관하여 분석하였다. 위성체 외부 및 내부 방사능 환경으로서 지구 자기장 내부에 포획되어 활동하는 포획된 양자, 태양 및 태양계 외부에서 전달되는 SEP(solar energetic particle) 및 GCR(galactic cosmic ray)고 에너지 입자에 대하여 양자와 중이 온으로 구분하여 그들의 스펙트럼을 분석하였다. 아리랑 2호 전자소자로 사용 예정인 Intel 계열 80386 마이크로 프로세서 CPU에 대한 SEU 및 SEL발생률을 추정하였다. 분석결과, 정상적인 조건에서 포획된 양자나 고 에너지 양자에 의한 SEU 영향은 아리랑 2호 위성이 운용되는 3년동안 발생하지 않을 것으로 추정된다. 반면에, GCR 중이온에 의한 SEU 발생은 운용 중에 수차례 발생할 수 있는 것으로 추정되었다. 아리랑 2호는 탑재 소프트웨어의 프로세서 CPU오류 감지기능을 이용하여 SEU발생에 대처할 수 있는 시스템 레벨의 설계를 반영하고 있다.
본 논문에서는 아리랑 2호가 운용될 궤도의 우주방사능 환경 및 single event 영향(SEE)에 관하여 분석하였다. 위성체 외부 및 내부 방사능 환경으로서 지구 자기장 내부에 포획되어 활동하는 포획된 양자, 태양 및 태양계 외부에서 전달되는 SEP(solar energetic particle) 및 GCR(galactic cosmic ray)고 에너지 입자에 대하여 양자와 중이 온으로 구분하여 그들의 스펙트럼을 분석하였다. 아리랑 2호 전자소자로 사용 예정인 Intel 계열 80386 마이크로 프로세서 CPU에 대한 SEU 및 SEL발생률을 추정하였다. 분석결과, 정상적인 조건에서 포획된 양자나 고 에너지 양자에 의한 SEU 영향은 아리랑 2호 위성이 운용되는 3년동안 발생하지 않을 것으로 추정된다. 반면에, GCR 중이온에 의한 SEU 발생은 운용 중에 수차례 발생할 수 있는 것으로 추정되었다. 아리랑 2호는 탑재 소프트웨어의 프로세서 CPU오류 감지기능을 이용하여 SEU발생에 대처할 수 있는 시스템 레벨의 설계를 반영하고 있다.
In this paper, space radiation environment and single event effect(SEE) have been analyzed for the KOMPSAT-2 operational orbit. As spacecraft external and internal space environment, trapped proton, SEP(solar energetic particle) and GCR(galactic cosmic ray) high energy Protons and heavy ions spectru...
In this paper, space radiation environment and single event effect(SEE) have been analyzed for the KOMPSAT-2 operational orbit. As spacecraft external and internal space environment, trapped proton, SEP(solar energetic particle) and GCR(galactic cosmic ray) high energy Protons and heavy ions spectrums are analyzed. Finally, SEU and SEL rate prediction has been performed for the Intel 80386 microprocessor CPU that is planned to be used in the KOMPSAT-2. As the estimation results, under nominal operational condition, it is predicted that trapped proton and high energetic proton induced SBU effect will not occur. But, it is predicted that heavy ion induced SEU can occur several times during KOMPSAT-2 3-year mission operation. KOMPSAT-2 has been implementing system level design to mitigate SEU occurrence using processor CPU error detection function of the on-board flight software.
In this paper, space radiation environment and single event effect(SEE) have been analyzed for the KOMPSAT-2 operational orbit. As spacecraft external and internal space environment, trapped proton, SEP(solar energetic particle) and GCR(galactic cosmic ray) high energy Protons and heavy ions spectrums are analyzed. Finally, SEU and SEL rate prediction has been performed for the Intel 80386 microprocessor CPU that is planned to be used in the KOMPSAT-2. As the estimation results, under nominal operational condition, it is predicted that trapped proton and high energetic proton induced SBU effect will not occur. But, it is predicted that heavy ion induced SEU can occur several times during KOMPSAT-2 3-year mission operation. KOMPSAT-2 has been implementing system level design to mitigate SEU occurrence using processor CPU error detection function of the on-board flight software.
