Analysis and numerical modeling of radiation effects on a satellite orbiting inside the inner Van Allen belt

The objective of this thesis is the study of the harsh radiation environment that characterizes the inner Van Allen belt. The analysis is conducted by classifying the errors detected inside a Solid State Mass Memory (SSMM) equipment designed by Thales Alenia Space-Italia (TAS-I) and mounted on a satellite flying in a Low Earth Orbit (LEO) at 1336 km of altitude. The user memory of the equipment is based on Synchronous Dynamic RAM (SDRAM) technology, widely used in last decades of space applications. Such technology is sensitive to radiation-induced instantaneous effects known in literature as Single Event Upset (SEU) and Single Event Functional Interruption (SEFI), but also to damages produced by continuous exposure to radiation (Total Ionizing Dose (TID), Displacement Damage Dose (DDD)). Another type of in-orbit phenomena has been reported in other TAS-I flying equipment, and it is called Extremely Weak Cell (EWC). It represents the radicalization of an intrinsic problem of SDRAM technology, that is the charge leakage when brought to high temperature: EWCs appear in orbit also at ambient like temperature, and are typically not observed during on ground testing at that temperature level. In this thesis it was also possible to study the radiation effects on the Microprocessor (μP) working memory. This one is based on Static RAM (SRAM) technology, more resistant to radiation than SDRAM. Finally, an analysis on the errors detected on the incoming CCSDS Space Packets (SP) received via input SpaceWire (SpW) links is presented, too. All data necessary to conduct the analysis are retrieved from Telemetry (TM) packets available in TAS-I archives. Those packets are processed by Python algorithms that extract all the useful information and classify the events, according to characteristic features. The obtained results, compared to the ones coming from other studies, confirm some well known characteristics of such events, but also highlights some new, never observed behaviors. One specific output of the present analysis, the EWC daily activation, is particularly interesting for the design of future SSMM that will use SDRAM-based technology as exchange buffers for memorization/read in NAND flash devices. Another objective of the thesis is the development of a numerical model that could accurately describe and predict the long term evolution of the EWC activation phenomenon. After proving its correlation with internal thermal environment and the equipment Thermal Reference Point (TRP) waveform, four modeling techniques of increasing complexity are proposed and compared: Trend-Seasonality-Residual (TSR), ARIMAX, Fourier decomposition and Wavelet transform.

L'obiettivo di questa tesi è lo studio dell'ambiente radiativo avverso che caratterizza la fascia interna di Van Allen. L'analisi è condotta classificando gli errori osservati in un equipaggiamento di memoria di massa a stato solido progettata e prodotta da TAS-I e installata su un satellite situato su un'orbita LEO a 1336 km di altitudine. La memoria utilizzabile dell'equipaggiamento è basata sulla tecnologia SDRAM, ampiamente usata in applicazioni spaziali negli scorsi decenni. Questa tecnologia è sensibile a effetti radiativi istantanei conosciuti in letteratura come Single Event Upset (SEU) e Single Event Functional Interruption (SEFI), ma anche a danni dovuti alla continua esposizione alle radiazioni (TID, DDD). Un altro tipo di fenomeno orbitale è stato osservato in altri equipaggiamenti in orbita prodotti da TAS-I, ed è chiamato Extremely Weak Cell (EWC). Rappresenta l'estremizzazione di un problema intrinseco della tecnologia SDRAM, che è la scarica dei condensatori quando vengono raggiunte alte temperature: le EWC appaiono anche a temperatura ambiente, e tipicamente non vengono osservate durante la fase di test a terra in quell'intervallo di temperature. In questa tesi, inoltre, sono stati studiati gli effetti radiativi sulla memoria dedicata del microprocessore. Questa è basata su tecnologia SRAM, più resistente alle radiazioni della SDRAM. Infine, sono stati analizzati anche gli errori evidenziati nei pacchetti CCSDS in arrivo alla memoria di massa tramite connessioni SpW. Tutti i dati necessari per condurre le analisi si trovano in pacchetti di telemetria resi disponibili dagli archivi di TAS-I. Questi pacchetti vengono processati da algoritmi sviluppati in Python che estraggono le informazioni utili e classificano gli eventi secondo le loro proprietà. I risultati ottenuti, confrontati con quelli ricavati da altri studi, confermano alcune caratteristiche ben note di questi fenomeni, ma permettono anche di evidenziare dei nuovi comportamenti mai osservati prima. Uno dei prodotti di questa analisi, l'attivazione giornaliera delle EWC, è particolarmente di interesse per lo sviluppo di future memorie di massa che utilizzeranno la tecnologia SDRAM come appoggio nelle operazioni di memorizzazione/lettura in dispositivi NAND flash. Un altro obiettivo della tesi è quindi lo sviluppo di un modello matematico che possa descrivere e predire accuratamente lo sviluppo sul lungo periodo dell'attivazione delle EWC. Dopo aver dimostrato la sua correlazione con la temperatura, vengono proposte, e successivamente confrontate quattro tecniche di modellazione numerica di complessità crescente: Trend-Stagionalità-Residuo (TSR), ARIMAX, la decomposizione di Fourier e la trasformata Wavelet.