測控基帶冗余技術(shù)方案的可靠性對比分析

李威

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都 610036）

多站組網(wǎng)協(xié)同、多業(yè)務(wù)融合、高安全可靠性，已成為未來測控系統(tǒng)建設(shè)的基本需求[1-4]。應(yīng)用可靠性理論對滿足高性能要求的測控基帶[5-9]進(jìn)行系統(tǒng)可靠性建模、預(yù)計與對比分析，對于測控基帶技術(shù)的高可靠性、低成本化研究[10-13]，具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

針對測控基帶技術(shù)的高可靠性、低成本化研究需求，構(gòu)建一個適用于測控基帶冗余技術(shù)方案評價的可靠性對比分析案例，應(yīng)用可靠性建模預(yù)計技術(shù)[14-16]，對不同方案中的測控基帶系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模預(yù)計和對比分析，完成采用不同測控基帶冗余技術(shù)方案的系統(tǒng)可靠性評價。

1 測控基帶冗余技術(shù)方案

1.1 傳統(tǒng)測控基帶配置方案

傳統(tǒng)的中國航天測控系統(tǒng)采用“煙囪”式的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。

在這種系統(tǒng)構(gòu)成模式下，每套系統(tǒng)的所有分系統(tǒng)設(shè)備部署在測控站內(nèi)，獨立進(jìn)行測控任務(wù)；但各個測控站間無法實現(xiàn)資源融合共享。單套傳統(tǒng)測控基帶設(shè)備內(nèi)配置有k套采用了FPGA+DSP 架構(gòu)的信號處理單元，k為滿足單站任務(wù)要求的配置資源數(shù)量，如圖2 所示。為了提高航天測控系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備采用雙機(jī)熱備份方式，機(jī)箱配套的電源模塊、頻綜模塊通常也采用雙模塊熱備冗余的方式，以確保設(shè)備的可靠性。

圖2 傳統(tǒng)基帶設(shè)備配置

1.2 基于傳統(tǒng)測控基帶的改進(jìn)型配置方案

一種低成本化、基于設(shè)備內(nèi)模塊級冗余的改進(jìn)型技術(shù)方案，也在工程上被廣泛應(yīng)用，如圖3 所示。該技術(shù)方案減少了各站系統(tǒng)內(nèi)部的資源配置需求，但在各個測控站間同樣無法實現(xiàn)資源融合共享。

圖3 傳統(tǒng)航天測控系統(tǒng)的改進(jìn)型結(jié)構(gòu)

其中，單套傳統(tǒng)改進(jìn)型測控基帶設(shè)備內(nèi)配置有n(n＞k)套互為熱備份的信號處理單元，k為滿足單站任務(wù)要求的配置資源數(shù)量，如圖4 所示。

圖4 傳統(tǒng)改進(jìn)型基帶設(shè)備配置

1.3 多站共享的通用處理資源池配置方案

多站共享的通用處理資源池技術(shù)，將基帶設(shè)備與物理主機(jī)解綁，采用資源池的方式對信號處理資源和數(shù)據(jù)處理資源進(jìn)行松耦合式動態(tài)管理，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。其中，數(shù)據(jù)處理資源主要為服務(wù)器、工作站等計算與存儲設(shè)備，與公共系統(tǒng)資源共用。

圖5 多站共享的通用處理資源池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 中的基帶系統(tǒng)配置有N(N＞K)套互為熱備份的信號處理單元，K為滿足M個站同時執(zhí)行任務(wù)要求的配置資源數(shù)量，如圖6 所示。

圖6 資源池基帶信號處理資源配置

1.4 冗余技術(shù)方案對比案例

在某工程建設(shè)需求中，需6 站系統(tǒng)共同完成測控任務(wù)，單次最長任務(wù)時間為168 h?？傮w方案設(shè)計時，可供決策的基帶系統(tǒng)方案及配置如表1 所示。單站完成最大包絡(luò)任務(wù)所必需的信號處理單元資源為10 套；采用多站共享的通用處理資源池方案時，6 站系統(tǒng)共同完成最大包絡(luò)測控任務(wù)所必需的信號處理單元資源為54 套。

表1 基帶系統(tǒng)方案及配置說明

在表1 中，方案代號表示為XY：X=A、B、C，分別表示方案類型為傳統(tǒng)測控基帶、傳統(tǒng)改進(jìn)型基帶、通用處理資源池；Y=0、m，m=1、6 分別表示產(chǎn)品對象為基帶設(shè)備、m站系統(tǒng)。

2 基帶系統(tǒng)的可靠性模型

2.1 基帶系統(tǒng)的基本可靠性模型

各基帶系統(tǒng)方案下，產(chǎn)品的基本可靠性模型結(jié)構(gòu)均為其組成單元的串聯(lián)模型，其數(shù)學(xué)模型為：

其中，MTBFs為產(chǎn)品平均無故障間隔時間，λs為產(chǎn)品基本失效率，λi為每個產(chǎn)品組成單元的基本失效率，n為產(chǎn)品所包含的組成單元個數(shù)。

