基于试验数据的雷达系统可靠性评估
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第32卷第9期 现代雷达 Modern Radar Vo1.32 No.9 Sep.2010 2010年9月 ・总体工程・ 中图分类号:TN956 文献标志码:A 文章编号:1004—7859(2010}09—0023—04 基于试验数据的雷达系统可靠性评估 吴志刚,翁永伟,梅文辉 (南京电子技术研究所, 南京210039) 摘要:利用雷达系统研制阶段的故障数据,综合评估系统可靠性水平,可以为雷达的定型及可靠性鉴定提供依据。为了对 雷达研制阶段各试验数据进行可靠性综合评估,在可靠性增长的Duane模型基础上,引入不同试验条件下的环境折合系 数,建立了一种可靠性综合评估模型,并给出了相应的综合评估方法。最后,给出了所述方法与模型的一个工程应用实 例。 关键词:可靠性评估;雷达系统;数据分析;Duane模型 Reliability Evaluation of Radar System Based on Testing Data WU Zhi—gang,WENG Yong-wei,MEI Wen-hui (Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039,China) Abstract:The reliability evaluation for radar system using its development failure data can provide evidence for the finalization of radar design.In order to evaluating radar reliability using testing data a model of integrated reliability evaluation is established by using radar system development data based on the Duane model of reliability gro ̄h,which introduces the environment factors un・ der diferent testing conditions,and recommends all integrated method to evaluate the relibiality of radar system.At last,an exam— ple of engineering application of the model and method is given. Key words:reliability assessment;radar system;data analysis;Duane model 0 引 言 系统的可靠性是指在规定的条件下和规定的时间 内,系统完成规定功能的能力。系统可靠性的定量评 估是军用产品可靠性工作的重要工作项目之一,系统 可靠性评估主要包括可靠性模型的建立、数据的收集 和处理、综合评估等几方面的内容。由于雷达在不同 阶段的技术状态不同,属变母体情况。变母体的试验 数据在可靠性评估时不能进行累加处理…。为了在 小数据样本的情况下评估雷达的可靠性水平,并提高 评估精度,通常所采用的途径是扩大信息量。一种重 要的思路是将雷达在各个研制、使用阶段中的各种可 靠性数据进行综合评估 J,如利用不同试验环境条件 下的数据、使用或试用阶段数据、甚至相似产品的历史 数据。文献[3]给出一种通过控制和收集改进型电子 装备研制过程中可靠性数据以对其基本可靠性进行综 相应的综合评估方法。 1 评估模型 1.1评估模型的假设 雷达在研制试验过程中发生了故障,经过故障分 析并采取了相应有效的纠正措施,其可靠性会因此而 得到增长,使得雷达的母体发生变化。因此,这种可靠 性增长的特性可以用可靠性增长模型来描述。但是由 于研制阶段的可靠性增长不同于单纯的可靠性增长试 验,其各个试验的环境也不尽相同。因此本文对变母 体、变环境数据可靠性评估模型有如下基本假设: (1)产品所经历的研制过程是一个变动母体的可 靠性增长过程; (2)产品所经历的研制过程是一个变环境(相对 于实际使用环境)的过程,这种变动可用环境折合系 合评价的方法。雷达在研制各阶段产生的可靠性数据 同时具有变母体和变环境的特点。因此,本文引入环 境折合系数,给出了一种利用雷达的变母体、变环境数 据和相似产品数据的可靠性综合评估模型,并给出了 数k 表示( 代表产品所经历的试验阶段)。各个环境 折合系数k 可按试验阶段的目的与类型进行归类; (3)产品在各试验阶段实际发生的故障数r 可以 用环境折合系数k 进行折合,折合值rik 可以认为相 当于产品在实际使用环境下的故障数; (4)经过环境折合系数折合以后,产品在整个研 制阶段的可靠性增长过程(每一个试验阶段为一个数 一通信作者:吴志刚 收稿日期:2010-04-28 Entail:wuzhigang8501@sina.corn 修订日期:2010-07-29 23— 现代雷达 据点)符合Duane模型; 积MTBF的观察值MTBF=l,MTBF ,…,MTBFx ; 步骤3 由17,个数据点(t。