МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРОЕКТИРУЕМЫХ СТАНЦИЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ НА ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТАХ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.36622/^Ти.2021.17.3.013 УДК 621-391

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРОЕКТИРУЕМЫХ СТАНЦИЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ НА ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТАХ

Д.Г. Пантенков1, В.П. Литвиненко2

ХАО «Кронштадт», г. Москва, Россия 2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: в настоящее время повсеместное применение находят системы спутниковой связи, позволяющие осуществлять информационно-командный обмен между различными удаленными абонентами как фиксированными, так и подвижными. Любая система спутниковой связи непременно состоит из земной станции спутниковой связи (ЗССС) и множества абонентских терминалов (АТм) различного базирования (авиационных, морских и т.д.) и вариантов исполнения (носимых, возимых, устанавливаемых на подвижных объектах и т.д.). При этом зачастую особо важную роль играет качество разрабатываемых технических систем и устройств, непосредственным образом влияющее на эффективность решения поставленных целевых задач объектов, в состав которых входит данное оборудование. В статье под качеством оборудования понимается его надежность при эксплуатации, которая поддается количественной оценке, зависящей от целого ряда факторов. Представлены основные подходы к решению поставленной задачи, приведены ключевые требования к надежности ССС, а также представлен методический аппарат для определения надежности с учетом специфики решаемой задачи. Целью статьи является разработка научно-методического аппарата оценки показателей надёжности проектируемых станций спутниковой связи. Методический аппарат учитывает основные функционально связанные между собой показатели надёжности - время средней наработки на отказ, среднее время восстановления, коэффициент готовности изделия. Методические положения выполнения расчётов для формирования программы обеспечения надежности (ПОН) базируются на последовательном определении состава и структурной схемы надёжности (ССН) изделия, математической модели для каждого элемента и изделия в целом, определяющей основные расчётные соотношения для определения программы обеспечения надежности, учитывают основные технические ограничения. Оценка показателей надёжности компонентов (элементов, устройств) изделия осуществляется по иерархии структурной схемы надежности «снизу-вверх», поэтому значения показателей надёжности компонентов нижележащего уровня являются исходными данными для вычисления значений показателей надёжности компонентов вышележащего уровня. Разработанная методика является универсальной, инвариантной к входным параметрам и может быть применена для других систем (станций) из состава радиолинии спутниковой радиосвязи. Практическая значимость статьи заключается в возможности получения количественных оценок показателей надежности спутниковых станций еще на этапе ведения аванпроекта при обосновании проектных параметров аппаратуры или формирования тактико-технических заданий (ТТЗ) на выполнение опытно-конструкторских работ (ОКР)

Ключевые слова: станция спутниковой связи, надежность, качество, наработка на отказ, среднее время восстановления, запасные части, инструменты и принадлежности, математическое моделирование, модель динамического процесса, расчёты

Введение

Как показал проведенный анализ [1-15], работа по обеспечению надёжности авиационной (АТ) и ракетно-космической техники (РКТ) начинается со сбора информации и статистики о времени наработки на отказ её ключевых элементов в соответствии со схемой деления. От характера, полноты, достаточности и точности статистической информации об отказах во многом зависит правильность принимаемых решений Заказчиком, предприятиями-разработчиками и выявление проблем при отработках РКТ предприятиями-изготовителями.

Следующим важным этапом является классификация отказов и причин их возникновения. С целью выявления и предотвращения

всех возможных причин отказов, оказывающих влияние на безотказность и безопасность функционирования АТ и РКТ, в соответствии с требованиями технического регламента и стандартов, проводится анализ прогнозируемых последствий потенциальных эксплуатационных опасностей (отказов) при следующих допущениях и признаках критичности отказов: одновременное появление двух и более независимых отказов считается маловероятным событием; состояние подсистемы (элемента) до момента наступления возможного отказа предполагается исправным; известны типовые признаки отказов.

Под критичностью отказа в общем случае понимается совокупность признаков, характеризующих последствия отказа АТ и РКТ, их составных частей и изделий. Следует указать, что критичность изделий АТ и РКТ может

© Пантенков Д.Г., Литвиненко В.П., 2021

определяться как совокупностью критериев, определяющих их качество (по показателям надёжности), так и потенциальными нежелательными последствиями в виде нанесения вреда, ущерба (по показателям безопасности), которые могут возникнуть при их отказах. Критериями для определения критичных элементов могут быть: недостаточный уровень надёжности элементов, связанный с новизной и недостаточной изученностью конструкции, применяемых материалов или технологических процессов изготовления; напряженные (утяжеленные) условия применения (эксплуатации); высокая чувствительность к внешним условиям процессов эксплуатации в реальном масштабе времени (РМВ); ограничения применения элементов, связанные со сроками хранения [1-6].

