機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)可靠與安全性分析

周宏新 史軍良 孫士泉

（北京航天控制儀器研究所 北京）

一、概述

現(xiàn)代戰(zhàn)爭需要適時(shí)、全面、可靠的通信保障，離不開陸海空天一體的綜合信息系統(tǒng)。動(dòng)中通（同步衛(wèi)星移動(dòng)通信，俗稱動(dòng)中通）衛(wèi)星通信作為這個(gè)系統(tǒng)中重要的組成部分，受到各國高度重視。目前車載、船載、機(jī)載等動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，由于機(jī)載設(shè)備安裝使用的特殊情況（一旦出現(xiàn)事故將是災(zāi)難性的），要充分考慮機(jī)載設(shè)備的可靠性和安全性。

安全性與可靠性的關(guān)系。產(chǎn)品不安全，從而產(chǎn)品可靠性也難以實(shí)現(xiàn)；產(chǎn)品是安全的，但產(chǎn)品未必可靠；產(chǎn)品不可靠，可能引起安全事故；產(chǎn)品是可靠的，但產(chǎn)品未必安全。因此，可靠性是安全性的基礎(chǔ)，要保障產(chǎn)品的安全性，首先就要保證產(chǎn)品的可靠性，減少或根除產(chǎn)品的故障危險(xiǎn)源；在保證產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)上，還要同時(shí)保證產(chǎn)品的安全性，必須進(jìn)一步控制產(chǎn)品中存在的諸如電磁輻射、電磁干擾、空氣動(dòng)力學(xué)特性等一般性危險(xiǎn)源；在采取安全性措施時(shí)，不可引入降低可靠性的因素。

二、機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)可靠性

對機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)與分析，有助于檢查設(shè)計(jì)方案的合理性，選擇既能滿足性能和可靠性要求，又能達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益的最佳方案、藉此發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上存在的缺陷和可靠性薄弱環(huán)節(jié)。以便采用有針對性的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，提高零部件的優(yōu)選點(diǎn)、工藝篩選等要求以及其他可靠性改進(jìn)措施，從而保證可靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)及分析包括系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、可靠性模型、可靠性預(yù)計(jì)、并將可靠性落實(shí)到各個(gè)具體環(huán)節(jié)，保證可靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1.可靠性技術(shù)指標(biāo)

連續(xù)工作時(shí)間≥24 h，平均無故障工作時(shí)間MTBF≥500 h。設(shè)備故障率λs=24/500=48×10-3/h。連續(xù)工作24 h的可靠度R（4）=e-24/500=0.953。

2.可靠性基本措施

在設(shè)計(jì)中把可靠性設(shè)計(jì)放在首位，力求簡單、可靠，盡量利用國內(nèi)外成熟的技術(shù)。設(shè)計(jì)中重視部件或設(shè)備之間的接口協(xié)調(diào)及接口可靠性分析，避免因接口關(guān)系與邊界條件考慮不周影響系統(tǒng)的可靠性。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析組成產(chǎn)品的各項(xiàng)設(shè)備、組件、零件或元器件的機(jī)械、物理或電性能等各種偏差的組合，對產(chǎn)品（或設(shè)備、組件）的功能、性能等可靠性的影響，以便合理確定各種偏差的允許范圍。產(chǎn)品設(shè)計(jì)按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行屏蔽、搭接、接地、隔離、電纜分束等設(shè)計(jì)以確保電磁兼容性。增加雷雨季節(jié)保護(hù)要求及抗靜電場的設(shè)計(jì)要求。

設(shè)備、儀器盡可能采用密封措施，防止潮氣影響。采用密封措施時(shí)，注意散熱和消除在產(chǎn)品內(nèi)部造成腐蝕條件的各種因素。分析電路在瞬態(tài)過程引起的瞬時(shí)過載，加強(qiáng)瞬態(tài)保護(hù)電路設(shè)計(jì)。防止元器件失效，選擇接觸良好的繼電器和開關(guān)，考慮截?cái)喾逯惦娏鳎约巴ㄟ^的最小電流和最大可接受的接觸阻抗。

