本发明涉及雷达引导系统相关技术领域，特别涉及一种雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法。
背景技术：
舰载机是舰船威慑力的重要载体，承担着舰队远程侦察、打击、防护、拦截、反潜、电子对抗等诸多任务。它需要适应各种气象和作战环境频繁起降，因而，舰载机起降安全关乎舰船作战能力的发挥。舰载机要在移动的、空间受限的舰船上降落，难度非常大，既要适应舰船甲板移动、摇摆带来的姿态变化，还要适应各种气象条件和海况，因此，雷达引导系统对舰载机安全着舰具有重要的作用，甚至影响现代海战的结果，其性能和通用质量特性水平对舰船的实战能力有重要的影响。
国内在雷达引导系统设计过程中，没有能把性能与可靠性结合起来设计的新方法，有的工作项目需要性能设计人员与可靠性人员联合开展，但由于主管设计师对通用质量特性知识储备不足，可靠性工程师对设备的设计原理掌握不深入，导致二者在配合沟通交流不畅，造成各自独立开展，部分设计分析工作停留在可靠性设计文件编制的齐套性和规范性层面，甚至有些情况下，可靠性设计文件属于事后补做，“两张皮”现象严重。
同机械、电子、控制、液压、气动等功能性能一样，可靠性也是产品的设计属性，应该与性能一起进行同步设计、同步实现。然而，当前在我国雷达引导系统研制中，性能设计与可靠性设计还不能有效的结合，在设计方法、产品技术状态、工作进度等方面存在脱节，没有树立性能与可靠性一体化设计的理念。在方法手段上，由于通用质量特性专业和性能专业所用的是两种技术体系，所以很难从同一个角度去考虑。例如可靠性专业采用统计方法建立可靠性模型。基于统计的可靠性模型无法建立可靠性参数与关键设计参数之间的关系。因此在设计过程中，设计人员习惯的首先进行他们所关注的性能设计，然后再进行可靠性设计与分析。系统性能设计与可靠性设计两条线走的情况严重，并且重复建模工作现象较为普遍。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种解决雷达引导系统可靠性设计与性能设计脱节的“两张皮”问题，实现雷达引导系统的性能和可靠性一体化设计的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法。
本发明实施例提供的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法，其特征在于，包括：
确定雷达引导系统性能与可靠性的至少一个影响因素，并建立所述至少一个影响因素中每个影响因素的影响因素模型；
依据预先建立的性能模型和所述影响因素模型，分别确定在所述每个影响因素的扰动下，所述雷达引导系统的性能是否满足预设条件；
若满足，则将所述影响因素模型通过接口设计注入至所述性能模型，利用蒙特卡罗法分析所述雷达引导系统的性能可靠度和所述每个影响因素的重要度；
确定所述至少一个影响因素中重要度最高的影响因素，并基于所述重要度最高的影响因素，对所述雷达引导系统中与所述重要度最高的影响因素相关的部件进行优化设计。
在本发明的一些实施例中，所述至少一个影响因素包括硬件故障、结构误差、控制参数偏差和环境影响因素；
其中，所述硬件故障至少包括数据处理及显控分机、信号处理分机、伺服分机、配电分机、天线转台和引导台的零部件故障；所述结构误差至少包括方位轴与俯仰轴正交误差、电轴与仰轴正交误差、天线座水平误差、变形误差、电轴漂移、伺服平衡误差及慢漂移；所述控制参数偏差至少包括由硬件电路产生的控制参数的偏差和由软件产生的控制参数的偏差；所述环境影响因素至少包括温度、风载荷、甲板运动和测量噪声。
在本发明的一些实施例中，所述雷达引导系统采用双频段，所述雷达引导系统的性能包括探测范围和精度，其中，
所述雷达引导系统的一次雷达最大作用距离模型如下：
