无人机通用质量特性设计探讨

一、引言

无人机作为一种新兴的航空器，正逐渐成为各行业的重要工具。然而，由于无人机的种类繁多，应用场景广泛，因此需要编制一篇通用质量特性标准，为无人机的可靠性、安全性、维修性、保障性、环境适应性、测试性和电磁兼容性的要求提供参考，本文将就无人机的通用质量特性进行探讨和总结。

二、内容

（一）可靠性

1、可靠性设计准则

系统基于成熟的通用化、系列化、组合化设计，采用以往成熟的设计，沿用了相关系列成熟产品积累的可靠性设计准则，包括：

1) 设备内部板卡、电路，采用经过长期使用、性能稳定的成熟设计；

2) 简化设计

简化设计可以提高产品的固有可靠性，在保证满足性能要求前提下，减少产品组成单元数，从而提高其可靠性。为实现简化设计系统尽量采用系列化设计，采用标准件、通用件，消除不必要的功能及逻辑多余部件，减少元器件和零件的品种规格及数量，争取用较少的零部件实现多种功能；采用经过考验的可靠性有保障的零部件及整机；采用模块化设计。

a) 产品设计中使电路、链路、结构简单。简化设计不给其他的电路、链路或结构增加不合适的应力；

b) 提高集成度，减少元器件、电源、接插件等的数量和品种；

3) 元器件、零部件和原材料的选择

a) 设计选材满足产品的使用要求，注重发挥轻质材料在结构设计中的作用，注重材料对各种严酷环境下产品可靠性的保证。

b) 材料选用不仅考虑满足各零件、部件的性能要求即满足整个产品各分功能的要求，还考虑各零、部件对产品性能或者其他零（部）件附属功能的影响。

c) 尽量不用非标准的元器件，采购新设计器件或定制器件时，应经过验证合格后使用。

d) 电子元器件的选用应遵循技术协议和标准化大纲的相关规定，选用工业级电子元器件。

4) 电路容差设计

a) 根据需要，对关键电路进行容差分析和容差设计。

b) 电路设计时，留有20%～30%的余量，重要地方用50%～100%的余量，稳定性、可靠性越高的地方余量应越大。

c) 对随温度变化其参数也随之变化的元器件进行温度补偿，使电路保持稳定。

d) 正确选用电参数稳定的元器件，避免电路产生漂移故障。

5) 热设计

a) 优先选用自然散热进行散热，不能满足使用要求时采取强制风冷手段；

b) 选择稳定性好、耐温范围宽、功耗低的元器件和导热性能好的印制板；

c) 增大元器件与印制板（或机壳）的安装接触面积，降低接触表面的粗糙度，增大接触压力，在接触界面间填充导热填料；

d) 电路板、设备之间的连接器均采用力学防护设计良好的接口器件，具有一定的承受外力能力。

e) 结构件设计首先考虑强度和所有连接的可靠性，以满足振动、冲击和加速度的要求。同时由于重量限制，强度综合材料、厚度、形状统一考虑。所有紧固螺钉均需涂点防松漆。

6) 继承性设计

本设计方案是在以往多个无人机载射频模拟系统基础上改进后形成的，设计方案中无人机平台、飞行控制单元、便携式控制终端、电池管理单元、载荷主机、功放、天线等主要设备基本采用了成熟的设计，都具有较好的继承性。

7) 余度设计

无人机上两套卫导接收终端完全独立，并可独立实现无人机的位置定位，从而构成并联形式的冗余系统，实现高可靠性。

为了提高设备固有可靠性，各单元电路均要求进行降额设计，不同元器件按不同的降额比降额使用。经过降额设计，元器件失效率将大大降低，从而提高设备的固有可靠性。元器件的降额设计参照GJB/Z35《元器件降额准则》相应元器件的降额等级，降额设计基本原则如下：

a) 重要功能电路的元器件要实施Ⅰ级降额，一般电路满足Ⅲ级降额以上降额要求；

b) 对直流电源（包括各种DC/DC电源、二次电源）实施降额使用，包括电源功率和使用的导线容量，通常应有15～30%以上的裕量，并考虑设备开机等瞬态浪涌冲击能力；

c) 在结构设计中应考虑振动、冲击等机械环境应力的降额，留有足够的余量，提高结构的强度和刚度；

d) 不能使用降额补偿的方法来解决低质量等级的元器件的使用。

本产品主要元器件降额设计参数选择要求见下表。

2、可靠性模型

对系统的可靠性进行充分合理的分配和预计，建立严格细致的可靠性保证措施，才能满足系统可靠性指标要求，确保系统稳定可靠的工作。

系统中的各分系统和单元所处的环境、采用的元器件质量、采用的标 准件程度、维修的难易等因素不同，其所能达到的可靠性水平也不同。为了能更合理地进行可 靠性指标分配，采用工程加权分配法分配可靠性指标，主要考虑到以下六个因素。

