某型終端控制器壽命與可靠性評估方法研究

代永德 欒家輝 朱興高 石士進 韓慧超

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某型終端控制器壽命與可靠性評估方法研究

代永德 欒家輝 朱興高 石士進 韓慧超

（中國航天標準化研究所，北京 100071）

針對某衛星平臺、各分系統和各單機的壽命和可靠性指標的地面綜合評價問題，提出一種基于無失效數據的單機壽命與可靠性評估方法。以某型終端控制器為研究對象，針對其主要故障模式提出了電子類產品的壽命與可靠性評估模型和方法，應用控制器的地面試驗數據和相似產品在軌飛行數據，對終端控制器開展壽命與可靠性評估計算。

終端控制器；壽命與可靠性；貝葉斯方法；指數分布

1 引言

目前國內低軌衛星的設計壽命一般為3～5年，根據未來衛星任務需求，平臺提出了設計壽命達到8年的指標，明確要求“完成平臺系統、分系統和關鍵單機的長壽命的設計、分析及部分關鍵單機的壽命試驗驗證，實現平臺設計壽命不低于8年”，相對于當前水平技術跨越很大。

2 產品功能結構

終端控制器由接口電路、配電器、主份控制器、備份控制器組成，4個盒體拼裝后臥式安裝，通過AIRBORN連接器相連。終端控制器三維模型見圖1。

圖1 終端控制器三維模型

終端控制器是某衛星平臺捕獲跟蹤分系統的重要組成部分，其主要功能是接收來自數管分系統的總線指令，完成對衛星的角度程控跟蹤、GPS程控跟蹤、軌道程控跟蹤或自動跟蹤，采用雙機冷備份，外部接口連接，如圖2所示。

圖2 終端控制器組成框圖

3 產品試驗及在軌應用情況

終端控制器進行了地面鑒定試驗，包括力學試驗（正弦振動試驗、沖擊試驗和隨機振動試驗）、熱真空試驗、熱循環試驗和熱平衡試驗，均無異常情況。

平臺終端控制器為XX-14基礎上預研型號，在XX-14基礎上為適應平臺做了適應性修改，單機產品DC/DC的輸入母線電壓由28V調整到42V，其基本功能完全與XX-14一樣。XX-14分為XX-14（A）與XX-14（B）兩顆星，平臺上終端控制器與這兩顆星完全一樣，目前在軌運行良好，均無失效。

4 產品壽命與可靠性評估方案

4.1 產品壽命與可靠性要求

根據衛星公用平臺要求，控制器壽命要求在軌工作30000h。產品在軌承受的空間輻射劑量大，存儲單元受單粒子事件和設備散熱問題影響顯著。輻射效應分為總劑量累積效應和單粒子效應，總劑量累積效應可以通過屏蔽的方式解決，這一點在國內外很多飛行器上已得到驗證。但是單粒子效應則必須從系統設計的角度仔細分析才能解決。終端控制器位于載荷倉內，工作溫度范圍為-15～50℃。

4.2 產品主要故障模式及壽命評估特征量

終端控制器是電子產品，根據終端控制器的FMEA，其主要故障模式為主驅動電路不能工作，電源電路無電源輸出，接口電路不能給其他分機供電及發送開關機指令等。不存在單點故障模式，沒有嚴重性等級為I、II的故障模式，其主要故障模式為溫度、輻照或者力學環境導致的器件失效，在設計保證的情況下，其主要故障模式為電子器件的隨機失效。終端控制器在軌間歇性工作，其可靠性指標要求為8年壽命末期可靠度為0.99，置信度取0.7。終端控制器在軌間歇運行，其壽命特征量為工作時間。

4.3 評估模型

依據產品結構和功能要求，為了提高可靠性，整機采用了1?1冷備，針對整機開展的地面鑒定級試驗，其可靠性框圖如圖3所示，其可靠性數學模型如式（1）所示。

其中：N——冷備單元個數；T——累計總試驗時間；r——試驗失效數；t——任務時間。

4.4 評估方法

終端控制器為電子產品，選用工作時間為特征量采用指數分布模型開展評估，采用Bayes方法：

可靠性計算方法可采用指數分布模型直接評估計算或應用Bayes方法評估計算，Bayes方法評估中綜合應用了產品的可靠性預計、試驗及在軌信息，更多地反映產品的可靠性設計情況。

