某星載接收機(jī)可靠性評估方法研究

馬鋮

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川　成都　610036）

某星載接收機(jī)可靠性評估方法研究

馬鋮

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都610036）

由于航天單機(jī)產(chǎn)品受到研制進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)和技術(shù)手段等多方面的限制，因此，一般無法利用可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)來驗(yàn)證其可靠性指標(biāo)，而只能采用評估的方式對其進(jìn)行定量的評價(jià)。對某星載接收機(jī)的可靠性評估方法進(jìn)行了研究，并采用CMSR結(jié)合Bayes方法對其可靠性進(jìn)行了評估。結(jié)果表明，該方法對于航天單機(jī)產(chǎn)品的可靠性的評價(jià)具有一定的借鑒意義。

可靠性評估；星載接收機(jī)；貝葉斯算法

0　引言

由于航天單機(jī)產(chǎn)品受到研制進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)和技術(shù)手段等方面的限制，因此，往往難以通過可靠性鑒定試驗(yàn)等試驗(yàn)室試驗(yàn)來驗(yàn)證其可靠性指標(biāo)，一般可通過綜合單機(jī)各種相關(guān)信息對其進(jìn)行可靠性評估的方式來推斷其可靠性指標(biāo)。某星載接收機(jī)已有數(shù)臺隨衛(wèi)星平臺在軌運(yùn)行，為了定量地評價(jià)其壽命期內(nèi)的可靠性水平，以便于后續(xù)項(xiàng)目的順利開展，對此星載接收機(jī)進(jìn)行了可靠性評估。

1　評估方法

該星載接收機(jī)由4個(gè)單元組成，每個(gè)單元由互為冷備份的2個(gè)模塊組成。其可靠性框圖 （示意圖）如圖1所示。

圖1　某星載接收機(jī)可靠性框圖 （示意圖）

接收機(jī)在設(shè)計(jì)狀態(tài)固化后進(jìn)行了一系列的研制試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)，出廠后并已有數(shù)臺在軌運(yùn)行。若從整機(jī)層面進(jìn)行可靠性評估，忽視模塊之間的冷備關(guān)系，則無法充分地反映產(chǎn)品的可靠性信息。為了能夠綜合各類試驗(yàn)信息及實(shí)際的使用信息，更有效地對其可靠性水平進(jìn)行定量的評價(jià)，本次評估采取“單元/模塊信息”+“單機(jī)信息”的方式進(jìn)行，并采用CMSR［1］結(jié)合Bayes［2］方法進(jìn)行評估計(jì)算。

本產(chǎn)品中采用的切換開關(guān)工作失效率較低，可靠性高，且無歷史失效情況發(fā)生。因此，忽略切換開關(guān)對產(chǎn)品可靠性的影響，則接收機(jī)可靠性評估模型為:

其中，各個(gè)模塊采用指數(shù)分布模型［3］:

各個(gè)單元 （開關(guān)非完美切換）采用指數(shù)分布冷備模型［4］:

具體的評估步驟為:首先，進(jìn)行試驗(yàn)信息折算，得到各個(gè)單元中單個(gè)模塊的等效試驗(yàn)信息；然后，利用指數(shù)分布的串聯(lián)、冷備等可靠性評估模型計(jì)算出單元和接收機(jī)的等效試驗(yàn)信息；最終，得到接收機(jī)的可靠性評估結(jié)果。

1.1等效試驗(yàn)信息的折算

試驗(yàn)信息可分為歷史試驗(yàn)信息、在軌工作信息和驗(yàn)前信息，對其進(jìn)行折算，就可以得到等效試驗(yàn)信息。

1.1.1歷史試驗(yàn)信息和在軌試驗(yàn)信息的折算

采用預(yù)定的環(huán)境因子對歷史試驗(yàn)信息 （鑒定、驗(yàn)收和老煉試驗(yàn)信息等）進(jìn)行折算，就可以得到等效試驗(yàn)信息。折合公式如下:

式 （4）中:T試驗(yàn)信息——產(chǎn)品等效試驗(yàn)時(shí)間；

t歷史試驗(yàn)k——應(yīng)力k下的加速試驗(yàn)時(shí)間；

n歷史試驗(yàn)k——應(yīng)力k下的試驗(yàn)樣本量；

K歷史試驗(yàn)k——應(yīng)力k下的環(huán)境因子；

t在軌m——第m個(gè)產(chǎn)品在軌飛行時(shí)間；

r試驗(yàn)信息——產(chǎn)品累積失效數(shù)；

r歷史試驗(yàn)——?dú)v史試驗(yàn)中的累積失效數(shù)；

r在軌——在軌飛行中的累積失效數(shù)。

接收機(jī)各個(gè)單元內(nèi)部為1∶1冷備設(shè)計(jì)，同一時(shí)間內(nèi)僅有1個(gè)模塊在工作，因此，接收機(jī)的工作時(shí)間和單一模塊的工作時(shí)間相同，則本步驟可得到接收機(jī)及其內(nèi)部單個(gè)模塊的試驗(yàn)信息T試驗(yàn)信息和r試驗(yàn)信息。