,MTBF ),(t2, (5)当产品的某个试验阶段故障数为零时,将其 折合为0.7个故障(置信度为0.5时,MTBF单边置信 下限对应的折合故障数)。 1.2评估模型原理 MTBFz ),…,(t ,MTBF∑ )及式(1)在双对数坐标上 拟合求出A及m,则雷达的综合评估曲线为 InMTBF= =A+mlnt 评估模型的已知条件:(1)雷达在不同试验阶段 的环境应力已知;(2)产品在每个试验阶段中的试验 时间t 和故障数rI已知(i=1,2,…,n)。 Duane模型引入累积故障率A (t),累积故障率 对于累积试验时间,在双边对数坐标上趋近于一条直 线,即 lnA:(£)=lna—mlnt 步骤4在试验结束时,雷达的M F的综合评 估值为 1 MTBF 0I l—÷ Jm t : 2评估方法 (6) 根据前面所述的综合评估模型,可以给出雷达不 同试验阶段可靠性数据综合评估的方法,包括对模型 参数(A,m)及MTBF的最小二乘法点估计、综合评估 模型的拟合优度检验及相应的增长趋势的检验。 2.1评估模型的拟合优度检验 式中:0和m分别为该直线在对数坐标上的截距(t:1 时的确切截距是ln0)和斜率(确切的斜率为一m)。 Duane模型中定义累积MTBF,用MTBFx表示,根 据模型的假设以及Duane模型中累积MTBF的定义,有 MTBF = (1) 1)经验相关系数的拟合优度检验 假设 为截止到第i个试验阶段的经环境折合 的累积故障数 i 故有 lnMFBF= =A+mint (2) N = |i} r ,i=1,2,…,/7, J I。。 (7) 其中 , 为了对综合评估模型作拟合优度检验,可用InN MTBF = i : (3) 与ln 间的经验相关系 , i (8) N t =. (4) (5) J I A=一lna 其中 n n n 式中:a为综合评估的雷达在对数坐标纵轴上的截距; m为研制阶段的增长率;MTBF= 为第i个试验阶段的 累积MTBF观察值; 为第i个试验阶段的试验时间; t 为第i个试验阶段结束时的累积试验时间; 为第i 个试验阶段中发生的故障数;k 为第i个试验阶段的 环境折合系数。 1.3评估模型的数学描述 =lnt/n E 1nN ̄lnt 一( ln )( ̄ ).… ‘一- ●一,‘ n n = ‘=I n lnNi/n (InNi) 一( ̄ ) ._n . z = (1nt ) 一(l ) /n . … 2)利用Duane图的拟合优度检验 对综合评估模型的拟合优度检验,还可使用Du- ane图。若试验数据与拟合直线相当接近,则认为拟 合较好。反之亦然。此方法可与上面经验相关系数的 设雷达系统在研制过程中顺序经历了rt个试验阶 段,每个试验阶段所对应的环境折合系数分别为k。, k ,…,k ,对应放人试验时间分别为.r。,f ,…,.r ,对 方法结合使用。当采用经验相关系数的检验方法拒绝 综合评估模型时,不会指出拒绝的理由,而用Duane 图却可显示出一些理由。如增长数据出现跳跃等,这 时要分析出现这种情况的原因,是设备试验的环境条 件与历史数据有显著不同,还是在研制阶段有明显不 符合增长模型的情况。 2.2评估模型的最小二乘估计 1)传统最小二乘估计 应的故障数分别为 ,r:,…, 。所要解决的问题是得 出该雷达系统的MTBF的评估曲线和试验历程结束后 的评估值。可按下列步骤进行计算: 步骤l 由式(3)计算出各试验阶段所对应的累 积试验时间tl,t2,…,t ; 步骤2 由式(2)计算出各试验阶段所对应的累 一24一 ・总体工程・ 吴志刚,等:基于试验数据的雷达系统可靠性评估 采用传统的最小二乘法,给出m及A为 (1nt —lnt)(1nMTBF=f—InMTBF:) m= ———— ———-====_———一(8) (1nt 一lnt) . . 的可靠性水平。因此,用上述综合评估模型,可以根据 雷达在研制的不同试验阶段的可靠性数据,评估出雷 达在未来使用环境下的可靠性水平。 MTBF的综合评估值为 1 . A=lnMTBF ~m・lnt 相关系数 (In 一In£)(InMTBFr. —InMTBFx) (9) F=_— _一t m, a=e a(1一m) (14) 2.3环境折合系数的确定 从上述评估模型中可以看出,如何确定雷达在不 同的试验环境下的环境折合系数,是综合评估的重要 问题。环境折合系数可以根据相似产品试验数据,利 用相应的统计方法分析取得。利用相似产品试验数据 .P √ (==二三三I 一lnt)二。√ (■ ======InMTBF==三三三 )。InMTBFr i—(1O) 其中 : 计算环境折合系数的详细方法可参见文献[4—5]。 主ln£ InMTBFz● n i i := 3 实例分析 收集雷达研制阶段5种试验的数据,见表1。 表1不同试验数据 1=● 2)改进的最/J ̄.-乘估计 普通最小二乘法估计中,每一个数据点在拟合中 具有相等的地位和作用,但考虑到雷达研制过程的特 点,最后一个数据点是经过了前面各种试验并不断地 改进,使设备的可靠性达到了当前水平时的综合反映。 