可靠性分配在机载相控阵雷达研制中的应用

彭兆春，李小萍

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

随着雷达理论和技术的快速发展，相控阵技术因其具有诸多优势在雷达装备的研制中得到了广泛的应用[1-2]。机载雷达作为载机探测目标的重要传感器，也越来越多地采用相控阵技术，机载相控阵雷达已成为现代机载雷达的主流产品。受载机平台的限制，对雷达的重量、体积、功耗和工作环境的要求极为严苛，其可靠性问题日益凸显。如何实现高可靠性设计已成为雷达系统设计的关键，这直接影响着雷达的战备完好性和任务成功性，以及武器装备的作战效能。可靠性分配是进行可靠性设计的基础，通过可靠性分配可以使产品的设计人员尽早地明确可靠性设计的要求，将可靠性指标与性能指标同步纳入设计目标，根据要求估算产品研制所需的人力、物力、时间和费用，合理地配置资源，以期缩短产品的研制周期、节约成本、提高产品质量[3-4]。本文以某型机载相控阵雷达为例，综合运用现有常用的可靠性分配方法，按照系统工程的设计思想，逐级开展雷达系统级、分系统级和单元级的可靠性分配，最终将指标分配到雷达模块级，并对分配结果进行符合性验证。

1 可靠性分配的定义及分配程序

可靠性分配是将使用方提出在研制合同或任务书中将规定的可靠性指标，自顶向底、由大到小、从整体到局部逐级地分配至规定的产品层次（分系统、单元和模块等）。可靠性分配遵循系统工程设计思想，它是一个自上而下的演绎分解过程，上一层次产品的可靠性分配值将作为下一层次产品可靠性的定量要求。

机载相控阵雷达属于典型的任务电子系统，由多个分系统、单元及模块组成，在进行可靠性指标分配时，遵循以下程序：

1）明确使用方提出的可靠性参数指标要求；

2）确定系统组成，绘制系统可靠性框图；

3）进行系统层级定义，分析系统各个组成的特点；

4）选择合适的可靠性分配方法；

5）按系统级、分系统级和单元级逐级地进行可靠性指标分配计算；

6）进行可靠性指标的符合性验证及指标调整。

2 可靠性分配方法

在型号研制过程中，常用的可靠性分配方法主要有等分配法、评分分配法、比例组合分配法和工程加权分配法[5-7]。

2.1 等分配法

在产品设计初期，当缺少确定的系统信息或产品定义尚不明确时，采用最简单的等分配法进行可靠性分配是可行的。等分配法是将系统给定的可靠性指标按产品各个单元组成进行指标的均等分配。

假设产品由n个串联的单元组成，各个单元寿命均服从指数分布，产品给定的可靠性指标为λ*s，则各个单元分配的可靠性指标λ*i为：

等分配法虽然简单，但并不合理，因为在产品的实际设计中，各个单元的内部组成不同，可靠性水平会存在差异，很难出现均等的情况。但对于由多个相同单元组成的系统，将该类系统可靠性指标分配至下一级单元可采用等分配法。

2.2 评分分配法

评分分配法是在系统各个组成单元可靠性数据非常缺少的情况下，通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的重要因素进行评分，综合分析各个因素的评分值从而获得系统各个组成单元间的可靠性相对比值，并根据相对比值将系统可靠性指标分配给各个组成单元。

评分分配法通常考虑的因素包括复杂度、技术水平、重要度、工作时间和环境条件等。各个因素的评分原则以产品失效率作为分配参数，评分值范围一般取1～10，评分越高说明可靠性水平越差。评分原则如下所述：

1）复杂度，根据组成单元的规模及组装的难易程度来评定；

2）技术水平，根据单元目前的技术水平和成熟程度来评定；

3）重要度，根据单元对系统可靠性影响程度的大小来评定；

4）工作时间，根据单元的工作时间来评定；5）环境条件，根据单元所处环境的恶劣程度来评定。

评分分配法的分配模型如下：

式（2）中：Ci——第i个单元的评分系数。

式（3）中：ωi——第i个单元的评分数；

ω——系统评分总数。

式（4）中：γij——第i个单元，第j个因素的评分数；

j=1——复杂度；

j=2——技术水平；

j=3——重要度；

j=4——工作时间；

j=5——环境条件。

2.3 比例组合分配法

比例组合分配法又被称为相似产品法，根据新老系统间的相似特征，充分地利用老系统的可靠性数据来评估新系统各个组成的可靠性水平。前提条件是新老系统的设计非常相似，包括各个组成单元类型、结构、工艺、材料和使用环境等，新系统只是根据新的情况提出新的可靠性要求。

根据老系统中各个单元的失效率，按新系统可靠性的要求，为新系统各个单元分配失效率，分配模型如下：

式（6）中：λ*i新——分配给新系统第i个单元的失效率；

λ*s新——新系统的失效率；

λi老——老系统第i个单元的失效率；

λs老——老系统的失效率。

2.4 工程加权分配法

工程加权分配法是通过考虑系统多种因素，将各个因素的影响用不同的因子表示出来的一种分配方法。该方法主要用于电子设备的可靠性分配，不需要事先确定各个分系统元器件的具体数量，而只需要大概了解各个分系统间的相对复杂性。分配时考虑的因子主要包括复杂性因子、重要性因子、环境因子、标准化因子、维修性因子、元器件质量因子和技术成熟度因子等，以系统中某个分系统为基准，其加权因子均取值为1，其他各个分系统参照基准分系统选取合适的加权因子。分配模型如下：

