Enhanced Radiation Tolerance of a Remote Interface Unit Using Commercial-off-the-Shelf Components for Space Applications

Omidi, Reza; Eidi, Azam

doi:10.22034/jsst.2024.1495

Enhanced Radiation Tolerance of a Remote Interface Unit Using Commercial-off-the-Shelf Components for Space Applications

Document Type : Original Research Paper

Authors

Reza Omidi ¹

Azam Eidi ²

¹ Assistant Professor, Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering,, University of Zanjan, Zanjan, Iran

² M Sc., Satellite Communication Group, Faculty of Communications Technology, ICT Research Institute. Tehran, Iran

10.22034/jsst.2024.1495

Abstract

The radiation hardness of satellite subsystems, particularly their susceptibility to total ionizing dose (TID), presents a significant challenge in space mission design. This study introduces an innovative approach to enhancing the radiation tolerance of a remote interface unit (RIU) by leveraging commercial off-the-shelf (COTS) components in conjunction with a strategic integration of hardware and software solutions. Experimental irradiation results demonstrate that this approach successfully increased the RIU's radiation tolerance from 20 krad to over 60 krad—a significant achievement given that geostationary satellite simulations estimate a cumulative radiation dose of approximately 50 krad over a five-year mission. Furthermore, comprehensive performance evaluations confirm that the radiation-hardened RIU maintains stable and acceptable functionality under high radiation exposure. All proposed solutions were experimentally validated using Co-60 irradiation, and the results indicate that the TID-hardened RIU can serve as a viable alternative to specialized space-grade components in specific applications.This novel approach reduces satellite development costs and time-to-market and enhances design flexibility. The methodologies presented in this study hold significant potential for adoption in other satellite subsystems, such as on-board data handling (OBDH) units and telemetry, tracking, and command (TT&C) systems, thereby contributing to the advancement of more reliable space technologies.

Keywords

Space Radiation

Cobalt-60 Test

Total Ionization Dose

Radiation Hardening

TT&C Subsystems

RIU Unit

Subjects

Recognition, evaluation, and detection of space radiation

Article Title Persian

طراحی، ساخت و تست یک واحد رابط راه دور با تاب‌آوری بالا برای کاربردهای فضایی: رویکردی مبتنی بر قطعات تجاری

Authors Persian

رضا امیدی ¹

اعظم عیدی ²

¹ استادیار، گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

² کارشناسی ارشد، گروه ارتباطات ماهواره‌ای، پژوهشکده فناوری ارتباطات، پژوهشگاه ارتباطات و فناوری اطلاعات، تهران،

Abstract Persian

چکیده: تاب‌آوری زیرسیستم‌های ماهواره‌ای در برابر اثرات مخرب تشعشعات فضایی، به ویژه دوز یونش تجمعی (TID)، یکی از چالش‌های اساسی در طراحی ماموریت‌های فضایی محسوب می‌شود. این پژوهش، رویکردی نوآورانه برای ارتقای تاب‌آوری واحد رابط راه دور (RIU) ارائه می‌دهد که با بهره‌گیری از قطعات تجاری (COTS) و ترکیب هوشمندانه راهکارهای سخت‌افزاری و نرم‌افزاری، به طور قابل توجهی این تاب‌آوری را افزایش می‌دهد. نتایج آزمایش‌های پرتودهی نشان می‌دهند که با استفاده از این روش، تاب‌آوری RIU از 20 کیلوراد به بیش از 60 کیلوراد ارتقا یافته است. این دستاورد، با توجه به اینکه شبیه‌سازی‌ها برای ماهواره‌های ژئوسنکرون دوز تابشی تجمعی حدود 50 کیلوراد را برای ماموریت‌های 5 ساله پیش‌بینی می‌کنند، بسیار چشمگیر است. علاوه بر این، ارزیابی‌های دقیق عملکردی نشان می‌دهند که RIU مقاوم‌سازی شده، حتی در معرض دوزهای بالای تابش، عملکرد پایدار و قابل قبولی از خود نشان می‌دهد. تمامی راهکارهای پیشنهادی در این پژوهش، تحت آزمایش‌های پرتودهی با استفاده از منبع کبالت 60 به طور تجربی مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند. نتایج این آزمایش‌ها به وضوح نشان می‌دهد که RIU مقاوم‌سازی شده در برابر TID می‌تواند به عنوان جایگزینی مناسب برای قطعات فضایی تخصصی در برخی کاربردها مورد استفاده قرار گیرد. این رویکرد نوآورانه نه تنها هزینه‌های طراحی و تولید ماهواره را کاهش می‌دهد، بلکه سرعت توسعه و انعطاف‌پذیری در طراحی ماموریت‌های فضایی را نیز افزایش می‌دهد. ایده‌های مطرح شده در این پژوهش، پتانسیل بالایی برای کاربرد در سایر زیرسیستم‌های ماهواره‌ای مانند واحدهای مدیریت و پردازش داده‌های (OBDH) و سیستم‌های تله‌متری، ردیابی و فرمان (TT&C) دارد و می‌تواند گامی مهم در جهت توسعه فناوری‌های فضایی با قابلیت اطمینان بالاتر باشد.