Критичные элементы изделий АТ и РКТ выявляются по перечисленным выше критериям путем тщательного анализа технической документации на составные части и элементы, входящие в состав АТ и РКТ, данных по результатам предварительных испытаний, выполняемых поставщиками комплектующих изделий и т.д. Данные об отказах, наряду с показателями уровня надёжности конкретных типов АТ и РКТ, позволяют обосновать и выбрать адекватную математическую модель отказов, которая используется для аналитического прогнозирования уровня надёжности вновь разрабатываемых систем и всех инженерных расчётов надёжности в течение всего их жизненного цикла. Отметим, что потенциальные ошибки персонала, не учтенные воздействия внешней среды, недостоверность результатов контрольных испытаний и диагностики, а также дефекты и отказы комплектующих компонентов и элементов составных частей АТ и РКТ, могут рассматриваться как субъектно-объектные модели, характеристики которых (истинность, адекватность, точность, быстродействие и др.) зависят от базы знаний, опыта, интуиции исследователей, экспертов; имеющейся актуальной базы данных, включая данные по изделиям-аналогам, другие субъективные факторы разработчиков и изготовителей АТ и РКТ.

Такого класса математические модели нуждаются в проверке адекватности и необходимых доказательствах правильности тех предпосылок, начальных условий и ограничений, на которых они разработаны, иными словами, эти модели нуждаются в производственной и эксплуатационной верификации.

Общие методические положения оценки показателей надёжности изделий станций спутниковой связи

В целях оценки основных показателей надёжности станций спутниковой связи (ССС) для высокоскоростных радиолиний (ВРЛ) и командных радиолиний (КРЛ) разработан научно-методический аппарат, который включает следующие базовые положения.

Аппаратура ССС ВРЛ и КРЛ относится к ремонтируемым (восстанавливаемым) изделиям, характеризуемым следующими функционально связанными между собой показателями надёжности:

- среднее время работы между двумя соседними отказами Т или средняя наработка на отказ Т0;

- среднее время восстановления Тв;

- коэффициент готовности изделия Кг.

Известно [1, 3, 6], что средняя наработка

на отказ Т0 и среднее время восстановления Тв определяют основной показатель надёжности восстанавливаемых изделий (систем, блоков, устройств, плат и т.д.), которым является коэффициент готовности изделия Кг.

Величина среднего времени восстановления Тв представляет собой математическое ожидание продолжительности восстановления изделия после отказа, т.е. среднее время вынужденного, нерегламентированного простоя, вызванного отысканием причины и устранением отказа.

Следует отметить, что из трех взаимосвязанных показателей надёжности восстанавливаемых изделий (Кг, Тв и Т0) в требованиях задаются, как правило, только два из этих показателей, обосновывая это тем, что третий показатель находится в функциональной взаимосвязи и может быть определён по двум заданным показателям.

ССС ВРЛ и КРЛ по числу допустимых работоспособных состояний относится к изделиям периодического непрерывного применения (эксплуатации), в том числе длительного применения, причём восстанавливаемым, обслуживаемым, контролируемым перед применением, ремонтируемым обезличенным способом.

Под работоспособным состоянием изделия понимается состояние, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и/или конструкторской (проектной) документации.

Неработоспособное состояние - состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и/или конструкторской (проектной) документации.

Критерием отказа является признак или совокупность признаков нарушения работоспособного состояния объекта, установленных в нормативно-технической и/или конструкторской (проектной) документации.

Комплексный анализ сложных технических систем, к которым относятся ССС ВРЛ и КРЛ показал, что принципиально возможно деление неработоспособных состояний этих объектов на некоторые самостоятельные группы. При этом из множества неработоспособных состояний целесообразно выделить частично неработоспособные состояния, при которых изделие ССС ВРЛ и КРЛ способно частично выполнять требуемые функции с заданной эффективностью применения (эксплуатации) по целевому назначению [16-19].

На основе приведенных определений признаков работоспособного и неработоспособного состояний путём условного разделения совокупности допустимых уровней качества функционирования ВРЛ и КРЛ на две группы, в качестве критерия отказа ССС ВРЛ и КРЛ принимается состояние, в котором вследствие отказа составной части (системы, узла, элемента) изделия не обеспечивается решение хотя бы одной из основных функциональных задач по предоставлению потребителям каналов спутниковой связи для ВРЛ и КРЛ.

Требования надёжности к станциям спутниковой связи для высокоскоростных командных радиолиний

В состав рассматриваемых в данной статье ССС ВРЛ и КРЛ входят:

- абонентская земная станция (АЗС) Ки-диапазона на базе антенной системы SOTM (Satcom-On-The-Move) с эквивалентным диаметром рефлектора 0,6 м, устанавливаемая на пилотируемом или беспилотном летательном аппарате (БЛА) и обеспечивающая работу по ВРЛ и КРЛ в полёте;

- подвижная земная станция (ПЗС) Ки-диапазона на базе антенной системы типа SNG/Driveaway с эквивалентным диаметром рефлектора 2,4 м, устанавливаемая на транспортном средстве и обеспечивающая работу по ВРЛ и КРЛ на остановках/стоянках.

К ССС ВРЛ и КРЛ в качестве критериев установим следующие требования к показателям надёжности (ПН):

1) коэффициент готовности проектируемой станции - не менее 0,9975.

