美國GPS III業(yè)務(wù)系統(tǒng)工程管理活動綜述

靖德果　薛惠鋒

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美國GPS III業(yè)務(wù)系統(tǒng)工程管理活動綜述

靖德果薛惠鋒

近幾年，美國第三代全球定位系統(tǒng)（GPS III）業(yè)務(wù)進(jìn)展不順，屢遭延遲。據(jù)報道，GPS III 8顆衛(wèi)星中的第一顆將于2017年發(fā)射，比原計劃推遲3年。

GPS III項目始于2006年。2008 年5月，該項目合同被授予美國洛克希德?馬丁公司。在整個項目的發(fā)展過程中，美國國防部負(fù)責(zé)系統(tǒng)工程的副助理國防部長一直參與系統(tǒng)工程計劃、需求管理、質(zhì)量管理、技術(shù)和風(fēng)險評估等各個方面的活動。國防部每年都發(fā)布系統(tǒng)工程年報，綜合報告重要國防項目的系統(tǒng)工程管理活動。本文在國防部系統(tǒng)工程年報的基礎(chǔ)上，綜合了國防部采辦指令、采辦指南，以及第三方獨(dú)立評審報告的相關(guān)內(nèi)容，梳理了GPS III業(yè)務(wù)中的系統(tǒng)工程管理活動，分析了美國GPS III業(yè)務(wù)延期的原因，總結(jié)了美國GPS III業(yè)務(wù)運(yùn)用系統(tǒng)工程管理的經(jīng)驗和教訓(xùn)。

執(zhí)行概要

美國國防部指令規(guī)定，所有與系統(tǒng)工程有關(guān)的重大國防采辦項目活動均由負(fù)責(zé)系統(tǒng)工程的副助理國防部長辦公室監(jiān)督，用以保證國防部在國防采辦項目中運(yùn)用系統(tǒng)工程原理及強(qiáng)有力的技術(shù)管理，為整個國防采辦提供基于知識的決策支撐。GPS業(yè)務(wù)涉及數(shù)個重大國防采辦項目（MDAP）及準(zhǔn)重大國防采辦項目（Pre-MDAP），處在不同的采辦及開發(fā)階段。重大國防采辦項目是指，按照美國國防部采辦指令（DoDI 5000.02）規(guī)定，以2014財年為基準(zhǔn)，研發(fā)費(fèi)用預(yù)計超過4.8億美元或者采購費(fèi)用超過27.9億美元的項目。國防采辦，是指針對武器（或其它系統(tǒng)）和供應(yīng)（或服務(wù)）的一系列活動，包括定義概念、創(chuàng)意、設(shè)計、開發(fā)、測試、承包、生產(chǎn)、部署、后勤支持、變更，以及退役等過程，目的是為了在軍事任務(wù)中使用，或者支持軍事任務(wù)。2014財年（2013年10月1日至2014年9月31日），美國國防部負(fù)責(zé)系統(tǒng)工程的副助理國防部長參與的與GPS系統(tǒng)項目相關(guān)的主要活動有：2013年10月，深度參與年度GPS業(yè)務(wù)評審；2014年9月，參與軍用GPS用戶終端設(shè)備（MGUE）的系統(tǒng)設(shè)計評審、初始設(shè)計評審活動及一個項目評審，用以支持2015財年的年度GPS業(yè)務(wù)評審。評審結(jié)果表明，無論是GPS系統(tǒng)的下一代運(yùn)行控制系統(tǒng)（OCX），還是GPS III衛(wèi)星項目，都出現(xiàn)了開發(fā)延遲，并持續(xù)加大了GPS星座維持的風(fēng)險。

項目指揮鏈

GPS項目的任務(wù)是獲得、交付并維持可靠的定位、導(dǎo)航、授時（PNT）及核爆（NUDET）探測能力。這些功能是美國軍隊、盟友及民用領(lǐng)域所不可或缺的。GPS業(yè)務(wù)包括太空、地面及用戶三個組成部分，并涉及數(shù)個重大國防采辦項目，每個項目均有各自的范圍和復(fù)雜程度。

GPS業(yè)務(wù)尚處于研制過程中的3個項目中，太空部分的GPS III衛(wèi)星項目在簽訂開發(fā)合同時，研發(fā)與采購等全部項目費(fèi)用預(yù)估為41.9億美元，是重大國防采辦項目。其項目指揮鏈如圖1所示。

圖1　重大國防采辦項目的項目指揮鏈

該項目共有四級決策者，自上而下分別為：里程碑決策官（項目的最高決策人）、軍部采辦執(zhí)行官、項目執(zhí)行官、項目主任/副主任。此外，該項目還擁有國防采辦委員會、總體集成產(chǎn)品組、工作集成產(chǎn)品組等3個決策支持體系。