式中，rmax为雷达引导系统最大作用距离；pt为发射脉冲功率，λ为载波波长，gt为发射天线增益，gr为接收天线增益，σ为目标的雷达截面积，k为玻尔兹曼常数，t0为标准室温，bn为噪声带宽，f为接收机噪声系数，d0为检测因子，l为总损耗；
所述雷达引导系统的二次雷达最大作用距离模型如下：
simin＝kt0bnf
式中，r’max是当雷达的接收机灵敏度为simin时的机载应答机应答最大作用距离，simin为雷达接收机灵敏度，gsp为雷达信号处理增益；
所述雷达引导系统的距离测量精度模型为：
式中，σl为距离测量精度，σ1i为测距精度误差源，所述测距精度误差源至少包括热噪声、多路径、距离-多普勒耦合、内部定时跳动、距离量化、应答机延迟变化、距离闪烁及回波起伏、光速不稳定、动态滞后、零距离设置、接收机延迟；
所述雷达引导系统的角度测量精度模型为：
式中，σθ为角度测量精度，σ2i为测角精度误差源，所述测角精度误差源至少包括热噪声、多路径、伺服噪声、数据量化、对流层折射不规则、相移误差引起电轴漂移、和差通道耦合变化、其它因素引起电轴漂移、风力引起变形误差、天线座不水平、方位与俯仰轴不正交、电轴与俯仰轴不正交、伺服不平衡及慢漂移、动态滞后；
所述雷达引导系统的速度测量精度模型为：
式中，σv为速度测量精度，σ3i为测距精度误差源，所述测距精度误差源至少包括热噪声、多路径、杂波与干扰噪声、频率源不稳定度、目标闪烁、处理量化误差、鉴别器的零点调整和漂移、动态滞后。
在本发明的一些实施例中，所述雷达引导系统的性能可靠度的计算公式如下：
式中，r(y(t))为雷达引导系统性能可靠度，y(t)为一组性能参数向量，所述性能参数向量包括最大作用距离，测距精度，测角精度，测速精度，ω为处于正常状态的集合，用集合{a1，...，am}表示，n为雷达引导系统的总试验次数，x(ai)为雷达引导系统处于ai状态的次数。
在本发明的一些实施例中，所述每个影响因素的重要度的计算公式如下：
式中，g(xi)为第i个影响因素的重要度，ri(y(t))为第i个因素影响下的雷达引导系统的性能可靠度；rs(y(t))为雷达引导系统处于n种因素综合影响下的性能可靠度。
在本发明的一些实施例中，所述分别确定在所述每个影响因素的扰动下，所述雷达引导系统的性能是否满足预设条件，还包括：
若不满足，则重新设定预设条件，并在重新选择零部件后，重新确定所述雷达引导系统的性能是否满足所述重新设定的的预设条件，其中，所述预设条件包括参数阈值。
在本发明的一些实施例中，在对所述雷达引导系统中与所述重要度最高的影响因素相关的部件进行优化设计之后，所述方法还包括：
针对优化设计后的所述雷达引导系统，分别确定在各个影响因素的扰动下，所述雷达引导系统的性能是否满足预设条件，在满足之后，利用蒙特卡罗法分析所述雷达引导系统的新的性能可靠度。
在本发明的一些实施例中，若所述新的性能可靠度高于未进行优化设计之前的性能可靠度，则设计完成，若所述新的性能可靠度不高于未进行优化设计之前的性能可靠度，则进行补偿措施设计。
本发明实施例提供的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法，具有以下优点：其通过将雷达引导系统的性能和可靠性进行同步设计，解决雷达引导系统可靠性设计与性能设计脱节的“两张皮”问题，实现雷达引导系统的性能和可靠性一体化设计，为雷达引导系统在复杂海上环境条件下安全、可靠的完成任务奠定了技术基础。
附图说明
图1为本发明实施例的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法的流程图；
图2为本发明实施例的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法的流程示意图；
图3为本发明实施例的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法中雷达引导系统的框图；