2) среднее время восстановления работоспособного состояния наземных технических средств - не более 30 мин. Для восстановления работоспособности технических средств составных частей станций должен использоваться комплект ЗИП.

3) вероятность безотказной работы в течение суток - не менее 0,98.

4) срок эксплуатации технических средств - не менее 15,5 лет.

5) станции должны быть оснащены необходимым набором ремонтно-измерительных средств, достаточных для проведения оперативного ремонта.

6) выполнение требований по надёжности должно быть подтверждено по окончанию наземной экспериментальной отработки (НЭО) станций и их участия в испытаниях объекта Заказчика.

Кроме того, одной из задач проектирования является расчет Кг радиолиний спутниковой связи с проектируемыми ССС.

Реализация вышеперечисленных требований к показателям надёжности создаваемых изделий обеспечивается следующими организационно-техническими мероприятиями:

- применением высоконадёжных покупных составных частей (блоков, устройств и других комплектующих);

- структурно-функциональным построением изделий ССС и их составных частей с применением резервирования наиболее важных устройств;

- оснащением изделий ССС комплектом ЗИП, состав которого определяется с учётом предъявляемых требований к показателям надёжности применяемой системы ремонта и технического обслуживания (ТО);

- оснащением изделий ССС необходимым набором ремонтно-измерительных средств, достаточных для проведения ТО и оперативного ремонта;

- применением по целевому назначению изделий ССС в соответствии с рекомендациями, изложенными в их эксплуатационной документации (ЭД).

Методика расчёта показателей надёжности изделий ССС

Расчёт основных показателей надежности (ПН) изделий ССС выполняется аналитическим методом по известным величинам наработки на отказ Т или связанным с ними математическим выражением интенсивностям отказов А,п элементов (устройств), входящих в состав изделия ССС.

Методика выполнения расчёта ПН предусматривает последовательное определение состава и структурной схемы надежности изделия, математической модели для каждого элемента и изделия в целом (резервированный или нерезервированный прибор, нагруженный или ненагруженный резерв и др.), определяющей основные расчётные соотношения для определения ПН.

Расчёты ПН изделий ССС с учетом их специфики и особенностей проектирования и эксплуатации выполняются с учётом следующих принимаемых ограничений:

- расчёт производится для периода нормальной эксплуатации, когда наблюдается постоянство во времени интенсивностей отказов X всех элементов;

- отказы элементов (блоков, устройств) являются внезапными и представляют собой случайные независимые события;

- время работы до отказа элементов является случайной величиной, распределённой по экспоненциальному закону с постоянным параметром X;

- элементы и приборы, выполняющие вспомогательные функции и не оказывающие существенного влияния на работоспособность аппаратуры, из расчёта могут быть исключены;

- вероятность отказа двух и более элементов в течение времени восстановления пренебрежимо мала;

- восстановление работоспособности составных частей изделий осуществляется путём замены отказавшего устройства на устройство из комплекта ЗИП с восполняемыми запасами, обеспечивающими требуемую величину среднего времени восстановления, или путём ремонта отказавшего прибора, если аналогичный исправный прибор отсутствует в составе ЗИП.

Изделие в целом и его каждая составная часть при обосновании и разработке их математических моделей рассматриваются как восстанавливаемые системы, состав основных элементов которых известен, а структурная схема надежности (ССН) имеет вид последовательной

системы из т восстанавливаемых элементов. Отказ любого из т элементов приводит к отказу одного из основных трактов или к отказу изделия в целом. С учётом вышеизложенных ограничений, коэффициент готовности изделия Кг определяется произведением коэффициентов готовности его расчётных элементов согласно ССН [1, 3, 6].

Расчёт показателей надёжности компонент (элементов, устройств) изделия осуществляется по иерархии ССН «снизу-вверх», так что значения показателей надёжности компонентов нижележащего уровня являются исходными данными для вычисления значений показателей надёжности компонентов вышележащего уровня. При этом вычисления показателей надёжности на всех уровнях иерархии ССН выполняются по однотипным формулам, определяемых математической моделью оцениваемого элемента, в следующей последовательности:

1. Формируются исходные данные для расчёта показателей надёжности изделия, включающие в себя перечень (состав) оборудования, составляющего ССН, и следующие данные по каждому виду оборудования:

- количество однотипных устройств к > го элемента оцениваемой системы, состоящей из т основных (рабочих) элементов;

- количество резервных устройств;

- средняя наработка на отказ Т каждого > го элемента (на основании подтвержденных значений наработки на отказ по известным результатам эксплуатации оборудования в сетях спутниковой связи, либо на заявленных производителем оборудовании значений средней наработки на отказ, либо на определяемых наработках, основываясь на значениях наработки на отказ блоков, близких по параметрам и надёжности);

- среднее время восстановления т каждого ьго элемента;

- модель системы, определяющая выражение для расчёта коэффициента готовности каждого >го элемента.

2. На основании значений средней наработки на отказ Т каждого ьго элемента (или каждой резервированной системы, рассматриваемой как элемент изделия) определяются интенсивности отказов составных частей ьго типа

X , I = 1, т для рабочего режима, как отношение числа отказов восстанавливаемого элемента за достаточно малую его наработку к значению этой наработки.

