星載電子系統在軌可靠性的預測系統及方法
2023-08-03 09:26:36
專利名稱：星載電子系統在軌可靠性的預測系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種星載電子系統，特別是涉及一種星載電子系統的在軌可靠性的預測方法及系統。
背景技術：
星載電子系統是指在各種衛星上工作的各種電子系統或設備的統稱。星載電子系統的可靠性是指該系統在規定的條件下、規定的時間內，完成規定功能的能力，是反映星載電子系統的使用壽命的重要特性。可靠性評價的指標包括可靠度、失效率、平均無故障工作時間等。為滿足系統在軌運行時的可靠性要求，需要在設計、製造和使用的全過程對系統進行可靠性管理，以保證系統的可靠性。具體來講，首先，在系統設計時，可以通過可靠性設計來進行可靠性管理，即，通過對系統進行合理設計(例如冗餘設計)的方法來提高可靠性，同時，可以基於失效率預測模型和設計工作溫度來預測系統的可靠性；其次，在系統試製時，可以通過地面的可靠性試驗方法進行驗證，以進行可靠性管理；然後，在系統量產時，可以通過對原材料、製造工藝和質量進行控制來提高可靠性，以進行可靠性管理；最後，在系統在軌運行時，可以通過可靠性預測和維護的方法來進行可靠性管理，即，可以基於失效率預測模型和設計工作溫度等來預測系統的在軌可靠性，並根據前述可靠性預測的結果和實際的系統工作狀態的監測結果，通過各種維護措施(例如主備切換、故障隔離、預防維護)的方法來進行可靠性管理。系統的可靠性預測是指根據系統各組成部分的可靠性、工作環境及相互關係等來預測系統的可靠性。可靠性預測的一般方式是首先，根據系統的組成結構和內部邏輯關係確定系統的可靠性邏輯框圖，將系統劃分為若干層級；接著，確定系統內部各元器件(例如電阻器、電容器、二極體、電晶體等)和零部件的可靠性；然後，基於此來預測由若干元器件和零部件組成的、能完成某個特定功能的最小功能模塊的可靠性；然後，根據系統的可靠性邏輯框圖，按照自下而上的原則向上逐級預測各級中包含的功能單元的可靠性；直至最後預測出該系統的可靠性。根據系統在產品設計、試製、量產和在軌運行等各階段的不同要求，可靠性預測的方法也各不相同。目前最常用的方法是應力分析法和數學模型法。應力分析法是根據系統的各類元器件在實際工作溫度和實際應力條件下的通用失效率、質量等級和成熟係數來計算失效率，由於需要使用元器件的實際工作溫度和實際應力的測量數據，該方法計算比較準確但是數據測量的工作量較大。數學模型法是首先根據系統的組成結構和內部邏輯關係確定系統的可靠性邏輯框圖和可靠性數學模型後，然後按照概率運算法對系統進行可靠性預測，該方法計算比較準確但是由於該方法是基於系統的設計方案進行可靠性預測，因此僅適用於對系統進行設計方案的論證，由於該方法不考慮當系統在軌運行時的實際工作狀態，因此如果在系統設計完成後仍然使用該方法進行系統在軌可靠性預測就無法獲得準確的預測結果，這不利於及時掌握星載電子系統的在軌可靠性，不利於準確預測某些超期服役(即系統的實際工作時間累計已經超過系統的設計使用壽命、但是仍然實際在軌運行)的星載電子系統的剩餘可用時間，不利於控制下一代服役載荷研製進度，並且，也不利於對星載電子系統進行積極和主動的可靠性維護(例如主動的主備切換、預防維護等)。另一方面，為掌握星載電子系統內部各功能模塊的工作狀態，在系統設計時，會在某些功能模塊(即遙測對象)的關鍵電路中設置若干用來監測電路工作狀態或者進行工作模式判別的遙測電路參數(即遙測量，例如工作電流、工作電壓、工作溫度等)，同時設計相應的遙測電路；在系統的在軌運行時，地面測控系統會定期或者不定期地對上述遙測量的實際測量值(即遙測數據)進行數據採集，以獲得遙測對象的工作狀態。上述遙測量的特點是(1)遙測量廣泛分布於系統中的各個關鍵電路中；(2)遙測量可以反映遙測對象的關鍵電路的工作狀態(例如工作電流、工作電壓、工作溫度等)，但是無法覆蓋所有電路的工作狀態；(3)遙測數據及時反映了遙測對象在軌運行時的實際工作狀態，具有較高的時效性。但目前遙測數據並未被充分地利用和分析，以對星載電子系統的在軌可靠性進行預測。