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문제 정의
)으로 구분하여 환경 분석을 수행하였으며 아리랑 2호에 영향을 주는 우주방사능 외부환경을 분석하였다. 또한, 본 논문에서는 우주방사능 외부환경이 위성체 내부에 전달되면서 구성되는 내부환경 스펙트럼을 분석하였 으며 그에 대한 영향을 분석하였다. 양자의 경우 유속 대비 에너지의 함수로 스펙트럼을 도출하였으 며, GCR과 SEP 중이온의 경우 유속에 대한 에너지 감소량(LET: linear energy transfer)로 표시되는 Flux-to-LET 스펙트럼으로 도출하였다.
본 논문에서는 아리랑 2호가 운용되는 궤도의 고 에너지 우주방사능 환경 및 이로 인한 single event 영향(SEE)에 대하여 분석하였다. 이를 위해 태양에서 전달되는 SEP 및 태양계 외부에서 전달되는 GCR 고 에너지 입자들을 양자와 heavy ion(이하 "중이온"이라고 칭한다.
본 논문에서는 아리랑 2호가 운용되는 궤도의 우주방사능 환경 및 single event 영향(SEE)에 관 하여 분석하였다. 위성체 외부 방사능 환경으로서 지구 자기장 내부에 포획되어 활동하는 포획된 양 자, 태양 및 태양계 외부에서 전달되는 SEP 및 GCR 고 에너지 입자에 대하여 양자와 중이온으로 구 분하여 그들의 스펙트럼을 분석하였다.
가설 설정
표 7은 SEU 및 SEL 발생률을 IBM (1989)에서 제시한 3가지 경우의 조정조건 및 CPU의 동작모드를 적용한 후의 SEU 및 SEL 발생률 추정치를 나타낸다. 3.1 절에서도 언급하였듯이, 최악의 경우 는 태양폭발 등의 비정상적인 태양활동에 의해 단기간에 분출되는 에너지에 의한 영향을 나타내기 때문에 정상적인 태양활동 시에는 발생하지 않는다고 가정을 한다. 따라서, 위성체의 설계에 적용되 는 경우는 정상적인 조건의 값들이며, 실제로 어떤 발생률 조정 조건을 SEU 발생률 기준으로 선택할 것인가는 위성체 설계 개념의 보수성 관점에서 접근되어야 할 것이다.
제안 방법
본 논문에서는 아리랑 2호가 운용되는 궤도의 고 에너지 우주방사능 환경 및 이로 인한 single event 영향(SEE)에 대하여 분석하였다. 이를 위해 태양에서 전달되는 SEP 및 태양계 외부에서 전달되는 GCR 고 에너지 입자들을 양자와 heavy ion(이하 "중이온"이라고 칭한다.)으로 구분하여 환경 분석을 수행하였으며 아리랑 2호에 영향을 주는 우주방사능 외부환경을 분석하였다. 또한, 본 논문에서는 우주방사능 외부환경이 위성체 내부에 전달되면서 구성되는 내부환경 스펙트럼을 분석하였 으며 그에 대한 영향을 분석하였다.
위성체 외부 방사능 환경으로서 지구 자기장 내부에 포획되어 활동하는 포획된 양 자, 태양 및 태양계 외부에서 전달되는 SEP 및 GCR 고 에너지 입자에 대하여 양자와 중이온으로 구 분하여 그들의 스펙트럼을 분석하였다. 또한, 본 논문에서는 고 에너지 우주방사능 외부환경이 위성 체 내부에 전달되면서 구성되는 내부 방사능 환경 스펙트럼을 분석하였다. 특히, GCR 중이온의 경우 알루미늄에 의한 중이온 차단효과는 두께를 증가하여도 거의 없는 것을 알 수 있다.
스펙트럼의 분석 결과, 중이온 입자들은 알루미늄의 차 단 두께를 증가하여도 Flux-to-LET 스펙트럼의 변화가 거의 없음을 알 수 있었다. 마지막으로, 아리랑 2호 전자소자로 사용 예정인 Intel 계열 80386 마이크로 프로세서 CPU에 대한 SEU 및 SEL 발생률을 추정하였다. 분석결과, 아리랑 2호의 3년 임무기간 중 중이온에 의한 SEU는 수차례 발생할 것으로 추정되 었다.