С учётом принятых выше ограничений при ординарном потоке отказов параметр ^ для группы из нескольких однотипных элементов определяется согласно выражению:

Кг = То / (То + Тв);

(6)

К = — ■ ki,

T i

(1)

где к! - количество однотипных блоков /-го элемента в изделии ССС.

3. С учётом принятых ограничений показатели надёжности изделия ССС, состоящего из п последовательно соединённых элементов с интенсивностями отказов А,ь А2, ...А,;, . ..А,п, рассчитываются по следующим формулам:

- интенсивность отказов изделия А,и равна сумме интенсивностей отказов его расчетных элементов А^ [1-15]:

^и = X к

(2)

- среднее время безотказной работы или средняя наработка на отказ изделия ССС в целом То определяется как величина, обратно пропорциональная суммарной интенсивности отказов его элементов А,и:

То = 1/Аи ;

(3)

- среднее время восстановления системы в целом Тв:

Тв=■ хк т),

X К i

(4)

где X - интенсивность отказов i-го элемента; Ti - среднее время восстановления i-го элемента;

- вероятность безотказной работы изделия P(t) в течение времени боевой работы t для периода нормальной эксплуатации ССС при постоянной величине интенсивности отказов, когда X(t) = X = const определяется выражением:

P(t) = е

-К-t

(5)

- коэффициент готовности для нерезервированного прибора, используемого постоянно и восстанавливаемого путём ремонта или замены на исправный из состава ЗИП, определяется по классической формуле через наработку на отказ То и среднее время восстановления Тв, задаваемое, обычно, без учёта времени доставки исправного из ЗИП, считающимся с неограниченными запасами [1-15]:

- коэффициент готовности для нерезервированного прибора, используемого периодически:

т

-(1+1V

Кг(1) = Кг+ е т) , (7)

Т + т

где Кг - коэффициент готовности, рассчитываемый по формуле (6); t - время выполнения данной функции;

- при наличии ЗИП с ограниченными запасами выражение для величины Кг изделия примет вид:

Кг = То / (То + Тв + Д1зиШ), (8)

где Д^иш - логистическая задержка доставки требуемого элемента органами снабжения.

4. Для резервированных по схеме 1:1 восстанавливаемых устройств (блоков, модулей с «горячим» резервом или методом замещения «холодного» резерва) показатели надёжности при неограниченном восстановлении определяются выражениями:

- средняя наработка на отказ То:

То = Тоэ + (Тоэ2 /2Твэ), (9)

где Тоэ - наработка на отказ одного элемента; Твэ - время восстановления одного элемента.

- коэффициент готовности Кг:

Кг = 1 - (р2/(1+Р)2), (10)

где в = Твэ / Тоэ.

Отметим важное обстоятельство, что требование к величине интегрального показателя надёжности - коэффициенту готовности Кг изделия ССС с учётом их особенностей функционирования, который в данном случае должен быть не ниже 0,9975, может быть обеспечено при различных значениях величин среднего времени восстановления Тв и средней наработки на отказ То.

Анализ результатов расчетов ПН различных систем и комплексов показывает, что расчётные значения коэффициентов готовности не менее величины 0,9994 могут быть получены для достаточно жестких, но выполнимых значений времени восстановления (задаваемых требованиями ТЗ) при наличии в комплекте

ЗИП всех основных (активных) элементов изделия и тренированности оперативного эксплуатирующего персонала по замене отказавшего оборудования. При этом снижение средней величины наработки на отказ То приводит к некоторому незначительному, но допустимому уменьшению вероятности безотказной работы и коэффициента готовности Кг системы в целом. Среднее же время восстановления Тв, особенно при отсутствии необходимого для замены элемента в комплекте ЗИП, увеличивается значительно выше допустимых пределов и для его сохранения в пределах заданного уровня необходимо существенно уменьшать время восстановления каждого >го элемента. Методом перебора при расчётах можно получить оптимальные (квазиоптимальные) значения этих величин.

Как правило, среднее время восстановления работоспособности комплексов, аналогичных ССС ВРЛ и КРЛ, не превышает 30 минут при использовании ЗИП (за исключением отдельных элементов антенных систем, время восстановления которых может достигать нескольких часов).

В случае отсутствия в составе комплекта ЗИП элемента, необходимого для замены вышедшего из строя, время восстановления работоспособности изделия ССС с учётом логистической задержки доставки требуемого элемента ^зиш может значительно увеличиться, а значение вероятности безотказной работы, значит и коэффициента готовности, при этом существенно уменьшится.

Следовательно, оценки ПН изделий ССС целесообразно выполнять с использованием обобщенной расчётной математической модели, учитывающей как модель динамических процессов функционирования комплекса оборудования ССС ВРЛ и КРЛ, так и модели возникновения отказов и восстановления отказавших элементов путём замены из имеющихся запасов ЗИП с учётом логистической задержки, и позволяющей решить ещё одну важную задачу определения требуемых запасов ЗИП для обеспечения заданных значений показателей надёжности ССС ВРЛ и КРЛ.

