测控基带冗余技术方案的可靠性对比分析

2024-05-06李威

电子设计工程 2024年9期

李威

（中国西南电子技术研究所，四川成都 610036）

多站组网协同、多业务融合、高安全可靠性，已成为未来测控系统建设的基本需求[1-4]。应用可靠性理论对满足高性能要求的测控基带[5-9]进行系统可靠性建模、预计与对比分析，对于测控基带技术的高可靠性、低成本化研究[10-13]，具有重要的现实意义和理论价值。

针对测控基带技术的高可靠性、低成本化研究需求，构建一个适用于测控基带冗余技术方案评价的可靠性对比分析案例，应用可靠性建模预计技术[14-16]，对不同方案中的测控基带系统进行可靠性建模预计和对比分析，完成采用不同测控基带冗余技术方案的系统可靠性评价。

1 测控基带冗余技术方案

1.1 传统测控基带配置方案

传统的中国航天测控系统采用“烟囱”式的系统架构，如图1 所示。

在这种系统构成模式下，每套系统的所有分系统设备部署在测控站内，独立进行测控任务；但各个测控站间无法实现资源融合共享。单套传统测控基带设备内配置有k套采用了FPGA+DSP 架构的信号处理单元，k为满足单站任务要求的配置资源数量，如图2 所示。为了提高航天测控系统的任务可靠性，系统内设备采用双机热备份方式，机箱配套的电源模块、频综模块通常也采用双模块热备冗余的方式，以确保设备的可靠性。

图2 传统基带设备配置

1.2 基于传统测控基带的改进型配置方案

一种低成本化、基于设备内模块级冗余的改进型技术方案，也在工程上被广泛应用，如图3 所示。该技术方案减少了各站系统内部的资源配置需求，但在各个测控站间同样无法实现资源融合共享。

图3 传统航天测控系统的改进型结构

其中，单套传统改进型测控基带设备内配置有n(n＞k)套互为热备份的信号处理单元，k为满足单站任务要求的配置资源数量，如图4 所示。

图4 传统改进型基带设备配置

1.3 多站共享的通用处理资源池配置方案

多站共享的通用处理资源池技术，将基带设备与物理主机解绑，采用资源池的方式对信号处理资源和数据处理资源进行松耦合式动态管理，其系统结构如图5 所示。其中，数据处理资源主要为服务器、工作站等计算与存储设备，与公共系统资源共用。

图5 多站共享的通用处理资源池系统结构

图5 中的基带系统配置有N(N＞K)套互为热备份的信号处理单元，K为满足M个站同时执行任务要求的配置资源数量，如图6 所示。

图6 资源池基带信号处理资源配置

1.4 冗余技术方案对比案例

在某工程建设需求中，需6 站系统共同完成测控任务，单次最长任务时间为168 h。总体方案设计时，可供决策的基带系统方案及配置如表1 所示。单站完成最大包络任务所必需的信号处理单元资源为10 套；采用多站共享的通用处理资源池方案时，6 站系统共同完成最大包络测控任务所必需的信号处理单元资源为54 套。

表1 基带系统方案及配置说明

在表1 中，方案代号表示为XY：X=A、B、C，分别表示方案类型为传统测控基带、传统改进型基带、通用处理资源池；Y=0、m，m=1、6 分别表示产品对象为基带设备、m站系统。

2 基带系统的可靠性模型

2.1 基带系统的基本可靠性模型

各基带系统方案下，产品的基本可靠性模型结构均为其组成单元的串联模型，其数学模型为：

其中，MTBFs为产品平均无故障间隔时间，λs为产品基本失效率，λi为每个产品组成单元的基本失效率，n为产品所包含的组成单元个数。

2.2 基带系统的任务可靠性模型

2.2.1 传统基带的任务可靠性模型结构

根据任务要求和传统系统配置，传统基带设备（方案A0）任务可靠性模型为10 套信号处理单元与机箱配套构成的串联模型；传统单站（方案A1）基带任务可靠性模型为2 套传统基带设备构成的并联模型；传统6 站系统（方案A6）基带任务可靠性模型为6套传统单站基带构成的串联模型。建立传统系统基带的任务可靠性模型结构如图7 所示，其中机箱配套、信号处理单元、传统单站基带均取任务可靠性模型结构参数。

图7 传统基带系统的可靠性模型结构

2.2.2 改进型基带的可靠性模型结构

根据任务要求和改进型系统配置，每套改进型基带设备（方案B0）的信号处理单元组合构成了局部的10/14(G)表决模型；改进型单站（方案B1）基带与改进型基带设备的可靠性模型完全一致；改进型6 站系统（方案B6）基带任务可靠性模型为6 套改进型单站基带构成的串联模型。建立改进型基带系统的任务可靠性模型结构如图8所示，其中机箱配套、信号处理单元、改进型单站基带均取任务可靠性模型结构参数。

图8 改进型基带系统的可靠性模型结构

2.2.3 资源池基带的可靠性模型结构

为满足6 站测控需求且保证一定设计冗余，6 站共享的通用处理资源池系统（方案C6）按54∶18 热备配置信号处理单元，在物理实现上需5 套机箱配套。结合图5、图6，建立基带系统（信号处理资源）的任务可靠性模型结构如图9 所示。