图4为本发明实施例的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法中实体圆抛物面的风载荷的示意图；
图5为本发明实施例的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法中实体圆抛物面风载荷系数的查询图。
具体实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
在本说明书中可使用词组“在一种实施例中”、“在另一实施例中”、“在又一实施例中”、“在一实施例中”、“在一些实施例中”或“在其它实施例中”，均可指代根据本发明的相同或不同实施例中的一个或多个。
此后参照附图描述本发明的具体实施例；然而，应当理解，所发明的实施例仅仅是本发明的实施例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详尽描述以根据用户的历史的操作，判明真实的意图，避免不必要或多余的细节使得本发明模糊不清。因此，本发明的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样性地使用本发明。
本发明实施例提供了一种雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法，如图1和图2所示，所述设计方法包括如下步骤：
步骤1：确定雷达引导系统性能与可靠性的至少一个影响因素，并建立所述至少一个影响因素中每个影响因素的影响因素模型。其中，所述至少一个影响因素包括硬件故障、结构误差、控制参数偏差和环境影响因素；具体地，所述硬件故障至少包括数据处理及显控分机、信号处理分机、伺服分机、配电分机、天线转台和引导台的零部件故障，其中，天线转台包括天馈、高频箱和转台分机，所述硬件故障通常用指数分布来表征；所述结构误差至少包括方位轴与俯仰轴正交误差、电轴与仰轴正交误差、天线座水平误差、变形误差、电轴漂移、伺服平衡误差及慢漂移等；所述控制参数偏差至少包括由硬件电路产生的控制参数的偏差和由软件产生的控制参数的偏差，具体地，由硬件电路产生的控制参数的偏差可通过eda分析得到控制参数偏差模型，由软件产生的控制参数的偏差可直接对控制参数进行拉偏；所述环境影响因素至少包括温度、风载荷、甲板运动和测量噪声。
步骤2：依据预先建立的性能模型和所述影响因素模型，分别确定在所述每个影响因素的扰动下，所述雷达引导系统的性能是否满足预设条件。
在本实施例中，所述雷达引导系统采用双频段，具体可以采用x/ka双频段融合/冗余设计，其x频段为一次雷达形式，ka频段为二次雷达(机上安装雷达应答机)，融合的测速测距部分也采用ka频段二次雷达形式。一次雷达宽波束设计使雷达具有一定的搜索能力，二次雷达的窄波束设计提高了近距抗多径干扰力。其模型主要由数据处理及显控分机、信号处理分机、伺服分机、天线转台(包括天馈、高频箱和转台分机)、配电分机、引导台组成，具体可参见图3所示。
在本发明的一些实施例中，所述雷达引导系统的性能包括探测范围和精度，所述雷达引导系统精度包括测距精度、测角精度和测速精度，所述探测范围指最大作用距离。其中，
所述雷达引导系统的一次雷达最大作用距离模型如下：
式中，rmax为雷达引导系统最大作用距离；pt为发射脉冲功率，λ为载波波长，gt为发射天线增益，gr为接收天线增益，σ为目标的雷达截面积，k为玻尔兹曼常数，t0为标准室温，bn为噪声带宽(用接收机带宽近似)，f为接收机噪声系数，d0为检测因子，l为总损耗；
所述雷达引导系统的二次雷达最大作用距离模型如下：
simin＝kt0bnf
式中，r’max是当雷达的接收机灵敏度为simin时的机载应答机应答最大作用距离，simin为雷达接收机灵敏度，gsp为雷达信号处理增益；