В рассматриваемой обобщенной модели функционирования изделия ССС под логистической задержкой AtзИпi понимается суммарное время ожидания, пока органы снабжения эксплуатирующей организации или завода-изготовителя доставят исправный элемент до места размещения комплекта ЗИП, либо ремонта отказавшего элемента при его отсутствии в составе ЗИП. В данном случае под временем восстановления Тв понимается время, в течение которого восстанавливается функционирование изделия ССС или время переключения с отказавшего на резервный элемент при автоматическом резервировании без учёта времени доставки исправного элемента.

Модель динамического процесса функционирования ССС ВРЛ и КРЛ, включая возникновение отказа и восстановление отказавшего элемента, представлена на рисунке.

Модель динамического процесса функционирования ССС ВРЛ и КРЛ

99

Поскольку статистика отказов запасных частей, находящихся в режиме ожидания, априорно неизвестна, при определении величины Х^ учитывается, в основном, интенсивность замен из-за отказов в рабочем режиме изделия ССС без учёта других малозначащих факторов из-за незначительного их влияния (профилактические замены при проведении ТО; отказы при хранении в составе ЗИП, ошибочные замены в процессе поиска неисправностей и др.).

Как показывает практика [1-12], интенсивность отказов резервных элементов из состава комплекта ЗИП может быть принята равной от одной пятой до одной десятой интенсивности отказа активного элемента.

В идеале для безотказной работы произвольной системы необходимо, чтобы каждый её расчётный элемент работал безотказно. Так как отказы элементов ССС взаимно независимы, то коэффициент готовности системы Кг равен произведению коэффициентов готовности её элементов. Поэтому коэффициент готовности системы при последовательном соединении элементов всегда меньше, чем коэффициент готовности самого ненадёжного элемента, и его величина существенно возрастает при увеличении надёжности самого ненадёжного элемента.

Расчёт пополняемых запасов в комплекте ЗИП сводится к решению самостоятельной научной задачи оптимизации объёма запасов [1-5], обеспечивающих требуемый уровень показателя достаточности ЗИП. В этом случае Кг изделия ССС, определяется с учётом величины логистической задержки Atзипi согласно выражению (8), при минимальных суммарных затратах на запасные части. При этом минимальный состав комплекта ЗИП, определяющий начальный уровень запасов в комплекте ЗИП, вытекает из заданной для расчетов величины (пример) величины среднего времени восстановления изделия ССС не более 0,6 часа, которое гарантированно может быть обеспечено только при условии, что в состав комплекта ЗИП включаются все основные и наименее надёжные активные составные части изделия ССС (сменные блоки, платы, устройства и другие типовые элементы замены (ТЭЗ)), восстанавливаемые путём замены на исправный элемент из запасов комплекта ЗИП.

Поэтому для начального объёма запасов в комплекте ЗИП сначала определяются показатели достаточности ЗИП (с учётом значений показателей Кг и среднего времени восстановления Тв изделия), которые сравниваются с

требуемыми значениями в ТТЗ (ТЗ). В случае, если значения показателей Кг и Тв изделия ССС удовлетворяют требуемым значениям, расчёт объёма запасов в комплекте ЗИП можно считать завершенным. В противном случае необходимо применить резервирование наименее надёжных элементов и/или продолжить решение задачи оптимизации пополняемых запасов в комплекте ЗИП методом перебора вариантов состава ЗИП с учётом рекомендаций, изложенных в нормативном документе [12], до получения положительного результата при минимальной избыточности величины Кг изделия ССС.

Пополнение запасов в комплектах ЗИП возможно с использованием следующих трёх основных стратегий:

1. Периодическое пополнение, характеризующееся периодом планового пополнения запаса изделий ССС ьго типа;

2. Периодическое пополнение с экстренными доставками, характеризующееся периодом планового пополнения запаса ьго типа и временем экстренной доставки запасной части ьго типа изделий ССС;

3. Непрерывное пополнение, характеризующееся временем доставки (или ремонта) запасной части ьго типа изделий ССС.

Каждый отдельный запас объёмов изделий ССС в комплекте ЗИП может пополняться по своей отдельной стратегии, отличающейся как типом, так и значениями числовых параметров.

Обоснование и выбор стратегии пополнения запасов изделий ССС в комплекте ЗИП осуществляется с учётом назначения, решаемых задач и функциональной схемы изделия ССС. В частности, стратегия периодического пополнения, как правило, применяется для запасов невосстанавливаемых частей с относительно малыми интенсивностями спроса на них на удаленных и (или) малодоступных объектах.

Для ССС ВРЛ и КРЛ целесообразно применить стратегию непрерывного пополнения запасов восстанавливаемых составных частей, которые обмениваются на исправные в органах снабжения или в комплектах ЗИП более высокого уровня, либо восстанавливаются в ремонтном органе и возвращаются в комплект ЗИП.