Keywords Persian

تشعشعات فضایی

تست کبالت 60

دوز یونیزاسیون تجمعی (TID)

افزایش تاب‌آوری

واحد RIU

[1] Y. Chi, C. Cai, and L. Cai, "Radiation effects of advanced electronic devices and circuits," Electronics, vol. 13, no. 6, 2024, Art. no. 1073, https://doi.org/10.3390/electronics13061073.

[2] K. Ghordoyi Milan, A. Sadr, S. H. Sedighy, and H. Daneshvar, "Analysis, design and optimization of the multi layer radiation shielding of satellite electronic components," Journal of Space Science and Technology, vol. 14, no. 2, pp. 71-76, 2021, (in Persian), https://doi.org/10.22034/jsst.2021.1246.

[3] Y. Sun et al., "Investigation of total ionizing dose effects in 4H–SiC power MOSFET under gamma ray radiation," Radiation Physics and Chemistry, vol. 197, 2022, Art. no. 110219, https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2022.110219.

[4] M. Naito et al., "Investigation of shielding material properties for effective space radiation protection," Life Sciences in Space Research, vol. 26, pp. 69-76, 2020, https://doi.org/10.1016/j.lssr.2020.05.001.

[5] NASA Technical Reports Server (NTRS). [online]. Available: https://ntrs.nasa.gov

[6] Y. Zheng et al., "Space radiation and plasma effects on satellites and aviation: Quantities and metrics for tracking performance of space weather environment models," Space Weather, vol. 17, no. 10, pp. 1384-1403, 2019, https://doi.org/10.1029/2018SW002042.

[7] M. Kumar, J. S. Ubhi, S. Basra, A. Chawla, and H. S. Jatana, "Total ionizing dose hardness analysis of transistors in commercial 180 nm CMOS technology," Microelectronics Journal, vol. 115, 2021, Art. no. 105182, https://doi.org/10.1016/j.mejo.2021.105182.

[8] H. Evans, "Space environment basics & calculation methods," in ESA Internal Course, EEE Component Radiation Hardness Assurance Tutorial, ESTEC, 2016.

[9] Space Product Assurance, ECSS-Q-ST-60-15C, Europena Cooperation For Space Standardization, ECSS Secretariat ESA-ESTEC, 2012.

[10] "Single Event Effects Test Method and Guidelines," European Space Components Coordination, ESCC Basic Specification, no. 25100, 2014.

[11] "Total Dose Steady-State Irradiation Test Method," European Space Components Coordination, ESCC, Basic Specification, no. 22900, 2016.

[12] L. D. Edmonds, C. E. Barnes, and L. Z. Scheick, An Introduction to Space Radiation Effects on Microelectronics, Jet Propulsion Laboratory, National Aeronautics and Space Administration, Colifornia Instltute Of Technology Pasadena, California, 2000.

[13] R. D. Schrimpf and D. M. Fleetwood, Radiation Effects and Soft Errors in Integrated Circuits and Electronic Devices, World Scientific, 2004.

[14] S. Shukla, Utkarsh, M. Azam, and K. C. Ray, "An efficient fault-tolerant instruction decoder for RISC-V based dual-core soft-processors," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 70, no. 12, pp. 4816-4825, 2023, https://doi.org/10.1109/TCSI.2023.3315604.

[15] R. Omidi Gosheblagh and K. Mohammadi, "SEU rate and reliability analysis in leo satellites," Journal of Space Science and Technology, vol. 5, no. 3, pp. 1-9, 2012, (in Persian).

[16] R. Omidi Gosheblagh and K. Mohammadi, "Three-level management algorithm to increase the SEU emulation rate in DPR based emulators," Journal of Electronic Testing, vol. 30, pp. 739-749, 2014, https://doi.org/10.1007/s10836-014-5489-x.

[17] A. Fetzer, M. Anger, P. Oleynik, and J. Praks, "Total ionising dose multilayer shielding optimisation for nanosatellites on geostationary transfer orbit," Advances in Space Research, vol. 73, no. 1, pp. 831-845, 2024, https://doi.org/10.1016/j.asr.2023.10.028.

[18] H. Daneshvar, K. G. Milan, A. Sadr, S. H. Sedighy, S. Malekie, and A. Mosayebi, "Multilayer radiation shield for satellite electronic components protection," Scientific Reports, vol. 11, 2021, Art. no. 20657, https://doi.org/10.1038/s41598-021-99739-2.

[19] Space product assurance Radiation Hardness Assurance, ESA-TEC-QE/2009/22. Issue 1, 2009.

[20] "Radiation Design Margin Requirement." NASA, Lesson number, 792, 1999. [Online]. Available: https://llis.nasa.gov/lesson/792

[21] S. C. Witczak, R. C. Lacoe, J. V. Osborn, J. M. Hutson, and S. C. Moss, "Dose-rate sensitivity of modern nMOSFETs," IEEE, Transactions on Nuclear Science, vol. 52, no. 6, pp. 2602-2608, 2005, https://doi.org/10.1109/TNS.2005.860709.

[22] J. S. Li et al., "Reversible total ionizing dose effects in NiO/Ga2O3 heterojunction rectifiers, "ECS Transactions, vol. 111, no. 2, 2023, Art. no. 35, https://doi.org/10.1149/11102.0035ecst.

[23] M. Poizat, "TID total ionizing dose: Radiation environment and its effects in EEE components and hardness assurance for space applications," in 15th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS), Moscow, Russia, 2015.