所述雷达引导系统的距离测量精度模型为：
式中，σl为距离测量精度，σ1i为测距精度误差源，所述测距精度误差源至少包括热噪声、多路径、距离-多普勒耦合、内部定时跳动、距离量化(信号处理)、应答机延迟变化、距离闪烁及回波起伏、光速不稳定、动态滞后、零距离设置、接收机延迟；
所述雷达引导系统的角度测量精度模型为：
式中，σθ为角度测量精度，σ2i为测角精度误差源，所述测角精度误差源至少包括热噪声、多路径、伺服噪声、数据量化(角转换)、对流层折射不规则、相移误差引起电轴漂移、和差通道耦合变化、其它因素引起电轴漂移、风力引起变形误差、天线座不水平、方位与俯仰轴不正交、电轴与俯仰轴不正交、伺服不平衡及慢漂移、动态滞后；
所述雷达引导系统的速度测量精度模型为：
式中，σv为速度测量精度，σ3i为测距精度误差源，所述测距精度误差源至少包括热噪声、多路径、杂波与干扰噪声、频率源不稳定度、目标闪烁、处理量化误差、鉴别器的零点调整和漂移、动态滞后等。
此外，所述影响因素模型，具体针对环境影响因素时，各零部件的温度环境信息可以经过处理作为试验条件施加于cad仿真模型中并利用有限元软件进行仿真分析，对应力分析得到的结果，利用失效模型开展应力损伤分析，以获取失效位置、模式及机理等潜在的失效信息。
风载荷主要作用于转台分机，抛物面天线的风载荷通常按轴向力、横向力以及风力矩来表示。作为示例，如图4所示，其为实体圆抛物面的风载荷，具体地，圆抛物面对于抛物面顶点的三个风载荷分量：
轴向力：fa＝ca·q·a
横向力：fc＝cc·q·a
风力矩：m＝cm·q·a·d
式中，ca、cc、cm为风载荷系数，其值按实体圆抛物面风载荷系数表(如图5所示)查取；
q为东压头(n/m2)且
以上计算式及风载荷系数为不带罩实体圆抛物面的风载荷计算方法，本发明中天线口面加罩，罩的外形也近似为圆抛物面，所以风载荷计算时ca、cc在风向角θ从0°到90°取值类似于实体圆抛物面天线风向角θ从90°到180°的情况，只是方向相反。
针对甲板运动，由于雷达引导系统被固定在舰体上，因此雷达测量轴将不断地随舰体运动而“摇晃”。在着舰引导时，为了避免飞机跟随舰体运动做不必要的运动，必须由安装于雷达附近的稳定平台不断地测量出舰体的沉浮、纵倾、横摇、摆动运动，以便在雷达测量系中消除这些运动的影响，使飞机位置在不受上述航母运动影响的稳定测量坐标系中进行测量，该稳定坐标系又称为惯性坐标系，它的原点oi设在不考虑航母沉浮运动的预期降落点dtp处，纵轴xi沿设置在跑道中间线上，向舰尾方向为正，立轴zi设在与甲板平面垂直的方向上，向上为正。
针对测量噪声，根据概率论的极限中心定理，大量相互独立的、均匀的微小随机变量的总和服从高斯分布，对于随机过程也是如此。雷达系统内的热噪声和散弹噪声，都可以看成是无数独立的微小电流脉冲的叠加，所以它们是服从高斯分布的，因而是高斯过程，通常就把它们叫做高斯噪声。
高斯型噪声的频谱sg(f)按指数规律变化
当
可见，高斯噪声的功率谱密度的宽度非常宽，远大于飞控系统的带宽，而且在系统带宽内，它的功率谱密度可认为是常数，这种噪声本发明将处理为白噪声。
步骤3：若满足预设条件，则将所述影响因素模型通过接口设计注入至所述性能模型，利用蒙特卡罗法分析所述雷达引导系统的性能可靠度和所述每个影响因素的重要度；其中，预设条件可以为预设的参数阈值。
在本实施例中，所述性能可靠度是指从雷达引导系统的功能需求出发，产品在规定的条件下和规定的工作时间内,其性能参数满足规定的指标要求的概率，所述雷达引导系统的性能可靠度的计算公式如下：
式中，r(y(t))为雷达引导系统性能可靠度，y(t)为一组性能参数向量，所述性能参数向量包括最大作用距离，测距精度，测角精度，测速精度，ω为处于正常状态的集合，用集合{a1，...，am}表示，n为雷达引导系统的总试验次数，x(ai)为雷达引导系统处于ai状态的次数。
