微納衛星系統可靠性評估方法研究

吳浩

摘要：可靠性是產品的重要屬性，在計算機的輔助計算下，可靠性研究飛速發展。微納衛星系統的可靠性不僅體現了星上產品的質量，更代表了國家高精尖產業的水準。文章對微納衛星的概念進行簡單說明，針對微納衛星產品長壽命、小子樣和不可修的可靠性特點，介紹了基于統計分析、基于性能退化和多源信息融合的單機級可靠性評估方法。根據建立的系統可靠性模型，可以由單機級求出系統級的可靠性特征量，對微納衛星系統的可靠性分析具有一定的參考價值。

關鍵詞：微納衛星;可靠性;統計分析;性能退化;多源信息融合;貝葉斯

中圖分類號：V240.2? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）09-0027-03

開放科學（資源服務）標識碼（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

可靠性是指產品在規定條件和規定時間內，完成規定功能的能力[1]。隨著航天技術的發展，微納衛星應用領域不斷擴大，對微納衛星的可靠性要求也越來越高。微納衛星屬于長壽命產品，通常采用星座組網和編隊飛行的分布式理念來完成特定功能。當有衛星失效時，需要及時對星座和飛行編隊進行補星操作。補星時間過早，會造成資源浪費，補星時間過晚，則星座或編隊的功能失去保證，所以需要對微納衛星進行及時準確的可靠性評估來確定合適的補星時間。

通常使用分層分級的思想來對微納衛星系統進行可靠性分析。利用可靠性框圖清晰方便地展示系統內部結構，將系統的可靠性指標寫成單機可靠性指標的函數，求出單機的可靠性指標，結合對應的數學模型，進而可以求出系統的可靠性指標。

2微納衛星簡介

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

（1）微機電系統是一個獨立的智能系統，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。

（2）采用多維集成技術，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都集成在一起，從而降低重量和體積，減少耗能。

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

微納衛星重量輕、體積小，隨著“一箭多星”技術的發展，研制費用和發射成本顯著降低，具有極強的空間生存能力、快速響應以及覆蓋范圍廣等獨特優勢。

3衛星產品可靠性特點

衛星從研制到發射再到進入預定軌道發揮正常功能，需要經受復雜多樣的環境考驗。比如，運輸過程中的振動、發射過程中的沖擊以及進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，從而對衛星造成不同程度的損傷，降低其可靠性。與一般產品相比，衛星產品可靠性具有以下特點：

（1）長壽命。由于一顆衛星從研制到生產再到升空，需要耗費大量人力物力，成本極高，再加上需要執行任務的時間一般都是長達數年，這就要求衛星產品具有很長的壽命。

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

（3） 不可修。衛星一旦發射升空，就無法再對星上產品進行更換和維修。

4微納衛星系統可靠性評估方法

微納衛星通常由不同的分系統組成，以我國清華大學研制的“NS-1”納衛星為例，包括電源分系統、遙測遙控（TTC）分系統、納衛星上計算機（OBC）分系統、姿態確定與控制分系統（ADCS）、結構分系統、射頻（RF）分系統、GPS分系統、相機分系統和推進分系統[2]。不同的分系統由不同的單機通過一定方式連接構成。比如姿控分系統包含的單機有處理器、磁強計、動量輪和磁力矩器。連接方式包括串聯、并聯、（r/n）表決和儲備，其中根據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系統可靠性建模

系統可靠性建模是指建立可靠性框圖及其數學模型，建立各級產品的可靠性模型，目的是定量評價產品可靠性[4]。幾種典型的可靠性框圖和對應的數學模型如表1所示。

建立系統的可靠性框圖，可以清晰地展示系統的層次結構，通過計算已知單機的可靠性特征量，并根據單機所在的層次及其連接方式，進而可以求出系統的可靠性特征量。

4.2單機產品可靠性評估方法

4.2.1基于統計分析的方法

利用統計分析的方法對微納衛星單機進行可靠性評估，是一種基于失效時間或失效數進行可靠性建模的方法。通常包含以下步驟：

（1）收集產品的失效時間數據;

（2）利用統計方法判別失效時間數據符合的壽命分布模型，常見的分布包括指數分布、威布爾分布、正態分布和對數正態分布等;

（3）根據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估計;

（4）對參數進行擬合優度檢驗，選擇接受或拒絕原假設;

（5）通過參數的估計值和所選分布計算出產品的可靠度和平均壽命等可靠性指標。

基于統計分析的方法計算簡單，根據步驟（1）～（5）可直接計算出單機產品可靠性指標，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，產品隨著工作時間的增加，性能參數也在動態發生變化，傳統的查找可靠性手冊來確定產品失效率的方法具有很大的局限性，不能滿足對產品在運行期間進行可靠性準確評估的要求。

基于性能退化的可靠性分析方法的步驟包括[5]：

（1）失效機理分析。

不同的產品具有不同的失效機理，如過應力、疲勞斷裂、磨損和腐蝕等機理。分析失效機理主要用來定性說明導致產品失效的原因，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。確定退化量是進行后續可靠性分析的前提。

（3）退化數據收集與處理。

收集產品退化量參數的退化數據，利用相應的數據處理方法剔除異常數據，并對數據特征進行提取。

（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合Poisson過程的退化模型。

（5）可靠性指標計算。

根據產品的失效閾值和建立的性能退化模型，求出產品壽命分布參數，計算出產品的可靠性指標。

基于性能退化的可靠性分析方法，在失效數據樣本不足甚至無失效數據的情況下，利用產品在使用過程中的狀態信息，通過對關鍵性能參數進行建模分析可以得到精度較高的可靠性結果，更符合工程實際。

4.2.3基于多源信息融合的方法

微納衛星可靠性數據雖然體現出小子樣特點，但是有多種來源，包括歷史失效數據、仿真數據、相似產品信息和專家信息[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據進行融合，其大致過程如下：

（1）收集多種來源的可靠性信息，得到未知參數不同形式的先驗分布 ;

（2）對多種先驗分布進行相容性檢驗;

（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）求出現場試驗數據的似然函數形式，結合綜合先驗分布得到后驗分布;

（5）根據后驗分布對參數進行貝葉斯推斷，求出可靠性指標。

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

5結束語

微納衛星以其自身優點能夠有效增強空間優勢，本文通過分析微納衛星的可靠性特點，介紹了微納衛星系統單機可靠性評估的常用方法，包括基于統計分析、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，根據系統可靠性框圖和數學模型，利用單機的可靠度和平均壽命等可靠性特征量，進而求出微納衛星系統的可靠性特征量，為微納衛星系統的可靠性評估提供參考。

參考文獻：

[1] 王超，閆永剛，劉清饒.可靠性分析及其在飛機零件分布中的應用[J].電腦知識與技術，2012，8（25）：6149-6151.

[2] 尤政.空間微系統與微納衛星[M].北京：國防工業出版社，2013：16-36.

[3] 姜興渭.可靠性工程技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2005.

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

[5] 金光.基于退化的可靠性技術：模型、方法及應用[M].北京：國防工業出版社，2014.

[6] 劉本紀，龔時雨.Bayesian可靠性評估中多源信息融合的概率模型方法[J].電子產品可靠性與環境試驗，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平臺可靠性評估研究[J].測控技術，2013，32（2）：133-136.

【通聯編輯：梁書】