机载动中通卫星通信系统可靠与安全性分析

周宏新 史军良 孙士泉

（北京航天控制仪器研究所 北京）

一、概述

现代战争需要适时、全面、可靠的通信保障，离不开陆海空天一体的综合信息系统。动中通（同步卫星移动通信，俗称动中通）卫星通信作为这个系统中重要的组成部分，受到各国高度重视。目前车载、船载、机载等动中通卫星通信系统得到广泛应用，由于机载设备安装使用的特殊情况（一旦出现事故将是灾难性的），要充分考虑机载设备的可靠性和安全性。

安全性与可靠性的关系。产品不安全，从而产品可靠性也难以实现；产品是安全的，但产品未必可靠；产品不可靠，可能引起安全事故；产品是可靠的，但产品未必安全。因此，可靠性是安全性的基础，要保障产品的安全性，首先就要保证产品的可靠性，减少或根除产品的故障危险源；在保证产品可靠性的基础上，还要同时保证产品的安全性，必须进一步控制产品中存在的诸如电磁辐射、电磁干扰、空气动力学特性等一般性危险源；在采取安全性措施时，不可引入降低可靠性的因素。

二、机载动中通卫星通信系统可靠性

对机载动中通卫星通信系统进行可靠性设计与分析，有助于检查设计方案的合理性，选择既能满足性能和可靠性要求，又能达到最好的经济效益的最佳方案、藉此发现设计上存在的缺陷和可靠性薄弱环节。以便采用有针对性的可靠性设计技术，提高零部件的优选点、工艺筛选等要求以及其他可靠性改进措施，从而保证可靠性指标的实现。

机载动中通卫星通信系统可靠性设计及分析包括系统的基本结构、可靠性模型、可靠性预计、并将可靠性落实到各个具体环节，保证可靠性指标的实现。

1.可靠性技术指标

连续工作时间≥24 h，平均无故障工作时间MTBF≥500 h。设备故障率λs=24/500=48×10-3/h。连续工作24 h的可靠度R（4）=e-24/500=0.953。

2.可靠性基本措施

在设计中把可靠性设计放在首位，力求简单、可靠，尽量利用国内外成熟的技术。设计中重视部件或设备之间的接口协调及接口可靠性分析，避免因接口关系与边界条件考虑不周影响系统的可靠性。

产品设计分析组成产品的各项设备、组件、零件或元器件的机械、物理或电性能等各种偏差的组合，对产品（或设备、组件）的功能、性能等可靠性的影响，以便合理确定各种偏差的允许范围。产品设计按有关规范进行屏蔽、搭接、接地、隔离、电缆分束等设计以确保电磁兼容性。增加雷雨季节保护要求及抗静电场的设计要求。

设备、仪器尽可能采用密封措施，防止潮气影响。采用密封措施时，注意散热和消除在产品内部造成腐蚀条件的各种因素。分析电路在瞬态过程引起的瞬时过载，加强瞬态保护电路设计。防止元器件失效，选择接触良好的继电器和开关，考虑截断峰值电流，以及通过的最小电流和最大可接受的接触阻抗。

三、机载动中通卫星通信系统安全性

安全稳定性是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。所以，安全稳定性是产品质量的时间指标，是产品性能能否在实际使用中得到充分发挥的关键之一。安全稳定性设计必须与机电产品的功能设计同步进行，设计人员必须明确可靠性设计的目的并掌握可靠性设计的方法。安全性设计主要考虑4方面问题。

（1）制定详细的安全性工作计划。制定详细的安全性工作计划，包括执行工作计划的方法、合格的人选、各级管理部门的职责以及确保工作完成所需的资源等。

（2）系统危险性分析。进行系统危险性分析并记录成文，确定系统设计中有安全问题的部位，特别是分系统之间的接口的危险（包括可能的安全性关键的人为差错）并评价其风险，确定系统的使用和故障模式对系统及其分系统的影响。

（3）针对危险性分析记录采取相应的防护措施。针对系统容易出现的安全隐患采取防护措施，如伺服控制系统中电机有可能出现飞转，会造成设备损坏和人员伤害，因此在设计中增加了伺服系统限位功能，有软件限位和机械限位双重保护。

