衛星工程總體設計導論

莊家禮 張濤（北京跟蹤與通信技術研究所）

衛星工程總體是航天系統管理部門組織管理衛星工程全壽命周期工作的主要抓手，是中國特色的以總體為核心的組織架構在衛星工程層級的實現樣式。伴隨中國航天事業跨越式發展，經過10 多年實踐磨合，逐步形成了設計、協調、試驗、評估等多位一體的衛星工程總體工作模式。總體設計是工程總體首要工作，是開展總體協調、試驗和評估等工作的前提和基礎。工程總體設計成果是衛星工程全壽命周期各項工作開展的基本依據，直接影響衛星工程能否立項批復、工程研制技術難度和系統運行使用效果。

在航天系統管理部門領導下，在工程系統各利益相關方支持配合下，衛星工程總體創建衛星任務概念，定義工程系統體系框架，論證系統性能指標，平衡利益相關方要求，篩選優化總體方案，制定衛星工程總體技術流程和計劃流程。工程總體設計受政治、經濟、戰略、社會文化、工業和科學，以及其他廣泛因素的影響，工程總體努力在衛星應用體系架構下構建平衡利益相關方要求的衛星工程任務型號，用最可靠的技術、最少的代價、最短的時間、最有利的配合、最有效的適應性和最有遠見的前瞻性，制定出最可行的衛星工程總體方案。

1 衛星工程總體設計概況

衛星工程任務型號是衛星應用體系的有機組成部分，是由衛星、運載火箭、運控、應用、測控、發射場等系統組成的衛星工程系統。工程總體設計是對衛星工程各系統之間或之上，涉及工程系統全局的任務進行規劃和安排。一方面要滿足衛星應用體系頂層要求和衛星任務各項約束條件；另一方面要實現工程各系統平衡匹配和良性互動，促使工程系統整體特性涌現，滿足用戶使用要求。

美歐等國總結航天系統工程幾十年經驗教訓，建立了規范的航天系統設計流程，提出了明確的設計成果要求。例如，美國國家航空航天局（NASA）系統工程手冊把航天系統設計劃分為多次迭代遞歸的明確利益相關方期望、確定技術要求、要求邏輯分解和設計實現方案等四個環節，通過權衡實現技術要求、系統體系框架和運行概念的協調一致，明確系統總體設計方案。四個系統設計環節應用于航天工程各層次結構產品，努力實現各層次系統總體方案的平衡協調。在系統設計師把系統設計流程應用于航天工程系統層次時，此時的系統設計流程相當于我們討論的衛星工程總體設計。在航天任務概念研究、初步設計和詳細設計等壽命周期階段，系統設計師經過2～3 輪衛星工程總體設計工作迭代遞歸，逐步深化細化，形成航天任務范圍、技術要求、運行概念、系統體系架構、系統工程管理計劃等工作成果，并建立任務基線，置于技術狀態控制之下。

在一個衛星工程任務型號一條龍的組織管理模式下，工程總體設計主要工作成果是衛星工程總體方案。衛星工程總體方案設計通常在工程型號立項批復后開始組織實施，在衛星任務各系統總體方案基礎上，工程總體組織衛星任務型號各系統總體，采用小核心大外圍工作方式，協同開展工程總體設計。在衛星系統初樣研制階段結束前，工程總體方案完成編制、評審并報送航天系統管理部門審批印發。工程總體組織開展星地一體化指標論證，提出衛星工程總體技術要求，設計相關系統間接口，安排各系統間對接試驗，制定衛星工程研制建設總體技術流程和計劃流程。工程總體方案設計主要是工程相關各系統總體方案的集成綜合，真正意義上的總體設計成分少，既沒有篩選優化衛星工程各系統總體方案，也沒有做到在衛星應用體系框架下滿足多用戶使用要求。工程總體方案的主要作用是為航天系統管理部門和衛星型號總體人員提供工程系統全局視圖。