В отдельных случаях для элементов дорогостоящих устройств с учётом возможностей ресурсного обеспечения (по решению Заказчика и предложениям эксплуатирующей организации) может применяться стратегия периодического пополнения с экстренными доставками

при условии приемлемого времени экстренной доставки запасной части изделия ССС.

В существующих изделиях ССС, имеющих сложную структуру, к которым можно отнести отдельные системы ССС ВРЛ и КРЛ, например, отдельную ССС или одну из её подсистем, суммарный поток замен составных частей ;-го типа в общем случае не совпадает с потоком отказов изделия в целом, поскольку замены отказавших составных частей в резервных устройствах не приводят к отказу изделия.

Поэтому при оценке (или расчётах) запасов объёмов в комплекте ЗИП именно для таких систем, к которым можно отнести и ССС ВРЛ, и КРЛ, целесообразно задавать обобщенный параметр - коэффициент готовности Кг изделия в целом, определяемый выражением (8) с учётом величины логистической задержки доставки элемента, необходимого для восстановления работоспособности изделия ССС.

В зависимости от принятой стратегии пополнения объёмов запасов в комплекте ЗИП, производителей составных частей изделия ССС и других факторов логистическое время доставки требуемого элемента может принимать различные значения, например, 1 месяц - 732 часа, 2 месяца - 1464 часов, 3 месяца - 2195 часов и более (для элементов зарубежных производителей). При увеличении логистического времени доставки запасных элементов среднее время восстановления Тв будет увеличиваться, а коэффициент готовности изделия Кг, соответственно, будет уменьшаться. При этом одновременно увеличивается вероятность отказа двух и более элементов изделия ССС в течение времени восстановления.

При проведении расчётов показателей достаточности объёмов запасов в комплекте ЗИП не учитывается оборудование контрольных и служебных трактов, отказ которых не приводит к отказу изделия ССС, а также контрольно-измерительные приборы, инструменты, принадлежности и материалы, крепежные изделия, монтажные провода и другие пассивные элементы с относительно малыми интенсивностя-ми спроса (замен). Потребность в этих элементах в составе ЗИП определяется эксплуатирующей организацией, исходя из назначения и условий эксплуатации оборудования изделия ССС с учётом опыта эксплуатации его аналогов или прототипов.

Заключение

В статье представлен разработанный и адаптированный под условия практического применения методический аппарат оценки показателей надёжности земных станций спутниковой связи, который представляет собой иерархическую структуру расчёта показателей надежности от отдельных компонент на уровне узлов и модулей до функционально законченных структурных блоков и составных частей комплекса ССС.

При этом данный подход является универсальным, инвариантным к исходным данным и учитывает все основные факторы, влияющие на итоговое значение показателя надежности ССС, включая среднюю наработку на отказ, среднее время восстановления, коэффициент готовности изделия к выполнению поставленных задач.

Следующая статья будет являться логическим продолжением данной статьи и будет направлена на представление и анализ результатов математического моделирования и расчетов показателя надежности проектируемых станций спутниковой связи.

Литература

1. Куренков В.И. Методы обеспечения надёжности и экспериментальная отработка ракетно-космической техники: учеб. пособие. Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева (нац. исслед. ун-т), 2012. 258 с.

2. Шубин Р.А. Надёжность технических систем и техногенный риск: учеб. пособие. Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. 80 с.

3. Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. Надёжность машин. М.: Высшая школа, 1988. 240 с.

4. Фортушенко А.Д. Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ. М.: Связь, 1972. 331 с.

5. Спутниковая связь и вещание: справочник / В.А. Бартенев, Г.В. Болотов, В.Л. Быков и др. - 3-е изд., пере-раб. и доп. М.: Радио и связь, 1997. 528 с.

6. Упрощенный алгоритм построения вероятностной модели оценки степени рисков инновационных проектов / В.И. Великоиваненко, Н.В. Гусаков, Д.Г. Пантен-ков, В.М. Соколов // Космическая техника и технологии. 2014. № 3 (6). С. 81-89.

7. Система спутниковой связи с последовательным зональным обслуживанием / В.И. Великоиваненко, Н.В. Гусаков, П.В. Донченко, А.А. Ломакин, Д.Г. Пантенков, В.М. Соколов // Космонавтика и ракетостроение. 2014. № 2 (75). С. 48-56.

8. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Второе издание, исправленное. М.: ИД «Вильямс», 2003. 1106 с.

9. Дятлов А.П. Системы спутниковой связи с подвижными объектами: учеб. пособие. Таганрог: ТРТУ, 1997. Ч. 1. 95 с.

10. Системы спутниковой связи с эллиптическими орбитами, разнесением ветвей и адаптивной обработкой /

Е.Ф. Камнев, В.Ю. Бобков и др. М.: Глобсатком, 2009. 724 с.

11. Руководство по авиационной электросвязи (РС ГА-99), утвержденное приказом ФСВТ России от 15.07.1999 г. № 14.

12. Правила применения антенн и фидерных устройств, утвержденные приказом Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации от «23» ноября 2006 г. № 153.