2.2 基帶系統(tǒng)的任務(wù)可靠性模型

2.2.1 傳統(tǒng)基帶的任務(wù)可靠性模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)任務(wù)要求和傳統(tǒng)系統(tǒng)配置，傳統(tǒng)基帶設(shè)備（方案A0）任務(wù)可靠性模型為10 套信號處理單元與機(jī)箱配套構(gòu)成的串聯(lián)模型；傳統(tǒng)單站（方案A1）基帶任務(wù)可靠性模型為2 套傳統(tǒng)基帶設(shè)備構(gòu)成的并聯(lián)模型；傳統(tǒng)6 站系統(tǒng)（方案A6）基帶任務(wù)可靠性模型為6套傳統(tǒng)單站基帶構(gòu)成的串聯(lián)模型。建立傳統(tǒng)系統(tǒng)基帶的任務(wù)可靠性模型結(jié)構(gòu)如圖7 所示，其中機(jī)箱配套、信號處理單元、傳統(tǒng)單站基帶均取任務(wù)可靠性模型結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖7 傳統(tǒng)基帶系統(tǒng)的可靠性模型結(jié)構(gòu)

2.2.2 改進(jìn)型基帶的可靠性模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)任務(wù)要求和改進(jìn)型系統(tǒng)配置，每套改進(jìn)型基帶設(shè)備（方案B0）的信號處理單元組合構(gòu)成了局部的10/14(G)表決模型；改進(jìn)型單站（方案B1）基帶與改進(jìn)型基帶設(shè)備的可靠性模型完全一致；改進(jìn)型6 站系統(tǒng)（方案B6）基帶任務(wù)可靠性模型為6 套改進(jìn)型單站基帶構(gòu)成的串聯(lián)模型。建立改進(jìn)型基帶系統(tǒng)的任務(wù)可靠性模型結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中機(jī)箱配套、信號處理單元、改進(jìn)型單站基帶均取任務(wù)可靠性模型結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖8 改進(jìn)型基帶系統(tǒng)的可靠性模型結(jié)構(gòu)

2.2.3 資源池基帶的可靠性模型結(jié)構(gòu)

為滿足6 站測控需求且保證一定設(shè)計冗余，6 站共享的通用處理資源池系統(tǒng)（方案C6）按54∶18 熱備配置信號處理單元，在物理實現(xiàn)上需5 套機(jī)箱配套。結(jié)合圖5、圖6，建立基帶系統(tǒng)（信號處理資源）的任務(wù)可靠性模型結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 資源池基帶任務(wù)可靠性模型結(jié)構(gòu)

2.2.4 機(jī)箱配套的任務(wù)可靠性模型結(jié)構(gòu)

典型的基帶機(jī)箱配套組成包括電源模塊、頻綜模塊和箱體結(jié)構(gòu)，且電源模塊、頻綜模塊通常也采用1∶1 熱備冗余設(shè)計。建立典型基帶機(jī)箱配套的任務(wù)可靠性模型結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 典型機(jī)箱配套任務(wù)可靠性模型結(jié)構(gòu)

2.2.5 任務(wù)可靠性模型的數(shù)學(xué)模型

在可靠性工程應(yīng)用中，產(chǎn)品任務(wù)可靠性結(jié)構(gòu)類型及其對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型包括：

1）串聯(lián)模型：組成產(chǎn)品的所有單元中任一單元發(fā)生故障，均會導(dǎo)致整個產(chǎn)品故障，產(chǎn)品在t時刻的可靠度如式（3）所示：

2）并聯(lián)模型：組成系統(tǒng)的所有單元都發(fā)生故障時，產(chǎn)品才發(fā)生故障，產(chǎn)品在t時刻的可靠度如式（4）：

3）k/n(G)表決模型：組成產(chǎn)品的n個相同且獨立的單元中至少有k個（1≤k≤n）單元正常工作，整個產(chǎn)品可正常工作，產(chǎn)品在t時刻的可靠度如式（5）所示：

式（3）-（5）中，Ri(t)為每個產(chǎn)品組成單元在t時刻的可靠度，n為產(chǎn)品所包含的組成單元個數(shù)。產(chǎn)品平均無嚴(yán)重故障間隔時間MTBCFs可由下式求得：

3 可靠性分析結(jié)果

3.1 可靠性模型單元參數(shù)選取

表2 測控基帶組成單元的可靠性典型值

3.2 模型對比分析計算

應(yīng)用CARMES7.0 完成不同冗余技術(shù)方案下測控基帶的基本可靠性和任務(wù)可靠性計算。為充分考慮機(jī)箱配套對測控基帶系統(tǒng)可靠性的影響，按以下三種情況對比分析基帶系統(tǒng)可靠性：①不計入機(jī)箱配套影響；②機(jī)箱配套無冗余設(shè)計；③機(jī)箱配套為典型的雙模塊熱備冗余設(shè)計。

1）不計入機(jī)箱配套影響的模型對比

當(dāng)忽略機(jī)箱配套對基帶系統(tǒng)可靠性影響，只考慮不同方案下信號處理單元組成的基帶系統(tǒng)可靠性差異時，取λ機(jī)箱配套1=0。各技術(shù)方案下，基帶系統(tǒng)/設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 基帶系統(tǒng)可靠性（不計機(jī)箱配套）

