CN104200070B - 一种卫星设计过程中各分系统故障率分配方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星设计过程中各分系统故障率分配方法，利用卫星设计参数中的分系统数量、分系统设备数量、设备继承性类别等信息，综合对卫星各分系统在复杂度、继承度、同一平台卫星在轨故障情况、任务时间长短和研制周期长短5个方面进行量化比较，计算出各分系统的分配因子，将用户对卫星总体的可靠性要求合理地分配给各分系统。该方法由航天东方红卫星有限公司机热工程部提出，经过在数个卫星上的初步推广使用，指标分配合理准确，研制过程中指标没有发生较大的二次调整。通过使用该方法，卫星总体对各分系统的可靠性指标要求更复合产品工程研制的实际情况，更利于产品的可靠性改进和保证卫星总体可靠性目标的实现。

Description

一种卫星设计过程中各分系统故障率分配方法

技术领域

本发明涉及一种卫星设计过程中各分系统故障率分配方法，属于卫星总体设计技术领域。

背景技术

可靠性指标是对产品可靠性要求的一个量化表示，可靠性指标分配是系统可靠性设计中的一个重要环节。在航天领域，一般由用户对卫星总体提出整星的可靠性指标要求，卫星总体再将用户的指标进行分解，分配给各个分系统、设备和更底层的产品。

目前国内卫星总体的可靠性分配主要是采用相似产品法，一种经验方法，即参考已发射卫星的可靠性分配情况，然后再结合实际情况略作修改。实际的分配过程中，既没有数学模型，也没有标准的计算公式，主观随意性较大。更没有方法对分配的结果进行有效的评估，导致很多卫星型号在研制初期开展的可靠性指标分配不合理、不准确，很多分系统直到初样阶段末期，才发现指标不合适，需要重新修改可靠性指标，进而迫使整星修改分配方案。这时大部分产品都已完成初样设计，再修改指标牵涉产品太多，代价巨大。

可靠性分配应与可靠性预计迭代交叉进行，以便能够在指标分配之前粗略了解各产品的可靠性水平，在指标分配之后能预估各产品是否能够在正样阶段达到总体所要求的可靠性指标。但是，在目前的卫星型号工作中，在方案阶段卫星总体进行可靠性分配之前，很少有产品主动开展可靠性预计工作。一般产品都继承以前相似型号的可靠性指标要求，即使产品实际的可靠性水平已经提高了很多，也不愿意提高指标要求。相似产品法反而成为研制单位因循守旧，不愿意提高产品可靠性指标的借口。

综上所述，目前国内卫星可靠性指标分配与产品研制脱节较严重，可靠性分配过于主观化，没有成熟的数学模型和计算公式，分配的可靠性指标要求对产品设计的约束力不大，对产品的可靠性增长也基本没有约束力。因此，急需一种适用于卫星总体的可靠性分配方法，来合理分配可靠性指标，促进航天产品可靠性不断增长。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星设计过程中各分系统故障率分配方法，综合考虑了产品复杂度、设备继承性、在轨型号故障情况、任务时间长短和研制周期长短5方面因素，将用户对卫星的可靠性要求从卫星总体合理分配给各分系统。

本发明的技术解决方案是：

一种卫星设计过程中各分系统故障率分配方法，步骤如下：

(1)根据卫星设计参数，确定用户对卫星的任务时间要求T_整星，任务时间末期可靠度要求R，卫星包含的分系统数量n、每个分系统内包括的设备数量num、每个设备的继承性类别、各分系统的研制周期、整星的研制周期和各分系统的在轨任务时间；根据同一平台已发射卫星的在轨运行情况统计，确定同一平台已在轨卫星中，第i分系统的累计在轨故障次数N_Fi；