（4）元器件的选择。元器件的选择是机电产品安全可靠性的基础之一，很多机电产品的失效是由于元器件的性能和质量问题造成的。元器件的选用原则元器件的选用要遵循下述原则：根据产品要实现的功能要求和环境条件，选用相应种类、型号规格质量等级的元器件；根据元器件使用时的应力情况，确定元器件的极限值，按降额设计技术选用元器件；根据产品要求的可靠性等级，选用与其适应的并通过国家质量认证合格单位生产的元器件；尽量选用标准的、系列化的元器件，重要的关键件应选用军用级以上的元器件；对非标准的元器件要进行严格的验证，使用时要经过批准。

四、系统可靠与安全性的一些主要措施

1.保守设计思想

机载卫星通信系统设备及元器件的选择尽量采用经过车载、船载动中通系统的成熟技术，并在计算机上进行大量的模拟实验找出设计中存在的安全隐患，采取措施彻底消除隐患并提高可靠性。

2.供电系统设计

由于卫星通信系统供电需要采用机载电源，设计时卫星通信系统要使用单独一路电源，不能和飞机上其他设备混用，并采取电源隔离、滤波等措施，避免卫星通信系统故障造成飞机飞行故障。

3.机载动中通卫星通信天线罩的设计

机载动中通卫星通信天线罩的主要的作用与设计要求：一是保持载机良好的气动外形；二是保护机载卫星通信天线，以免天线受到气动环境的不良影响，是卫通天线能在恶略环境下正常工作。在暴风雨、冰雹、闪电、飞鸟及雪等条件下保护天线；三是在电气性能上，要求卫星通信天线罩对天线工作频率透明。

4.电磁兼容设计

由于机载动中通卫星通信天线工作在电磁环境较为恶劣的场合，因此要求系统的抗干扰能力较强，同时系统自身的电磁辐射较小（除天线发射载波外）。为了适应飞机上复杂的使用环境，必须对机载动中通卫星通信天线的电磁兼容性进行严格的分析、实验与设计。

为了减少飞机上电源的浪涌对于卫星通信天线电气设备的冲击影响，需要在系统电源控制机箱内加装电源滤波器。但是此类滤波器通过接地平面为结构（共模）电流提供低阻抗通路，使这种电流可能耦合到同一接地平面的其他设备中去，造成电磁干扰，因此在系统设计时选用电容＜0.1 μF的电源滤波器。

针对不同信号进行不同处理，尽可能做到高中低频率、大中小功率合理安排层次，使分布电容产生的干扰降低到最小。具体处理可从3方面着手。

（1）Ku波段。信号在系统内通过波导和关节传输，安装在伺服机构上的硬波导、功放和天线之间的软波导、天线底部的旋转关节。这些波导和关节严格密封、各波导之间连接可靠，不留缝隙，是Ku波段射频信号只在波导和关节内传播，降低对系统内的其他设备的影响。

（2）L波段。信号用军品同轴射频电缆传输，严格屏蔽，屏蔽壳最后接地，电缆静态电容、特性阻抗及衰减符合要求。

（3）通信信号通过军品屏蔽绞线传输，接插件采用军品金属外壳的接插件，其金属外壳与屏蔽绞线的屏蔽层可靠连接，屏蔽壳最后接地。除此之外，在原理设计上使用差动方式，减少外界干扰对信号的影响。

5.故障隔离措施

电器系统应当按照故障“工作/故障”安全的设计原则设计，出现单个故障仍能完成任务、卫星通信系统故障不能威胁到飞机的飞行安全。为此其中大量的关键零部件采用冗余设计原则。

6.其他措施

以上都是从系统设计方面的考虑，实际上机载动中通卫星通信系统的可靠性与安全性要从设计、生产到应用的全过程去保证。严格各个环节的质量和可靠性管理。除了可靠性原则设计和评审外，还应当加强工艺技术工作，严格生产过程的质量控制以及质量管理，此外还应加强地面试验工作及进行必要的飞行试验。

五、结论与展望

机载环境对动中通卫星通信系统提出了很高的要求，既要保证产品的卫星通信的性能，又要保证产品的绝对安全。为此，国内外机载动中通卫星通信系统设计，采取了大量有效措施，使得机载动中通卫星通信产品取得长足进步，相信以后会更加成熟、安全、可靠。