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測控基帶冗余技術(shù)方案的可靠性對比分析

2024-05-06 08:11:24李威
電子設(shè)計(jì)工程 2024年9期
關(guān)鍵詞:系統(tǒng)可靠性基帶機(jī)箱

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(jì)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(shí)意義和理論價(jià)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(gè)適用于測控基帶冗余技術(shù)方案評價(jià)的可靠性對比分析案例,應(yīng)用可靠性建模預(yù)計(jì)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(jì)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(jià)。

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(dú)立進(jìn)行測控任務(wù);但各個(gè)測控站間無法實(shí)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(gè)測控站間同樣無法實(shí)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(jì)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(gè)站同時(shí)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(shí)間為168 h??傮w方案設(shè)計(jì)時(shí),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(shí),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(shí)間,λs為產(chǎn)品基本失效率,λi為每個(gè)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(gè)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(jì)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(shí)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(jì)。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(gè)產(chǎn)品故障,產(chǎn)品在t時(shí)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(shí),產(chǎn)品才發(fā)生故障,產(chǎn)品在t時(shí)刻的可靠度如式(4):

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

式(3)-(5)中,Ri(t)為每個(gè)產(chǎn)品組成單元在t時(shí)刻的可靠度,n為產(chǎn)品所包含的組成單元個(gè)數(shù)。產(chǎn)品平均無嚴(yán)重故障間隔時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)入機(jī)箱配套影響;②機(jī)箱配套無冗余設(shè)計(jì);③機(jī)箱配套為典型的雙模塊熱備冗余設(shè)計(jì)。

1)不計(jì)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(shí),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(jì)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(jì)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(jì)時(shí),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(shí)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?yàn)榱致栋赘胰俗。由蟽扇硕紕偖厴I(yè),年紀(jì)也還小,沒想過結(jié)婚的事。直到戀愛第三年的時(shí)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(gè)借口出去逛街的時(shí)候,跟魏舟去酒店開個(gè)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(shí)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(shí),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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)。

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(jì)理念:

①各級電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,單點(diǎn)故障是需要避免,采取冗余設(shè)計(jì)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(diǎn)時(shí),應(yīng)最大化提升單點(diǎn)部分的基本可靠性。

②在考慮系統(tǒng)方案時(shí),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(jì)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(diǎn)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(shí)意義和理論價(jià)值。

結(jié)合當(dāng)前測控基帶技術(shù)在工程中的應(yīng)用實(shí)際,構(gòu)建了一個(gè)適用于測控基帶冗余技術(shù)方案評價(jià)的可靠性對比分析案例。應(yīng)用可靠性建模預(yù)計(jì)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(jì)計(jì)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(jià),并得出了具體的可靠性設(shè)計(jì)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(jì)的依據(jù),同時(shí)也進(jìn)一步豐富了各級電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)理念。

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