同时，所述蒙特卡罗综合分析是指在一次仿真中注入结构误差、控制参数偏差、风载荷、甲板运动等随机影响因素，总共进行大次数的仿真试验，具体可设置如在500-10000次的仿真试验，当然，也可依据实际情况进行适当调整，在此不做明确限定，通过仿真分析和数据的统计计算，得出雷达引导系统在所述影响因素的综合作用下的性能可靠度以及各影响因素的重要度。
所述影响因素重要度(可用g(xi)表示)，定义为影响因素xi发生引起雷达引导系统失效的次数在产品总失效次数中的占比。
所述每个影响因素的重要度的计算公式如下：
式中，g(xi)为第i个影响因素的重要度，ri(y(t))为第i个因素影响下的雷达引导系统的性能可靠度；rs(y(t))为雷达引导系统处于n种因素综合影响下的性能可靠度。
步骤4：确定所述至少一个影响因素中重要度最高的影响因素，并基于所述重要度最高的影响因素，对所述雷达引导系统中与所述重要度最高的影响因素相关的部件进行优化设计。
在对所述雷达引导系统中与所述重要度最高的影响因素相关的部件进行优化设计之后，所述方法还包括：针对优化设计后的所述雷达引导系统，分别确定在各个影响因素的扰动下，所述雷达引导系统的性能是否满足预设条件，在满足之后，利用蒙特卡罗法分析所述雷达引导系统的新的性能可靠度。
此时，若所述新的性能可靠度高于未进行优化设计之前的性能可靠度，则设计完成，若所述新的性能可靠度不高于未进行优化设计之前的性能可靠度，则进行补偿措施设计。
此外，在本发明的一些实施例中，所述分别确定在所述每个影响因素的扰动下，所述雷达引导系统的性能是否满足预设条件，还包括：若不满足，则重新设定预设条件，并在重新选择零部件后，重新确定所述雷达引导系统的性能是否满足所述重新设定的的预设条件，其中，所述预设条件包括参数阈值。
通过上述的技术方案可以看出，其通过将雷达引导系统的性能和可靠性进行同步设计，解决雷达引导系统可靠性设计与性能设计脱节的“两张皮”问题，实现雷达引导系统的性能和可靠性一体化设计，为雷达引导系统在复杂海上环境条件下安全、可靠的完成任务奠定了技术基础。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
1.一种雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法，其特征在于，包括：
确定雷达引导系统性能与可靠性的至少一个影响因素，并建立所述至少一个影响因素中每个影响因素的影响因素模型；
依据预先建立的性能模型和所述影响因素模型，分别确定在所述每个影响因素的扰动下，所述雷达引导系统的性能是否满足预设条件；
若满足，则将所述影响因素模型通过接口设计注入至所述性能模型，利用蒙特卡罗法分析所述雷达引导系统的性能可靠度和所述每个影响因素的重要度；
确定所述至少一个影响因素中重要度最高的影响因素，并基于所述重要度最高的影响因素，对所述雷达引导系统中与所述重要度最高的影响因素相关的部件进行优化设计。
2.根据权利要求1所述的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法，其特征在于，
所述至少一个影响因素包括硬件故障、结构误差、控制参数偏差和环境影响因素；
其中，所述硬件故障至少包括数据处理及显控分机、信号处理分机、伺服分机、配电分机、天线转台和引导台的零部件故障；所述结构误差至少包括方位轴与俯仰轴正交误差、电轴与仰轴正交误差、天线座水平误差、变形误差、电轴漂移、伺服平衡误差及慢漂移；所述控制参数偏差至少包括由硬件电路产生的控制参数的偏差和由软件产生的控制参数的偏差；所述环境影响因素至少包括温度、风载荷、甲板运动和测量噪声。
3.根据权利要求2所述的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法，其特征在于，所述雷达引导系统采用双频段，所述雷达引导系统的性能包括探测范围和精度，其中，