式（7）中：Kij——第i个分系统第j个分配的加权因子。

3 某型机载相控阵雷达系统可靠性分配实例

3.1 可靠性指标要求及转换

合同规定的可靠性定量要求为：平均故障间隔飞行小时（MFHBF）≥300 h（成熟期的规定值）。

为了减少可靠性分配的重复次数，在规定值的基础上考虑留有10%的余量，则系统可靠性分配值MFHBFs按330 h进行分配。根据载机一次飞行时间F=6 h，雷达一次任务工作时间S=4 h，计算运行比S/F=4/6，将MFHBFs转换成MTBFs，可得：

由此可知，系统分配的总失效率λs=1/MTBFs=4 545.454 5×10-6/h。

3.2 系统组成及层级定义

某型机载相控阵雷达系统由4个子系统构成，分别是天线子系统、伺服控制子系统、信号处理子系统和电源子系统，其中，天线子系统由2个组成相同的阵面构成。各个子系统在功能上相互独立、缺一不可，建立系统基本可靠性框图，如图1所示，各个子系统的设备组成如表1所示。

图1 雷达系统基本可靠性框图

表1 各个子系统的设备组成

根据表1，将子系统内部组成中所有相同的模块按单元级进行组合，系统各个层级定义及编号如表2所示。

表2 系统层级定义及编号

3.3 分配方法的选择

可靠性指标的分配遵循自上而下的原则，依次按系统级、分系统级、单元级最终将指标分配到模块级。某型机载相控阵雷达属于新研产品，在方案设计阶段，系统定义已明确，各个分系统间的相对复杂性可初步确定，系统级分配采用工程加权分配法；分系统缺乏各个组成单元的可靠性数据，无相似产品参考，分系统级分配选用评分分配法；单元级均由多个相同的模块构成，选用等分配法进行分配。

3.4 分配计算

3.4.1 系统级可靠性分配

系统级可靠性分配采用工程加权分配法，综合考虑各个分系统的复杂性因子、重要性因子、环境因子、标准化因子、维修性因子、元器件质量因子和技术成熟度因子，以天线子系统为基准，其分配的加权因子Kij=1，其他3个子系统根据工程经验选取合适的Kij值，如表3所示。系统级可靠性指标的分配结果如表4所示。

表3 可靠性指标加权因子表

表4 系统级可靠性指标分配结果

3.4.2 分系统级可靠性分配

分系统级可靠性分配采用评分分配法，考虑各个单元的复杂度、技术水平、重要度、工作时间和环境条件，天线子系统、伺服控制子系统和信号处理子系统各个组成单元的评分分配结果分别如表5-7所示。电源子系统由于只含1个单元，其可靠性指标直接分配至该单元。

表5 天线子系统可靠性指标分配结果

3.4.3 单元级可靠性分配

由于各个单元均由相同的模块组成，在此选用等分配法进行可靠性指标分配，分配结果如表8所示。

表8 单元级可靠性指标分配结果

表6 伺服控制子系统可靠性指标分配结果

表7 信号处理子系统可靠性指标分配结果

4 分配结果的符合性验证

为了验证可靠性指标分配的合理性，将雷达各个模块及分系统的可靠性指标分配值与预计值进行比较，结果分别如图2、3所示。

图2 各个模块失效率分配与预计结果比较

从图2、3中可以看出，各个模块和各个分系统的失效率分配值均大于相应的预计值，从而验证了分配结果的正确性。根据图3a，天线子系统的分配失效率最大，与其他3个子系统相比，天线子系统装机了2套阵面，设备规模较大、阵面内部组成复杂、工作环境恶劣（安装于舱外）、标准化和技术成熟度相对较低，因此分配了较低的可靠性指标。根据表5-7的数据，综合考虑各个单元的复杂度、技术水平、重要度、工作时间和环境条件等因素，数字收发单元的失效率分配值最大，主要是因为该单元集成了多个数字收发模块，模块属于自制件，技术成熟度较低，相应的数字收发模块在分配时也分配了较低的指标，符合实际情况。此外，数字收发模块的性能直接影响雷达的功能，结合以上分析，数字收发模块可认为是雷达系统设计的重要部位，因此，在实现性能设计的同时，需重点关注该模块的可靠性设计及指标监控。

图3 各个分系统失效率分配与预计结果比较

5 结束语

可靠性分配是可靠性设计的基础。机载相控阵雷达系统的可靠性分配是一个涉及多因素的决策系统，本文以某型机载相控阵雷达为例，按照系统工程的设计思想，通过建立可靠性框图并对雷达系统进行层级定义和划分，在系统级、分系统和单元级分别选择合适的分配方法，逐级地开展了雷达系统可靠性指标分配。通过将分配结果与预计结果进行对比分析，验证了分配结果的合理性，可以有效地指导机载相控阵雷达系统在研制阶段的可靠性分配工作。