船用電子設備可靠性設計研究

賈起浪，汪業術

（中船電子科技（三亞）有限公司，北京 100070）

受空間環境限制，船用電子設備需要在高溫、高濕、持續振動的環境中長時間工作，同時還承受著空間電磁干擾。在此情況下，船用電子設備經常發生短路、死機、異常動作等故障，甚至出現冒煙、著火等現象。為解決這一問題，研究人員應當根據船用電子設備實際工作情況提出具有針對性的可靠性設計方案，延長平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF），減少因設備故障帶來的損失。

1 船用電子通信設備可靠性設計

作為船舶對外通信的主要工具，船用電子通信設備多為無線模式，一旦出現特殊情況，船員只能通過電子通信設備與外界建立聯系，因此，船用電子通信設備可靠性至關重要，這也是船舶出航之前需要對所有電子通信設備進行調試的主要原因。

1.1 電子元器件選型優化

針對無線電子通信設備對自身電路工作品質的要求，在選擇元器件時應嚴格控制其質量，尤其是對于高頻電子通信系統，需要明確電子元器件的抗電磁干擾能力。

例如，某半雙工短波電子通信設備在切換工作狀態瞬間系統會發出異響，其原因是因為送話器切換工作狀態瞬間所產生的電磁輻射會對電子通信設備產生干擾，尤其是對存在大量感性電子元器件的電子設備影響最大，由于感性電子元器件起到濾波和防浪涌的效果，在無法取消感性元器件的情況下，則需要選擇具有較強抗電磁干擾能力的感性電子元器件。

1.2 電子通信設備功率自適應調整

所謂功率自適應調整，是指電子通信設備可以根據實際工作狀態變化而調整自身功率，傳統電子通信設備功率固定，長期在額定功率下工作將導致電子元器件壽命縮短，因此，電子通信設備可根據目標通信距離的變化，進行自身功率的自適應調整。然而，這里需要注意的是，電子通信設備功率自適應調整是以犧牲通信距離與通信質量為代價，當電子通信設備通信距離與質量無法達到要求時，操作人員需要及時進行功率匹配，避免因通信系統工作異常導致的風險。

1.3 電子通信設備冗余設計

冗余設計是提高電子裝備可靠性的又一重要手段，但是，在過去較長的一段時間里，電子通信設備冗余設計多為全套備份的方式，這種冗余設計不僅成本高，且無法實現智能故障識別與冗余切換功能。電子通信設備冗余設計是根據不同電子設備故障發生的具體數據，確定高頻故障類型與相關數據特征，結合故障監視系統的應用，當電子設備實時狀態數據與故障數據庫中對應故障模型擬合程度超出閾值后，電子通信設備將自動分析故障單元并激活冗余功能，從而保證電子通信設備的正常工作狀態。

2 船用慣性單元可靠性設計

慣性單元是船用導航系統的重要電子設備之一，其利用轉子的高速旋轉所產生的定向性特征為船舶航行指明方向，即使在衛星導航技術高度發展的今天，慣性導航設備依然屬于強制安裝的電子設備。

2.1 船用慣性單元減振結構與算法設計

船舶航行期間所產生的振動主要為低頻振動，慣性單元對低頻振動相對敏感性較低，但是，由于低頻振動的不規則特性，導致船用慣性導航設備在濾波算法方面無法有效抵消因低頻振動對導航精度帶來的誤差積累，由此造成船用慣性導航設備的精度持續降低，最終需要通過組合導航或多點校準的方式將誤差清零。

為解決該問題，傳統方法是增加多角度減振設計，通過柔性緩沖的方式將低頻振動對慣性導航設備在各方向上的力的作用距離大大縮短，實裝驗證結果顯示，單獨采取柔性減振設計并不能夠真正解決慣性導航設備的精度問題。并且，由于多角度減震設計導致慣性導航設備安裝平臺存在橫向與縱向位移，反而會降低慣性導航設備的航向與縱、橫搖精度。

目前，可推廣的船用慣性單元減振結構設計為無轉角減震器，其通過橫向、縱向兩個方向上的獨立減振結構設計，吸收慣性導航設備所受到的振動分量，并且，針對機械慣性導航設備，可采用龍門架結構設計將低頻振動與核心組件進行二次隔離。同時，根據船用慣性單元減振結構的設計情況，優化導航軟件中濾波算法，對因低頻振動激勵的誤差進行處理，保證慣性單元的可靠性。

2.2 船用慣性導航設備溫度控制系統設計

與其它電子設備不同，為保證導航精度，船用慣性導航設備需在靜水狀態下啟動，即便采取了雙機備份的設計，也無法避免在連續工作狀態下溫度持續升高導致的各種故障，因此，船用慣性導航設備可靠性水平與其溫度控制能力有著直接關系。以日本產TG-8000/8000I型電控羅經為例，其溫度控制系統沿用了傳統的電加熱技術與風循環制冷技術，雖然，大規模集成電路的應用有效降低了設備功耗，但是，由于電控羅經工作特點，轉子高速轉動摩擦產生大量熱量，風循環制冷在溫度控制方面明顯滯后，電控羅經溫度變化區間較大，以致因溫度漂移帶來的導航誤差。

為提高電控陀螺羅經的溫度控制效率，保證其可靠性，研究人員可選用更加高效、穩定的半導體溫度控制系統，半導體溫度控制系統原理如圖1。

圖1 半導體制冷示意圖

由圖1所示，通過外加電源的方式，實現N型、P型半導體內部電子遷移，同時，利用溫度反饋控制技術，對直流電源電壓進行調整，最終達到慣性導航設備溫度精準控制目的。相比較傳統溫度控制技術來說，半導體溫度控制系統利用數字反饋控制技術，使溫度控制效率更高、實時性更好，船用慣性導航設備可靠性將得到明顯提升。

3 船用GPS定位系統可靠性設計

慣性導航設備是基于陀螺儀、加速度計等傳感器進行無源定位推算實現定位的，船用GPS定位系統則是通過接收衛星信號的方式進行定位，因此，GPS定位系統的可靠性極為重要。

在實際使用過程中，GPS定位系統經常出現信號丟失、數據發送失敗等故障，對船舶航行安全帶來了極大隱患。GPS定位系統之所以出現此類故障，其原因多由上層建筑物遮擋GPS信號接收器所導致，可通過調整船舶航向或GPS安裝位置解決。除此之外，也存在可靠性設計方面的問題，即GPS信號接收器密封性設計較差，導致潮濕空氣和海水進入接收器內部，造成接收器內部電路短路、腐蝕。針對這一問題，設計人員需要嚴格檢查GPS接收器的密封情況，對使用過程中存在密封性下降的GPS接收器及時進行密封處理，避免因密封問題導致的GPS定位系統故障。

4 結語

電子設備的應用在保證船舶航行安全的同時，也提高了船舶運營管理效率，然而，受工作環境的影響，高溫、高濕、電磁干擾等相關因素的影響，使得電子設備可靠性明顯降低。為此，設計人員需要根據船用電子設備的實際工作環境，通過電氣設計、結構設計、工藝設計等相關過程，提高電子設備可靠性。