星载铷钟的故障模式及影响分析

　　原子频率标准是导航定位卫星的核心技术。美国的GPS系统使用了铯原子频率标准和铷原子频率标准[1],俄罗斯的GLONASS系统使用了铯原子频率标准[2]。拟于200 8年投入使用的欧洲Galileo系统,将使用氢原子频率标准和铷原子频率标准[3]。铷原子频率标准(rubidium atomic frequency standards:RAFS,简称铷原子频标、铷原子钟或铷钟,以下统称铷钟)具有体积功耗小、环境适应性强、频率稳定性和漂移率等电性能指标高的优点,可适应各种空间使用的要求。由于空间环境具有与地面环境不一样的特点:真空、无重力、温度变化范围大、自然辐射强等,使得星载铷钟与普通商用铷钟或军用铷钟相比,必须具备抗辐射、长寿命、低功耗、低漂移、低噪声、高可靠性的特点,才能更好地适应空间应用的需要。因此,研究星载铷钟的可靠性具有重要意义[4,5]。确保星载铷钟高可靠性的根本方法是从设计研制一开始就考虑故障模式及其影响,进行可靠性设计,增强其在恶劣环境下的生存能力。分析星载铷钟在其生存周期内可能出现的故障模式及其可能造成的影响,是保障星载铷钟可靠性的基本环节。

　　1　故障模式及影响分析

　　故障模式及影响分析(failure modes and effects analysis: FMEA)是通过研究可能发生的故障及其对系统的影响来鉴定设计产品可靠性的一种技术,是确定故障原因、减小故障影响措施的一种系统方法[6]。根据星载铷钟的结构、功能对其进行FMEA,从理论的角度对现有的设计进行分析,发现设计中的薄弱环节,及时实施改进措施,可以确定影响星载铷钟可靠性的关键件与重要件;同时根据FMEA结果,能够为环境试验、可靠性试验提供失效判据、测试手段和试验剖面设计方面的相关信息。在星载铷钟设计的早期阶段就开始进行FMEA分析,有助于对设计的评审和为安排改进措施的先后顺序提供依据。

　　2　星载铷钟的故障模式及影响分析

　　2.1　星载铷钟的基本原理

　　原子钟是利用原子内部能级间的量子跃迁谱线作为参考,通过伺服环路将晶体振荡器的频率锁定于该原子跃迁频率之上,使晶体振荡器的频率具有和原子跃迁频率相同的频率稳定度。本文所研究的星载铷钟结构原理简图如图1所示[7]。它是利用光抽运原理,实现铷原子基态超精细能级间的粒子数反转,采用光检测方法,探测由晶体振荡器、倍频与综合器组成的微波源作用下产生的受激跃迁信号,利用原子内部的这一极窄而稳定的共振谱线,对微波源进行鉴频,由鉴频器得出频率误差信号,再对晶振频率进行控制[8]。

　　根据对星载铷钟基本原理的理解,按照其基本结构和完成的功能将星载铷钟系统划分成6个子系统,这6个子系统分别为:物理泵体子系统、频率控制子系统、射频子系统、温度控制电路子系统、遥测电路子系统、电源及接口子系统。根据星载铷钟的基本原理,可知星载铷钟的任何组成部分发生故障,都将使系统(星载铷钟)不能正常工作。因此,星载铷钟为可靠性串联系统,其可靠性框图如图2所示。