对于随队设备与自卫设备均考虑一种最复杂的工作模式。

根据计算可得到平均无故障时间（MTBF）：≥100。

（二）维修性

1、维修性要求

1）MTTR（平均修复时间）：小于1h。

2）进行维修性设计准则符合性分析。

3）其它：电缆接插件、结构安装等接口应采用物理防差错措施，测试点、连接点的布置应尽可能统一方向，观察点应正面朝外，便于识别和操作，应进行维修安全设计，严格避免维修人员受到电、热、尖锐部位、有毒物质、放射性材料和其它危险因素的伤害。

2、维修性设计准则

目标及干扰模拟器基于成熟的模块化硬件搭建，沿用了相关系列成熟产品积累的维修性设计准则，包括：

1）可达性：

a) 监测点应布置于产品外侧，并具有保护措施；

b) LRU/LRM便于拆装，可使用通用操作工具拆装，并具备足够间隙用于工具使用。

2）标识与防错：

a) 不同LRU/LRM间必须具有防差错措施，避免误装；

b) LRU/LRM应具有安装方向、方式标识或方差错措施，避免错装；

c) LRU/LRM的标识应包括订购方需要的标识信息,位于维修人员易于观察的方向。

3）互换性：

LRM与机箱、LRU与安装架间配合结构的公差设计，应满足互换性要求。

3、维修性分析

根据目标及干扰模拟的初步设计方案，对产品的维修方式和和与产品维修相关的技术特性进行分析如下：

1）系统使用的硬件板卡采用硬件平台库中的标准模块，备件充分，可及时更换；

2）系统基于的开发环境、算法库和应用软件都有详细的使用帮助，可快速定位问题；

3）系统系统硬件模块，设计有预留测试端口，FPGA软件设计将关键信号反馈给软件或通过chipscope观测，有助于快速故障诊断和问题定位。

4、维修性预计

根据串联模型公式进行核算，无人机平台维修性指标如以上表所示时，系统维修性指标为1h，满足系统MTTR≤1h的要求.

5、互换性设计

加强互换性设计，可简化维修作业和节约备品费用，提高产品的维修性。

载体与载荷均采用模块化设计，各个模块均采用成熟的货架产品，满足同功能模块的可互换性。

（三）保障性

1、保障性设计原则

1）参照GJB3872-1999《装备综合保障通用要求》，编制综合保障大纲，开展综合保障工作；

2）编制并提供使用、维护全套用户技术资料；

3）完整规划软件的使用保障活动支持；

4）采取通用标准接口设计、插箱和整机备件设计，集成配套测试设备，尽可能降低对维修人员的技能要求，减少维修人员数量；

5）提供维持系统正常工作所需要的维护方案和规范；

6）提供必要的保障与维护设备，包括搬运设备、维修与校准设备、测试设备、监测与故障诊断设备等；

7）提供鉴定、训练、使用、维护等所需的全套技术资料，包括工程图纸、技术规范、技术手册、技术报告、培训教材及专用软件源程序文本等；

8）提供必要的备机与备件。

保障性分析是一个迭代的过程，只有产品的特性（可靠性、维修性、测试性以及经济性、体积重量等）及保障性指标等约束条件确定后，才能逐步确定装备保障资源的品种、数量及指标要求等，形成保障资源清单。保障资源清单还应该经过实际使用验证，并根据情况进行调整，使保障资源满足战备完好性要求。本系统保障性设计执行GJB 3872-1999《装备综合保障通用要求》及系统保障性大纲要求。保障资源是影响战备完好性的重要因素，为保证装备在寿命期间保持良好的战备完好性，必须有充足的保障资源。

保障性需求分析表如表所示。

由于保障性工程是全寿命过程的工程，比较复杂，需要订购方和承制方的通力合作。在目前阶段，我司也要做好设备的可靠性、维修性、测试性以及安全性设计工作，打好装备保障性的基础。订购方也需要做好综合保障性需求分析工作，提出综合保障性计划和合理的寿命周期费用，明确承制方的保障性任务，最终实现系统战备完好性要求。

