機載衛星通信天饋系統五性設計

文/常興華

Ku 頻段機載衛星移動通信系統可應用在各類搭載/武器平臺，尤其適合于體積、空間和承重受限的機載、車載、彈載使用。同時系統滿足復雜環境下軍事衛星系統的通信要求，也適用于衛星通信星座的移動通信平臺，除了滿足無人機機載衛星通信系統的要求，還適用于各種作戰車輛、飛機、船舶、武器平臺等移動載體上及多種彈體通信。

1 設計原則

針對系統特點，制定出在滿足設備電性能指標的前提下，突出設備的適應性、可靠性和標準化作為方案設計的指導方針。為此設備總體方案設計將遵循以下設計原則：符合機載衛星通信系統跟蹤控制設備的要求，包括體積、重量、功耗、數據存儲能力等要求；突出用戶產品的三性要求，即“高可靠性、高可用性和高可維護性”；符合通信設備的要求，包括環境、數據通信性能、高可靠性等要求；產品在研制過程中

以質量體系的思想，保證設備工作穩定可靠，符合通信設備建造規范；電氣模塊采用標準化、模塊化、通用化設計，結構上采用標準化、一體化設計，并提供軟件升級接口；在設計時合理繼承已有產品的經驗，盡量采用成熟的技術，在需要改進的方面采用新技術、新工藝，應預先考慮到裝配、調試和測試設備的可靠性、可維護性和安全性；設計過程中合理選用元器件，保證元器件的可靠性；采用人性化設計，提供快速簡捷的人機交互界面。

2 可靠性設計：系統可分為天饋

結構伺服、終端等子系統組成。由系統的工作原理可知，該系統的可靠性模、型為串聯模型。

根據各子系統對分系統可靠性的影響，通過加權分配和以往工程經驗，對各子系統可靠性指標按運轉率分配如下：天饋子系統：

A1 ≥99.999%；平均維修時間：10 分鐘；結構子系統：A2 ≥99.996%；平均維修時間：10 分鐘；伺服子系統：A3 ≥99.95%; 平均維修時間: 10 分鐘；終端子系統：A4 ≥99.95%; 平均維修時間: 10 分鐘：則分系統運轉率：A=A1*A2*A3*A4=99.945%；平均維修時間：有備板設備維修時間不大于10 分鐘。

2.1 可靠性定量要求

平均故障間隔間（MTBF）成熟期規定值：700h 設計定型最低可接受值：525h；平均維修時間（MTTR）；維修性的指標：MTTR ≤10min（成熟期）；MTTR15min。

2.2 可靠性預計及分配

機載衛星通信系統在方案論證和研制階段可靠性預計依據GJB/Z 299B-1998《電子設備可靠性預計手冊》，采用元器件計數法進行可靠性預計，在初樣研制階段采用“元器件計數法”進行可靠性預計，系統設計或產生定型前，按應力分析法的故障率法進行可靠性預計。可靠性指標考慮復雜度、重要度和使用，用工程加權法進行分配。微波中繼的可靠性技術指標要求平均故障間隔時間（MTBF）≥700h。開展可靠性預計和分析工作的主要作用，在于為驗證和優化設計提供必要的依據。產品從開始研制就有明確的目標預計值，預計值MTBF（θp）應遠大于700 小時。在方案論證和研制階段可靠性預計按GJB/Z299-91《電子設備可靠性預計手冊》，采用元器件計數法進行可靠性預計。在產品研制過程中不斷采用新工藝、新器件、新線路，不斷修正、提高可靠性預計值。國產和引進元器件的失效率分別根據國軍標GJB299A-91《電子設備可靠性預計手冊》選取。本系統的可靠性估算是根據各分系統失效率數據，預測系統實際可能達到的可靠度，提供可靠性設計的依據。由于目前失效率數據不足，并且在初期設計階段很難確知各系統設備器件型號及準確數量，因此只能進行粗略估算。天饋分系統總失效率為：λ1=220×10-6/h平均無故障時間為：MTBF=1/λ1 =4504 小時