里程碑決策官：由美國國防部負(fù)責(zé)采辦、技術(shù)與后勤的副部長Frank Kendall親自擔(dān)任，是GPS III項目的最高決策人，所有重大里程碑的決策均需通過他的批準(zhǔn)，然后記錄在國防采辦備忘錄中。

空軍采辦執(zhí)行官：由負(fù)責(zé)采辦的空軍助理部長William A.Laplante擔(dān)任，他于2012年接替David Van Buren代理空軍助理部長。

項目執(zhí)行官：由Robert Mcmurry少將擔(dān)任。他是空軍航天項目主管，負(fù)責(zé)監(jiān)管所有的GPS項目。

項目主任：據(jù)航空情報網(wǎng)站2012年9月25日報道，當(dāng)時的GPS III項目主任是Todd Caldwell中校。

系統(tǒng)工程開發(fā)活動

系統(tǒng)工程計劃（SEP）：2014 年8月，美國國防部負(fù)責(zé)系統(tǒng)工程的副助理國防部長批準(zhǔn)了GPS業(yè)務(wù)及其相關(guān)的OCX和GPS III項目附件的系統(tǒng)工程計劃。在沒有撤銷及偏離的情況下，項目辦公室完成了上述兩個項目系統(tǒng)工程計劃的目標(biāo)。軍用GPS終端設(shè)備項目辦公室更新了該項目的系統(tǒng)工程計劃的附件，提供了系統(tǒng)工程活動更詳細(xì)的計劃以支持該項目采辦策略的調(diào)整，并計劃在2015財年的前期提交此附件。

需求管理：2011年2月，聯(lián)合需求監(jiān)督委員會（JROC）批準(zhǔn)了GPS III項目的能力開發(fā)需求文件（CDD）。該文件提出了系統(tǒng)開發(fā)的能力需求。2014年6月，JROC批準(zhǔn)了軍用GPS終端設(shè)備項目的能力開發(fā)需求文件，項目需求合理穩(wěn)定。GPS III的能力開發(fā)需求文件的需求已分解并分配到地面部分，即OCX項目及太空部分項目，并已將這些需求轉(zhuǎn)移到了每個項目的系統(tǒng)性能規(guī)范中。軍用GPS終端設(shè)備項目成功運(yùn)用了技術(shù)開發(fā)階段的原型機(jī)開發(fā)活動，體現(xiàn)了能力開發(fā)需求文件的要求，并更新了系統(tǒng)規(guī)范，與能力開發(fā)需求文件保持一致。

生命周期管理：項目管理方一直在評估采購方案，考慮的因素包括預(yù)算、采購品質(zhì)及成本等，用以支撐GPS III衛(wèi)星項目接下來的生產(chǎn)決策點(diǎn)，即里程碑C。

項目保護(hù)計劃（PPP）：2014 年4月，國防部負(fù)責(zé)系統(tǒng)工程的副助理部長批準(zhǔn)了項目保護(hù)計劃。更新后的項目保護(hù)計劃考慮了新的政策變化。項目正在執(zhí)行獲批項目保護(hù)計劃文件中的程序。

系統(tǒng)工程技術(shù)評估活動

在評估活動方面，2013年12月，國防部負(fù)責(zé)系統(tǒng)工程的副助理國防部長參加了GPS業(yè)務(wù)年度評審的軟件深度探查活動；并于2014年9月參加了軍用GPS終端設(shè)備項目的系統(tǒng)設(shè)計評審（SDR）、初始設(shè)計評審（PDR），以及一個項目評估等活動，以支持2015財年的年度GPS業(yè)務(wù)評審。

軟件深度探查有四個主要發(fā)現(xiàn)，一是在技術(shù)成功開發(fā)開發(fā)階段原型機(jī)的基礎(chǔ)上，軍用GPS終端設(shè)備項目存在加速項目進(jìn)展的計劃；二是在解決第一個GPS III衛(wèi)星導(dǎo)航載荷中的技術(shù)問題時持續(xù)存在挑戰(zhàn)；三是確定GPS III衛(wèi)星備選購買策略時存在挑戰(zhàn)；四是下一代OCX項目中持續(xù)存在進(jìn)度延誤。

軍用GPS終端設(shè)備項目的系統(tǒng)設(shè)計評審及初始設(shè)計評審的目的是驗證技術(shù)的成熟度，為2015年的里程碑B/C結(jié)合評審作準(zhǔn)備。評審結(jié)果表明，該項目滿足了初始設(shè)計評審的通過標(biāo)準(zhǔn)。國防部負(fù)責(zé)系統(tǒng)工程的副助理國防部長將在2015財年完成全部的初始設(shè)計評審工作。