2、供应保障

系统的无人机、载荷和地面站基站均基于我司的产品平台进行开发，各模块无特殊要求，对后续供货和保障维修能够提供可靠的供应保障。

地面控制计算机采用成熟的便携式加固计算机，型号与配置无特殊要求，无保障性风险。

（四）测试性

1、测试性要求

1）进行测试性设计准则符合性分析。

2）其它：a)按照总体下发的相关文件，完成相应测试性工作，上报模块BIT健康状态，上报内容由总体和承制单位共同确定(详见ICD接口控制文件)、编写测试性分析报告（遵照国军标GJB 2547A-2012）和测试性设计准则符合性报告。

b) 定量要求

①BIT故障检测率（FDR）：≥90%；

②BIT故障隔离率（FIR）：≥90%（隔离至单个功能模块）。

c) 定性要求

应符合GJB2547A-2012《装备测试性工作通用要求》相关要求，开展测试性设计、分析、评估和验证工作。设备留有外部检测接口并具有加电自检测和维护自检测等工作方式。

2、测试性设计原则

测试性设计按照GJB 2547A-2012《装备测试性工作通用要求》相关要求进行。测试性设计原则和目标如下：

1）各分系统和功能设备都应具有功能自检能力，可将故障定位到外场可更换单元；

2）留有外部维护检测接口，能通过外部接口对各功能设备设计进行控制和检测；

3）测试接口的设计要符合标准化要求；

4）可利用专用的检测设备或通用的电子测试设备对各个功能设备进行性能检测，并将故障定位到预定的可更换单元；

5）合理确定地划分功能模块，在方案设计时明确设备组成和各LRU、LRM单元；

6）设计有（专用或兼用）测试接口，测试接口可输入或输出专用测试信号；

7）设计的测试接口型号符合系统测试接口规定要求；

8）设备上电后，能自动运行BIT程序一次，以实现上电BIT功能；

9）机内BIT系统能被上级控制台或专用测试设备控制下启动工作，从而可实现周期BIT（必要时，由系统程序定时）、维护BIT功能，实现故障的智能诊断、快速维修；

10）测试点或检测接口要有明显的标记；

11）设备内部须设置有足够的检测点，以满足故障检测率的要求；

12）采用硬件信号检测和软件逻辑判断的方法进行故障定位，保证故障定位正确率；

13）被测设备（UUT）在电气和结构上应尽可能与外部检测仪器接口兼容，以减少专用测试接口装置的数量。

3、载体测试性设备

根据运行阶段的不同，系统BIT工作模式分为：任务前BIT、任务中BIT和任务后BIT。具体工作模式及内容如下所示：

任务前BIT   ：在飞行前的地面准备过程中进行BIT检测，通过BIT检测各单元的工作状态，以确定无人机起飞前的准备状态，如无人机的姿态、电机的工作状态、发动机的工作状态等。使用的BIT类型为启动BIT。

任务中BIT   ：在飞行过程中进行BIT检测，这种BIT用于监测无人机在任务期间的工作状态，如 无人机当前姿态、飞行参数、发动机工作状态、任务设备工作状态等。这些信号须在飞行过程中实施检测，使用的BIT类型为周期BIT。

任务后BIT：在飞行任务完成并着陆后进行BIT检测，这种BIT工作模式主要用于检测无人机完成飞行任务 号的维修检测，初步检查无人机飞行前、飞行中的故 障情况，进一步隔离故障，用于无人机的维修或修理后的检测等。使用的BIT类型综合采用启动BIT和周期BIT。

（五）安全性

1、无人机安全性要求

1）进行安全性设计准则符合性分析。

2）不允许使用易燃材料。

3）应尽量避免采用高电压部件。

4）产品本身出现故障或失效，不应危及人员、上层系统和其他设备的安全。

5）在采用新的设计方法、材料、生产工艺和试验技术时，应分析评估可能导致的风险。

6）开机不应发生保险丝（管）烧毁。

7）开机后不应有异常气味。

2、无人机飞行安全相关设计

为了确保无人机的飞行安全，在无人机的设计过程中，主要考虑了飞行冗余设计、飞行相关设备冗余设计、对各种复杂气象环境的适应性设计、通信与导航链路的安全设计以及紧急情况的报警提示等设计，完全可以响应系统的技术指标要求。