表3 中，方案B0（B1）、B6、C6 均具有極高的任務(wù)可靠性，且均有R（t=168 h）＞0.999 99。然而高精度的可靠性預(yù)計分析數(shù)據(jù)表明：R_C6＞R_B0（B1）＞R_B6，R_XY 為方案XY 的基帶系統(tǒng)任務(wù)可靠度。

2）機(jī)箱配套無冗余的模型對比

當(dāng)機(jī)箱配套未采取冗余設(shè)計時，機(jī)箱配套基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型均為其組成電源模塊、頻綜模塊和箱體結(jié)構(gòu)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，此時λ機(jī)箱配套2=5.1×10-5/h。各技術(shù)方案下，基帶系統(tǒng)/設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)如表4 所示。

因為林露白跟家人住，加上兩人都剛畢業(yè)，年紀(jì)也還小，沒想過結(jié)婚的事。直到戀愛第三年的時候，才跟家里講，雙方見了父母，彼此都很滿意，初步定下了結(jié)婚的日期。但是，林露白的父母都是教師，有些傳統(tǒng)的觀念，對她唯一的要求是不允許夜不歸宿，她只能周末找個借口出去逛街的時候，跟魏舟去酒店開個房間溫存一會兒，之后再匆忙地趕回家。

表4 基帶系統(tǒng)可靠性（機(jī)箱配套無冗余）

3）典型機(jī)箱配套的模型對比

典型機(jī)箱配套組成及任務(wù)可靠性模型見2.2.4節(jié)。各技術(shù)方案下，基帶系統(tǒng)/設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 基帶系統(tǒng)可靠性（典型機(jī)箱配套）

3.3 對比分析結(jié)論

基于表3-5 的分析數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：

1）單從可靠性角度論，多站共享的通用處理資源池方案（1.3 節(jié)），優(yōu)于基于傳統(tǒng)測控基帶的改進(jìn)型配置方案（1.2 節(jié)），且均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)測控基帶配置方案（1.1 節(jié)）。優(yōu)勢方案能以更低的冗余度，實現(xiàn)更少的資源需求和更高的系統(tǒng)可靠性，如表6 所示。

表6 測控基帶方案優(yōu)劣比較

由于采用優(yōu)勢方案，如多站共享的池化技術(shù)，所需配置的基帶資源規(guī)模顯著小于傳統(tǒng)測控站，成套系統(tǒng)所需的配套設(shè)備/模塊規(guī)模也將相應(yīng)簡化，因而與之相應(yīng)的成套系統(tǒng)基本可靠性和任務(wù)可靠性均將獲得顯著提升。當(dāng)多站共享的池化方案不適用時，宜對各測控站優(yōu)先采用改進(jìn)型的單站系統(tǒng)方案，通過基帶設(shè)備的模塊級冗余取代設(shè)備級冗余。

2）基于可靠性設(shè)計需求，基帶設(shè)備機(jī)箱內(nèi)配套的電源、頻綜等模塊采取冗余設(shè)計是必需的，否則會極大拖累系統(tǒng)可靠性。采取模塊級冗余設(shè)計后，機(jī)箱配套組成對基帶設(shè)備和系統(tǒng)任務(wù)可靠性的影響可近似被忽略不計。

3）基于上述數(shù)據(jù)對比，可以得出更為普適的電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計理念：

①各級電子產(chǎn)品設(shè)計中，單點故障是需要避免，采取冗余設(shè)計是提高任務(wù)可靠性最為簡單、有效的方式；當(dāng)不能避免單點時，應(yīng)最大化提升單點部分的基本可靠性。

②在考慮系統(tǒng)方案時，冗余層級越低，系統(tǒng)基本可靠性和任務(wù)可靠性越高，越利于減少系統(tǒng)設(shè)備量、降低成本。模塊級冗余優(yōu)于設(shè)備級冗余；設(shè)備級產(chǎn)品的設(shè)計均宜采取模塊冗余。

4 結(jié)束語

鑒于未來基帶測控系統(tǒng)技術(shù)的多站組網(wǎng)協(xié)同、多業(yè)務(wù)融合、高安全可靠性等重點需求，測控基帶技術(shù)的高可靠性、低成本化研究，具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

結(jié)合當(dāng)前測控基帶技術(shù)在工程中的應(yīng)用實際，構(gòu)建了一個適用于測控基帶冗余技術(shù)方案評價的可靠性對比分析案例。應(yīng)用可靠性建模預(yù)計技術(shù)和CARMES 技術(shù)，完成了不同方案中的測控基帶系統(tǒng)可靠性建模和預(yù)計計算。

結(jié)合對比分析數(shù)據(jù)，完成了采用不同測控基帶冗余技術(shù)方案的系統(tǒng)可靠性評價，并得出了具體的可靠性設(shè)計指導(dǎo)結(jié)論。從可靠性定量分析角度，提供了測控基帶系統(tǒng)方案和設(shè)備方案優(yōu)選與設(shè)計的依據(jù)，同時也進(jìn)一步豐富了各級電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計技術(shù)理念。