2014財年的年度GPS業(yè)務(wù)評審的預(yù)評審發(fā)現(xiàn)，軍用GPS終端設(shè)備項目的設(shè)計成熟、穩(wěn)定，解決了GPS III衛(wèi)星導(dǎo)航載荷問題，且目前星座的生命時間預(yù)計比原設(shè)計長，降低了交付首顆GPS III的風(fēng)險。然而，OCX遲遲不能按時交付，星座維持的近期風(fēng)險并沒有消除。

國防部負(fù)責(zé)系統(tǒng)工程的副助理國防部長將在2015財年組織一次項目支持評估（PSA），以支持軍用GPS終端設(shè)備項目的里程碑B/C。

在風(fēng)險評估方面，整個業(yè)務(wù)，以及各部分項目正在根據(jù)獲批的系統(tǒng)工程計劃執(zhí)行風(fēng)險管理計劃。項目辦公室正在努力降低每個分項目的風(fēng)險，特別是在信息保障的脆弱性、星座維持，以及集成的M-碼能力部署等方面。

在性能評估方面，太空及地面部分的兩個項目預(yù)計能夠滿足8個關(guān)鍵性能參數(shù)、相關(guān)的關(guān)鍵系統(tǒng)特性及技術(shù)性能量度（TPM）要求。2014年1月～5月，軍用GPS終端設(shè)備項目的合同方在系統(tǒng)設(shè)計評審，以及2014年8月～9月的初始設(shè)計評審中評估了關(guān)鍵性能參數(shù)和關(guān)鍵系統(tǒng)特性。終端部分的項目預(yù)計能夠滿足所有的8個關(guān)鍵性能參數(shù)、關(guān)鍵系統(tǒng)特性及相關(guān)的技術(shù)性能量度要求，但是在滿足抗干擾性及精確跟蹤這兩個需求方面仍存在風(fēng)險。項目辦公室已制訂了降低這些風(fēng)險的計劃。

在進(jìn)度評估方面，GPS III星座項目及地面項目的進(jìn)度都有所拖延，突破了采辦項目基線的閾值，正在進(jìn)行超過目標(biāo)基線后的補(bǔ)救活動。2015財年將在更新后的采辦項目基線文件中重新設(shè)定進(jìn)度目標(biāo)。沒有嚴(yán)格執(zhí)行系統(tǒng)工程的要求是OCX項目延誤的主要原因。第一顆衛(wèi)星的任務(wù)數(shù)據(jù)單元（MDU）在開發(fā)和生產(chǎn)過程中的延誤是GPS III星座項目延誤的主要原因。

在可靠性評估方面，所有的GPS業(yè)務(wù)，包括正在運(yùn)行及正在研制的項目，都滿足了可靠性要求，且可靠性有了大幅提高。然而，對于GPS星座而言，可靠性指標(biāo)表明，維持星座還存在風(fēng)險，原因在于在軌衛(wèi)星的老化。在OCX交付、GPS III星座發(fā)射之前，這個風(fēng)險不會消失。

在軟件評估方面，OCX是GPS業(yè)務(wù)中軟件最為密集的項目，該項目將分為兩個模塊來交付運(yùn)行控制能力。第一個模塊預(yù)計有124.1萬行級代碼，第二個模塊估計有6.8萬行級代碼。該項目的延期主要是由優(yōu)化迭代引起的。每次迭代都會產(chǎn)生大量的軟件缺陷報告。這些測評是影響OCX進(jìn)度的最重要的晴雨表，而進(jìn)度問題產(chǎn)生的根源是沒有嚴(yán)格執(zhí)行系統(tǒng)工程的原則和程序。由于這些缺陷的存在，項目辦公室凍結(jié)了軟件編碼，以解決系統(tǒng)工程方法方面的問題，并保證必要的系統(tǒng)工程驗證品能夠在繼續(xù)進(jìn)行軟件編碼之前完成。

在制造評估方面，GPS III衛(wèi)星項目正在運(yùn)用GPS非飛行衛(wèi)星測試車（GNST）來降低制造風(fēng)險。GNST是一種路徑發(fā)現(xiàn)器，作為一種早期的集成及驗證資源，也可在項目中第1顆至第8顆衛(wèi)星生產(chǎn)之前用以優(yōu)化制造工藝。與第1顆衛(wèi)星導(dǎo)航載荷交付有關(guān)的設(shè)計和制造問題導(dǎo)致項目出現(xiàn)了延誤。目前，這些制造中的問題已經(jīng)解決，衛(wèi)星載荷也已交付，準(zhǔn)備開始集成，然而，項目的熱真空驗證活動仍任面臨風(fēng)險。