圖1：可靠性模型

伺服控制分系統總失效率為：λ2=310×10-6/h 平均無故障時間為：MTBF=1/λ2 =3225 小時天線結構分系統總失效率為：3=210×10-6/h平均無故障時間為：MTBF=1/λ3 =4761 小時，一體化終端分系統總失效率為：λ4=330×10-6/h 平均無故障時間為：MTBF=1/λ4 =3030 小時；功放設備總失效率為：λ5=250×10-6/h 平均無故障時間為：MTBF=1/λ5 =3707 小時綜合以上數據，機載衛星通信系統的總失效率為：λ 總=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5= 1320×10-6/h 本系統的平均無故障時間為：MTBF=1/λ 總 =757 小時。機載衛星通信系統滿足總體設計（700 小時）指標。

2.3 嚴格試驗和檢驗

在機載衛星通信系統研制過程中，將嚴格按照所《程序文件》和《質量文件》有關規定進行階段檢驗和試驗。外購件應選用合格分承制方生產的，且已在以往工程中證明性能穩定、可靠性高的產品。同時，嚴格按照驗收測試程序對外購件進行驗收，把好質量關。嚴格零部件加工過程中的檢驗，嚴格裝配過程中的試驗和檢驗，嚴格進行環境適應性試驗。

電磁兼容設計滿足GJB151A-1997《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》、GJB152A-1997《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量》的相關規定。屏蔽:電源和其它電路隔離，電源線采用雙絞線；本機振蕩器及功能塊采用金屬盒體屏蔽；高頻連線采用半剛性電纜；重要的直流信號采用同軸電纜；選用的電源模塊為六面金屬屏蔽型；機箱和機柜采用導電襯墊。接口電路：采用光電藕合器，避免串擾和干擾。接地：電路均采用大面積接地或就近多點接地，下頻率優選單點接地。印制板設計:避免平行走線，防止串擾和耦合，必要時可采用多層電路印刷電路板。合理使用退耦和耦合電容；合理安排電感器的裝配方向和位置，減少互耦。

3 測試性設計

分系統設計時考慮調試測試的可操作性和方便性，系統在設計時考慮系統功能便于測試。在外場通過BIT 實現故障的檢測和隔離。定量指標如下：故障檢測率：不小于95%；故障隔離率：不小于95%；平均虛警間隔時間：600h。在內場通過BIT 加ATE 能將故障隔離到SRU，隔離率滿足以下指標：不小于90%（到1 個SRU）；

不小于95%（到2 個SRU）；100%（到3 個SRU）。

3.1 測試性文件的制定

依據GJB450-88《裝備研制和生產的可測試性通用大綱》的有關要求，制定測試性工作計劃、完成可測試性設計、分析、與計算、制定測試性試驗計劃等工作。在產品研制過程中，建立了質量保證體系，制定了測試性工作計劃，加強了研制過程的測試性管理，并制定了嚴格的措施，以確保產品在出廠前順利通過單元測試、單機測試、老練運行、各項驗收試驗和出廠考核，并確定產品經過評審后方可放行。

3.2 測試性工作內容

確保系統達到規定的測試性要求，以提高系統的戰備完好性和任務成功性，減少對維修人力和其它資源的要求，降低壽命周期費用，并為管理提供信息。

測試性工作主要包括以下內容：

制.定測試性工作計劃；確定診斷方案和測試性要求；進行測試性設計；測試性工作評審；驗證測試性要求。

4 維修性設計

分系統采用模塊化設計，各單元協同工作，完成系統功能，模塊出現故障后可以快速更換。驅動器有調試軟件，通過該軟件可以進行驅動器的維護及故障檢測。外部及內部連接器盡量采用防差錯設計，并設計明顯標識，盡量采用標準件，易于更換，按單元體結構設計，應符合三級（外場級、中繼級和基地級）維修體制要求，采用視情維修方式，單元體應具有互換性。在外場通過BIT 和必要的檢測手段，100%地檢測故障并隔離到LRU。

4.1 維修性指標維修性的指標

MTTR ≤10min（成熟期）；MTTR ≤15 min（設計定型最低可接受值）。

4.2 維修性文件的制定

根據GJB368B-2009 《裝備維修性工作通用要求》的有關要求，制定維修性工作計劃、完成維修性設計、分析、與計算、制定維修性試驗計劃等工作。在產品研制過程中，建立了質量保證體系，制定了維修性工作計劃，加強了研制過程的維修性管理，并制定了嚴格的措施，以確保產品在出廠前順利通過各項維修性驗收試驗和出廠考核，并確定產品經過評審后方可放行。

