专利名称：星载电子系统在轨可靠性的预测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种星载电子系统，特别是涉及一种星载电子系统的在轨可靠性的预测方法及系统。
背景技术：
星载电子系统是指在各种卫星上工作的各种电子系统或设备的统称。星载电子系统的可靠性是指该系统在规定的条件下、规定的时间内，完成规定功能的能力，是反映星载电子系统的使用寿命的重要特性。可靠性评价的指标包括可靠度、失效率、平均无故障工作时间等。为满足系统在轨运行时的可靠性要求，需要在设计、制造和使用的全过程对系统进行可靠性管理，以保证系统的可靠性。具体来讲，首先，在系统设计时，可以通过可靠性设计来进行可靠性管理，即，通过对系统进行合理设计(例如冗余设计)的方法来提高可靠性，同时，可以基于失效率预测模型和设计工作温度来预测系统的可靠性；其次，在系统试制时，可以通过地面的可靠性试验方法进行验证，以进行可靠性管理；然后，在系统量产时，可以通过对原材料、制造工艺和质量进行控制来提高可靠性，以进行可靠性管理；最后，在系统在轨运行时，可以通过可靠性预测和维护的方法来进行可靠性管理，即，可以基于失效率预测模型和设计工作温度等来预测系统的在轨可靠性，并根据前述可靠性预测的结果和实际的系统工作状态的监测结果，通过各种维护措施(例如主备切换、故障隔离、预防维护)的方法来进行可靠性管理。系统的可靠性预测是指根据系统各组成部分的可靠性、工作环境及相互关系等来预测系统的可靠性。可靠性预测的一般方式是首先，根据系统的组成结构和内部逻辑关系确定系统的可靠性逻辑框图，将系统划分为若干层级；接着，确定系统内部各元器件(例如电阻器、电容器、二极管、晶体管等)和零部件的可靠性；然后，基于此来预测由若干元器件和零部件组成的、能完成某个特定功能的最小功能模块的可靠性；然后，根据系统的可靠性逻辑框图，按照自下而上的原则向上逐级预测各级中包含的功能单元的可靠性；直至最后预测出该系统的可靠性。根据系统在产品设计、试制、量产和在轨运行等各阶段的不同要求，可靠性预测的方法也各不相同。目前最常用的方法是应力分析法和数学模型法。应力分析法是根据系统的各类元器件在实际工作温度和实际应力条件下的通用失效率、质量等级和成熟系数来计算失效率，由于需要使用元器件的实际工作温度和实际应力的测量数据，该方法计算比较准确但是数据测量的工作量较大。数学模型法是首先根据系统的组成结构和内部逻辑关系确定系统的可靠性逻辑框图和可靠性数学模型后，然后按照概率运算法对系统进行可靠性预测，该方法计算比较准确但是由于该方法是基于系统的设计方案进行可靠性预测，因此仅适用于对系统进行设计方案的论证，由于该方法不考虑当系统在轨运行时的实际工作状态，因此如果在系统设计完成后仍然使用该方法进行系统在轨可靠性预测就无法获得准确的预测结果，这不利于及时掌握星载电子系统的在轨可靠性，不利于准确预测某些超期服役(即系统的实际工作时间累计已经超过系统的设计使用寿命、但是仍然实际在轨运行)的星载电子系统的剩余可用时间，不利于控制下一代服役载荷研制进度，并且，也不利于对星载电子系统进行积极和主动的可靠性维护(例如主动的主备切换、预防维护等)。另一方面，为掌握星载电子系统内部各功能模块的工作状态，在系统设计时，会在某些功能模块(即遥测对象)的关键电路中设置若干用来监测电路工作状态或者进行工作模式判别的遥测电路参数(即遥测量，例如工作电流、工作电压、工作温度等)，同时设计相应的遥测电路；在系统的在轨运行时，地面测控系统会定期或者不定期地对上述遥测量的实际测量值(即遥测数据)进行数据采集，以获得遥测对象的工作状态。上述遥测量的特点是(1)遥测量广泛分布于系统中的各个关键电路中；(2)遥测量可以反映遥测对象的关键电路的工作状态(例如工作电流、工作电压、工作温度等)，但是无法覆盖所有电路的工作状态；(3)遥测数据及时反映了遥测对象在轨运行时的实际工作状态，具有较高的时效性。但目前遥测数据并未被充分地利用和分析，以对星载电子系统的在轨可靠性进行预测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于遥测量的星载电子系统的在轨可靠性预测的方法与系统，可以根据系统的遥测数据准确预测系统的在轨运行的可靠性。