在航天系統管理體制機制改革調整的新形勢下，在從航天大國向航天強國轉型拓展過程中，正在建立組合任務型號航天系統組織管理新模式。衛星工程總體設計也在從單一任務型號工程總體設計向組合任務型號工程總體設計轉型拓展。工程總體在做好單一任務型號工程總體設計基礎上，還要做好不同任務型號之間統籌以及與衛星應用體系之間的頂層設計工作，這也意味著工程總體必須更加關注衛星工程型號立項批復前的系統頂層設計和工程研制總體可行性分析論證，明確衛星工程與其上一層次系統和同層次其他工程系統之間的聯系和接口關系。如果衛星工程不能成體系設計，建成的衛星系統就很難形成體系整體能力，不可能真正滿足各類用戶使用要求。

2 衛星工程總體設計要求

衛星工程總體設計活動存在于政治、經濟、技術、自然、信息和人際關系等特定的環境條件中，環境條件對衛星工程立項、研制和運行起到約束性作用，總體設計必須充分考慮頂層要求、項目管理要求、物理和技術要求，理解和明確工程系統和所處環境條件的相互關系、環境條件對工程系統的影響及可能產生的后果，劃定工程系統和環境條件邊界。

頂層要求

衛星工程系統頂層要求關鍵是在衛星應用體系框架下滿足多用戶使用要求。當前，我們已經建成衛星應用基本體系，衛星工程型號是整個應用體系有機組成部分。因此，衛星工程立項、研制、運行都要在已有衛星應用體系架構下開展。工程總體要主動了解航天發展戰略和規劃計劃工作成果，要準確把握衛星應用體系對衛星工程型號頂層要求，明確工程型號與其他任務型號關系，并以此為前提開展工程總體設計。

滿足用戶使用要求是衛星工程立項、研制、運行的根本目的，單一任務型號工程系統不可能滿足多用戶使用要求，只能通過構建衛星應用體系形成體系整體能力，才有可能滿足多用戶要求。長期以來，衛星工程總體設計主要集中在系統技術性能的工程實現上，而對衛星系統的好用管用關注不夠。為了保證在軌衛星系統便于操控、穩定運行和高效應用，必須高度重視多用戶應用需求和使用要求，把衛星可用度、快速響應能力、系統應用效能，以及體系能力貢獻率等頂層指標納入測試考核要求，在衛星工程總體設計中重點論證。

衛星工程總體設計必須考慮政治、經濟和社會文化環境等影響，充分領會并貫徹航天系統管理部門意圖，爭取各級領導和機關的指導和支持，為總體設計創造有利條件。管理部門的意圖影響工程系統任務范式確定，影響衛星工程任務成功判定，直接影響甚至很大程度上決定工程總體設計結果。

物理和技術要求

衛星任務物理和技術條件是衛星工程得以存在的基礎，主要包括物理環境、繼承系統、標準規范和科技發展等方面。航天器在發射主動段要經受過載、振動、噪聲和沖擊環境，入軌后要在高真空、強輻射、微重力、超低溫空間環境中運行多年。復雜惡劣的物理環境條件是工程總體設計不可回避的制約因素。

繼承系統的開發經驗和在軌運行情況是新衛星工程型號總體設計基礎；新工程系統只能在已有運行系統和基礎設施基礎上研制，不可能推倒重來；新衛星系統納入已有衛星應用體系，可以實現更優體系整體能力。

標準規范是經驗教訓總結的系統化，衛星工程總體設計應當遵循適用的標準規范。總體設計中充分采用國際、國家、行業和部門頒布的標準規范，可以提高設計質量，節約時間，降低成本。如果有的標準規范制約工程總體設計創新發展，工程總體需裁剪折衷，甚至棄用。但標準規范裁剪或棄用要有分析說明并履行一定報批手續，不能隨心所欲。

工程總體設計要盡可能采用有一定基礎的新技術，只有這樣，才能既保證衛星工程研制具有較高技術水平，不會落后過時，又不至于因為技術不成熟，出現不可控技術風險。工程總體要關注航天預研發展和技術成熟度，按照工程研制程序有序組織管理。適度從國外引進先進技術和產品是提高工程技術水平的一項可行措施。

衛星任務項目管理要求

只關注衛星系統性能要求的工程總體設計方案是不能指導實際工程研制的，在工程總體設計過程中要充分考慮組織、經費、進度和風險等項目管理因素影響。工程總體組織結構及其與工程相關系統組織關系，對工程總體設計影響很大。工程總體組織的戰略目標、管理結構、資源支持強度、組織文化，以及工程總體與各系統的工作關系，都影響工程總體設計效率和質量。