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種基於遙測量的星載電子系統的在軌可靠性預測的方法與系統，可以根據系統的遙測數據準確預測系統的在軌運行的可靠性。為解決上述技術問題，本發明提供一種星載電子系統在軌可靠性的預測系統，所述預測系統包括地面測控採集裝置，其用於採集所述星載電子系統中的各個模塊的電路參數；遙測量識別單元，其根據所述地面測控採集裝置提供的所述各個模塊的電路參數，對所述各個模塊中是否有遙測量和所包含的遙測量類型進行識別；遙測量分類單元，其用於根據所述遙測量識別單元識別出的結果對所述各個模塊進行分類，將所述各個模塊分為四種類型其遙測量能夠反映其健康狀態的模塊、其遙測量能夠反映其工作溫度的模塊、其遙測量既不能反映其健康狀態也不能反映其工作溫度的模塊、其中不包含遙測量的模塊；第一可靠性預測單元，其用於利用隨機衰退模型對遙測量能夠反映其健康狀態的模塊的可靠性進行預測；第二可靠性預測單元，其用於利用國家軍用標準GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》的失效率預計模型對遙測量能夠反映其實際工作溫度的模塊的可靠性進行預測；第三可靠性預測單元，其用於對遙測量既不能反映其健康狀態也不能反映其工作溫度的模塊、和不包含遙測量的模塊，根據模塊的設計工作溫度進行基於國家軍用標準GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》的失效率預計模型的可靠性預測；預測結果集成單元，其用於對來自所述第一可靠性預測單元、所述第二可靠性預測單元和所述第三可靠性預測單元的所述各個模塊的可靠性預測結果進行集成，得到所述星載電子系統的在軌可靠性。根據本發明的第二方面，提供了一種星載電子系統的在軌可靠性的預測方法，所述預測方法包括地面測控採集步驟，其用於採集所述星載電子系統中的各個模塊的電路參數；遙測量識別步驟，其根據在所述地面測控採集步驟中所採集的所述各個模塊的電路參數，對所述各個模塊中是否有遙測量和所包含的遙測量類型進行識別；遙測量分類步驟，其用於根據在所述遙測量識別步驟識別出的結果對所述各個模塊進行分類，將所述各個模塊分為四種類型其遙測量能夠反映其健康狀態的模塊、其遙測量能夠反映其工作溫度的模塊、其遙測量既不能反映其健康狀態也不能反映其工作溫度的模塊、其中不包含遙測量的模塊；第一可靠性預測步驟，其用於利用隨機衰退模型對遙測量能夠反映其健康狀態的模塊的可靠性進行預測；第二可靠性預測步驟，其用於利用國家軍用標準GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》的失效率預計模型對遙測量能夠反映其工作溫度的模塊的可靠性進行預測；第三可靠性預測步驟，其用於對遙測量既不能反映其健康狀態也不能反映其工作溫度的模塊，和不包含遙測量的模塊，根據模塊的設計工作溫度進行基於國家軍用標準GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》的失效率預計模型的可靠性預測；預測結果集成步驟，其使用對在所述第一可靠性預測步驟、所述第二可靠性預測步驟和所述第三可靠性預測步驟中計算出的所述各個模塊的可靠性預測結果進行集成，得到所述星載電子系統在軌可靠性。上述預測系統和預測方法由於充分利用了星載電子系統的關鍵電路的遙測量和遙測數據，因而可準確對星載電子系統的在軌可靠性進行預測，因而可以有效預報系統的關鍵電路的衰退情況並給出可靠性評估結果，從而為實現星載電子設備主動式主備切換，預測星載電子系統剩餘工作壽命提供了可靠性數據基礎。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。圖1示出了本領域常見的星載電子系統的基本構成；圖2示出了圖1所示的星載電子系統中的切換開關的可靠性框圖；圖3示出了圖1所示的星載電子系統中的雙頻接收機的可靠性框圖；圖4示出了圖1所示的星載電子系統中的控制處理機的可靠性框圖；圖5示出了根據本發明的星載電子系統在軌可靠性的預測系統的結構框圖；圖6示出了雙頻接收機的接收信道模塊實際監測到的連續10個採樣點的遙測電流值；圖7示出了利用本發明與利用傳統方法對星載電子系統進行在軌可靠性預測、得到的結果的比較示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的方案進行具體的描述。下面以利用本發明對圖1所示的星載電子系統進行在軌可靠性預測的具體實施方式
