基于空中运动平台的雷达任务系统可靠性研究

李小萍，盛景泰

（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京 100083）

1 引言

基于空中运动平台的雷达任务系统能够克服地面雷达探测距离受地球曲率限制的缺点，可探测到远距离的低空飞行目标，并在空中完成指挥、控制、通信等任务，实现战场管理和控制。

通过在最近几次局部战争中的广泛应用，可以发现此类雷达任务系统在先期预警及实现战场管理和控制等方面都发挥了重大作用，这使之已成为现代战争中制胜、提高威慑能力及强化国防力量必不可少的关键装备之一。

但是，敌方电磁干扰和杀伤的威胁也日益严重，面对的目标环境、电磁环境更加复杂。严酷的环境对雷达任务系统可靠性、安全性等综合特性的实现提出了巨大的挑战，要求系统持续无故障工作时间加长，维护费用大大降低。这就迫使产品工程系统具有良好的可靠性、维修性等特性。同时市场竞争的影响也对产品可靠性提出了更高的要求。任务系统是否可靠、是否好修、使用维护费用多少以及寿命长短都能成为产品是否成功被用户选择的重要指标[1]。

而提前对雷达任务系统在产品设计阶段开始即开展可靠性设计分析，对减少并预防产品故障，消灭故障，提高产品效能方面起到积极、有效的作用。

2 任务电子系统可靠性模型的建立及预计

可靠性工程工作的重点是预防、发现和纠正可靠性设计以及元器件、原材料和工艺等方面的缺陷，主要内容有可靠性设计、元器件管理、可靠性分析、可靠性试验以及系统运行等。

在进行设计时，根据系统要求建立基本可靠性及任务可靠性模型，目的是便于在人力、物力、费用和任务之间进行权衡。

首先对雷达进行元器件应力分析可靠性预计，明确雷达系统所需的元器件数据、信息，确定符合该雷达的设计要素需求的元器件大纲，控制雷达元器件的选择与使用，达到和保持设备的固有可靠性,减少元器件、零部件品种，降低全寿命周期费用[2]。

基本可靠性模型是用于估计产品以及组成单元可能发生的故障引起的维修及保障要求的可靠性模型。针对这一定义，则对本文所涉及的雷达任务系统定义为一个全串联模型，即使存在冗余单元，也都按照串联处理。

2.1 可靠性模型的建立

a）前提条件

本文中的雷达属于空中可持续运行系统，其可用度指标是主要的。因此，首先估算整机、分系统的基本可靠性和任务可靠性，预计值不得低于分配值，整机可靠性指标要大于任务可靠性预计指标。

失效判据为雷达任务系统故障致使探测距离下降20%。

一般地，在电子设备寿命期间，基本可靠性的时间分布假设为指数分布。计算基本可靠性MTBF的数学模型是一个串联模型，即假设任何功能元器件失效将引起系统失效。国产元器件的失效率将按GJB/Z 299B-98，进口元器件将按MIL-HDBK-217F NOTICE II中的元器件应力分析法来进行预计。元器件可靠性数据通过可靠性应力分析法得到。

系统的MTBF值是按下列环境条件考虑的：

1)对平台内部单元：

AIC：运动平台舱内环境；

2)对平台外部单元：

AUC：运动平台舱外环境。

b）可靠性模型

根据雷达系统的基本设备组成和基本可靠性的定义，可靠性结构模型应为所有子系统的全串联模型，按照LRU的划分，基本可靠性框图如图1所示。

图1 任务电子的基本可靠性框图

本阶段的可靠性预计工作，是各子系统根据雷达系统总体分配的MTBF值，结合子系统的可靠性设计，采用元器件的应力分析法进行了初步的可靠性预计，以期达到满足总体的分配值。

雷达基本可靠性模型为：

基本可靠性： MTBF=1/λ；

基本可靠度： R （t） =exp(-λt)。

其中：λ——整机失效率，10-6/h；

λi——各子系统或是各组成LRU失效率，10-6/h；

R(t)——整机基本可靠度；

MTBF——整机平均故障间隔时间，h。

在各子系统内采用的元器件计数可靠性预计法，是根据子系统中各种类元器件的数量及其通用失效率，质量等级和子系统所处的环境类别来估算可靠性的[3]。

子系统故障率的数学模型为：

式中：λGS——子系统总失效率，10-6/h；

λGi——第i种类元器件的通用失效率，10-6/h；

πQi——第i种类元器件的通用质量系数；

Ni——第i种元器件的数量；

n——子系统所用元器件的种类数目。

雷达任务可靠性数学模型为：

雷达系统的可靠度：

雷达分系统等效的MTBCF为：

上两式中，各参数的意义说明如下：

R串i(t)为第i个串联子系统的可靠度，等于第i个子系统内各LRU可靠度计算结果的乘积：

R表i(t)为第I个表决子系统的可靠度，计算如下：

对于单个的LRU的可靠度R(t)计算如下：

R——任务可靠度；

λ——LRU的元器件的失效率总和；n——组成子系统的单元数；k——表决子系统的单元数。

2.2 可靠性预计结果

可靠性预计结果如表1所示。

表1 可靠性预计汇总表

3 提高任务系统可靠性的采取的措施

在进行雷达系统的工程设计中，通常采用如下措施来提高其可靠性：

3.1 降额和简化设计

选用有利于提高雷达系统可靠性的方案，对电性指标的顶层设计进行一定量的降额。如在发射输出功率的管子选用上，从衰减器负载电阻限幅开关等器件的功率容量上，都将其实际工作值低于器件标称值，并保留20%以上的裕量。