为解决上述技术问题，本发明提供一种星载电子系统在轨可靠性的预测系统，所述预测系统包括地面测控采集装置，其用于采集所述星载电子系统中的各个模块的电路参数；遥测量识别单元，其根据所述地面测控采集装置提供的所述各个模块的电路参数，对所述各个模块中是否有遥测量和所包含的遥测量类型进行识别；遥测量分类单元，其用于根据所述遥测量识别单元识别出的结果对所述各个模块进行分类，将所述各个模块分为四种类型其遥测量能够反映其健康状态的模块、其遥测量能够反映其工作温度的模块、其遥测量既不能反映其健康状态也不能反映其工作温度的模块、其中不包含遥测量的模块；第一可靠性预测单元，其用于利用随机衰退模型对遥测量能够反映其健康状态的模块的可靠性进行预测；第二可靠性预测单元，其用于利用国家军用标准GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的失效率预计模型对遥测量能够反映其实际工作温度的模块的可靠性进行预测；第三可靠性预测单元，其用于对遥测量既不能反映其健康状态也不能反映其工作温度的模块、和不包含遥测量的模块，根据模块的设计工作温度进行基于国家军用标准GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的失效率预计模型的可靠性预测；预测结果集成单元，其用于对来自所述第一可靠性预测单元、所述第二可靠性预测单元和所述第三可靠性预测单元的所述各个模块的可靠性预测结果进行集成，得到所述星载电子系统的在轨可靠性。根据本发明的第二方面，提供了一种星载电子系统的在轨可靠性的预测方法，所述预测方法包括地面测控采集步骤，其用于采集所述星载电子系统中的各个模块的电路参数；遥测量识别步骤，其根据在所述地面测控采集步骤中所采集的所述各个模块的电路参数，对所述各个模块中是否有遥测量和所包含的遥测量类型进行识别；遥测量分类步骤，其用于根据在所述遥测量识别步骤识别出的结果对所述各个模块进行分类，将所述各个模块分为四种类型其遥测量能够反映其健康状态的模块、其遥测量能够反映其工作温度的模块、其遥测量既不能反映其健康状态也不能反映其工作温度的模块、其中不包含遥测量的模块；第一可靠性预测步骤，其用于利用随机衰退模型对遥测量能够反映其健康状态的模块的可靠性进行预测；第二可靠性预测步骤，其用于利用国家军用标准GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的失效率预计模型对遥测量能够反映其工作温度的模块的可靠性进行预测；第三可靠性预测步骤，其用于对遥测量既不能反映其健康状态也不能反映其工作温度的模块，和不包含遥测量的模块，根据模块的设计工作温度进行基于国家军用标准GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的失效率预计模型的可靠性预测；预测结果集成步骤，其使用对在所述第一可靠性预测步骤、所述第二可靠性预测步骤和所述第三可靠性预测步骤中计算出的所述各个模块的可靠性预测结果进行集成，得到所述星载电子系统在轨可靠性。上述预测系统和预测方法由于充分利用了星载电子系统的关键电路的遥测量和遥测数据，因而可准确对星载电子系统的在轨可靠性进行预测，因而可以有效预报系统的关键电路的衰退情况并给出可靠性评估结果，从而为实现星载电子设备主动式主备切换，预测星载电子系统剩余工作寿命提供了可靠性数据基础。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。图1示出了本领域常见的星载电子系统的基本构成；图2示出了图1所示的星载电子系统中的切换开关的可靠性框图；图3示出了图1所示的星载电子系统中的双频接收机的可靠性框图；图4示出了图1所示的星载电子系统中的控制处理机的可靠性框图；图5示出了根据本发明的星载电子系统在轨可靠性的预测系统的结构框图；图6示出了双频接收机的接收信道模块实际监测到的连续10个采样点的遥测电流值；图7示出了利用本发明与利用传统方法对星载电子系统进行在轨可靠性预测、得到的结果的比较示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的方案进行具体的描述。下面以利用本发明对图1所示的星载电子系统进行在轨可靠性预测的具体实施方式
