微納衛(wèi)星系統(tǒng)可靠性評估方法研究

吳浩

摘要：可靠性是產(chǎn)品的重要屬性，在計算機(jī)的輔助計算下，可靠性研究飛速發(fā)展。微納衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性不僅體現(xiàn)了星上產(chǎn)品的質(zhì)量，更代表了國家高精尖產(chǎn)業(yè)的水準(zhǔn)。文章對微納衛(wèi)星的概念進(jìn)行簡單說明，針對微納衛(wèi)星產(chǎn)品長壽命、小子樣和不可修的可靠性特點(diǎn)，介紹了基于統(tǒng)計分析、基于性能退化和多源信息融合的單機(jī)級可靠性評估方法。根據(jù)建立的系統(tǒng)可靠性模型，可以由單機(jī)級求出系統(tǒng)級的可靠性特征量，對微納衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性分析具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：微納衛(wèi)星;可靠性;統(tǒng)計分析;性能退化;多源信息融合;貝葉斯

中圖分類號：V240.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）09-0027-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research on Reliability Evaluation Method of NanoSatSystem

WU Hao

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： Reliability is an important attribute of products. With the aid of computer calculations， reliability research has developed rapidly. The reliability of the NanoSat system not only reflects the quality of the products on the satellite， but also represents the level of the country's high-tech industry. The article briefly explains the concept of NanoSat. Aiming at the long-life， small sample and irreparable reliability characteristics of NanoSat products， it introduces a single-machine-level reliability assessment method based on statistical analysis， performance degradation and multi-source information fusion . According to the established system reliability model， the system-level reliability characteristics can be obtained from the stand-alone level， which has certain reference value for the reliability analysis of the NanoSat system.

Key words： NanoSat; reliability; statistical analysis; performance degradation; multi-source information fusion; Bayes

1引言

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力[1]。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，微納衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對微納衛(wèi)星的可靠性要求也越來越高。微納衛(wèi)星屬于長壽命產(chǎn)品，通常采用星座組網(wǎng)和編隊飛行的分布式理念來完成特定功能。當(dāng)有衛(wèi)星失效時，需要及時對星座和飛行編隊進(jìn)行補(bǔ)星操作。補(bǔ)星時間過早，會造成資源浪費(fèi)，補(bǔ)星時間過晚，則星座或編隊的功能失去保證，所以需要對微納衛(wèi)星進(jìn)行及時準(zhǔn)確的可靠性評估來確定合適的補(bǔ)星時間。

通常使用分層分級的思想來對微納衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。利用可靠性框圖清晰方便地展示系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)寫成單機(jī)可靠性指標(biāo)的函數(shù)，求出單機(jī)的可靠性指標(biāo)，結(jié)合對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而可以求出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

2微納衛(wèi)星簡介

微納衛(wèi)星是一種全新概念的衛(wèi)星，主要使用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和大規(guī)模集成電路技術(shù)。英國薩里大學(xué)[2]按照衛(wèi)星含有燃料時的質(zhì)量，將25～100kg的小衛(wèi)星稱為微衛(wèi)星，納衛(wèi)星的質(zhì)量在1～25kg。微衛(wèi)星和納衛(wèi)星統(tǒng)稱為微納衛(wèi)星。微納衛(wèi)星與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，不僅是重量上的差異，更主要的是微納衛(wèi)星研制過程中使用的技術(shù)與發(fā)射升空后的功能應(yīng)用上的不同：

（1）微機(jī)電系統(tǒng)是一個獨(dú)立的智能系統(tǒng)，尺寸在幾毫米乃至更小，具有微型化、智能化和高度集成的特點(diǎn)。

（2）采用多維集成技術(shù)，不僅把傳感器、微處理器這些部件集成起來，還把電源和姿控等系統(tǒng)都集成在一起，從而降低重量和體積，減少耗能。

（3）應(yīng)用上采用分布式的思想，通常由多顆微納衛(wèi)星通過星座組網(wǎng)和編隊飛行來完成一個總體功能。當(dāng)某一部分失效時，采取及時發(fā)射新衛(wèi)星的措施，可以大大降低部分衛(wèi)星失效帶來的風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)損失，顯著提高星座和編隊的可靠性。