在集成評估方面，太空、地面及終端各部分的項目都面臨著系統(tǒng)集成及整體進(jìn)度遲緩的問題。2014財年最后一個季度的評審結(jié)果表明，在整個GPS業(yè)務(wù)中，系統(tǒng)集成的程序和工具均有所改善，但仍存在一定的風(fēng)險，即目前軍用終端設(shè)備項目的界面標(biāo)準(zhǔn)及隨后的設(shè)計不夠嚴(yán)謹(jǐn)，不能覆蓋所有可能作戰(zhàn)環(huán)境下軍用終端設(shè)備項目的實施。但隨著更多的早期集成活動數(shù)據(jù)的收集，這個考慮會得到更多的理解。

第三方獨(dú)立評估

2015年3月，美國政府問責(zé)辦公室（GAO）發(fā)布第13個《國防采辦：部分武器項目評估》年度報告。告顯示，GPS III項目處在生產(chǎn)與部署階段。報告指出，項目官員在2011年1月就宣布通過了里程碑C。根據(jù)里程碑C的系統(tǒng)工程計劃，GPS III項目在2014年具備初始作戰(zhàn)能力，同時具備衛(wèi)星發(fā)射的條件。但報告稱，已將適合發(fā)射的日期推遲到2016年1月，同時，項目需要重新確立費(fèi)用與進(jìn)度基線。GAO報告認(rèn)為，第一顆GPS III衛(wèi)星推遲發(fā)射的主要原因是衛(wèi)星載荷中MDU的設(shè)計和技術(shù)問題尚未得到解決。GPS III項目最大的持續(xù)性風(fēng)險來自地面系統(tǒng)，即OCX。GAO報告從三個方面分析了項目延期的原因。

首先，在技術(shù)成熟度方面，項目辦公室認(rèn)為，GPS III項目的8個關(guān)鍵技術(shù)是成熟的，然而在2014年，空軍指出，他們低估了導(dǎo)航載荷的技術(shù)挑戰(zhàn)。導(dǎo)航載荷涉及項目的5項關(guān)鍵技術(shù)，其中一個關(guān)鍵組成部分是MDU，是GPS III導(dǎo)航任務(wù)的大腦。正是其在設(shè)計及制造中出現(xiàn)的嚴(yán)重問題導(dǎo)致了項目的延期。GAO報告稱，導(dǎo)航載荷雖然已經(jīng)交付，但要集成到航天器上，之后還需要利用一個MDU的替代品進(jìn)行測試。

第二，在設(shè)計與生產(chǎn)的成熟度方面，雖然項目辦公室聲稱GPS III項目的設(shè)計穩(wěn)定，并在2011年的里程碑C中指出了制造過程的成熟度水平，表示制造過程可控，可以進(jìn)行生產(chǎn)，但GAO報告卻認(rèn)為，接下來在對第一顆GPS III衛(wèi)星的測試中或許會發(fā)現(xiàn)更多的問題，因為在2011年的里程碑C之前，并未對GPS III衛(wèi)星進(jìn)行整星測試，并且直到2015年3月，也沒有進(jìn)行這樣的測試。

第三，在其它相關(guān)項目的問題方面，在GAO報告發(fā)布之前，國防部負(fù)責(zé)采辦、技術(shù)與后勤的副部長批準(zhǔn)了另外兩顆衛(wèi)星的生產(chǎn)合同，并要求對整個GPS業(yè)務(wù)進(jìn)行更多的研究，包括OCX項目及用戶設(shè)備項目。因為軟件開發(fā)中出現(xiàn)的問題，OCX項目也出現(xiàn)了嚴(yán)重的進(jìn)度延期。GAO報告指出，OCX項目的第一個模塊計劃于2018年11月交付，交付之前，GPS III衛(wèi)星不能集成到星座上，也不能獲得作戰(zhàn)能力。

除GAO的評估外，2015年3月發(fā)布的《美國國防部系統(tǒng)工程2014財年年報》指出，GPS III項目延期的主要原因是衛(wèi)星載荷中的MDU的開發(fā)與生產(chǎn)問題。同時，該報告指出，GPS業(yè)務(wù)中的OCX項目發(fā)生延期的主要原因是沒有很好地貫徹系統(tǒng)工程的方法。

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靖德果，管理學(xué)博士，中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院戰(zhàn)略規(guī)劃與政策研究部高級工程師，2013～2015年進(jìn)行博士后研究工作，對美國武器裝備發(fā)展的系統(tǒng)工程管理模式有深入研究。

王建卿，工程師，現(xiàn)任職于中船重工軍民融合與國防動員發(fā)展研究中心 ，主要從事軍民融合、國防動員等方面的研究。