为例，对本发明做进一步的详细说明。本领域普通技术人员知道，通常的星载电子系统主要包括天线阵101，切换开关102等前端设备；由N个双频接收机103和与其配对的N个控制处理机104组成的N套后端设备，其中，两套双频接收机和与其配对的两套控制处理机组成的两套设备作为主设备，可以同时工作在Xl和X2频段，其余(N-2)套由双频接收机和与其配对的控制处理机组成的设备作为冷备份，可以替换上述两套主设备中的任意一套设备。图1示出了本领域常见的星载电子系统的基本构成。本领域普通技术人员知道，由于切换开关、双频接收机、控制处理机采用的是单机级冗余设计，单机内部未采取模块级别的冗余设计，因此，根据各个的组成结构和各自内部各功能单元(即模块)之间的逻辑关系，可以得到切换开关、双频接收机、控制处理机的可靠性框图。
图2示出了图1所示的星载电子系统中的切换开关的可靠性框图。该可靠性框图包括电源模块201、控制模块202、校准开关模块203和切换通道模块 204。图3示出了图1所示的星载电子系统中的双频接收机的可靠性框图。该双频接收机包括电源模块301、控制模块302、校准源模块303、本振模块304和接收信道模块305。图4示出了图1所示的星载电子系统中的控制处理机的可靠性框图。该控制处理机的可靠性框图包括预处理模块401、主处理模块402、控制模块403和电源模块404。图5示出了根据本发明的星载电子系统在轨可靠性的预测系统的结构框图。该系统包括地面测控采集装置501，其用于采集星载电子系统中的各个模块的电路参数(见表一、表二、电路的工作温度、设计工作温度、设计工作电流、实际工作电流等);用于对星载电子系统中的各个装置的遥测量的类型进行识别的遥测量识别单元502 ;用于根据各个模块的遥测量对各个模块的类型进行分类的遥测量分类单元503 ;用于根据各个模块的遥测量的不同类型，利用不同的可靠性预测方法对所述各个模块的可靠性进行预测的第一可靠性预测单元504、第二可靠性预测单元505和第三可靠性预测单元506 ;以及，用对将各个模块的可靠性预测的结果进行集成的预测结果集成单元507。如下表一所示，表中详细列出了该星载电子系统中的各个遥测量的名称、参数类型、正常值范围等信息。在星载电子系统的设计阶段，星载电子系统的遥测量就已经确定并设置在某些遥测电路中了。在星载电子系统的在轨运行阶段，首先通过地面测控采集装置采集星载电子系统中的各个模块中的电路参数信息，其中包含表一和表二中所示出的各个电路参数，还包括诸如电路的实际工作温度、设计工作温度、设计工作电流、实际工作电流等参数。表二为根据传统的可靠性预测方法，即，基于国家军用标准GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的失效率预计模型及设计工作温度的对各模块进行可靠性预测的得到的预测失效率。表一
权利要求
1.一种星载电子系统在轨可靠性的预测系统，所述预测系统包括地面测控采集装置，其用于采集所述星载电子系统中的各个模块的电路参数；遥测量识别单元，其根据所述地面测控采集装置提供的所述各个模块的电路参数，对所述各个模块中是否有遥测量和所包含的遥测量类型进行识别；遥测量分类单元，其用于根据所述遥测量识别单元识别出的结果对所述各个模块进行分类，将所述各个模块分为四种类型其遥测量能够反映其健康状态的模块，其遥测量能够反映其工作温度的模块，其遥测量既不能反映其健康状态也不能反映其工作温度的模块， 其中不包含遥测量的模块；第一可靠性预测单元，其用于基于随机衰退模型对遥测量能够反映其健康状态的模块的可靠性进行预测；第二可靠性预测单元，其用于基于国家军用标准GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的失效率预计模型对遥测量能够反映其工作温度的模块的可靠性进行预测；第三可靠性预测单元，其用于基于国家军用标准GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的失效率预计模型和根据模块的设计工作温度对遥测量既不能反映其健康状态也不能反映其工作温度的模块和不包含遥测量的模块进行可靠性预测；预测结果集成单元，其用于对来自所述第一可靠性预测单元、所述第二可靠性预测单元和所述第三可靠性预测单元的所述各个模块的可靠性预测的结果进行集成，得到所述星载电子系统的在轨可靠性。
