飞行空域大气中子注量率多模型复合计算方法及装置

摘要

本发明提供了一种飞行空域大气中子注量率多模型复合计算方法及装置，包括：获取当前电子设备的任务剖面和能量阈值，所述任务剖面包括当前电子设备在每个任务点的飞行高度、纬度、经度；根据当前电子设备的任务剖面和能量阈值计算每个任务点的第一大气中子注量率；根据所述当前电子设备的能量阈值，采用波音模型计算每个任务点的第二大气中子注量率，采用NASA模型计算每个任务点的第三大气中子注量率；分别计算每个任务点的第一大气中子注量率、第二大气中子注量率和第三大气中子注量率的均值，作为该任务点的大气中子注量率。本发明能够更加精确地计算大气中子注量率，为机载电子设备的防护与评价提供重要依据。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种飞行空域大气中子注 量率多模型复合计算方法及装置。

背景技术

目前，国际上主要有两种获取大气中子注量率的方法，一个是波 音公司开发的波音模型，另一个是NASA-Langley模型，简称NASA 模型。

基于国际上60年代开展的1－10MeV大气中子注量率的实则值， 波音公司开发了初始的简化波音模型。该模型假设1－10MeV大气中 子注量率可以分解为三个因子，一个因子随着高度的变化而变化，一 个因子随着纬度的变化而变化，一个因子考虑中子的能量。A.Taber 等人通过对大量探测数据进行拟合，得出了1-10MeVBoeing经验模型 用来预测不同高度和纬度的大气中子通量。其具体公式如下：

dN/dE＝0.3459E^-0.9219×exp[-0.01522·(lnE)²]

N(E)dE＝26E^-1.16±0.2×exp[-(0.0069x)]·dE

φ_1-10(ω_Lat)＝0.6252exp{-0.461[cos(2×ω_Lat)]²-0.94cos(2×ω_Lat)+0.252}

式中：N、φ为中子通量；

E为中子能量；

x为大气厚度，g/cm2；

ωLat为纬度。

美国NASA也通过对大气中子分布情况的研究提出了 NASA-Langley模型。NASA模型被称为AIR模型，是利用60年代到70 年代的飞行测量数据开发而成。NASA模型中，大气中子通量受三个 主要参数影响，分别为：大气密度(g/cm2)、垂直截止刚度(GV) 和太阳环境条件。

NASA模型是一个预测1-10MeV大气中子通量更为准确的经验模 型，该模型基本计算公式如下：

${\phi }_{1-10}(x,R,C)=f(R,C)·\exp (-\frac{x}{\lambda })·F(R,C)·\exp (-\frac{x}{\Lambda });$

其中：

F(R,C)＝(Λ/λ)·f(R,C)·exp(x_m/Λ-x_m/λ)；

f(R,C)＝exp(250/λ)φ(250,R,C)

$\left(\begin{array}{c}\phi (250,R,C)=0.17+[0.787+0.035(C-100)]\exp (-\frac{R^2}{20})\\ +[-0.107-0.0265(C-100)+0.612\exp \left(\frac{C-100}{3.73}\right)]\exp (-\frac{R^2}{139.2})\end{array},;\right)$

λ＝165+2R；

x_m＝50+ln{2000+exp[-2(C-100)]}；

式中，φ1-10(x，R,C)为1-10MeV的大气中子通量；

x为大气密度，g/cm2；R为截止刚度；

C为太阳活动常数；

λ、xm和Λ为计算的中间参数。

其中，大气厚与高度A相关，A单位为feet：

$x=1033\exp \{-[0.04534-(1.17E-9)\times {\left|\frac{A-1.05E5}{1000}\right|}^{3.58}]\times \frac{A}{1000}\}$

影响大气中子注量率的因素主要有4个：大气密度，截止刚度， 能量范围，太阳活动。其中大气密度由高度决定，截止刚度为经纬度 决定。

波音模型主要考虑高度与纬度对大气中子注量率的影响，忽略了 经度的影响，因此应用波音模型所得的大气中子注量率不够精确。

与波音模型相比，NASA模型较为精确。但NASA模型只适用于 低于20km高度。并且由于参数的影响，要求大气密度低于250g/cm2， 不适用与地面高度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出了一种飞行空域大气中子注量率多模型复合计算方 法及装置，用于解决波音模型中计算大气中子注量率不够精确，以及 NASA模型只适用于低于20km高度且在地面高度不适用的问题，达到 更加精确计算大气中子注量率的目的，为机载电子设备的防护与评价 提供重要依据。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种飞行空域大气中子注量率 多模型复合计算方法，包括以下步骤：