1.1.2可靠性預(yù)計(jì)值驗(yàn)前信息折算

可靠性預(yù)計(jì)值建立在元器件失效率的基礎(chǔ)上，而元器件失效率一般又建立在批量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，因此，可靠性預(yù)計(jì)值可以作為產(chǎn)品的先驗(yàn)信息加以使用。

參考標(biāo)準(zhǔn)Q/W 8B-2007《航天器可靠性評估方法》［4］，將失效率預(yù)計(jì)值轉(zhuǎn)換為驗(yàn)前信息，選定r試驗(yàn)信息=1，則驗(yàn)前信息等效試驗(yàn)時(shí)間為:

驗(yàn)前信息在作為整機(jī)評估數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相容性檢驗(yàn)。對驗(yàn)前信息 （t驗(yàn)前信息，r驗(yàn)前信息）與現(xiàn)場試驗(yàn)信息 （t試驗(yàn)信息，r試驗(yàn)信息）進(jìn)行相容性分析，就可以根據(jù)雙邊區(qū)間估計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)。

式 （6）中:α——顯著性水平，取值為0.1。

若驗(yàn)前信息的比值r試驗(yàn)信息/t驗(yàn)前信息在公式 （6）計(jì)算的區(qū)間內(nèi)，則接受相容性假設(shè)，可以用驗(yàn)前信息進(jìn)行計(jì)算；若不在該區(qū)間內(nèi)，則拒絕接受相容性假設(shè)，舍棄驗(yàn)前信息，僅僅應(yīng)用現(xiàn)場試驗(yàn)信息進(jìn)行計(jì)算。

若經(jīng)上述計(jì)算，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)前信息通過了相容性檢驗(yàn)，則可按照公式 （7）綜合現(xiàn)場試驗(yàn)信息 （T試驗(yàn)信息，r試驗(yàn)信息）和驗(yàn)前信息 （t驗(yàn)前信息，r驗(yàn)前信息），得到等效試驗(yàn)信息:

（T等效試驗(yàn)信息，r等效試驗(yàn)信息） 為等效信息， 作為接收機(jī)可靠性評估輸入?yún)?shù)。在可靠性評估中，等效試驗(yàn)時(shí)間一般可以轉(zhuǎn)換為等效任務(wù)數(shù)，轉(zhuǎn)換公式如下:

即等效任務(wù)數(shù)為等效試驗(yàn)時(shí)間與接收機(jī)工作壽命的比值，接收機(jī)的工作壽命約為8 200 h。

各個(gè)模塊的等效試驗(yàn)信息為 （ηi，ri）時(shí)，其可靠性點(diǎn)估計(jì)為:

1.2單元等效試驗(yàn)信息的折算

接收機(jī)各個(gè)模塊均進(jìn)行了1∶1的冷備份，各個(gè)模塊與其冷備模塊組成單元，各個(gè)單元的可靠性點(diǎn)估計(jì)和下限可由下式表示:

式 （11）中:α——置信度水平，取0.7，下同。

各個(gè)單元的等效指數(shù)型數(shù)據(jù)等效任務(wù)數(shù)和等效失效數(shù)為:

將通過式 （11）-（12）得出的單元可靠性點(diǎn)估計(jì)和下限代入公式 （12）-（13），即可反向推算各個(gè)單元的等效任務(wù)數(shù)和等效失效數(shù)（η（j，單元），r（j，單元））。

1.3接收機(jī)的可靠性評估

接收機(jī)作為典型的電子產(chǎn)品，其整機(jī)壽命分布為指數(shù)分布模型，又由于接收機(jī)由各個(gè)單元串聯(lián)后構(gòu)成，因此，可以利用指數(shù)分布的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性點(diǎn)估計(jì)和方差的計(jì)算公式來計(jì)算接收機(jī)的可靠性點(diǎn)估計(jì)和方差，即:

