低成本批產(chǎn)商業(yè)通信衛(wèi)星用元器件保障模式探索

胡楠楠，南 方

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星物資部，北京 100094）

1 引言

商業(yè)衛(wèi)星研制以企業(yè)為主體，以滿足用戶需求和實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)價(jià)值為基本目標(biāo)，在保證產(chǎn)品可靠性的前提下，最大化控制成本，獲得商業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)商業(yè)衛(wèi)星一般還具有研制周期緊、批量生產(chǎn)，滿足用戶在快響應(yīng)、個(gè)性化等方面不斷增長(zhǎng)的需求的特點(diǎn)，這就要求商業(yè)衛(wèi)星在保證可靠性的前提下，有針對(duì)性地優(yōu)化流程，以更低的成本、更快地速度投入市場(chǎng)。

商業(yè)航天的迅猛發(fā)展，尤其是商業(yè)通信星座組網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)強(qiáng)烈，結(jié)合衛(wèi)星生產(chǎn)批量化、研制低成本等特點(diǎn)，對(duì)降低成本、縮短研制周期上對(duì)衛(wèi)星研制生產(chǎn)流程優(yōu)化提出了迫切需求，給傳統(tǒng)的衛(wèi)星研制模式提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的元器件配套模式已不能滿足其研制需求。

2 商業(yè)通信背景

近年來(lái)，國(guó)外掀起新一輪商業(yè)通信星座建設(shè)熱潮，目前已有了多個(gè)典型通信星座，然而國(guó)內(nèi)商業(yè)通信星座僅僅處于調(diào)研需求、立項(xiàng)起步階段。

國(guó)外商業(yè)通信星座主要有：泰雷茲-阿萊尼亞公司的Iridium，設(shè)計(jì)壽命12.5年，衛(wèi)星數(shù)量81顆（第二代，66工作星+9在軌備份星+6地面?zhèn)浞菪牵?。泰雷?阿萊尼亞公司的Globalstar，設(shè)計(jì)壽命15年，第二代32顆已完成部署。一網(wǎng)與空客聯(lián)合生產(chǎn)的OneWeb “一網(wǎng)”系統(tǒng)目前共規(guī)劃有3代，第一代衛(wèi)星星座計(jì)劃于2018年啟動(dòng)部署，第二代星座計(jì)劃于2021年啟動(dòng)，第三代星座計(jì)劃于2023年啟動(dòng)，目標(biāo)是到2025年將能夠?yàn)槿虺^(guò)10億用戶提供寬帶服務(wù)。SpaceX公司于2017年3月提交V頻段低軌星座運(yùn)營(yíng)申請(qǐng)，并命名為“SpaceX V頻段非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)”，SpaceX星座由7518顆衛(wèi)星構(gòu)成，包含接近12000顆衛(wèi)星，將成為迄今為止人類提出發(fā)展的規(guī)模最大的星座項(xiàng)目。以Iridium、OneWeb等商業(yè)衛(wèi)星星座的建設(shè)為契機(jī)，出于應(yīng)對(duì)批量生產(chǎn)衛(wèi)星的需要，以設(shè)計(jì)可制造性、可測(cè)試性、可驗(yàn)證性為重要特征的并行工程模式日益成為商業(yè)衛(wèi)星科研生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)性理念。

以Iridium項(xiàng)目為例，它采取的優(yōu)化措施有面向制造的設(shè)計(jì)，采用離散事件模擬仿真進(jìn)行時(shí)間管理，運(yùn)用COTS部件等實(shí)現(xiàn)低成本和快速生產(chǎn)。在Iridium系統(tǒng)一期，大量采用COTS部件，許多COTS器件完全能夠滿足任務(wù)需求，但也有一些需要額外加固、降級(jí)和篩選，而一些關(guān)鍵部件則需要采用高可靠器件以提高效費(fèi)比。