获取当前电子设备的任务剖面和能量阈值，所述任务剖面包括当 前电子设备在每个任务点的飞行高度、纬度、经度；

根据当前电子设备的任务剖面和能量阈值计算每个任务点的第 一大气中子注量率；

根据所述当前电子设备的能量阈值，采用波音模型计算每个任务 点的第二大气中子注量率，采用NASA模型计算每个任务点的第三 大气中子注量率；

分别计算每个任务点的第一大气中子注量率、第二大气中子注量 率和第三大气中子注量率的均值，作为该任务点的大气中子注量率。

其中，所述获取当前电子设备的能量阈值，包括：

获取当前电子设备中关键敏感器件的能量阈值，作为当前电子 设备的能量阈值。

其中，所述根据当前电子设备的任务剖面和能量阈值计算每个任 务点的第一大气中子注量率，具体包括：

根据全球经纬度与截止刚度对应表，查找所述任务剖面中每个任 务点所在的经纬度在12.2km高度情况下对应的截止刚度；

根据每个任务点当前的截止刚度，利用截止刚度与12.2km高度 的注量率倍数表，查找每个任务点在12.2km高度时注量率相对纽约 地面注量率的第一注量率倍数；

根据所述第一注量率倍数，利用高度纬度倍数表，查找每个任 务点在飞行高度时的注量率相对纽约地面注量率的第二注量率倍 数；

根据第二注量率倍数计算每个任务点的能量大于10MeV时的 注量率；

根据所述当前电子设备的能量阈值，利用能量倍数表进行能量 阈值修正，得到每个任务点的第一大气中子注量率。

其中，所述根据第二注量率倍数计算每个任务点的能量大于 10MeV时的注量率，具体包括：

获取纽约地面能量大于10MeV时的标准注量率；

根据所述标准注量率和所述第二注量率倍数计算所述每个任务 点的能量大于10MeV时的注量率。

其中，所述分别计算每个任务点的第一大气中子注量率、第二大 气中子注量率和第三大气中子注量率的均值，具体包括：

提取每个任务点的第一大气中子注量率的最劣值、典型值与平 均值；

提取每个任务点的第二大气中子注量率的最劣值、典型值与平 均值；

提取每个任务点的第三大气中子注量率的最劣值、典型值与平 均值；

分别计算每个任务点的最劣值的均值、典型值的均值以及平均 值的均值，作为该任务点的大气中子注量率。

本发明还提出了一种飞行空域大气中子注量率多模型复合计算 装置，所述装置包括：

获取模块，用于获取当前电子设备的任务剖面和能量阈值，所述 任务剖面包括当前电子设备在每个任务点的飞行高度、纬度、经度；

第一计算模块，用于根据当前电子设备的任务剖面和能量阈值计 算每个任务点的第一大气中子注量率；

第二计算模块，用于根据所述当前电子设备的能量阈值，采用波 音模型计算每个任务点的第二大气中子注量率，采用NASA模型计 算每个任务点的第三大气中子注量率；

均值计算模块，用于分别计算每个任务点的第一大气中子注量 率、第二大气中子注量率和第三大气中子注量率的均值，作为该任务 点的大气中子注量率。

其中，所述当前电子设备的能量阈值为当前电子设备中关键敏感 器件的能量阈值。

其中，所述第一计算模块具体包括：

截止刚度查找单元，用于根据全球经纬度与截止刚度对应表，查 找所述任务剖面中每个任务点所在的经纬度在12.2km高度情况下对 应的截止刚度；

第一注量率倍数查找单元，用于根据每个任务点当前的截至刚 度，利用截止刚度与12.2km高度的注量率倍数表，查找每个任务点 在12.2km高度时注量率相对纽约地面注量率的第一注量率倍数；