简化设计是可靠性设计中的首选设计，它在提高可靠性的同时还可以节省费用，是其它可靠性设计所不及的。其主要途径有功能模块的最优布局，设计或选用电性能满足要求电路的最简结构型式，分析电路链特点，删除可有可无的元器件等[4]。

3.2 模块电路的容差设计

在各单元电路和模块的电讯和结构设计中，特别强调容差设计的概念，避免因为加工误差，环境梯度变化等因素导致组件故障而失效。

3.4 暂态过程的防护设计

在设计中，有害的暂态过程主要有2类，其一是电源加电的瞬间电压过冲和尖峰毛刺电压；其二是发射信号 “首次”激励大功率电路的瞬间，当集电极电压有波动而状态未稳，可能导致管子和电路的失效。防护的措施是前者在应用电路上加入防过冲的大电容和去干扰、去毛刺的电磁兼容网络，并选用较大裕量的元器件；后者则是在系统加电和开机工作时，制订严格的开机顺序，并等阵面电源工作稳定后加微波激励功率，同时，在发射功率放大链设计中保持有足够大的储能电容。

3.4 故障安全设计

在使用和维修过程中，当某一电路或器件发生失效或是故障时，要求不产生其它电路的连锁反应，造成故障扩大化的现象。在本组件设计中，特别注意大功率发射通道漏功率对接收通道的影响，以及接收和天线负载对发射大功率末级电路的影响。如前所述，我们在组件的系统方案设计中采用了一种可以兼顾指标和可靠性安全性的方式，特别是发射末级功率管后加入高功率隔离器，对提高组件的可靠性具有十分重要的意义。

3.5 热设计和环境试验

温度是影响组件和电子元器件的主要因素，温度与电子元器件的寿命成指数关系。系统在设计中，热设计是十分重要的一环。其主要内容是有效的散热设计和布版中避免发热元件过分集中两个方面。我们在设计中，从保持基本可靠性等级出发，要求发射大功率管的管壳温度低于80℃。

环境试验是提高组件可靠性的一种重要的手段和途径。电性能老练筛选和环境适应性试验是减少使用中的故障率，排除元器件早期失效的一种行之有效的方法。因此我们要求在大批量生产中，对元器件和组件进行100%的老练和筛选，必要时还对有源天线模块通过可靠性增长实验来暴露设计中的可靠性问题，检验设计品质，从而达到提高整机MTBF的目的。

空中运动平台雷达装备的系统特别庞大而复杂，工作环境恶劣，研制生产经历的工序多，各过程、各阶段都有引入可靠性和质量问题的可能性，通过系统调试和联试工作只能发现部分问题，涉及到与环境应力相关联的问题只有通过可靠性和环境试验才能激发和暴露，因此电子系统研制过程试验是一项必不可少的重要工作，试验也是对设计、制造进行全面考核的唯一手段，装备定型必须完成并合格通过各种规定的环境试验、电磁兼容性试验、可靠性试验。

通过试验来发现问题或缺陷，并经过有针对性的改进工作，从而可以不断提高雷达系统质量和可靠性水平。

3.6 过程控制

过程控制是指在完成电讯和结构设计之后，从元器件的选用、订购、验收、老练、筛选及装机，到微带版印制板屏蔽盒加工，及组件的调试等各个科研生产的各个过程中，采取的质量控制和操作规范要求。大批量组件研制投产过程应当遵循：专题样机实验、小批量投产调试、大批量投产、自动测试调试生产等几个阶段。在每个阶段应当经过技术总结，评审评估，并在进行可行性分析后转入下一阶段工作。

4 结束语

可靠性是一项复杂的系统工程和技术设计方法，而雷达任务系统高可靠性的实现主要取决于产品研制过程中采取的可靠性方法、可靠性技术设计以及可靠性综合管理等预计方法。通过采取以上这些措施，使得空中运动平台下的雷达任务系统的可靠性指标得以大幅提高，在延长产品的使用周期和使用寿命，降低产品的费效比以及提高产品的竞争力方面提供极大的技术支撑。

［1］乐战英.雷达的可靠性指标研究 [J].雷达与对抗，2006，（4）： 65-68.

［2］告社生，张玲霞.可靠性理论与工程应用 [M].北京：国防工业出版社，2002.

［3］王殿超，郑学仁.电路设计中元器件的使用可靠性 [J].电子产品可靠性与环境试验，2007，25（5）：8-10.