所述分系统内设备的继承性类别分为A、B、C、D、E五个类别，E类又分为E-A、E-B、E-C和E-D四类；

(2)将用户可靠度要求R按照公式换算成故障率要求

(3)计算卫星上各分系统之间相对复杂度因子c_i；

(4)计算卫星上各分系统的继承度因子m_i；

(5)计算卫星上各分系统的在轨保证能力因子h_i；

(6)通过公式计算卫星上各分系统的任务时间因子t_i，其中，T_i为第i个分系统的累计工作时间，T_整星为整个卫星任务时间；

(7)通过公式计算卫星上各分系统的研制周期因子d_i，其中，D_i为各分系统的研制周期，D_整星为整星的研制周期；

(8)通过公式确定分配给每个分系统的分系统故障率其中，卫星系统故障率为G_i为第i分系统的故障率分配系数，

式中：为第i分系统的分配因子，为卫星系统的分配因子，

(9)将各分系统的故障率分配值按照公式换算成对各分系统任务时间末期的可靠度要求，R_i为对第i分系统任务时间末期的可靠度要求，T_i为第i个分系统的任务时间。

(10)将对各分系统的任务时间末期的可靠度要求R_i通过技术要求或任务书的形式下发给各分系统，作为分系统研制的依据之一。

所述步骤(3)中计算卫星上各分系统之间相对复杂度因子c_i具体为：

通过公式

计算各分系统之间相对复杂度因子c_i，其中，n为卫星上分系统的数量，C_i为第i个分系统的复杂度，且num为该分系统内部设备数量，L_j为第j个设备的关系线数，关系线是指分系统内的设备与另一设备之间存在功能协作关系，第j个设备的关系线数即为第j个设备与其他设备之间存在的关系线的总数。

所述步骤(4)计算卫星上各分系统的继承度因子m_i具体为：

通过公式计算各分系统的继承度因子m_i，其中，n为卫星上分系统的数量，M_i为第i分系统的继承度，且有

num为该分系统内部设备数量，I_j为该分系统内第j个设备的继承度，按该设备的继承性类别从表一中取值，

表一：

所述步骤(5)计算卫星上各分系统的在轨保证能力因子h_i具体为：

第i个分系统的在轨保证能力因子即为所有同一平台已在轨卫星中第i个分系统在轨故障次数总和与所有同一平台已在轨卫星的各分系统在轨故障总数的比值：

式中，n为卫星上分系统的数量，N_Fi为所有同一平台已在轨卫星中第i分系统在轨故障次数总和。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)在本方法中，综合考虑了各分系统复杂度、继承度、在轨保证能力、任务时间长短和研制周期长短5个方面的因素，这5个方面对各分系统的可靠性影响最显著。越复杂的产品越难以实现高可靠，对其的可靠度要求不宜太高，否则实现的成本巨大；技术继承性差的产品，其可靠性水平也不会太高，也不宜对其提出过高的可靠性要求；同一平台在轨卫星中，故障次数较多的分系统，其可靠性实际水平也不会突然大幅度提高，因此对于在轨故障次数较多的分系统，也不宜提出过高的可靠度要求；产品可靠度是随时间衰减的，任务时间越长的分系统，应该分配给其相对较低的可靠度要求；研制周期较长的分系统，一旦指标达不到要求，需要修改设计，就会严重影响整星进度，因此对其的可靠度要求也不能过高。5个影响因素的提出，初步解决了卫星总体可靠性指标分配与各分系统研制实际情况相脱节的问题。

2)采用定量化的计算方法，利用卫星设计参数和同一平台已在轨卫星的故障信息，准确计算出每个因素的分配因子，所有的分配因子均由客观的设计参数和客观统计信息通过统一的公式计算而得，分配计算过程杜绝了主观成分，使得结果更客观可信。针对每个因素的定量化计算方法，解决了以往经验分配方法中存在主观性的问题。而且关于各分系统复杂度的计算方法，可以进一步扩展应用到卫星总体其他的方案决策和分系统比较中。