分析上述公式可知，通過各個(gè)單元可靠性點(diǎn)估計(jì)、等效任務(wù)數(shù)和等效失效數(shù)，即可計(jì)算出接收機(jī)的等效任務(wù)數(shù)和等效失效數(shù)，即:

計(jì)算結(jié)果即為接收機(jī)的等效試驗(yàn)信息。

由此可以計(jì)算出接收機(jī)的可靠度下限為:

式 （17）中:λu——接收機(jī)失效率上限。

2　評估計(jì)算

2.1預(yù)計(jì)值信息的相容性檢驗(yàn)

該星載接收機(jī)的歷史試驗(yàn)時(shí)間及在軌飛行時(shí)間至開展評估時(shí)累積約為60 018 h，其技術(shù)狀態(tài)固化后在歷次實(shí)驗(yàn)中和在軌使用中均未出現(xiàn)硬件故障。接收機(jī)各個(gè)單元為2個(gè)相同模塊的冷備組合，則接收機(jī)工作時(shí)各個(gè)單元僅有1個(gè)模塊加電工作，單個(gè)模塊的工作時(shí)間與接收機(jī)的工作時(shí)間相同，均為60 018 h。

則將試驗(yàn)信息 （t試驗(yàn)信息，r試驗(yàn)信息）=（60 018，0），顯著性水平 α=0.1代入公式 （6），運(yùn)用 GB/T 4086.2［5］查表可確定，進(jìn)行相容性檢驗(yàn)雙邊區(qū)間為:（3.275 8×10-8，3.200 2×10-5）。

對各個(gè)模塊驗(yàn)前信息比值進(jìn)行相容性檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

2.2各個(gè)單元的等效試驗(yàn)信息折算

將表1中的模塊等效實(shí)驗(yàn)信息帶入式 （10）-（11），得出各個(gè)單元的可靠度點(diǎn)估計(jì)值和下限，再將其帶入式 （12）-（13），可以反推得到各個(gè)單元的等效試驗(yàn)信息，如表2所示。

2.3接收機(jī)的可靠性評估計(jì)算

在得到各個(gè)單元的等效試驗(yàn)信息后，將其帶入式 （14）-（15），得到接收機(jī)的可靠性點(diǎn)估計(jì)和方差為:

表1各個(gè)模塊的相容性檢驗(yàn)結(jié)果h

表2　各個(gè)單元的可靠性評估及等效實(shí)驗(yàn)信息

則按照式 （16），接收機(jī)的等效任務(wù)數(shù)和等效失效數(shù)為:估方法針對于組成復(fù)雜、成本昂貴、可靠性要求高而又無法通過專門的試驗(yàn)來進(jìn)行可靠性指標(biāo)驗(yàn)證的航天單機(jī)產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)的定量評估具有一定的借鑒意義。

則由此可以計(jì)算出接收機(jī)的可靠度下限為:

則此星載接收機(jī)在置信度為0.7的條件下工作至壽命末期其可靠度下限為0.996 2。

3　結(jié)束語

本文通過采用CMSR結(jié)合Bayes方法對某星載接收機(jī)的可靠性進(jìn)行了評估。本次評估通過了用戶組織的可靠性評審，得到了評審專家的認(rèn)可。本評

［1］李斌.液體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)與分析 ［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

［2］李寧.航天器產(chǎn)品可靠性指標(biāo)驗(yàn)證方法探究 ［J］.可靠性工程管理，2011，29（6）:19-22.

［3］陸廷孝，鄭鵬洲.可靠性設(shè)計(jì)與分析 ［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1996.

［4］航天器可靠性評估方法:Q/W 8B-2007［S］.

［5］全國統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會.統(tǒng)計(jì)分布數(shù)值表χ2分布:GB/T 4086.2-1983［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1983.

Research on the Reliability Evaluation Method of a Satellite Receiver

MA Cheng
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Due to the fact that aerospace standalone products are subject to the restrictions of development schedule，funds，technical means and other factors，so their reliability indexes can not be verified through reliability verification test and only can be quantitatively evaluated through evaluation method.The reliability evaluation method of a satellite receiver is studied，and the reliability of the satellite receiver is evaluated through CMSR combining Bayes algorithm. The results show that this method has a certain reference value for the quantitative evaluation of the reliability of aerospace standalone products.

reliability evaluation；satellite receiver；Bayes algorithm

V 442；TN 965+.5

A

1672-5468（2016）05-0020-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.05.005

2016-04-27

馬鋮 （1978-），男，新疆烏魯木齊人，中國西南電子技術(shù)研究所工程師，主要從事電子產(chǎn)品可靠性、維修性、測試性、安全性和保障性研究工作。