4.4.1 可靠度計算方法

4.4.1.1 指數分布模型直接計算

指數分布模型可靠度按公式（3）～（6）計算。

4.4.1.2 Bayes方法評估計算

a. 驗前信息轉換方法

（0，1）為驗前信息，上述公式是將驗前信息按置信度0.6壓縮。

b. 相容性分析

對驗前信息（0，0）與現場試驗信息（，）進行相容性分析，可根據雙邊區間估計計算公式（8）進行統計顯著性檢驗。

c. 驗后信息計算

綜合現場試驗信息（，）和驗前信息（0，0），單元的驗后特征量按照式（9）計算：

d. 可靠性評估計算

將1，1分別代替，應用式（3）～式（6）計算得到相應的可靠度。

4.4.2 可靠性評估方法

終端控制器的可靠性為主終端控制器和備終端控制器的雙機冷備，采用CMSR方法評估。

4.4.3 壽命評估方法

終端控制器為電子產品，在軌主要故障模式為隨機失效，因此在壽命評估中對進行評估：

4.5 評估數據

根據可靠性評估模型，本次評估將采集終端控制器的可靠性預計信息、地面試驗時間數據和在軌飛行數據，具體數據情況如下：根據終端控制器失效率匯總表，其失效率預計值為1270.1988fit。

與單機產品相似的在軌衛星共有2顆。根據地面數據和在軌數據整理終端控制器的壽命與可靠性評估模型數據，得到終端控制器的評估數據，如表1所示。

表1 終端控制器可靠性評估數據采集卡（其中，飛行數據截至平臺驗收）

綜合相似產品在軌飛行數據和地面試驗數據，得到等效累計試驗時間，為單機產品壽命與可靠性的評估提供數據支持。

5 壽命與可靠性評估計算

5.1 可靠性評估計算

根據上文介紹的評估方法，直接應用指數分布方法和Bayes方法分別對終端控制器的可靠性進行了評估計算。

應用表1的在軌和試驗信息應用指數分布模型評估得到的終端控制器可靠性點估計和置信度0.7下的可靠性置信下限分別為0.890039和0.566967。

綜合應用產品預計信息和表1的試驗信息，應用Bayes方法評估得到終端控制器的可靠性點估計和置信度0.7下的可靠性置信下限分別為0.999831和0.998981。

5.2 壽命評估計算

對終端控制器的壽命評估，僅應用在軌和試驗信息開展，根據式（18），應用式（19）的評估結果，計算得到終端控制器的點估計和置信度0.7下的置信下限分別為68.7年和13.7年。

6 結束語

終端控制器為A類電子產品，工作時間要求為30000h，目前最長在軌時間為14400h；綜合利用可靠性預計值、地面試驗和在軌數據，評估計算得到置信度0.7的可靠度下限為0.998981，滿足可靠性要求0.99，可認為終端控制器可靠性設計滿足要求；由于地面試驗、在軌數據不充分，基于已有數據評估計算得到置信度0.7的可靠度下限為0.566967，建議在后續型號進一步積累數據，為驗證可靠性水平提供支持。

1 王宇.通用電子產品全壽命周期可靠性分析方法[J]. 電子產品可靠性與環境試驗，2017，35(1)：40～43

2 林帥. 基于拓撲的高速列車系統可靠性與安全性評估方法[D]. 北京：北京交通大學，2018

3 吳建國. 基于失效比對的復雜系統加速貯存壽命試驗方法研究[J]. 強度與環境，2016，43(3)：59～64

4 Laurent GL. Data relay system satellite: the development of an antenna pointing mechanism for the Inter-orbit link antenna[R]. 2005

5 劉繼奎. 空間機電活動部件可靠性試驗技術研究[J]. 質量與可靠性，2010：16～22

6 吳來林.無失效數據可靠性參數的E-Bayes統計分析和改進[D]. 蘇州：江蘇大學，2009

7 韓明. 產品無失效數據的綜合處理[J]. 機械工程學報，2003，39(2)：129～132

Research on Evaluation Method to Life and Reliability of Terminal Controller Based on Zero-failure Data

Dai Yongde Luan Jiahui Zhu Xinggao Shi Shijin Han Huichao

(China Astronautics Standards Institute, Beijing 100071)

Aiming at ground comprehensive assessment problem of the life and reliability indexes for a certain satellite platform, sub-system and stand-alone device, a method for life and reliability of stand-alone device which based on zero-failure data is proposed. A certain terminal controller is taken as the research object, and the life and reliability evaluation model and method of electronic products are proposed according to the main failure modes. Base on the ground test data and the on-orbit flight data of terminal controller, the life and reliability are calculated.

terminal controller；life and reliability；bayesian method；exponential distribution

2018-11-09

代永德（1992），碩士，可靠性專業；研究方向：航天產品壽命與可靠性評估。

基于MBD方法的典型空間機電產品可靠性定量設計分析技術研究（JSZL2015203B030）。