船用电子设备可靠性设计研究

2020-07-29贾起浪汪业术

中国设备工程 2020年15期

贾起浪，汪业术

（中船电子科技（三亚）有限公司，北京 100070）

受空间环境限制，船用电子设备需要在高温、高湿、持续振动的环境中长时间工作，同时还承受着空间电磁干扰。在此情况下，船用电子设备经常发生短路、死机、异常动作等故障，甚至出现冒烟、着火等现象。为解决这一问题，研究人员应当根据船用电子设备实际工作情况提出具有针对性的可靠性设计方案，延长平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF），减少因设备故障带来的损失。

1 船用电子通信设备可靠性设计

作为船舶对外通信的主要工具，船用电子通信设备多为无线模式，一旦出现特殊情况，船员只能通过电子通信设备与外界建立联系，因此，船用电子通信设备可靠性至关重要，这也是船舶出航之前需要对所有电子通信设备进行调试的主要原因。

1.1 电子元器件选型优化

针对无线电子通信设备对自身电路工作品质的要求，在选择元器件时应严格控制其质量，尤其是对于高频电子通信系统，需要明确电子元器件的抗电磁干扰能力。

例如，某半双工短波电子通信设备在切换工作状态瞬间系统会发出异响，其原因是因为送话器切换工作状态瞬间所产生的电磁辐射会对电子通信设备产生干扰，尤其是对存在大量感性电子元器件的电子设备影响最大，由于感性电子元器件起到滤波和防浪涌的效果，在无法取消感性元器件的情况下，则需要选择具有较强抗电磁干扰能力的感性电子元器件。

1.2 电子通信设备功率自适应调整

所谓功率自适应调整，是指电子通信设备可以根据实际工作状态变化而调整自身功率，传统电子通信设备功率固定，长期在额定功率下工作将导致电子元器件寿命缩短，因此，电子通信设备可根据目标通信距离的变化，进行自身功率的自适应调整。然而，这里需要注意的是，电子通信设备功率自适应调整是以牺牲通信距离与通信质量为代价，当电子通信设备通信距离与质量无法达到要求时，操作人员需要及时进行功率匹配，避免因通信系统工作异常导致的风险。

1.3 电子通信设备冗余设计

冗余设计是提高电子装备可靠性的又一重要手段，但是，在过去较长的一段时间里，电子通信设备冗余设计多为全套备份的方式，这种冗余设计不仅成本高，且无法实现智能故障识别与冗余切换功能。电子通信设备冗余设计是根据不同电子设备故障发生的具体数据，确定高频故障类型与相关数据特征，结合故障监视系统的应用，当电子设备实时状态数据与故障数据库中对应故障模型拟合程度超出阈值后，电子通信设备将自动分析故障单元并激活冗余功能，从而保证电子通信设备的正常工作状态。

2 船用惯性单元可靠性设计

惯性单元是船用导航系统的重要电子设备之一，其利用转子的高速旋转所产生的定向性特征为船舶航行指明方向，即使在卫星导航技术高度发展的今天，惯性导航设备依然属于强制安装的电子设备。

2.1 船用惯性单元减振结构与算法设计

船舶航行期间所产生的振动主要为低频振动，惯性单元对低频振动相对敏感性较低，但是，由于低频振动的不规则特性，导致船用惯性导航设备在滤波算法方面无法有效抵消因低频振动对导航精度带来的误差积累，由此造成船用惯性导航设备的精度持续降低，最终需要通过组合导航或多点校准的方式将误差清零。

为解决该问题，传统方法是增加多角度减振设计，通过柔性缓冲的方式将低频振动对惯性导航设备在各方向上的力的作用距离大大缩短，实装验证结果显示，单独采取柔性减振设计并不能够真正解决惯性导航设备的精度问题。并且，由于多角度减震设计导致惯性导航设备安装平台存在横向与纵向位移，反而会降低惯性导航设备的航向与纵、横摇精度。

目前，可推广的船用惯性单元减振结构设计为无转角减震器，其通过横向、纵向两个方向上的独立减振结构设计，吸收惯性导航设备所受到的振动分量，并且，针对机械惯性导航设备，可采用龙门架结构设计将低频振动与核心组件进行二次隔离。同时，根据船用惯性单元减振结构的设计情况，优化导航软件中滤波算法，对因低频振动激励的误差进行处理，保证惯性单元的可靠性。

2.2 船用惯性导航设备温度控制系统设计

与其它电子设备不同，为保证导航精度，船用惯性导航设备需在静水状态下启动，即便采取了双机备份的设计，也无法避免在连续工作状态下温度持续升高导致的各种故障，因此，船用惯性导航设备可靠性水平与其温度控制能力有着直接关系。以日本产TG-8000/8000I型电控罗经为例，其温度控制系统沿用了传统的电加热技术与风循环制冷技术，虽然，大规模集成电路的应用有效降低了设备功耗，但是，由于电控罗经工作特点，转子高速转动摩擦产生大量热量，风循环制冷在温度控制方面明显滞后，电控罗经温度变化区间较大，以致因温度漂移带来的导航误差。

为提高电控陀螺罗经的温度控制效率，保证其可靠性，研究人员可选用更加高效、稳定的半导体温度控制系统，半导体温度控制系统原理如图1。

图1 半导体制冷示意图

由图1所示，通过外加电源的方式，实现N型、P型半导体内部电子迁移，同时，利用温度反馈控制技术，对直流电源电压进行调整，最终达到惯性导航设备温度精准控制目的。相比较传统温度控制技术来说，半导体温度控制系统利用数字反馈控制技术，使温度控制效率更高、实时性更好，船用惯性导航设备可靠性将得到明显提升。

3 船用GPS定位系统可靠性设计

惯性导航设备是基于陀螺仪、加速度计等传感器进行无源定位推算实现定位的，船用GPS定位系统则是通过接收卫星信号的方式进行定位，因此，GPS定位系统的可靠性极为重要。

在实际使用过程中，GPS定位系统经常出现信号丢失、数据发送失败等故障，对船舶航行安全带来了极大隐患。GPS定位系统之所以出现此类故障，其原因多由上层建筑物遮挡GPS信号接收器所导致，可通过调整船舶航向或GPS安装位置解决。除此之外，也存在可靠性设计方面的问题，即GPS信号接收器密封性设计较差，导致潮湿空气和海水进入接收器内部，造成接收器内部电路短路、腐蚀。针对这一问题，设计人员需要严格检查GPS接收器的密封情况，对使用过程中存在密封性下降的GPS接收器及时进行密封处理，避免因密封问题导致的GPS定位系统故障。