三、機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)安全性

安全穩(wěn)定性是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。所以，安全穩(wěn)定性是產(chǎn)品質(zhì)量的時(shí)間指標(biāo)，是產(chǎn)品性能能否在實(shí)際使用中得到充分發(fā)揮的關(guān)鍵之一。安全穩(wěn)定性設(shè)計(jì)必須與機(jī)電產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，設(shè)計(jì)人員必須明確可靠性設(shè)計(jì)的目的并掌握可靠性設(shè)計(jì)的方法。安全性設(shè)計(jì)主要考慮4方面問題。

（1）制定詳細(xì)的安全性工作計(jì)劃。制定詳細(xì)的安全性工作計(jì)劃，包括執(zhí)行工作計(jì)劃的方法、合格的人選、各級(jí)管理部門的職責(zé)以及確保工作完成所需的資源等。

（2）系統(tǒng)危險(xiǎn)性分析。進(jìn)行系統(tǒng)危險(xiǎn)性分析并記錄成文，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有安全問題的部位，特別是分系統(tǒng)之間的接口的危險(xiǎn)（包括可能的安全性關(guān)鍵的人為差錯(cuò)）并評(píng)價(jià)其風(fēng)險(xiǎn)，確定系統(tǒng)的使用和故障模式對系統(tǒng)及其分系統(tǒng)的影響。

（3）針對危險(xiǎn)性分析記錄采取相應(yīng)的防護(hù)措施。針對系統(tǒng)容易出現(xiàn)的安全隱患采取防護(hù)措施，如伺服控制系統(tǒng)中電機(jī)有可能出現(xiàn)飛轉(zhuǎn)，會(huì)造成設(shè)備損壞和人員傷害，因此在設(shè)計(jì)中增加了伺服系統(tǒng)限位功能，有軟件限位和機(jī)械限位雙重保護(hù)。

（4）元器件的選擇。元器件的選擇是機(jī)電產(chǎn)品安全可靠性的基礎(chǔ)之一，很多機(jī)電產(chǎn)品的失效是由于元器件的性能和質(zhì)量問題造成的。元器件的選用原則元器件的選用要遵循下述原則：根據(jù)產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能要求和環(huán)境條件，選用相應(yīng)種類、型號(hào)規(guī)格質(zhì)量等級(jí)的元器件；根據(jù)元器件使用時(shí)的應(yīng)力情況，確定元器件的極限值，按降額設(shè)計(jì)技術(shù)選用元器件；根據(jù)產(chǎn)品要求的可靠性等級(jí)，選用與其適應(yīng)的并通過國家質(zhì)量認(rèn)證合格單位生產(chǎn)的元器件；盡量選用標(biāo)準(zhǔn)的、系列化的元器件，重要的關(guān)鍵件應(yīng)選用軍用級(jí)以上的元器件；對非標(biāo)準(zhǔn)的元器件要進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證，使用時(shí)要經(jīng)過批準(zhǔn)。

四、系統(tǒng)可靠與安全性的一些主要措施

1.保守設(shè)計(jì)思想

機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備及元器件的選擇盡量采用經(jīng)過車載、船載動(dòng)中通系統(tǒng)的成熟技術(shù)，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行大量的模擬實(shí)驗(yàn)找出設(shè)計(jì)中存在的安全隱患，采取措施徹底消除隱患并提高可靠性。

2.供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)供電需要采用機(jī)載電源，設(shè)計(jì)時(shí)衛(wèi)星通信系統(tǒng)要使用單獨(dú)一路電源，不能和飛機(jī)上其他設(shè)備混用，并采取電源隔離、濾波等措施，避免衛(wèi)星通信系統(tǒng)故障造成飛機(jī)飛行故障。

3.機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信天線罩的設(shè)計(jì)