2.根据权利要求1所述的预测系统，其中，所述星载电子系统包括串联的天线阵、切换开关、双频接收机和控制处理机。
3.根据权利要求2所述的预测系统，其中，所述切换开关的可靠性框图包括电源模块、 控制模块、校准开关模块和切换通道模块；所述双频接收机的可靠性框图包括电源模块、控制模块、校正模块、本振模块和接收信道模块；所述控制处理机的可靠性框图包括预处理模块、主处理模块、控制模块和电源模块。
4.根据权利要求3所述的预测系统，其中，所述接收信道模块的工作电流遥测量直接反映了双频接收机中的接收信道模块的健康状态，所述遥测量分类单元将该接收信道模块分为第一类；所述预处理板温度遥测量直接反映了该遥测量所在的控制处理机中的预处理模块的实际工作温度，所述遥测量分类单元将该预处理模块分为第二类；所述本振模块的本振状态遥测量既不能反映该本振模块的健康状态、也不能反映其实际工作温度，所述遥测量分类单元将该本振模块分为第三类；所述遥测量分类单元将剩余的其他模块分为第四类。
5.根据权利要求4所述的预测系统，其中，所述第一可靠性预测装置基于以下公式计算出所述接收信道模块的可靠度
6.根据权利要求4所述的预测系统，其中，所述第二可靠性预测装置根据以下公式计算出该所述预处理模块的可靠度R (t I Tc) =exp [-3. 1145 X KTfV1 X (t_Tc)]其中，R(t|T。)为所述预处理模块工作至时刻Tc后某一时刻t的可靠度。
7.一种星载电子系统在轨可靠性的预测方法，所述预测方法包括地面测控采集步骤，其用于采集所述星载电子系统中的各个模块的电路参数的遥测量信息；遥测量识别步骤，其根据在所述地面测控采集步骤中所采集的所述各个模块的电路参数的遥测量信息，对所述各个模块中是否有遥测量和所包含的遥测量类型进行识别；遥测量分类步骤，其用于根据在所述遥测量识别步骤识别出的结果对所述各个模块进行分类，将所述各个模块分为四种类型其遥测量能够反映其健康状态的模块、其遥测量能够反映其工作温度的模块、其遥测量既不能反映其健康状态也不能反映其工作温度的模块、其中不包含遥测量的模块；第一可靠性预测步骤，其用于基于随机衰退模型对遥测量能够反映其健康状态的模块的可靠性进行预测；第二可靠性预测步骤，其用于基于国家军用标准GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的失效率预计模型对遥测量能够反映其实际工作温度的模块的可靠性进行预测； 第三可靠性预测步骤，其用于基于国家军用标准GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的失效率预计模型和模块的设计工作温度，对遥测量既不能反映其健康状态也不能反映其工作温度的模块和不包含遥测量的模块的可靠性进行预测；预测结果集成步骤，其用对在所述第一可靠性预测步骤、所述第二可靠性预测步骤和所述第三可靠性预测步骤中计算出的所述各个模块的可靠性预测结果进行集成，得到所述星载电子系统在轨可靠性。
全文摘要
本发明提供了一种星载电子系统在轨可靠性的预测系统及方法，所述预测系统包括地面测控采集装置、遥测量识别单元、遥测量分类单元、第一可靠性预测单元、第二可靠性预测单元、第三可靠性预测单元和预测结果集成单元。利用本发明的预测系统和预测方法可以有效预报系统的关键电路的衰退情况并给出可靠性评估结果，从而为实现星载电子设备主动式主备切换，预测星载电子系统剩余工作寿命提供了可靠性数据基础。
文档编号G06F19/00GK103049668SQ20121058581
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者尤明懿, 张小林, 吴献忠 申请人:中国电子科技集团公司第三十六研究所