앞에서 설명되었듯이, 고 에너지 양자는 전자소자 내에서 핵반응을 통하여, GCR 입자는 위성체를 통과하는 과정을 통하여 전자소자의 상태를 일시적으로 변경하여 SEU를 발생시키거나 일시적 또는 영구적으로 기능을 파손시키는 SEL 등을 발생시킨다. 본 항에서는 아리랑 2호의 탑재 컴퓨터 마 이크로 프로세서 CPU로 사용 예정인 Intel 80386 계열 모델에 대하여 SEU 및 SEL 발생률을 추정하 였으며 그 결과에 대한 분석을 수행하였다.
또한, 본 논문에서는 우주방사능 외부환경이 위성체 내부에 전달되면서 구성되는 내부환경 스펙트럼을 분석하였 으며 그에 대한 영향을 분석하였다. 양자의 경우 유속 대비 에너지의 함수로 스펙트럼을 도출하였으 며, GCR과 SEP 중이온의 경우 유속에 대한 에너지 감소량(LET: linear energy transfer)로 표시되는 Flux-to-LET 스펙트럼으로 도출하였다. 스펙트럼의 분석 결과, 중이온 입자들은 알루미늄의 차 단 두께를 증가하여도 Flux-to-LET 스펙트럼의 변화가 거의 없음을 알 수 있었다.
본 논문에서는 아리랑 2호가 운용되는 궤도의 우주방사능 환경 및 single event 영향(SEE)에 관 하여 분석하였다. 위성체 외부 방사능 환경으로서 지구 자기장 내부에 포획되어 활동하는 포획된 양 자, 태양 및 태양계 외부에서 전달되는 SEP 및 GCR 고 에너지 입자에 대하여 양자와 중이온으로 구 분하여 그들의 스펙트럼을 분석하였다. 또한, 본 논문에서는 고 에너지 우주방사능 외부환경이 위성 체 내부에 전달되면서 구성되는 내부 방사능 환경 스펙트럼을 분석하였다.
데이터처리
그림 6은 포 획된 양자의 우주방사능 외부환경을 나타낸다. 이들의 환경모델 스펙트럼은 "Space Radiation Ver. 4.0" (Space Radiation Associate 1998) 및 "CREME96" (NRL 1996) 소프트웨어를 이용하여 산출하였다. 그림에서도 알 수 있듯이 GCR 및 SEP은 GeV급 이상의 고 에너지 입자를 가지고 있기 때문에 이들의 입자들은 위성체 전자소자에 영향을 미칠 수 있음을 예측할 수 있다.
이론/모형
SEU 및 SEL 발생률 계산을 위한 입력 값을 산출하기 위하여 IBM (1989), LaBel et al. (1992), Moran & LaBel (1996), Rioux (2000) 및 Sabb Space (1991) 등을 이용하여 표 4와 같은 입력 정보 를 도출하였다. NASA JPL 및 GSFC에서 수행된 SEU 및 SEL 시험 보고서의 자료에 의하면, 80386 CPU 경우 데이터 오류가 발생하는 SEU, lockup SEU 및 마이크로 SEL 현상이 관측되었으나 영구적인 SEL은 관측되지 않았음을 알 수 있다.
성능/효과
본 논문에서 수행된 SEE 추정치는 설계 초기단계에서 아리랑 2호에 사용될 실제 전자소자의 사양미 설계방법을 정확히 확정할 수 없기 때문에 기존의 유사한 소자의 시험자료를 이용하여 초기 우 주방사능 예비 환경 영향을 수행한 것이며 아리랑 2호 예비 설계를 위한 전자소자의 선택 및 위성체 예비 설계 방향을 설정하는데 사용될 수 있다는데 그 의미가 있다. 그러나, 우주방사능에 대한 최종 SEE 분석은 예비 환경 분석과 차이가 있을 수 있기 때문에, 실제 하드웨어의 구입, 제작과 그 결과에 따른 구체적인 정보습득이 가능한 후에 최종 환경 영향 분석을 다시 수행하여 예비 영향 분석과 비교하여 설계의 기본 방향의 정당성을 확인하는 반복과정이 필요할 것이다.