图9 资源池基带任务可靠性模型结构

2.2.4 机箱配套的任务可靠性模型结构

典型的基带机箱配套组成包括电源模块、频综模块和箱体结构，且电源模块、频综模块通常也采用1∶1 热备冗余设计。建立典型基带机箱配套的任务可靠性模型结构如图10 所示。

图10 典型机箱配套任务可靠性模型结构

2.2.5 任务可靠性模型的数学模型

在可靠性工程应用中，产品任务可靠性结构类型及其对应的数学模型包括：

1）串联模型：组成产品的所有单元中任一单元发生故障，均会导致整个产品故障，产品在t时刻的可靠度如式（3）所示：

2）并联模型：组成系统的所有单元都发生故障时，产品才发生故障，产品在t时刻的可靠度如式（4）：

3）k/n(G)表决模型：组成产品的n个相同且独立的单元中至少有k个（1≤k≤n）单元正常工作，整个产品可正常工作，产品在t时刻的可靠度如式（5）所示：

式（3）-（5）中，Ri(t)为每个产品组成单元在t时刻的可靠度，n为产品所包含的组成单元个数。产品平均无严重故障间隔时间MTBCFs可由下式求得：

3 可靠性分析结果

3.1 可靠性模型单元参数选取

表2 测控基带组成单元的可靠性典型值

3.2 模型对比分析计算

应用CARMES7.0 完成不同冗余技术方案下测控基带的基本可靠性和任务可靠性计算。为充分考虑机箱配套对测控基带系统可靠性的影响，按以下三种情况对比分析基带系统可靠性：①不计入机箱配套影响；②机箱配套无冗余设计；③机箱配套为典型的双模块热备冗余设计。

1）不计入机箱配套影响的模型对比

当忽略机箱配套对基带系统可靠性影响，只考虑不同方案下信号处理单元组成的基带系统可靠性差异时，取λ机箱配套1=0。各技术方案下，基带系统/设备可靠性数据如表3 所示。

表3 基带系统可靠性（不计机箱配套）

表3 中，方案B0（B1）、B6、C6 均具有极高的任务可靠性，且均有R（t=168 h）＞0.999 99。然而高精度的可靠性预计分析数据表明：R_C6＞R_B0（B1）＞R_B6，R_XY 为方案XY 的基带系统任务可靠度。

2）机箱配套无冗余的模型对比

当机箱配套未采取冗余设计时，机箱配套基本可靠性模型和任务可靠性模型均为其组成电源模块、频综模块和箱体结构的串联结构，此时λ机箱配套2=5.1×10-5/h。各技术方案下，基带系统/设备可靠性数据如表4 所示。

因为林露白跟家人住，加上两人都刚毕业，年纪也还小，没想过结婚的事。直到恋爱第三年的时候，才跟家里讲，双方见了父母，彼此都很满意，初步定下了结婚的日期。但是，林露白的父母都是教师，有些传统的观念，对她唯一的要求是不允许夜不归宿，她只能周末找个借口出去逛街的时候，跟魏舟去酒店开个房间温存一会儿，之后再匆忙地赶回家。

表4 基带系统可靠性（机箱配套无冗余）

3）典型机箱配套的模型对比

典型机箱配套组成及任务可靠性模型见2.2.4节。各技术方案下，基带系统/设备可靠性数据如表5所示。

表5 基带系统可靠性（典型机箱配套）

3.3 对比分析结论

基于表3-5 的分析数据，可以得出如下结论：

1）单从可靠性角度论，多站共享的通用处理资源池方案（1.3 节），优于基于传统测控基带的改进型配置方案（1.2 节），且均显著优于传统测控基带配置方案（1.1 节）。优势方案能以更低的冗余度，实现更少的资源需求和更高的系统可靠性，如表6 所示。

表6 测控基带方案优劣比较

由于采用优势方案，如多站共享的池化技术，所需配置的基带资源规模显著小于传统测控站，成套系统所需的配套设备/模块规模也将相应简化，因而与之相应的成套系统基本可靠性和任务可靠性均将获得显著提升。当多站共享的池化方案不适用时，宜对各测控站优先采用改进型的单站系统方案，通过基带设备的模块级冗余取代设备级冗余。

2）基于可靠性设计需求，基带设备机箱内配套的电源、频综等模块采取冗余设计是必需的，否则会极大拖累系统可靠性。采取模块级冗余设计后，机箱配套组成对基带设备和系统任务可靠性的影响可近似被忽略不计。

3）基于上述数据对比，可以得出更为普适的电子产品可靠性设计理念：

①各级电子产品设计中，单点故障是需要避免，采取冗余设计是提高任务可靠性最为简单、有效的方式；当不能避免单点时，应最大化提升单点部分的基本可靠性。

②在考虑系统方案时，冗余层级越低，系统基本可靠性和任务可靠性越高，越利于减少系统设备量、降低成本。模块级冗余优于设备级冗余；设备级产品的设计均宜采取模块冗余。