第二注量率倍数查找单元，用于根据所述第一注量率倍数，利 用高度纬度倍数表，查找每个任务点在飞行高度时的注量率相对纽 约地面注量率的第二注量率倍数；

条件计算单元，用于根据第二注量率倍数计算每个任务点的能 量大于10MeV时的注量率；

能量阈值修正单元，用于根据所述当前电子设备的能量阈值， 利用能量倍数表进行能量阈值修正，得到每个任务点的第一大气中 子注量率。

其中，所述条件计算单元具体包括：

获取子单元，用于获取纽约地面能量大于10MeV时的标准注量 率；

计算子单元，用于根据所述标准注量率和所述第二注量率倍数 计算所述每个任务点的能量大于10MeV时的注量率。

其中，所述均值计算模块具体包括：

第一提取单元，用于提取每个任务点的第一大气中子注量率的 最劣值、典型值与平均值；

第二提取单元，用于提取每个任务点的第二大气中子注量率的 最劣值、典型值与平均值；

第三提取单元，用于提取每个任务点的第三大气中子注量率的 最劣值、典型值与平均值；

均值计算单元，用于分别计算每个任务点的最劣值的均值、典 型值的均值以及平均值的均值，作为该任务点的大气中子注量率。

(三)有益效果

采用本发明提出的飞行空域大气中子注量率多模型复合计算方 法及装置，明确了截止刚度是影响大气中子注量率的重要因素，而不 是单一纬度，修正波音模型中的纬度影响为经度、纬度，解决了NASA 模型在地面高度不适用的问题，通过量化各个不同能量阈值对大气中 子注量率的影响，更加精确地计算电子器件在任务点处的大气中子注 量率。

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为本发明实施例一提出的一种飞行空域大气中子注量率多模 型复合计算方法流程图；

图2为本发明实施例二提出的一种飞行空域大气中子注量率多模 型复合计算装置模块图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护 的范围。

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)的自然空间环境中必然会遭遇大约每小时每平方厘 米300～18000个1MeV～1000MeV的高能大气中子。这些高能中子会穿 透机舱蒙皮，打在机载电子设备的核心指令控制单元或关键数据存储 单元上，产生软错误与硬故障，导致导航(导航接收机)、雷达探测 系统(有源相控阵雷达)、数据网络(AFDX网络交换机)、通信(光纤 /总线)、高速计算机系统、航空电子设备、发动机(FADEC)、电传系 统、自动驾驶技术、飞行告警、显示屏、其它含有电子器件的飞行系 统等出现黑屏、死机、复位、重启、数据丢失、命令丢失等安全性危 害。为了建立防护与评价体系，必须对大气中子单粒子效应危害进行 定量表征。而大气中子注量率是危害定量表征的重要参数。对此，本 发明提出了一种能够获取大气中子注量率的方法。

图1为本发明实施例一提出的一种飞行空域大气中子注量率多 模型复合计算方法流程图，如图1所示，包括以下步骤：

S101获取当前电子设备的任务剖面和能量阈值，所述任务剖面 包括当前电子设备在每个任务点的飞行高度、纬度、经度。

本实施例中，获取当前电子设备的能量阈值，包括：获取当前 电子设备中关键敏感器件的能量阈值，作为当前电子设备的能量阈 值。

本发明实施例中提出的任务剖面为当前电子设备的任务飞行高 度、纬度、经度和飞行起止时间等参数。由于影响大气中子注量率 的因素包括截止刚度，而截止刚度由经度和纬度共同决定，因此， 本发明通过优化波音模型中的纬度参数为经度、纬度两个参数，能 够提高大气中子注量率的计算精度。

S102根据当前电子设备的任务剖面和能量阈值计算每个任务点 的第一大气中子注量率；

S103根据所述当前电子设备的能量阈值，采用波音模型计算每 个任务点的第二大气中子注量率，采用NASA模型计算每个任务点 的第三大气中子注量率；

S104分别计算每个任务点的第一大气中子注量率、第二大气中 子注量率和第三大气中子注量率的均值，作为该任务点的大气中子注 量率。

在本发明实施例中，根据当前电子设备的任务剖面和能量阈值计 算每个任务点的第一大气中子注量率，具体包括：根据全球经纬度与 截止刚度对应表，如表1所示，查找所述任务剖面中每个任务点所在 的经纬度在12.2km高度情况下对应的截止刚度；根据每个任务点当 前的截至刚度，利用截止刚度与12.2km高度的注量率倍数表，如表 2所示，查找每个任务点在12.2km高度时注量率相对纽约地面注量 率的第一注量率倍数；根据所述第一注量率倍数，利用高度纬度倍数 表，如表3所示，查找每个任务点在飞行高度时的注量率相对纽约地 面注量率的第二注量率倍数；根据第二注量率倍数计算每个任务点的 能量大于10MeV时的注量率；根据所述当前电子设备的能量阈值， 利用能量倍数表，如表4所示，进行能量阈值修正，得到每个任务点 的第一大气中子注量率，包括最劣值、典型值(高度12200、45度) 与平均值。

表1全球经纬度与截止刚度对应表(1)

表1全球经纬度与截止刚度对应表(2)