3)本方法中卫星对各分系统的指标分配结果均由卫星设计参数和同一平台已在轨卫星实故障信息通过合理的模型公式计算得到，对各分系统的指标要求充分考虑了其在复杂度、技术不成熟度、在轨保证能力、任务时间长短和研制周期长短5个方面实际情况，以工程实际数据作为依据，基本杜绝了以往经验分配方法中存在的因循守旧，分系统研制单位不愿意提高产品可靠性指标的情况。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明分系统内各设备的关系线示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种卫星设计过程中各分系统故障率分配方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据卫星设计参数，确定用户对卫星的任务时间要求T_整星，对任务时间末期的可靠度要求R，卫星包含的分系统数量n、每个分系统内包括的设备数量num、每个设备的继承性类别、各分系统的研制周期、整星的研制周期和各分系统的在轨任务时间；根据同一平台已发射卫星的在轨运行情况统计，确定同一平台已在轨卫星中，第i分系统的累计在轨故障次数N_Fi；

用户对卫星的任务时间要求，即卫星的在轨寿命要求，一般在卫星用户向卫星研制单位下达的研制总要求里明确规定；任务时间末期的可靠度要求也由用户在该文件内明确规定。

所述分系统内设备的继承性类别，根据卫星研制程序，星上设备按照继承性的差别分为A、B、C、D、E五个类别：

A类设备是指完全继承已经通过鉴定的设备，在设计、制造、元器件、工艺、材料、生产单位等方面没有更改，其设计规范和技术要求均不高于被继承设备，不需进行鉴定试验，只需进行验收试验；

B类设备是指继承已经通过鉴定的设备，在设计、制造、元器件、工艺、材料、生产单位等方面均没有较大的更改，当继承设备的使用环境或性能要求不高于被继承设备时，需进行验收试验或准鉴定试验，当继承设备的使用环境或性能要求高于被继承设备时，需进行准鉴定试验或补充鉴定试验；

C类设备是指继承已经通过鉴定的设备，但在设计、制造、元器件、工艺、材料、生产单位等方面有较大更改的设备，需进行相应的补充鉴定或全面的鉴定试验；

D类设备是指新研制的设备，需进行全面鉴定试验；

E类为引进设备(进口设备)，按照A、B、C、D的分类原则，E类又进一步细分为E-A、E-B、E-C和E-D四类，继承性的差别按照上面A、B、C、D类的定义。

分系统研制周期是指从分系统任务书下达到分系统产品交付的时间间隔，一般在卫星总体下达的分系统任务书里会有明确规定。

整星研制周期是指从卫星用户的研制任务书下达到卫星发射入轨的时间间隔，一般在卫星用户下达的研制任务书里会有明确规定。

各分系统在轨任务时间是指根据卫星方案设计，每个分系统需要的在轨累计工作时间，一般在卫星总体下达的分系统任务书里会有明确规定。

同一平台已在轨卫星，是指与当前进行可靠性分配的在研卫星采用同一平台的已发射卫星，这些卫星上各分系统的在轨故障情况，表征了各分系统的实际可靠性保证水平，在研卫星的可靠性分配应该充分考虑这一实际情况。

(2)将任务时间末期可靠度要求R按照公式换算成卫星系统故障率

(3)计算卫星上各分系统之间相对复杂度因子c_i；具体为：

通过公式

计算各分系统之间相对复杂度因子c_i，其中，n为卫星上分系统的数量，C_i为第i个分系统的复杂度，且num为该分系统内部设备数量，L_j为第j个设备的关系线数，关系线是指分系统内的设备与另一设备之间存在功能协作关系，第j个设备的关系线数即为第j个设备与其他设备之间存在的关系线的总数。

影响分系统复杂度的因素主要是分系统设备数量和设备之间的拓扑结构。以分系统中每个设备为基本单元，如果两个基本单元之间存在功能配合关系或非功能性的力学关系、热学关系等，就在这两个单元之间连接一条关系线。计算分系统内所有设备关系线数量的总和，就是对分系统复杂度的一个表征。