4.3 維修性采用的主要技術措施

根據機載衛星通信系統維修性指標，將在以下幾方面采取措施提高可維性。

可達型設計需要檢查、維護、分解或修理的零部件都有很好的可達性，各部件都能夠和方便的拆卸且拆卸簡單。

標準化和互換性設計設計時優先選用標準化元器件和零部件，并盡量減少其品種規格。關鍵性的零部件具有良好的互換性和必要的通用性，適應戰地搶修的必要。模塊化設計采用模塊化結構設計，確保模塊借口標準化。模件與模件之間能夠完全進行互換，更換模件后不需要調整可以直接使用。具有完善的防差錯措施即識別標志設備上的接插頭都有明確的標識，且選用不同規格的接插件避免差錯。檢測判斷準確、迅速、簡便設備上檢測點的布局便于檢測，且比較集中可達性好。設備自身也具有簡便、使用的自動檢測功能，能迅速準確的判明故障。

注重貴重件的可修復性設備的各部分能夠通過簡便、可靠的調整消除因磨損或漂移等原因引起的故障，容易發生損耗的貴重件，設計成可拆卸的組合件，便于局部維修和更換。減少維修內容和降低維修技能要求設備進行三防處理，能夠預防和控制銹蝕，霉爛和磨損，能夠適應所要求的不同自然環境。

5 安全性設計

機載衛星通信系統安全性工作的重點和難點在于天線罩、天線轉臺、功放和終端設備等多個方面。確保產品達到規定的安全性要求，以滿足系統的戰備完好性和任務成功性要求，確保人身和產品的安全，降低對安全保障資源的要求，減少壽命周期費用。依據GJB900-1990《系統安全性通用大綱》的要求，制定安全性工作計劃、完成安全性設計、分析、與計算、制定安全性試驗計劃等工作。在產品研制過程中，建立了質量保證體系，制定了安全性工作計劃，加強了研制過程的安全性管理，并制定了嚴格的措施，以確保產品在出廠前順利通過安全各項驗收試驗和出廠考核，并確定產品經過評審后方可放行。

6 保障性設計

采用標準化、通用化、系列化的維修、檢測設備，減少專用設備和工具。配套研制使用、維護和人員培訓所需的設備或設施。提供完整的使用、維修資料。根據GJB1371《裝備保障性分析》進行保障性分析，確定產品應配套的地面保障設備和保障設施；并按GJB3274向提出單位提供《保障設備需求分析報告》；隨產品交付配套的設備、儀器和工具，按規定完成鑒定。

6.1 保障性的目標和任務

目標以合理的壽命周期費用實現系統的戰備完好性要求。任務確定系統保障性要求；將保障性設計融入系統的設計中；規劃并及時研制所需的保障資源；建立經濟、有效的保障系統，使裝備獲得所需的保障。

6.2 保障性文件的制定

依據GJB450-88《裝備研制和生產的可保障性通用大綱》的有關要求，制定可保障性工作計劃、完成可保障性設計、分析、與計算、制定可保障性試驗計劃等工作。在產品研制過程中，建立了質量保證體系，制定了保障性工作計劃，加強了研制過程的可保障性管理，并制定了嚴格的措施，以確保產品在出廠前順利通過保障性驗收試驗和出廠考核，并確定產品經過評審后方可放行。

6.3 電源特性

設備電源特性應該滿足GJB181A-2003《飛機供電特性》中規定的相關要求。

7 總結與展望

機載環境系統包含了電磁干擾、震動、抗風、冰雪雨霧、高溫低溫等非常惡略的工作和儲存環境，尤其是通信系統是絕對不能馬虎的，又要保證通信質量，又要保證產品的可靠性，對它的高標準、嚴要求是需要常態化的，因此要求我們從設計到工程產品到實際應用當中全過程參與可靠性和安全性，為此國內外專家采取大量行之有效的辦法和方法來提高我們產品的各項性能指標，這篇文章希望機載衛星通信系統能達到更加安全、成熟、可靠的發展。