在全球经纬度与截止刚度对应表中，北纬为正，南纬为负；经 度表示为东经0-360°，即为360-x°W。如30S，120W，即为 -30N,240E。

表2截止刚度与12.2km高度的注量率倍数表

截止刚度 倍数 截止刚度 倍数 截止刚度 倍数 截止刚度 倍数 0.00 561.70 2.20 506.89 8.38 193.2 13.43 111.25 0.01 561.70 2.30 503.85 8.99 174.36 13.50 110.34 0.02 561.70 2.32 497.65 9.23 167.52 13.57 109.77 0.03 561.70 2.40 493.72 9.56 163.33 13.62 109.49 0.05 561.70 2.56 483.35 9.57 162.04 13.76 108.20 0.06 561.70 2.73 463.07 9.66 161.49 13.77 108.10 0.08 561.70 2.75 463.07 10.17 153.78 13.80 107.74 0.09 561.70 2.85 454.95 10.55 146.52 13.88 107.01 0.13 561.70 3.01 447.68 10.81 142.74 13.92 106.75 0.14 561.70 3.05 441.25 10.97 140.69 14.06 105.50 0.17 561.69 3.20 429.35 10.98 140.12 14.10 105.15 0.19 561.70 3.30 419.22 11.10 138.42 14.19 104.37 0.20 561.70 3.56 399.60 11.23 132.08 14.20 104.20 0.24 561.70 3.68 385.15 11.25 139.55 14.35 103.09 0.25 561.70 3.71 387.28 11.32 134.72 14.37 102.84 0.27 561.70 4.18 356.77 11.59 131.82 14.46 102.01 0.28 561.70 4.28 346.05 11.61 131.57 14.64 100.62 0.36 561.70 4.30 360.00 11.66 130.16 14.65 100.54 0.38 561.70 4.33 347.28 11.67 130.16 14.71 100.05 0.42 561.70 4.55 333.40 11.72 131.18 14.94 98.24 0.52 561.70 4.71 329.90 12.22 123.64 14.95 98.16 0.55 561.70 4.90 313.20 12.35 122.38 15.16 96.56 0.68 561.69 5.02 311.59 12.36 122.50 15.37 95.00 0.74 561.67 5.37 290.39 12.39 121.59 16.00 90.21 0.78 561.63 5.43 287.54 12.67 119.06 17.00 82.41 0.79 561.67 5.58 280.60 12.72 119.06 0.85 561.50 5.83 272.62 12.73 118.84 0.89 561.48 6.04 260.48 12.87 116.93 0.93 561.39 6.10 262.51 12.88 116.82 0.99 560.73 6.63 239.35 12.91 116.30 1.08 560.16 6.78 233.48 12.99 115.68

截止刚度 倍数 截止刚度 倍数 截止刚度 倍数 截止刚度 倍数 1.10 559.93 6.86 232.13 13.02 115.37 1.15 560.04 7.13 222.10 13.06 114.96 1.19 558.02 7.17 230.46 13.07 114.66 1.44 551.49 7.41 213.65 13.20 113.35 1.69 540.63 7.57 211.90 13.22 113.35 1.85 530.70 7.73 204.62 13.26 112.96 1.86 534.99 7.89 196.71 13.31 112.66 2.19 514.32 8.03 195.44 13.38 111.74

表3高度纬度倍数表(1)

表3各高纬度相对纽约地面注量率倍数表(2)

表4能量阈值倍数表

序号 能量(MeV) 中子注量率(#/cm2h) 与1-10MeV倍数关系 1 >1 9200 2.88 2 >2 8300 2.59 3 >3 7700 2.41 4 >4 7300 2.28 5 >5 7000 2.19 6 >6 6800 2.13 7 >7 6500 2.03 8 >8 6400 2.00 9 >9 6200 1.94 10 >10 6000 1.88 11 1-10 3200 1.00

在本发明实施例中提出的根据第二注量率倍数计算每个任务点 的能量大于10MeV时的注量率，具体包括：

获取纽约地面能量大于10MeV时的标准注量率；根据所述标准 注量率和所述第二注量率倍数计算所述每个任务点的能量大于 10MeV时的注量率。

在本发明实施例中，步骤S103具体包括：采用波音模型计算每 个任务点的能量阈值以上大气中子注量率，得出最劣值、典型值(高 度12200、45度)与平均值。并采用NASA模型计算每个任务点的 能量阈值以上大气中子注量率。找出最劣值、典型值(高度12200、 45度)与平均值。