如某分系统由5个单元组成，各单元之间的关系线如图2所示。则该分系统的各单元关系线数量为：L_A＝4，L_B＝4，L_C＝2，L_D＝3，L_E＝3。该分系统的复杂度为分系统内设备关系线数的总和C＝4+4+2+3+3＝16。

(4)计算卫星上各分系统的继承度因子m_i；

具体为：

通过公式计算各分系统的继承度因子m_i，其中，n为卫星上分系统的数量，M_i为第i分系统的继承度，且有

num为该分系统内部设备数量，I_j为该分系统内第j个设备的继承度，按该设备的继承性类别从表一中取值，

表一：

继承性类别	继承度Ij
		A类、E-A类	1
B类、E-B类	2
		C类、E-C类	4
D类、E-D类	5

为了便于卫星可靠性分配公式的计算，继承性越高的设备，继承度取值越小。考虑到C类产品与B类产品差别相比B类产品与A类产品之间的差别大，故继承度取值上B类和C类之间差别大一些。

(5)计算卫星上各分系统的在轨保证能力因子h_i；

具体为：

第i个分系统的在轨保证能力因子即为所有同一平台已在轨卫星中第i个分系统在轨故障次数总和与所有同一平台已在轨卫星的各分系统在轨故障总数的比值：

式中，n为卫星上分系统的数量，N_Fi为所有同一平台已在轨卫星中第i分系统在轨故障次数总和；N_Fi的统计截止时间应距离开展可靠性分配时间不超过一个季度。

(6)通过公式计算卫星上各分系统的任务时间因子t_i，其中，T_i为第i个分系统的任务时间，T_整星为整个卫星任务时间；

(7)通过公式计算卫星上各分系统的研制周期因子d_i，其中，D_i为各分系统的研制周期，D_整星为整星的研制周期；

(8)通过公式确定分配给每个分系统的分系统故障率其中卫星系统故障率为G_i为第i分系统的故障率分配系数，

式中：为第i分系统的分配因子，为卫星系统的分配因子，将第(3)～(6)步骤计算出的每个分系统的各因子相乘即得到分系统分配因子，将各分系统的分配因子求和即得到整星的分配因子。

(9)将各分系统的故障率分配值按照公式换算成对各分系统任务时间末期的可靠度要求，R_i为对第i分系统任务时间末期的可靠度要求，T_i为第i个分系统的任务时间。

将卫星总体对各分系统的任务时间末期的可靠度要求R_i通过技术要求或任务书的形式下发给各分系统，作为分系统研制的依据之一。每个分系统再将R_i分配给分系统内的各台设备，作为各台设备研制目标。

在各设备的设计和研制过程中，需要建立起元器件级的设备可靠性模型，通过元器件的故障率和应力水平等参数来开展设备的可靠性预计，预计设备的可靠度。如果设备的可靠度预计值达不到分系统分配的可靠度要求值，则该设备需要进行更改设计或者更换底层元器件。比如在该设备可靠度较低的功能模块增加备份，或者选用质量等级更高、故障率更低的元器件。改进之后再次开展设备级的可靠性建模和预计，如果设备的可靠度预计值仍然达不到分系统分配的可靠度要求值，则分析该设备要满足分系统可靠度要求的代价是否太高。如果代价可以接受则继续迭代改进，直到改进后设备的可靠度预计值满足要求；如果代价太高，无法接受，则请求分系统降低对该设备的可靠度要求。

在分系统的设计和研制过程中，需要建立起设备级的分系统可靠性模型，通过分系统内各设备的可靠度预计值和分系统可靠性模型，预计分系统的可靠度。如果分系统的可靠度预计值不满足卫星总体对该分系统的任务时间末期的可靠度要求，则需要分析分系统可靠度预计值不满足指标要求的环节，进行改进，如责令不满足可靠度要求的单机设备进行改进或更改分系统的设计方案。如果不满足可靠度要求的单机设备采用改进设计后仍然无法满足指标要求，或者单机设备要满足分系统可靠度要求的代价过高，则降低对该设备的可靠度要求，通过改进分系统方案设计，从其他方面来提高分系统可靠度，直到分系统的可靠度预计值满足卫星总体对该分系统的任务时间末期的可靠度要求。