3、无人机安全操作流程

无人机安全操作流程如下图所示。

（六）环境适应性

1）相对湿度：不大于90%（温度+35℃）。

2）工作温度：-30℃～+55℃；贮存温度：-40℃～+60℃。

3）在小雨条件下，可以起降巡航；

4）防护等级满足IP54。

飞行器的环境适应性设计采用军工级外场应用标准，可适应极端工况下的高低温与防雨要求

（七）电磁兼容性设计

1、设计准则

（1）设备级的电磁兼容设计应从结构、PCB和内部电缆出发，采用屏蔽、滤波、更换频点/数据速率等方案规避电磁兼容问题，使设备电磁兼容性达到设计需求。

（2）结构设计应考虑采用电磁隔离设计措施，主要机载和地面系统设备采用全屏蔽金属外壳，并在壳体缝隙接口处增加屏蔽处理。

（3）PCB设计应考虑采用多层板结构及就近接地原则，保证电源和信号回流路径尽可能小，降低板级EMI的影响。

（4）严格遵守3W原则进行线间距设计，减小线间串扰，以保证大部分的电场不互相干扰（理论可达70%）。

（5）严格遵守20H原则，保证电源平面边缘比地平面边缘至少缩进两个平面之间间距的20倍，以抑制边缘磁通泄露（理论可达70%）。

2、设计措施

（1）合理进行布局布线及包地处理，以控制高频信号或高频器件辐射影响范围。

（2）对于敏感的电源接口和信号接口，采取电气隔离设计，如强、弱电汇合处，使用隔离DC-DC芯片或隔离接口芯片，隔离外部系统的干扰对电子设备内部电子元器件电性能的影响。

（3）内部电缆设计：遵循强、弱电分离原则，将大电流传输电缆与小信号传输电缆分开单独走线。将数字信号与模拟信号传输电缆尽量分开走线，减小数字信号对模拟信号的干扰影响。

（4）对于机载设备中易受干扰和干扰辐射源设备采用的机箱、电缆等严格按屏蔽设计，以减小设备间的干扰。高、低频电缆一律采用屏蔽电缆，高频电缆采用双层屏蔽同轴电缆，或刚性同轴电缆，传输重要信息的低频电缆采用屏蔽双绞线或同轴电缆。电源及信号采集部分必须采取加强屏蔽、滤波及良好接地等措施。从布线、滤波、接地等方面进行电磁兼容性设计，消除系统内部的相互归纳绕，并具有一定的抗外界干扰能力。

（5）合理设计系统的接地回路，增加ESD管等，给静电电荷提供泄放通道，防止人员的电机危害及电子产品的性能降级或损坏。

（6）飞控导航设备与机载链路保护

①频段隔离与滤波：针对飞控导航设备和机载链路在北斗和通信频段的工作特性，增加波段滤波器，确保频段内的信号不受外界干扰，特别是避免被试雷达的干扰和击穿。滤波器的插入损耗和带外抑制能力满足要求。

②屏蔽设计：增强飞控导航设备和通信链路的屏蔽设计，采用高导电性材料制成的全封闭屏蔽带，并优化屏蔽带设计，减少信号泄漏和外来干扰。对系统内的线缆进行优化布局和防护，避免高频信号线和电流线的相互干扰。遵循不同强度电流分离的原则，减少线缆间的耦合效应。对重要信号线和数据线采用屏蔽电缆或同轴电缆进行传输，提高信号传输的抗干扰能力。同时，加强线缆的接地处理，确保信号传输的稳定性和可靠性。

③频段监测与告警：通过频段监测实时监测飞控导航设备和通信链路的工作频段，一旦发现异常干扰，立即触发告警机制，保障系统稳定运行。

三、结论

本文对无人机通用质量特性进行了分析和研究，为无人机的通用质量特性设计和优化提供了参考。无人机通用质量特性设计是一个多学科交叉、多目标优化的系统工程，需要在性能、成本、法规之间找到平衡。

成功的无人机设计需要跨学科团队协作，通过持续迭代优化，将先进设计理念、严格质量控制和创新技术应用有机结合，才能开发出具有市场竞争力的产品。随着技术不断发展，无人机将在更多领域发挥重要作用，其质量特性设计也将面临新的挑战和机遇。