Técnicas de mitigação de efeitos da radiação e sua aplicação no projeto de uma arquitetura de hardware para uso em satélites

Abstract

A radiação espacial é prejudicial aos dispositivos eletrônicos, causando falhas transitórias e permanentes nos sistemas a bordo de satélites. Nos satélites tradicionais, dispositivos resistentes à radiação (rad-hard) são empregados para mitigar os efeitos da radiação nos componentes eletrônicos. No entanto, em missões de CubeSats, uma solução baseada inteiramente em componentes resistentes à radiação nem sempre é viável devido aos altos custos e à disponibilidade limitada desses dispositivos. Uma abordagem possível para criar um sistema tolerante a falhas para uso nos subsistemas e cargas úteis do satélite é a combinação de dispositivos rad-hard e componentes commercial-off-the-shelf (COTS). Este trabalho busca apresentar os efeitos das partículas ionizantes em componentes semicondutores, bem como técnicas de mitigação que possam ser empregadas em módulos de CubeSat para aumentar a robustez e a confiabilidade. Com base nessa fundamentação, é proposta a arquitetura de uma plataforma computacional tolerante a falhas, utilizando um System on Chip (SoC) Field-Programmable Gate Array (FPGA) endurecido contra efeitos da radiação, combinado com componentes COTS e técnicas para mitigação de efeitos radioativos. Espera-se que o projeto proposto seja implementado em missões futuras do SpaceLab, como Persistent-1 e ROCUS-1 e em cooperação com a ESA, futuras missões em deep space.

Space radiation is harmful to electronic devices, causing transient and permanent failures in systems on board satellites. In traditional satellites, radiation-resistant (rad-hard) devices are employed to mitigate the effects of radiation on electronic components. However, in CubeSat missions, a solution based entirely on radiation-resistant components is not always viable due to the high costs and limited availability of such devices. One possible approach to creating a fault-tolerant system for use in satellite subsystems and payloads is the combination of rad-hard devices and commercial-off-the-shelf (COTS) components. This work presents the effects of ionizing particles on semiconductor components, as well as mitigation techniques that can be used in CubeSat modules to increase robustness and reliability. Based on this foundation, the architecture of a fault-tolerant computing platform is proposed, using a System on Chip (SoC) Field-Programmable Gate Array (FPGA) hardened against the effects of radiation, combined with COTS components and techniques for mitigating radioactive effects. The proposed project is expected to be implemented in future SpaceLab missions, such as Persistent-1, ROCUS-1 and in cooperation with ESA, future missions in deep space.