以O(shè)neWeb衛(wèi)星項(xiàng)目為例，采取了研制流程優(yōu)化措施，包括以生產(chǎn)制造為中心的研制流程，開展面向成本設(shè)計(jì)的初步設(shè)計(jì)評(píng)審等流程。基于預(yù)算和進(jìn)度的控制，提供額外獎(jiǎng)金，要求供應(yīng)商最大限度地降低部件重量，減少部件數(shù)量，并優(yōu)化生產(chǎn)進(jìn)度和加快集成過(guò)程。構(gòu)建同步快速的生產(chǎn)線與供應(yīng)鏈，大幅減少供應(yīng)商數(shù)量，一般是獨(dú)家供貨，部件基本外包，通過(guò)獎(jiǎng)金提高協(xié)同效率和進(jìn)度控制能力，外包企業(yè)對(duì)交付產(chǎn)品的質(zhì)量負(fù)責(zé)，一般不對(duì)供應(yīng)商部件進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試。

3 針對(duì)性的元器件保障模式

3.1 明確核心思想

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星仍處于起步階段，國(guó)內(nèi)研制的通信衛(wèi)星由于軌道高度和在軌長(zhǎng)壽命的要求，對(duì)高可靠的指標(biāo)要求較高，就需要在元器件選擇和應(yīng)用方面加強(qiáng)控制，滿足系統(tǒng)可靠性指標(biāo)要求。

以往元器件選型控制多依賴于單機(jī)設(shè)計(jì)完成之后的選用審查，對(duì)于存在可靠性風(fēng)險(xiǎn)或采購(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的元器件識(shí)別較晚，難以進(jìn)行設(shè)計(jì)更改和替代方案考慮，有時(shí)影響了型號(hào)研制進(jìn)度和質(zhì)量控制。從元器件種類和技術(shù)指標(biāo)角度來(lái)看，同類型元器件不同生產(chǎn)廠、規(guī)格名稱、技術(shù)指標(biāo)的差異，導(dǎo)致型號(hào)選用的元器件規(guī)格較亂，成本較高，不利于組批綜合管理和配套。

綜合國(guó)外商業(yè)衛(wèi)星研制流程優(yōu)化的相關(guān)實(shí)踐，總結(jié)國(guó)外研制流程優(yōu)化的理念以及關(guān)注的核心要素，可以為我國(guó)商業(yè)通信衛(wèi)星星座研制模式提供借鑒和參考。全面保證通信商業(yè)衛(wèi)星用元器件的可靠性與穩(wěn)定供應(yīng)，必須明確樹立”保成功、保供應(yīng)、降成本”的核心思想。

3.2 制定商業(yè)通信衛(wèi)星用元器件選型策略

制定商業(yè)通信批產(chǎn)衛(wèi)星的元器件選型策略，建立選型規(guī)范，統(tǒng)一規(guī)劃選型，對(duì)部分元器件的選用種類、規(guī)格以及性能指標(biāo)要求進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，壓縮品種規(guī)格，指導(dǎo)型號(hào)正確選用，同時(shí)也可以降低周期成本和采購(gòu)成本。有必要轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)、生產(chǎn)、組織管理模式，實(shí)現(xiàn)“通信衛(wèi)星向衛(wèi)星通信”轉(zhuǎn)變、實(shí)現(xiàn)“型號(hào)研制向大批量組批生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)變，對(duì)現(xiàn)有管理模式也帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

（1）開展COTS貨架器件選用策略研究；

（2）開展SoC、SiP等定制集成電路選型設(shè)計(jì)研究；

（3）制定通信批產(chǎn)衛(wèi)星選型規(guī)范（包括編制FPGA、DSP、存儲(chǔ)器等關(guān)鍵元器件選型指南），減少選用元器件類型，固化元器件技術(shù)狀態(tài)，便于批量采購(gòu)、批量保證、降低成本。

3.3 制定差異化元器件質(zhì)量保證模式

通過(guò)對(duì)后續(xù)實(shí)際任務(wù)需求分析，主要包括型號(hào)的壽命、工作軌道、可靠性指標(biāo)、任務(wù)剖面、研制周期、產(chǎn)品承研單位、自主可控需求等方面的綜合分析，同時(shí)基于型號(hào)差異化的工作模式（不同任務(wù)衛(wèi)星分類實(shí)施），制定型號(hào)專門的元器件保證總體技術(shù)方案以及元器件保證要求，針對(duì)不同類型、不同應(yīng)用等級(jí)、不同質(zhì)量等級(jí)的元器件制定差異化質(zhì)量保證方案。