機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信天線罩的主要的作用與設(shè)計(jì)要求：一是保持載機(jī)良好的氣動(dòng)外形；二是保護(hù)機(jī)載衛(wèi)星通信天線，以免天線受到氣動(dòng)環(huán)境的不良影響，是衛(wèi)通天線能在惡略環(huán)境下正常工作。在暴風(fēng)雨、冰雹、閃電、飛鳥及雪等條件下保護(hù)天線；三是在電氣性能上，要求衛(wèi)星通信天線罩對天線工作頻率透明。

4.電磁兼容設(shè)計(jì)

由于機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信天線工作在電磁環(huán)境較為惡劣的場合，因此要求系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)，同時(shí)系統(tǒng)自身的電磁輻射較小（除天線發(fā)射載波外）。為了適應(yīng)飛機(jī)上復(fù)雜的使用環(huán)境，必須對機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信天線的電磁兼容性進(jìn)行嚴(yán)格的分析、實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)。

為了減少飛機(jī)上電源的浪涌對于衛(wèi)星通信天線電氣設(shè)備的沖擊影響，需要在系統(tǒng)電源控制機(jī)箱內(nèi)加裝電源濾波器。但是此類濾波器通過接地平面為結(jié)構(gòu)（共模）電流提供低阻抗通路，使這種電流可能耦合到同一接地平面的其他設(shè)備中去，造成電磁干擾，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用電容＜0.1 μF的電源濾波器。

針對不同信號(hào)進(jìn)行不同處理，盡可能做到高中低頻率、大中小功率合理安排層次，使分布電容產(chǎn)生的干擾降低到最小。具體處理可從3方面著手。

（1）Ku波段。信號(hào)在系統(tǒng)內(nèi)通過波導(dǎo)和關(guān)節(jié)傳輸，安裝在伺服機(jī)構(gòu)上的硬波導(dǎo)、功放和天線之間的軟波導(dǎo)、天線底部的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。這些波導(dǎo)和關(guān)節(jié)嚴(yán)格密封、各波導(dǎo)之間連接可靠，不留縫隙，是Ku波段射頻信號(hào)只在波導(dǎo)和關(guān)節(jié)內(nèi)傳播，降低對系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備的影響。

（2）L波段。信號(hào)用軍品同軸射頻電纜傳輸，嚴(yán)格屏蔽，屏蔽殼最后接地，電纜靜態(tài)電容、特性阻抗及衰減符合要求。

（3）通信信號(hào)通過軍品屏蔽絞線傳輸，接插件采用軍品金屬外殼的接插件，其金屬外殼與屏蔽絞線的屏蔽層可靠連接，屏蔽殼最后接地。除此之外，在原理設(shè)計(jì)上使用差動(dòng)方式，減少外界干擾對信號(hào)的影響。

5.故障隔離措施

電器系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)按照故障“工作/故障”安全的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)，出現(xiàn)單個(gè)故障仍能完成任務(wù)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)故障不能威脅到飛機(jī)的飛行安全。為此其中大量的關(guān)鍵零部件采用冗余設(shè)計(jì)原則。

6.其他措施

以上都是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的考慮，實(shí)際上機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性與安全性要從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到應(yīng)用的全過程去保證。嚴(yán)格各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量和可靠性管理。除了可靠性原則設(shè)計(jì)和評(píng)審?fù)猓€應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)工藝技術(shù)工作，嚴(yán)格生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制以及質(zhì)量管理，此外還應(yīng)加強(qiáng)地面試驗(yàn)工作及進(jìn)行必要的飛行試驗(yàn)。

五、結(jié)論與展望

機(jī)載環(huán)境對動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)提出了很高的要求，既要保證產(chǎn)品的衛(wèi)星通信的性能，又要保證產(chǎn)品的絕對安全。為此，國內(nèi)外機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采取了大量有效措施，使得機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信產(chǎn)品取得長足進(jìn)步，相信以后會(huì)更加成熟、安全、可靠。