本发明实施例中，步骤S104，具体包括：

提取每个任务点的第一大气中子注量率的最劣值、典型值与平 均值；

提取每个任务点的第二大气中子注量率的最劣值、典型值与平 均值；

提取每个任务点的第三大气中子注量率的最劣值、典型值与平 均值；

分别计算每个任务点的最劣值的均值、典型值的均值以及平均 值的均值，作为该任务点的大气中子注量率。

本发明提供的飞行空域大气中子注量率多模型复合计算方法， 通过任务点的经度、纬度确定截止刚度，将波音模型中的纬度影响 修正为由经度、纬度确定的截止刚度，而且适用于任何高度，解决 了NASA模型在地面高度不适用的问题，通过量化各个不同能量阈 值对大气中子注量率的影响，更加精确地计算电子器件在任务点处 的大气中子注量率。

图2为本发明实施例二提出的一种飞行空域大气中子注量率多模 型复合计算装置模块图，如图2所示，所述装置包括：

获取模块201，用于获取当前电子设备的任务剖面和能量阈值， 所述任务剖面包括当前电子设备在每个任务点的飞行高度、纬度、经 度。本实施例中，所述当前电子设备的能量阈值为当前电子设备中关 键敏感器件的能量阈值。

第一计算模块202，用于根据当前电子设备的任务剖面和能量阈 值计算每个任务点的第一大气中子注量率；

第二计算模块203，用于根据所述当前电子设备的能量阈值，采 用波音模型计算每个任务点的第二大气中子注量率，采用NASA模 型计算每个任务点的第三大气中子注量率；

均值计算模块204，用于分别计算每个任务点的第一大气中子注 量率、第二大气中子注量率和第三大气中子注量率的均值，作为该任 务点的大气中子注量率。

本实施例中的第一计算模块202具体包括：

截止刚度查找单元，用于根据全球经纬度与截止刚度对应表，查 找所述任务剖面中每个任务点所在的经纬度在12.2km高度情况下对 应的截止刚度；

第一注量率倍数查找单元，用于根据每个任务点当前的截至刚 度，利用截止刚度与12.2km高度的注量率倍数表，查找每个任务点 在12.2km高度时注量率相对纽约地面注量率的第一注量率倍数；

第二注量率倍数查找单元，用于根据所述第一注量率倍数，利 用高度纬度倍数表，查找每个任务点在飞行高度时的注量率相对纽 约地面注量率的第二注量率倍数；

条件计算单元，用于根据第二注量率倍数计算每个任务点的能 量大于10MeV时的注量率；

能量阈值修正单元，用于根据所述当前电子设备的能量阈值， 利用能量倍数表进行能量阈值修正，得到每个任务点的第一大气中 子注量率。

本实施例中的条件计算单元具体包括：

获取子单元，用于获取纽约地面能量大于10MeV时的标准注量 率；

计算子单元，用于根据所述标准注量率和所述第二注量率倍数 计算所述每个任务点的能量大于10MeV时的注量率。

本实施例中的均值计算模块204具体包括：

第一提取单元，用于提取每个任务点的第一大气中子注量率的 最劣值、典型值与平均值；

第二提取单元，用于提取每个任务点的第二大气中子注量率的 最劣值、典型值与平均值；

第三提取单元，用于提取每个任务点的第三大气中子注量率的 最劣值、典型值与平均值；

均值计算单元，用于分别计算每个任务点的最劣值的均值、典 型值的均值以及平均值的均值，作为该任务点的大气中子注量率。

本发明提出的飞行空域大气中子注量率多模型复合计算方法及 装置，明确了截止刚度是影响大气中子注量率的重要因素，而不是单 一纬度，优化波音模型中的纬度参数为经度、纬度两个参数，该方法 能更加精确的计算大气中子注量率。

本发明解决了NASA模型在地面高度不适用的问题，适用与各种 高度。

本发明加入能量范围的影响。波音模型与NASA主要计算能量为 1-10MeV的大气中子注量率，而考虑到不同器件的能量阈值不同，一 些器件的阈值可能为4MeV，5MeV，而该方法通过加入能量范围的影 响，可以计算能力大于1MeV，大于2MeV至大于10MeV等不同能量 范围的中子注量率，使计算结果更加精确。

本发明通过计算均值，提高计算精度，用户可凭经验选取最适用 的数据作为任务点的大气中子注量率。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解 到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台 的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品 的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可 以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一 台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行 本发明各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附 图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实 施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同 于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个 模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局 限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护 范围。