衛星工程壽命周期經費制約工程總體方案設計。如果衛星工程任務范式是經費驅動型的，那么工程總體只能在給定經費額度內設計滿足工程任務要求的總體方案。例如，雖然大型對地觀測衛星能夠提供更高性能和圖像質量的影像產品，但受制于經費約束，工程總體可能選擇低成本的小型對地觀測衛星方案。

工程研制計劃進度也制約著工程總體設計。為了保證衛星工程計劃進度，按時交付使用，在開展工程總體設計時，盡可能選用成熟技術和產品；只在不能滿足任務要求，且沒有引進渠道的情況下，才花費時間開展新技術攻關。對于“深度撞擊”這樣的進度驅動型衛星任務，由于發射窗口的硬性約束，必須圍繞按時發射合理安排各項工作任務，否則就可能錯過任務時機。

衛星工程研制建設存在各種各樣風險，工程總體在開展工程總體設計時，要重視風險分析，規避系統風險，降低風險概率，減輕風險發生時的危害，把風險控制在可接受范圍內。

工程總體還應關注衛星系統頻率和軌位資源的占用申請、運載火箭運載能力和整流罩尺寸限制、衛星特殊的一次性使用特點等要求，確保工程總體方案最大程度滿足要求。

3 衛星工程總體設計程序和流程

衛星工程總體設計程序既可以按階段劃分，也可以按系統層次劃分，還可以按邏輯步驟劃分，或者在上述三種劃分類型基礎上建立三維結構模型進行綜合劃分。

按階段劃分的工程總體設計程序

按不同時間階段工作深入程度不同，把工程總體設計劃分為系統頂層設計、工程總體可行性論證、工程總體方案設計、工程總體技術固化等工程總體工作順序。系統頂層設計在預研階段開展，對系統發展戰略與規劃計劃進行深化論證，解決衛星系統任務概念、發展思路、總體構想等頂層問題，初步明確衛星工程型號在衛星應用體系中的定位以及與其他衛星系統之間的關系；工程總體可行性論證在立項綜合論證階段開展，對衛星工程研制的總體性能、經費、進度、風險等進行綜合研究，解決衛星工程立項研制的必要性、可行性和緊迫性問題，初步明確衛星系統使命任務、總體要求和工程總體可行性方案；工程總體方案設計在方案設計和初樣研制階段開展，對星地一體化指標、工程各系統方案、系統間接口關系等進行深化論證，明確衛星工程研制建設總體要求和各系統研制建設方案；衛星工程總體技術固化工作在正樣研制與發射階段開展，固化工程總體設計工作成果，提煉工程總體設計經驗教訓，持續提升工程總體設計質量。在這類設計程序中，盡管前一階段工作是后一階段工作的基礎，后一階段是前一階段的繼續，但每一階段工作都有相對的獨立性。因此，每一階段都以完成該階段工作成果評審為結束點。

按層次劃分的工程總體設計程序

這類設計程序，根據工程系統層次結構，先解決衛星系統適應其外部環境和條件的問題，再解決衛星工程總體設計問題，而后進行衛星工程下一層次，即各構成系統的設計，從高層次往低層次按順序安排設計工作。在工程系統上一層次設計工作中，工程總體主要根據衛星應用體系要求和用戶使用要求，明確衛星工程頂層要求、物理和技術要求、項目管理要求等衛星工程總體設計要求；在衛星工程系統設計工作中，工程總體主要根據衛星工程總體設計要求，明確工程系統指標體系、框架結構和運行概念；在衛星工程下一層次設計工作中，工程總體主要是對衛星工程各構成系統提出總體要求，并優選其總體方案。在這類設計程序中，工程總體設計符合“先高后低、先外后內”和“先整體后局部”的順序安排，符合局部服從整體的整體優化原則。