微納衛(wèi)星重量輕、體積小，隨著“一箭多星”技術(shù)的發(fā)展，研制費(fèi)用和發(fā)射成本顯著降低，具有極強(qiáng)的空間生存能力、快速響應(yīng)以及覆蓋范圍廣等獨(dú)特優(yōu)勢。

3衛(wèi)星產(chǎn)品可靠性特點(diǎn)

衛(wèi)星從研制到發(fā)射再到進(jìn)入預(yù)定軌道發(fā)揮正常功能，需要經(jīng)受復(fù)雜多樣的環(huán)境考驗。比如，運(yùn)輸過程中的振動、發(fā)射過程中的沖擊以及進(jìn)入宇宙空間的太陽輻射和高能粒子毀傷等[3]。此外，還會受到諸如空間碎片、流星等不確定因素的影響，從而對衛(wèi)星造成不同程度的損傷，降低其可靠性。與一般產(chǎn)品相比，衛(wèi)星產(chǎn)品可靠性具有以下特點(diǎn)：

（1）長壽命。由于一顆衛(wèi)星從研制到生產(chǎn)再到升空，需要耗費(fèi)大量人力物力，成本極高，再加上需要執(zhí)行任務(wù)的時間一般都是長達(dá)數(shù)年，這就要求衛(wèi)星產(chǎn)品具有很長的壽命。

（2）小子樣。衛(wèi)星造價高昂，不同于一般工業(yè)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，通常只有少量的試驗樣本。

（3） 不可修。衛(wèi)星一旦發(fā)射升空，就無法再對星上產(chǎn)品進(jìn)行更換和維修。

4微納衛(wèi)星系統(tǒng)可靠性評估方法

微納衛(wèi)星通常由不同的分系統(tǒng)組成，以我國清華大學(xué)研制的“NS-1”納衛(wèi)星為例，包括電源分系統(tǒng)、遙測遙控（TTC）分系統(tǒng)、納衛(wèi)星上計算機(jī)（OBC）分系統(tǒng)、姿態(tài)確定與控制分系統(tǒng)（ADCS）、結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、射頻（RF）分系統(tǒng)、GPS分系統(tǒng)、相機(jī)分系統(tǒng)和推進(jìn)分系統(tǒng)[2]。不同的分系統(tǒng)由不同的單機(jī)通過一定方式連接構(gòu)成。比如姿控分系統(tǒng)包含的單機(jī)有處理器、磁強(qiáng)計、動量輪和磁力矩器。連接方式包括串聯(lián)、并聯(lián)、（r/n）表決和儲備，其中根據(jù)儲備單元在儲備中的失效率，又可分為冷儲備、熱儲備和溫儲備。

4.1系統(tǒng)可靠性建模

系統(tǒng)可靠性建模是指建立可靠性框圖及其數(shù)學(xué)模型，建立各級產(chǎn)品的可靠性模型，目的是定量評價產(chǎn)品可靠性[4]。幾種典型的可靠性框圖和對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如表1所示。

建立系統(tǒng)的可靠性框圖，可以清晰地展示系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，通過計算已知單機(jī)的可靠性特征量，并根據(jù)單機(jī)所在的層次及其連接方式，進(jìn)而可以求出系統(tǒng)的可靠性特征量。

4.2單機(jī)產(chǎn)品可靠性評估方法

4.2.1基于統(tǒng)計分析的方法

利用統(tǒng)計分析的方法對微納衛(wèi)星單機(jī)進(jìn)行可靠性評估，是一種基于失效時間或失效數(shù)進(jìn)行可靠性建模的方法。通常包含以下步驟：

（1）收集產(chǎn)品的失效時間數(shù)據(jù);

（2）利用統(tǒng)計方法判別失效時間數(shù)據(jù)符合的壽命分布模型，常見的分布包括指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布等;

（3）根據(jù)最小二乘法或極大似然估計法原理求出所選分布模型的參數(shù)估計;

（4）對參數(shù)進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗，選擇接受或拒絕原假設(shè);

（5）通過參數(shù)的估計值和所選分布計算出產(chǎn)品的可靠度和平均壽命等可靠性指標(biāo)。

基于統(tǒng)計分析的方法計算簡單，根據(jù)步驟（1）～（5）可直接計算出單機(jī)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)，適用于大樣本情況。