為例，對本發明做進一步的詳細說明。本領域普通技術人員知道，通常的星載電子系統主要包括天線陣101，切換開關102等前端設備；由N個雙頻接收機103和與其配對的N個控制處理機104組成的N套後端設備，其中，兩套雙頻接收機和與其配對的兩套控制處理機組成的兩套設備作為主設備，可以同時工作在Xl和X2頻段，其餘(N-2)套由雙頻接收機和與其配對的控制處理機組成的設備作為冷備份，可以替換上述兩套主設備中的任意一套設備。圖1示出了本領域常見的星載電子系統的基本構成。本領域普通技術人員知道，由於切換開關、雙頻接收機、控制處理機採用的是單機級冗餘設計，單機內部未採取模塊級別的冗餘設計，因此，根據各個的組成結構和各自內部各功能單元(即模塊)之間的邏輯關係，可以得到切換開關、雙頻接收機、控制處理機的可靠性框圖。
圖2示出了圖1所示的星載電子系統中的切換開關的可靠性框圖。該可靠性框圖包括電源模塊201、控制模塊202、校準開關模塊203和切換通道模塊 204。圖3示出了圖1所示的星載電子系統中的雙頻接收機的可靠性框圖。該雙頻接收機包括電源模塊301、控制模塊302、校準源模塊303、本振模塊304和接收信道模塊305。圖4示出了圖1所示的星載電子系統中的控制處理機的可靠性框圖。該控制處理機的可靠性框圖包括預處理模塊401、主處理模塊402、控制模塊403和電源模塊404。圖5示出了根據本發明的星載電子系統在軌可靠性的預測系統的結構框圖。該系統包括地面測控採集裝置501，其用於採集星載電子系統中的各個模塊的電路參數(見表一、表二、電路的工作溫度、設計工作溫度、設計工作電流、實際工作電流等);用於對星載電子系統中的各個裝置的遙測量的類型進行識別的遙測量識別單元502 ;用於根據各個模塊的遙測量對各個模塊的類型進行分類的遙測量分類單元503 ;用於根據各個模塊的遙測量的不同類型，利用不同的可靠性預測方法對所述各個模塊的可靠性進行預測的第一可靠性預測單元504、第二可靠性預測單元505和第三可靠性預測單元506 ;以及，用對將各個模塊的可靠性預測的結果進行集成的預測結果集成單元507。如下表一所示，表中詳細列出了該星載電子系統中的各個遙測量的名稱、參數類型、正常值範圍等信息。在星載電子系統的設計階段，星載電子系統的遙測量就已經確定並設置在某些遙測電路中了。在星載電子系統的在軌運行階段，首先通過地面測控採集裝置採集星載電子系統中的各個模塊中的電路參數信息，其中包含表一和表二中所示出的各個電路參數，還包括諸如電路的實際工作溫度、設計工作溫度、設計工作電流、實際工作電流等參數。表二為根據傳統的可靠性預測方法，即，基於國家軍用標準GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》的失效率預計模型及設計工作溫度的對各模塊進行可靠性預測的得到的預測失效率。表一
權利要求
1.一種星載電子系統在軌可靠性的預測系統，所述預測系統包括地面測控採集裝置，其用於採集所述星載電子系統中的各個模塊的電路參數；遙測量識別單元，其根據所述地面測控採集裝置提供的所述各個模塊的電路參數，對所述各個模塊中是否有遙測量和所包含的遙測量類型進行識別；遙測量分類單元，其用於根據所述遙測量識別單元識別出的結果對所述各個模塊進行分類，將所述各個模塊分為四種類型其遙測量能夠反映其健康狀態的模塊，其遙測量能夠反映其工作溫度的模塊，其遙測量既不能反映其健康狀態也不能反映其工作溫度的模塊， 其中不包含遙測量的模塊；第一可靠性預測單元，其用於基於隨機衰退模型對遙測量能夠反映其健康狀態的模塊的可靠性進行預測；第二可靠性預測單元，其用於基於國家軍用標準GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》的失效率預計模型對遙測量能夠反映其工作溫度的模塊的可靠性進行預測；第三可靠性預測單元，其用於基於國家軍用標準GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》的失效率預計模型和根據模塊的設計工作溫度對遙測量既不能反映其健康狀態也不能反映其工作溫度的模塊和不包含遙測量的模塊進行可靠性預測；預測結果集成單元，其用於對來自所述第一可靠性預測單元、所述第二可靠性預測單元和所述第三可靠性預測單元的所述各個模塊的可靠性預測的結果進行集成，得到所述星載電子系統的在軌可靠性。