마지막으로, 아리랑 2호 전자소자로 사용 예정인 Intel 계열 80386 마이크로 프로세서 CPU에 대한 SEU 및 SEL 발생률을 추정하였다. 분석결과, 아리랑 2호의 3년 임무기간 중 중이온에 의한 SEU는 수차례 발생할 것으로 추정되 었다.
마지막으로, 아리랑 2호 전자소자로 사용 예정인 Intel 계열 80386 마이크로 프로세서 CPU에 대한 SEU 및 SEL 발생률을 추정하였다. 분석결과, 정상적인 조건에서 포획된 양자나 고 에너지 양자에 의한 SEU 영향은 아리랑 2호 위성이 운용되는 3년동안 발생하지 않을 것으로 추정된다. 반면어), GCR 중이온에 의한 SEU 발생은 운용 중에 수차례 발생할 수 있는 것으로 추정되며 이에 대한 영향이 시스템에 어떤 영향을 미치는지 분석이 따라야 할 것으로 제시하였다.
양자의 경우 유속 대비 에너지의 함수로 스펙트럼을 도출하였으 며, GCR과 SEP 중이온의 경우 유속에 대한 에너지 감소량(LET: linear energy transfer)로 표시되는 Flux-to-LET 스펙트럼으로 도출하였다. 스펙트럼의 분석 결과, 중이온 입자들은 알루미늄의 차 단 두께를 증가하여도 Flux-to-LET 스펙트럼의 변화가 거의 없음을 알 수 있었다. 마지막으로, 아리랑 2호 전자소자로 사용 예정인 Intel 계열 80386 마이크로 프로세서 CPU에 대한 SEU 및 SEL 발생률을 추정하였다.
후속연구
본 논문에서 수행된 SEE 추정치는 설계 초기단계에서 아리랑 2호에 사용될 실제 전자소자의 사양미 설계방법을 정확히 확정할 수 없기 때문에 기존의 유사한 소자의 시험자료를 이용하여 초기 우 주방사능 예비 환경 영향을 수행한 것이며 아리랑 2호 예비 설계를 위한 전자소자의 선택 및 위성체 예비 설계 방향을 설정하는데 사용될 수 있다는데 그 의미가 있다. 그러나, 우주방사능에 대한 최종 SEE 분석은 예비 환경 분석과 차이가 있을 수 있기 때문에, 실제 하드웨어의 구입, 제작과 그 결과에 따른 구체적인 정보습득이 가능한 후에 최종 환경 영향 분석을 다시 수행하여 예비 영향 분석과 비교하여 설계의 기본 방향의 정당성을 확인하는 반복과정이 필요할 것이다.
따라서, 위성체의 설계에 적용되 는 경우는 정상적인 조건의 값들이며, 실제로 어떤 발생률 조정 조건을 SEU 발생률 기준으로 선택할 것인가는 위성체 설계 개념의 보수성 관점에서 접근되어야 할 것이다. 그러나, 표 7에서 나타나듯 이 어떤 발생률 조정 조건이 적용되더라도 고 에너지 GCR 중이온에 의한 SEU 발생은 아리랑 2호가 운용되는 기간 중에 수 차례 발생할 수 있는 가능성을 보여주고 있으며, 이에 대한 영향이 시스템에 어떤 영향을 미치는지 분석이 따라야 한다. 현재, 아리랑 2호는 표 7의 SEU 추정치를 바탕으로 SEU 발생에 대처할 수 있는 시스템 레벨의 설계를 반영하고 있다.
분석결과, 정상적인 조건에서 포획된 양자나 고 에너지 양자에 의한 SEU 영향은 아리랑 2호 위성이 운용되는 3년동안 발생하지 않을 것으로 추정된다. 반면어), GCR 중이온에 의한 SEU 발생은 운용 중에 수차례 발생할 수 있는 것으로 추정되며 이에 대한 영향이 시스템에 어떤 영향을 미치는지 분석이 따라야 할 것으로 제시하였다. 아리랑 2호는 탑재 소프트웨어의 프로세서 CPU 오류 감지기능을 이용하여 SEU발생에 대처할 수 있는 시스템 레벨의 설계를 반영하고 있다.
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