4.2.2基于性能退化的方法

在實際工程中，產(chǎn)品隨著工作時間的增加，性能參數(shù)也在動態(tài)發(fā)生變化，傳統(tǒng)的查找可靠性手冊來確定產(chǎn)品失效率的方法具有很大的局限性，不能滿足對產(chǎn)品在運(yùn)行期間進(jìn)行可靠性準(zhǔn)確評估的要求。

基于性能退化的可靠性分析方法的步驟包括[5]：

（1）失效機(jī)理分析。

不同的產(chǎn)品具有不同的失效機(jī)理，如過應(yīng)力、疲勞斷裂、磨損和腐蝕等機(jī)理。分析失效機(jī)理主要用來定性說明導(dǎo)致產(chǎn)品失效的原因，目的是確定可靠性特征量。

（2）退化量確定。

有些退化量可以直接測量，如軸承磨損量、金屬裂縫尺寸等。對于難以直接測量的退化量，以產(chǎn)品性能作為退化量可以簡化建模過程，如蓄電池容量、晶體管的漏電流等。確定退化量是進(jìn)行后續(xù)可靠性分析的前提。

（3）退化數(shù)據(jù)收集與處理。

收集產(chǎn)品退化量參數(shù)的退化數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法剔除異常數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)特征進(jìn)行提取。

（4）退化過程模型確定。

常用的退化模型包括線性退化模型、指數(shù)退化模型、基于Wiener過程的退化模型、基于Gamma過程的退化模型和基于復(fù)合Poisson過程的退化模型。

（5）可靠性指標(biāo)計算。

根據(jù)產(chǎn)品的失效閾值和建立的性能退化模型，求出產(chǎn)品壽命分布參數(shù)，計算出產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。

基于性能退化的可靠性分析方法，在失效數(shù)據(jù)樣本不足甚至無失效數(shù)據(jù)的情況下，利用產(chǎn)品在使用過程中的狀態(tài)信息，通過對關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行建模分析可以得到精度較高的可靠性結(jié)果，更符合工程實際。

4.2.3基于多源信息融合的方法

微納衛(wèi)星可靠性數(shù)據(jù)雖然體現(xiàn)出小子樣特點(diǎn)，但是有多種來源，包括歷史失效數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、相似產(chǎn)品信息和專家信息[6]。充分合理地利用這些信息，可以提高可靠性評估精度。通常采用貝葉斯方法將不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，其大致過程如下：

（1）收集多種來源的可靠性信息，得到未知參數(shù)不同形式的先驗分布 ;

（2）對多種先驗分布進(jìn)行相容性檢驗;

（3）利用貝葉斯方法將通過相容性檢驗的先驗分布，融合為一個綜合的先驗分布;

（4）求出現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的似然函數(shù)形式，結(jié)合綜合先驗分布得到后驗分布;

（5）根據(jù)后驗分布對參數(shù)進(jìn)行貝葉斯推斷，求出可靠性指標(biāo)。

多源信息融合的方法能夠綜合利用各種可靠性信息，擴(kuò)大樣本容量，得到合理的可靠性評估結(jié)果[7]，其重點(diǎn)是對不同先驗分布的相容性檢驗。

5結(jié)束語

微納衛(wèi)星以其自身優(yōu)點(diǎn)能夠有效增強(qiáng)空間優(yōu)勢，本文通過分析微納衛(wèi)星的可靠性特點(diǎn)，介紹了微納衛(wèi)星系統(tǒng)單機(jī)可靠性評估的常用方法，包括基于統(tǒng)計分析、基于性能退化和多源信息融合的方法。對于這三種方法，給出了分析步驟和適用情形，按照分層分級的思想，根據(jù)系統(tǒng)可靠性框圖和數(shù)學(xué)模型，利用單機(jī)的可靠度和平均壽命等可靠性特征量，進(jìn)而求出微納衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性特征量，為微納衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性評估提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 姜興渭.可靠性工程技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[4] 么嬈.航空器可靠性工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2017：55-98.

[5] 金光.基于退化的可靠性技術(shù)：模型、方法及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[6] 劉本紀(jì)，龔時雨.Bayesian可靠性評估中多源信息融合的概率模型方法[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2011，29（1）：10-13.

[7] 杜智濤，杜曉勇，魏洪峰，等.基于多源信息融合的氣象無人機(jī)平臺可靠性評估研究[J].測控技術(shù)，2013，32（2）：133-136.

【通聯(lián)編輯：梁書】