2.根據權利要求1所述的預測系統，其中，所述星載電子系統包括串聯的天線陣、切換開關、雙頻接收機和控制處理機。
3.根據權利要求2所述的預測系統，其中，所述切換開關的可靠性框圖包括電源模塊、 控制模塊、校準開關模塊和切換通道模塊；所述雙頻接收機的可靠性框圖包括電源模塊、控制模塊、校正模塊、本振模塊和接收信道模塊；所述控制處理機的可靠性框圖包括預處理模塊、主處理模塊、控制模塊和電源模塊。
4.根據權利要求3所述的預測系統，其中，所述接收信道模塊的工作電流遙測量直接反映了雙頻接收機中的接收信道模塊的健康狀態，所述遙測量分類單元將該接收信道模塊分為第一類；所述預處理板溫度遙測量直接反映了該遙測量所在的控制處理機中的預處理模塊的實際工作溫度，所述遙測量分類單元將該預處理模塊分為第二類；所述本振模塊的本振狀態遙測量既不能反映該本振模塊的健康狀態、也不能反映其實際工作溫度，所述遙測量分類單元將該本振模塊分為第三類；所述遙測量分類單元將剩餘的其他模塊分為第四類。
5.根據權利要求4所述的預測系統，其中，所述第一可靠性預測裝置基於以下公式計算出所述接收信道模塊的可靠度
6.根據權利要求4所述的預測系統，其中，所述第二可靠性預測裝置根據以下公式計算出該所述預處理模塊的可靠度R (t I Tc) =exp [-3. 1145 X KTfV1 X (t_Tc)]其中，R(t|T。)為所述預處理模塊工作至時刻Tc後某一時刻t的可靠度。
7.一種星載電子系統在軌可靠性的預測方法，所述預測方法包括地面測控採集步驟，其用於採集所述星載電子系統中的各個模塊的電路參數的遙測量信息；遙測量識別步驟，其根據在所述地面測控採集步驟中所採集的所述各個模塊的電路參數的遙測量信息，對所述各個模塊中是否有遙測量和所包含的遙測量類型進行識別；遙測量分類步驟，其用於根據在所述遙測量識別步驟識別出的結果對所述各個模塊進行分類，將所述各個模塊分為四種類型其遙測量能夠反映其健康狀態的模塊、其遙測量能夠反映其工作溫度的模塊、其遙測量既不能反映其健康狀態也不能反映其工作溫度的模塊、其中不包含遙測量的模塊；第一可靠性預測步驟，其用於基於隨機衰退模型對遙測量能夠反映其健康狀態的模塊的可靠性進行預測；第二可靠性預測步驟，其用於基於國家軍用標準GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》的失效率預計模型對遙測量能夠反映其實際工作溫度的模塊的可靠性進行預測； 第三可靠性預測步驟，其用於基於國家軍用標準GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》的失效率預計模型和模塊的設計工作溫度，對遙測量既不能反映其健康狀態也不能反映其工作溫度的模塊和不包含遙測量的模塊的可靠性進行預測；預測結果集成步驟，其用對在所述第一可靠性預測步驟、所述第二可靠性預測步驟和所述第三可靠性預測步驟中計算出的所述各個模塊的可靠性預測結果進行集成，得到所述星載電子系統在軌可靠性。
全文摘要
本發明提供了一種星載電子系統在軌可靠性的預測系統及方法，所述預測系統包括地面測控採集裝置、遙測量識別單元、遙測量分類單元、第一可靠性預測單元、第二可靠性預測單元、第三可靠性預測單元和預測結果集成單元。利用本發明的預測系統和預測方法可以有效預報系統的關鍵電路的衰退情況並給出可靠性評估結果，從而為實現星載電子設備主動式主備切換，預測星載電子系統剩餘工作壽命提供了可靠性數據基礎。
文檔編號G06F19/00GK103049668SQ20121058581
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者尤明懿, 張小林, 吳獻忠 申請人:中國電子科技集團公司第三十六研究所