冒譬 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 这个节点所包含信息量最多,是一个很重要的点,使拟 合直线通过该点更能反映雷达设备的真实情况。因 此,采用使拟合直线过末点的拟合方法。过种拟合方 法也是美军标MIL—SID一1635推荐的方法,但该标准未 给出计算法,结合本文的评估模型。推证的结果如下: 相应的m及A为 (1ntf—lnt)(1nMTBFxi—lnMTBFx ) m= : —————————————————————————————————————————————————————一 对本试验数据在双对数坐标纸上采用改进的最小 二乘法的Duane曲线,如图1所示。 (1n 一lnt ) (11) A=lnMTBF= 一mlnt (12) 累计试验时间,/h 图1 雷达试验数据的Duane曲线图 可以看出,数据点近似在一条直线上,试验数据与 拟合直线相当接近,表明此雷达系统的可靠性增长模 (1n 一lnf )(InMTBFr ̄一lnMTBF ̄) P — =======_ =二=========二 型符合Duane模型。 √ 蓍(1m —Int ) √i (1 3)MTBF的综合评估 一l ) (13) 对表1的试验数据应用本文的方法评估,评估结 果为 ‘m:0.373 8 a‘:0110 7 .P=0.988 5 MTBF=342.53 h 根据上述的综合评估模型,雷达在不同试验阶段 可靠性数据的综合评估中,其MTBF的综合评估值代 表了设备在试验历程结束,即最后一个试验阶段结束 后不再进行其他可靠性改进时,雷达处于使用环境下 4 结束语 本文所给出的对雷达系统不同试验阶段可靠性综 一25— 2010,32(9) 1J 1J 现代雷达 1J 合评估的方法和摸型,针对工程中普遍存在的不同试 验环境问题,.给出了工程可行的解决方案。当雷达系 Modem Radar,2009,31(8):25—28. 黄l4] 赵宇,6oo. 敏.变母体变环境数据的可靠性综合评估 统研制历程结束后,可用试验数据评估出雷达当前,即 研制历程结束时的值。另一方面,利用同类设备的环 境折合系数,根据雷达系统前几个阶段的试验数据,利 用Duane模型的外推方法可以综合预计其研制结束时 可达到的MTBF值,为雷达的设计定型提供参考。 参考文献 周源泉,翁朝曦.可靠性增长[M].北京:科学出版社, 1992. 模型[J].北京航空航天大学学报,2002,28(5):597— Zhao Yu,Huang Min.Integrated evaluation model of relia- bility based on vatied population—environment data[J]. 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(上接第22页) satellites navigation system[J].Science of China E,2009, 39(4):686—695. rk J E,eta a1.Overview of the [3] Barker B C,Betz J W,Cl4 结束语 本文提出单站转发诱导GPS干扰系统,证明了利 GPS M code signal[c]//Proceedings of ION 2000 National Technical Meeting.Ahaheim,California:Institute of Naviga- tion,2000 用该系统可以把一个被保护点及它的临域映射到一个 没有重要目标的虚拟点,实现重要目标的保护,采用单 站转发实现映射要求转发站在4颗卫星为焦点两两形 成的单曲面的交点上。当此交点存在时,时延的控制 要使卫星到转发平台的距离差等于双曲面的实轴。此 时,该系统有效干扰范围最大,影射比例因子最优。工 程中的收发隔离等问题今后将陆续加以讨论。 参考文献 [1]王婷婷,王圣东,陈欣.GPS干扰与抗干扰技术发展现 状分析[J].指挥控制与仿真,2008,30(6):l18—120. Wang Tingting,Wang Shengdong,Chen Xin.A survey on de— [4] Fishman P.Betz J W.Predicting performance of direct ac・ quisition for the M code signal[C]//Proceedings of ION 2000 National Technical Meeting,Ahaheim,California:In- stitute of Navigation,2000. [5] 杨景曙,曾芳玲,盛琥,等.通过区域映射实现诱导的 GPS干扰系统[J].电子学报,2005,33(6):1036—1038. Yang Jingshu,Zeng Fangling,Sheng Hu,et 1.A ajamming system through section mapping for GPS navigation[J].Acta Electronica Siniea,2005,33(6):1036一lo38. 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