13. Правила применения земных станций спутниковой связи и вещания единой сети электросвязи Российской Федерации. Ч. I. Правила применения земных станций спутниковой связи, работающих через искусственные спутники Земли на геостационарной орбите, утвержденные приказом Министерства информационных технологий и связи РФ от «22» августа 2007 г. № 99.

14. Распоряжение Минтранса РФ от 22.08.2001 № НА-323-р "О допуске к эксплуатации в гражданской авиации авиационных станций спутниковой связи стандарта Inmarsat Mini-M AERO".

15. Бузов А.Л., Букашкин С.А. Специальная радиосвязь. Развитие и модернизация оборудования и объектов. М.: Радиотехника, 2017. 448 с.

16. Пантенков Д.Г. Методический подход к интегральной оценке эффективности применения авиационных комплексов с БПЛА. Ч. 1. Методики оценки эффективности решения задач радиосвязи и дистанционного мониторинга // Труды учебных заведений связи. 2020. Т. 6. № 2. С. 60-78.

17. Комплексная методика оценки экономической целесообразности проектирования космических аппаратов в целях решения разнородных технико-экономических задач / В.И. Великоиваненко, Д.Д. Кутоманова, Д.Г. Пантенков, О.П. Скоробогатов, Г.А. Тихов // Космонавтика и ракетостроение. 2020. №3 (114). С. 38-48.

18. Д.Г. Пантенков. Технические характеристики бортовых ретрансляторов космических аппаратов для обеспечения загоризонтной радиосвязи с беспилотными летательными аппаратами // Радиотехника. 2020. Т. 84. № 5 (9). С. 58-74.

19. Пантенков Д.Г. Методика структурно-параметрической оптимизации целевой нагрузки космического аппарата в интересах решения разнородных частных целевых задач // Тезисы докладов XX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ОАО «РКК «Энергия». Королёв, 2014. С. 290-291.

Поступила 11.05.2021; принята к публикации 21.06.2021 Информация об авторах

Пантенков Дмитрий Геннадьевич - канд. техн. наук, заместитель главного конструктора по радиосвязи, АО «Кронштадт» (115432, Россия, г. Москва, проспект Андропова, д. 18, кор. 9), тел. 8(926)109-23-95, e-mail: pantenkov88@mail.ru Литвиненко Владимир Петрович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: litvinvp@gmail.com

MATHEMATICAL APPARATUS FOR DETERMINING THE RELIABILITY OF PROJECTED SATELLITE COMMUNICATION STATIONS ON MOBILE OBJECTS

D.G. Pantenkov1, V.P. Litvinenko2

^'Kronstadt", Moscow, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: currently, satellite communication systems are widely used, allowing information and command exchange between different remote subscribers, both fixed and mobile. Some satellite communication system necessarily consists of a terrestrial satellite communication station and a plurality of user terminals of various origins (aviation, marine, etc.) and versions (wearable, carried, installed on mobile facilities, etc.). At the same time, the quality of the developed technical systems and devices often plays a particularly important role, which directly affects the effectiveness of solving the assigned target tasks of the facilities that include this equipment. In this article, the quality of equipment is understood as its reliability during operation, which is quantifiable, depending on a number of factors. We present the main approaches to solving the problem, we give the main requirements for the reliability of the SCS, and we present the methodological apparatus for determining reliability, taking into account the specifics of the problem being solved. The purpose of the article is to develop a scientific and methodological apparatus for assessing the reliability indicators of the designed satellite communication stations. The methodological apparatus takes into account the main functionally related reliability indicators - mean time between failures, average recovery time, and article readiness factor. The methodological provisions of the calculations for the formation of the reliability assurance program are based on the sequential determination of the composition and structural reliability scheme of the product, the mathematical model for each element and the product as a whole, which determines the main calculation relationships for determining the reliability assurance program, take into account the main technical limitations. Evaluation of reliability indicators of components (elements, devices) of the product is carried out according to the hierarchy of the structural reliability scheme "bottom-up," therefore, the values of reliability indicators of components of the lower level are initial data for calculating the values of reliability indicators of components of the higher level. The developed technique is universal, invariant to input parameters and can be applied to other systems (stations) from the radio link of satellite radio communication. The practical significance of the article is the possibility of obtaining quantitative estimates of reliability indicators of satellite stations even at the stage of conducting an advance project when justifying the design parameters of the equipment or forming tactical and technical tasks for development work

Key words: station satellite communication, reliability, quality, time between failures, average recovery time, spare

parts, tools and accessories, mathematical modeling, dynamic process model, calculations

References

1. Kurenkov V.I. "Methods of ensuring reliability and experimental development of rocket and space technology" ("Metody obespecheniya nadozhnosti i eksperimental'naya otrabotka raketnokosmicheskoy tekhniki"), textbook, Samara State Aerospace Unnamed after S.P. Korolev, 2012, 258 p.

2. Shubin R.A. "Reliability of technical systems and manufactured risk" ("Nadozhnost' tekhnicheskikh sistem i tekhnogennyy risk"), textbook, Tambov, Publishing House of TSTU, 2012, 80 p.