因此，卫星总体对各分系统的任务时间末期的可靠度要求R_i直接影响着分系统的设计方案、分系统内各台设备的设计方案和元器件的选型。而设计方案和元器件的选型一定程度上又影响着整个卫星的成本和研制进度。因此合理分配可靠性指标是一项非常重要的工作，本发明正是针对上述问题，提供了一个合理的由卫星总体向各分系统分配可靠性指标的方法。

Claims (3)

1.一种卫星设计过程中各分系统故障率分配方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据卫星设计参数，确定用户对卫星的任务时间要求T_整星，任务时间末期可靠度要求R，卫星包含的分系统数量n、每个分系统内包括的设备数量num、每个设备的继承性类别、各分系统的研制周期、整星的研制周期和各分系统的在轨任务时间；根据同一平台已发射卫星的在轨运行情况统计，确定同一平台已在轨卫星中，第i分系统的累计在轨故障次数N_Fi；

所述分系统内设备的继承性类别分为A、B、C、D、E五个类别，E类又分为E-A、E-B、E-C和E-D四类；

(2)将任务时间末期可靠度要求R按照公式换算成卫星系统故障率

(3)计算卫星上各分系统之间相对复杂度因子c_i；

(4)计算卫星上各分系统的继承度因子m_i，具体为：

通过公式计算各分系统的继承度因子m_i，其中，n为卫星上分系统的数量，M_i为第i分系统的继承度，且有

num为该分系统内部设备数量，I_j为该分系统内第j个设备的继承度，按该设备的继承性类别从表一中取值，

表一：

(5)计算卫星上各分系统的在轨保证能力因子h_i；

(6)通过公式计算卫星上各分系统的任务时间因子t_i，其中，T_i为第i个分系统的任务时间，T_整星为整个卫星任务时间；

(7)通过公式计算卫星上各分系统的研制周期因子d_i，其中，D_i为各分系统的研制周期，D_整星为整星的研制周期；

(8)通过公式i＝1,…,n确定分配给每个分系统的分系统故障率其中，卫星系统故障率为G_i为第i分系统的故障率分配系数，

式中：为第i分系统的分配因子，为卫星系统的分配因子，

(9)将各分系统的故障率分配值按照公式换算成对各分系统任务时间末期的可靠度要求，R_i为对第i分系统任务时间末期的可靠度要求，T_i为第i个分系统的任务时间。

2.根据权利要求1所述的一种卫星设计过程中各分系统故障率分配方法，其特征在于：所述步骤(3)中计算卫星上各分系统之间相对复杂度因子c_i具体为：

通过公式

计算各分系统之间相对复杂度因子c_i，其中，n为卫星上分系统的数量，C_i为第i个分系统的复杂度，且num为该分系统内部设备数量，L_j为第j个设备的关系线数，关系线是指分系统内的设备与另一设备之间存在功能协作关系，第j个设备的关系线数即为第j个设备与其他设备之间存在的关系线的总数。

3.根据权利要求1所述的一种卫星设计过程中各分系统故障率分配方法，其特征在于：所述步骤(5)计算卫星上各分系统的在轨保证能力因子h_i具体为：

第i个分系统的在轨保证能力因子即为所有同一平台已在轨卫星中第i个分系统在轨故障次数总和与所有同一平台已在轨卫星的各分系统在轨故障总数的比值：

$h_i=\frac{N_{Fi}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{N}_{Fi}},i=1,...,n$

式中，n为卫星上分系统的数量，N_Fi为所有同一平台已在轨卫星中第i分系统在轨故障次数总和。