星载相控阵雷达天线阵可靠性建模与预计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天器技术领域，具体地，涉及星载相控阵雷达天线阵可靠性建模与 预计方法。
【背景技术】
[0002] 星载相控阵雷达的一个重要优势就是具有较高的任务可靠性，这是由于在复杂的 天线阵面中设置了大量的射频收发组件，即使这些组件有少量失效或不能正常工作对系统 性能的影响不大。传统的有源天线阵可靠性模型，是η中取k的表决模型，这对于仅考虑末 级射频收发组件失效的系统是有效的，但实际的有源天线阵系统通常是由激励级、中间级、 收发级等多级固态功率放大链组成，各级组件间的关联更加复杂，若继续简单沿用表决模 型，则在层次划分不同的情况下将存在高估或低估系统可靠性的风险。为便于说明该问题， 下面以某相控阵雷达天线阵为例进行简要分析，如图6所示。
[0003] 该天线阵由m个驱动器和mXn个T/R组件组成（每个驱动器控制nfT/R组件）， 若阵面上任一驱动器发生故障，则其控制的η个T/R组件均不能正常工作。假设通过雷达 系统的性能指标或成像质量分析，该天线阵面上有不小于X%的T/R组件正常工作，则雷达 性能无影响，否则会导致雷达性能下降，换言之，若天线阵面上同时出现mXnX (1-χ% )个 T/R组件不能正常工作，则认为系统失效，而引起T/R组件失效的可能是驱动器，也可能是 其本身。
[0004] 传统的表决模型，是将上述mXnX (1-x% )个T/R组件不能正常工作的情况进行 分解，即将系统级的失效分解到驱动器、T/R组件等组件级，这样就形成了多个概率事件的 组合。如图7所示为其中一种组合，该组合中m个驱动器允许失效数为a个，mXn个T/R组 件允许失效数为b个，这些组合均满足条件：aXn+b < mXnX (1-x% )。使用这类表决串 联模型计算系统可靠度时，虽然考虑了系统间的相互关联，但同时却忽视了各组件失效事 件发生的独立性，即某驱动器发生失效时，仍然允许该驱动器控制范围内的T/R组件发生 失效。事实上，在计算上述一种组合的可靠度时，应将T/R组件的失效分为两种情况：
[0005] ① T/R组件的失效发生在驱动器的影响范围之外；
[0006] ②T/R组件的失效发生在驱动器的影响范围之内。
[0007] 目前，我们在计算这类关联系统可靠度时大都只考虑了情况①；而对于情况②，其 对应的约束条件应扩大为：b < mXnX (1-x% )并且aXn e b。
[0008] 通过上述分析可见，目前针对星载相控阵雷达天线阵这类大型复杂耦合系统，传 统的基于表决模型的可靠性建模与预计方法极易造成模型简化不合理，无法覆盖所有概率 事件组合，导致系统可靠度预计不准确。另外，虽然理论上可以通过枚举法解决该问题，但 随着星载相控阵雷达天线阵系统的复杂程度逐渐增大，系统组件的数量逐渐增多，枚举法 计算量过于庞大，难以转化为工程应用。
[0009] 鉴于此，本发明针对星载相控阵雷达天线阵的组成特点，提出了一种能够准确描 述天线阵系统组件间关联关系的"树联"可靠性模型。同时，针对该树联模型，提出了基于 蒙特卡罗抽样的可靠度预计方法。
[0010]目前，通过调研，尚未发现同本方法类似的说明或报告，同时，也尚未收集到国内 外类似的资料。
【发明内容】
[0011] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星载相控阵雷达天线阵可靠性 建模与预计方法。
[0012] 本发明所要解决的技术问题是：针对星载相控阵雷达天线阵系统层次复杂，系统 组件间的关联性强，而目前缺乏有效的可靠性建模方法，导致可靠度预计不准确的问题，将 计算机数据结构中的树型结构引入到可靠性工程领域，形成了一种新的可靠性建模方法， 并在此基础上，面向该模型提出了一种基于蒙特卡罗的可靠性预计方法。
[0013] 根据本发明提供的一种星载相控阵雷达天线阵可靠性建模与预计方法，包括以下 步骤：
[0014] 步骤1 :分析雷达系统的性能指标或成像质量，得到雷达系统的失效判据，即等效 最多允许的收发组件失效数量；
[0015] 步骤2 :根据星载相控阵雷达天线阵中各层级组件间的关联关系，采用如下方式 建立树联可靠性模型：
[0016] (1)将星载相控阵雷达天线阵中位于最高层级的组件定义为根结点；
[0017] (2)除了最高层级的组件，将星载相控阵雷达天线阵中其余的每一组件定义为该 组件所属上一层级组件的子结点；
[0018] 例如附图1所示，各组件节点可用如下结构体表达；
[0020] 步骤3 :获取所述树联可靠性模型中各组件的可靠度；
[0021] 步骤4 :根据各组件的可靠度分别生成抽样样本，样本数量应符合统计规律，同时 样本中的失效分布应具有随机性；
[0022] 步骤5 :利用所述抽样样本，对所述树联可靠性模型中的所有组件进行抽样得到 抽样结果，并根据所述树联可靠性模型中不同层级组件之间的影响关系和抽样结果，统计 所述树联可靠性模型最底层级收发组件的失效数量；其中，根据抽样结果为组件的组件状 态（State)赋值为失效或者有效，并将组件状态为失效的组件的子组件的组件状态也赋值 为失效；
[0023] 步骤6 :以雷达系统允许一定比例的收发组件失效为判据，对所述树联可靠性模 型所对应系统进行失效判断，并记录失效次数；
[0024] 步骤7 :重复步骤5、步骤6,共m次，若记录到的失效次数为η次，则雷达系统可靠 度R为：
[0025] R = l-n/m〇
[0026] 优选地，组件的层级由上往下包括：激励级、中间级、收发级。
[0027] 优选地，采用元器件计数法或应力分析法得到所述树联可靠性模型中各组件的可 靠度。
[0028] 优选地，所述随机性，是指：假设第i+Ι个组件的可靠度为R1,则该组件的抽样样 本用数组A[x]表达，数组A中的元素X仅包含0和1，且0和1的位置随机排布，同时满足
其中，元素X = 〇代表失效组件，元素X = 1代表可靠组件，η为组件总数； A[i]表示数组A中与第i+Ι个组件对应的元素。
[0029] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0030] 1、本发明解决了星载相控阵雷达天线阵的可靠性建模与预计问题；
[0031] 2、本发明不仅可为星载相控阵雷达天线阵的方案论证工作提供有力的数据支持， 而且也具有一定的广适性，可推广应用于类似的结构复杂、关联性强的大型复杂系统的可 靠性预计。
【附图说明】
[0032] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0033] 图1为本发明中树联可靠性建模示意图；
[0034] 图2为本发明中基于蒙特卡罗的可靠性预计流程图；
[0035] 图3为本发明中某相控阵雷达天线阵系统树联可靠性模型；
[0036] 图4为本发明的方法流程示意图；
[0037] 图5为本发明中某相控阵雷达天线阵系统可靠性预计结果；
[0038] 图6为某相控阵雷达天线阵面示意图；
[0039] 图7为传统的表决串联可靠性框图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当