3. Reshetov D.N., Ivanov A.S., Fadeev V.Z. "Reliability of mashines" ("Nadozh-nost' mashin"), Moscow, Vysshaya shkola, 1988, 240 p.

4. Fortushenko A.D. "Fundamentals of technical design of communication systems via ISS" ("Osnovy tekhnicheskogo proek-tirovaniya sistem svyazi cherez ISZ"), Moscow, Svyaz', 1972.

5. Bartenev V.A., Bolotov G.V., Bykov V.L. et al. "Satellite communications and broadcasting" ("Sputnikovaya svyaz' i vesh-chanie"), reference book, Moscow, Radio I svyaz', 1997, 528 p.

6. Velikoivanenko V.I., Gusakov N.V., Pantenkov D.G., Sokolov V.M. "Simplified algorithm for constructing a probability model for assessing the degree of risk of innovative projects", Space Equipment and Technologies (Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii), 2014, no. 3(6), pp. 81-89.

7. Velikoivanenko V.I., Gusakov N.V., Donchenko P.V., Lomakin A.A., Pantenkov D.G., Sokolov V.M. "Satellite communication system with serial zone maintenance", Cosmonautics and Rocket Engineering (Kosmonavtika i raketostroenie), 2014, no. 2 (75), pp. 48-56.

8. Sklar B. "Digital communications. Theoretical foundations and practical application" ("Tsifrovaya svyaz'. Teoreticheskie osnovy i prakticheskoe primenenie"), Moscow, Williams, 2003, 1106 p.

9. Dyatlov A.P. "Satellite communication systems with mobile objects" ("Sistemy sputnikovoy svyazi s podvizhnymi ob"ektami"), textbook, Taganrog, TRTU, 1997, 95 p.

10. Kamnev E.F., Bobkov V.Yu. et al. "Satellite communication systems with elliptical orbits, branch separation and adaptive processing" ("Sistemy sputnikovoy svyazi s ellipticheskimi orbitami, razneseniem vetvey i adaptivnoy obrabotkoy"), Moscow, Glo-bosatkom, 2009, 724 p.

11. Manual on Aviation Telecommunication (RS GA-99), approved by Order of the Federal Security Service of Russia dated 15.07.1999, no. 14.

12. Rules for the use of antennas and feeder devices, approved by Order of the Ministry of Information Technologies and Communications of the Russian Federation dated November 23, 2006, no. 153.

13. Rules of application of terrestrial stations of satellite communication and broadcasting of the unified telecommunication network of the Russian Federation. Part I. Rules for the use of Earth satellite communication stations operating through artificial Earth satellites in geostationary orbit, approved by order of the Ministry of Information Technologies and Communications of the Russian Federation dated August 22, 2007, no. 99.

14. Order of the Ministry of Transport of the Russian Federation dated 22.08.2001 no. NA-323-r "On admission to operation in civil aviation of Inmarsat Mini-M AERO standard satellite communication stations".

15. Buzov A.L., Bukashkin S.A. "Special radio communication. Development and modernization of equipment and facilities" ("Razvitie i modernizatsiya oborudovaniya i ob"ektov"), Moscow, Radiotekhnika, 2017, 448 p.

16. Pantenkov D.G. "Methodological approach to integral evaluation of the effectiveness of using aircraft systems with UAVs. Part 1. Methods for assessing the effectiveness of solving problems of radio communication and remote monitoring", Works of Educational Institutions of Communication (Trudy uchebnykh zavedeniy svyazi), 2020, vol. 6, no 2, pp. 60-78.

17. Velikoivanenko V.I., Kutomanova D.D., Pantenkov D.G., Skorobogatov O.P., Tikhov G.A. "Comprehensive methodology for assessing the economic feasibility of designing spacecraft in order to solve heterogeneous technical and economic problems", Cosmonautics and Rocket Engineering (Kosmonavtika i raketostroenie), 2020, no. 3 (114), pp. 38-48.

18. Pantenkov D.G. "Technical Specifications of on-board spacecraft repeaters for off-horizon radio communication with unmanned aerial vehicles", Radio Engineering (Radiotehknika), 2020, vol. 84, no. 5 (9), pp. 58-74.

19. Pantenkov D.G. "Methodology of structural-parametric optimization of the target load of the spacecraft in the interests of solving heterogeneous private target problems", Abstracts of reports of the XX Scientific and Technical Conf. of Young Scientists and Specialists of RSC Energia OJSC (Tezisy dokladov XX nauchno-tekhnicheskoy konferentsii molodykh uchenykh i spetsialistov OAO «RKK «Energiya»), Korolev, 2014, pp. 290-291.

Submitted 11.05.2021; revised 21.06.2021 Information about the authors

Dmitriy G. Pantenkov, Cand. Sc. (Technical), Deputy chief designer of radio communication systems, Kronstadt (18 prospect Andropova, Moscow 115432, Russia), tel. +7(926)109-23-95, e-mail: pantenkov88@mail.ru

Vladimir P. Litvinenko, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), e-mail: litvinvp@gmail.com