所述雷达引导系统的一次雷达最大作用距离模型如下：
式中，rmax为雷达引导系统最大作用距离；pt为发射脉冲功率，λ为载波波长，gt为发射天线增益，gr为接收天线增益，σ为目标的雷达截面积，k为玻尔兹曼常数，t0为标准室温，bn为噪声带宽，f为接收机噪声系数，d0为检测因子，l为总损耗；
所述雷达引导系统的二次雷达最大作用距离模型如下：
simin＝kt0bnf
式中，r’max是当雷达的接收机灵敏度为simin时的机载应答机应答最大作用距离，simin为雷达接收机灵敏度，gsp为雷达信号处理增益；
所述雷达引导系统的距离测量精度模型为：
式中，σl为距离测量精度，σ1i为测距精度误差源，所述测距精度误差源至少包括热噪声、多路径、距离-多普勒耦合、内部定时跳动、距离量化、应答机延迟变化、距离闪烁及回波起伏、光速不稳定、动态滞后、零距离设置、接收机延迟；
所述雷达引导系统的角度测量精度模型为：
式中，σθ为角度测量精度，σ2i为测角精度误差源，所述测角精度误差源至少包括热噪声、多路径、伺服噪声、数据量化、对流层折射不规则、相移误差引起电轴漂移、和差通道耦合变化、其它因素引起电轴漂移、风力引起变形误差、天线座不水平、方位与俯仰轴不正交、电轴与俯仰轴不正交、伺服不平衡及慢漂移、动态滞后；
所述雷达引导系统的速度测量精度模型为：
式中，σv为速度测量精度，σ3i为测距精度误差源，所述测距精度误差源至少包括热噪声、多路径、杂波与干扰噪声、频率源不稳定度、目标闪烁、处理量化误差、鉴别器的零点调整和漂移、动态滞后。
4.根据权利要求3所述的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法，其特征在于，所述雷达引导系统的性能可靠度的计算公式如下：
式中，r(y(t))为雷达引导系统性能可靠度，y(t)为一组性能参数向量，所述性能参数向量包括最大作用距离，测距精度，测角精度，测速精度，ω为处于正常状态的集合，用集合{a1，...，am}表示，n为雷达引导系统的总试验次数，x(ai)为雷达引导系统处于ai状态的次数。
5.根据权利要求4所述的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法，其特征在于，所述每个影响因素的重要度的计算公式如下：
式中，g(xi)为第i个影响因素的重要度，ri(y(t))为第i个因素影响下的雷达引导系统的性能可靠度；rs(y(t))为雷达引导系统处于n种因素综合影响下的性能可靠度。
6.根据权利要求5所述的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法，其特征在于，所述分别确定在所述每个影响因素的扰动下，所述雷达引导系统的性能是否满足预设条件，还包括：
若不满足，则重新设定预设条件，并在重新选择零部件后，重新确定所述雷达引导系统的性能是否满足所述重新设定的的预设条件，其中，所述预设条件包括参数阈值。
7.根据权利要求6所述的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法，其特征在于，在对所述雷达引导系统中与所述重要度最高的影响因素相关的部件进行优化设计之后，所述方法还包括：
针对优化设计后的所述雷达引导系统，分别确定在各个影响因素的扰动下，所述雷达引导系统的性能是否满足预设条件，在满足之后，利用蒙特卡罗法分析所述雷达引导系统的新的性能可靠度。
8.根据权利要求7所述的雷达引导系统性能与可靠性综合设计方法，其特征在于，若所述新的性能可靠度高于未进行优化设计之前的性能可靠度，则设计完成，若所述新的性能可靠度不高于未进行优化设计之前的性能可靠度，则进行补偿措施设计。
技术总结