（1）批量、通用元器件和復(fù)雜、關(guān)鍵元器件差異化保證；

（2）元器件組批開展質(zhì)量保證，降低質(zhì)量保證成本；

（3）SiP和SoC等復(fù)雜元器件，將保證過(guò)程與元器件研制過(guò)程緊密結(jié)合，在元器件研制過(guò)程中分別開展方案保證、設(shè)計(jì)保證、生產(chǎn)保證、鑒定、應(yīng)用驗(yàn)證、質(zhì)量保證等各項(xiàng)保證工作。

（4）開展基于元器件應(yīng)用等級(jí)的質(zhì)量保證模式，通過(guò)“單機(jī)”和“元器件”兩級(jí)關(guān)鍵性表征元器件的應(yīng)用等級(jí)。元器件應(yīng)用等級(jí)確定程序見圖1。

圖1 元器件應(yīng)用等級(jí)確定程序

（5）不同類型、不同應(yīng)用等級(jí)、不同質(zhì)量等級(jí)元器件制定差異化質(zhì)量保證方案，針對(duì)上述元器件應(yīng)用等級(jí)，將開展具有差異化的元器件選用和質(zhì)量保證措施。允許選用工業(yè)級(jí)、商業(yè)級(jí)器件的同時(shí)為了保證可靠性，不同的應(yīng)用等級(jí)下開展不同的質(zhì)量保證工作。

3.4 形成面向批產(chǎn)衛(wèi)星的經(jīng)濟(jì)可行的元器件采購(gòu)保障模式

總體的采購(gòu)原則是保證選用的元器件在性能、質(zhì)量、進(jìn)度、成本和可獲得性等方面的風(fēng)險(xiǎn)可控，優(yōu)先基于國(guó)產(chǎn)成熟產(chǎn)品選用，嚴(yán)控進(jìn)口元器件使用；在采購(gòu)渠道方面，盡量采購(gòu)國(guó)內(nèi)或國(guó)際上成熟的宇航級(jí)、軍級(jí)、工業(yè)級(jí)或商業(yè)級(jí)元器件供應(yīng)商，確保質(zhì)量穩(wěn)定；在采購(gòu)模式方面，應(yīng)合并壓縮選型，采用批量、集中采購(gòu)模式，降低元器件采購(gòu)成本；在采購(gòu)批次方面，相同應(yīng)用條件下盡量選用同規(guī)格、同等級(jí)元器件，采購(gòu)時(shí)充分考慮元器件存儲(chǔ)壽命周期，確定采購(gòu)批次大小與供應(yīng)的關(guān)系。

（1）面向全球采購(gòu)，原則上確保每種元器件有1-2個(gè)廠家，建立鴻雁星座型號(hào)元器件采購(gòu)策略；

（2）對(duì)于國(guó)產(chǎn)和引進(jìn)元器件統(tǒng)一組織采購(gòu)，選定廠家并與供應(yīng)商洽談尋求階梯價(jià)格；

（3）調(diào)研廠家，研究組批采購(gòu)的最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，優(yōu)化形成合理組批模式，總結(jié)具有代表性的研制單位在批量采購(gòu)中有效降低成本的經(jīng)驗(yàn)值，針對(duì)幾個(gè)重點(diǎn)元器件生產(chǎn)單位的采購(gòu)數(shù)量和價(jià)格的優(yōu)化值進(jìn)行匹配分析，開展批產(chǎn)采購(gòu)優(yōu)化模式研究，制定批產(chǎn)采購(gòu)實(shí)施方案。

（4）國(guó)產(chǎn)元器件進(jìn)行批量?jī)?chǔ)備采購(gòu)，統(tǒng)一組織與廠家簽訂協(xié)議、合同，廠家可提前按照用量備貨，統(tǒng)一驗(yàn)收，統(tǒng)一發(fā)貨。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上分析，影響衛(wèi)星元器件質(zhì)量和成本的主要要素有選型策略、質(zhì)量等級(jí)、質(zhì)量保證措施、采購(gòu)方式等。后續(xù)在工程實(shí)踐過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)元器件質(zhì)量等級(jí)與任務(wù)壽命情況，產(chǎn)品可靠性與產(chǎn)品性價(jià)比等統(tǒng)計(jì)分析，識(shí)別元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵要素，保障商業(yè)通信衛(wèi)星在快響應(yīng)、低成本的元器件保障模式上不斷創(chuàng)新。