按問題解決的邏輯步驟劃分衛星工程總體設計程序

這類設計程序，按邏輯順序安排工程總體設計工作，分為明確任務和目標、探索可行方案、優化和選擇、檢驗和決策等多個邏輯步驟。明確任務和目標步驟，分析工程總體設計要求，說明總體設計重點與范圍，確定總體設計任務和目標；探索可行方案步驟，擬定總體設計工作計劃，搜集整理相關資料，依據搜集資料找出其中的相互關系，尋求實現任務目標的多個可行方案；優化和選擇步驟，對各可行方案進行定量與定性相結合的綜合分析，給出每種方案利弊得失和費用效益，同時考慮各種有關因素，如政治、經濟、軍事、理論等，所有因素加以合并考慮和研究，在此基礎上，優選若干可行方案；檢驗和決策步驟，以試驗、抽樣、仿真模擬等方式，在不同假設條件下對優選的可行方案進行比較，融合提出最佳方案和意見建議，報送相關部門決策實施。

按三維結構模型劃分的工程總體設計流程

工程總體設計既沒有固定不變的內容，也沒有固定不變的程序和流程。總體設計程序和流程雖因國家、管理部門、任務范式和技術成熟度等有一定差異，但基本程序總體上是一致的。融合工程總體設計程序劃分類型，結合工程總體設計工作實際情況，綜合提出工程總體設計流程。

步驟A，確定工程系統綜合需求，也就是系統任務的定性目標。應用需求是工程立項研制根本出發點和最終落腳點，全面、準確、科學的綜合需求分析是系統指標體系論證和總體方案優化設計的基礎。在衛星應用體系框架內，圍繞如何滿足應用需求展開深入分析。依托主要用戶代表開展應用需求分析，在此基礎上匯總、綜合分析，形成衛星工程型號綜合需求。

衛星工程總體設計流程

步驟B，確定衛星系統使用要求。根據需求綜合分析結果和已有系統運行使用經驗，考慮各種約束條件，提出衛星系統使用要求。依托主要用戶代表，根據其實際情況和任務需要，提出多用戶系統使用要求，在此基礎上匯總、協調平衡，得到衛星系統運行使用要求。

步驟C，確定星地一體化指標體系，既要明確指標種類數量，又要確定具體指標范圍。星地一體化指標研究在工程相關系統協同配合下，在前期研究成果的基礎上，多次迭代逐步確定。

步驟D，確定衛星工程系統架構。根據系統綜合需求、運行使用要求和星地一體化指標，分析設計系統構成、技術體制和工作原理，找出影響系統性能、經費和進度等的主導要素，據此有針對性地開展總體設計，盡快收斂可選方案。

步驟E，確定系統技術性能指標并逐級向低層次系統分配。通過權衡研究和咨詢決策，確定系統體系架構，分析各系統功能、性能和接口關系，力求做到系統技術性能優化，指標分配合理、平衡、匹配。

步驟F，確定工程各系統總體方案并開展系統間接口設計。依托工程相關系統，在前期工作成果基礎上，確定工程各系統組成、功能、技術性能、信息流程和接口關系，多次迭代逐步確定工程各系統總體方案。

步驟G，確定技術途徑、工程經費概算和初步研制周期。根據確定的工程總體及各系統總體方案，開展技術可行性分析，提煉關鍵技術并提出可能解決的途徑；分析系統產品配套情況，估算工程研制費用，提出工程研制總體計劃安排建議。

步驟H，驗證總體方案設計的合理性和科學性，評估系統建成后的使用效能。組織開展工程總體仿真研究，科學分配星地一體化指標，保證各系統指標協調平衡；權衡優選各系統總體方案，力求工程整體優化；構建使用效能評估準則，通過系統工程流程、運行模式仿真，準確客觀地評估系統使用效能，量化支撐衛星工程總體設計決策。

需要強調的是，和其他系統設計流程類似，雖然衛星工程總體設計流程看上去是按照順序連貫開展的，但實際工作中，這些步驟是相互作用、相互依賴、多次迭代循環的。在衛星工程壽命周期不同階段，工程總體設計以不同形式展現。

4 衛星工程總體設計驗證和評估

經過衛星任務系統頂層設計、工程總體可行性論證、工程總體方案設計、工程總體技術固化等各階段衛星工程總體設計工作，衛星工程任務型號從概念設想到研制建設，再到在軌運行使用。工程總體設計通過工程研制和在軌運行得到最終的驗證和評估。這樣的驗證和評估雖然最有說服力，需要做到位，但也有其缺陷。如果工程總體設計弱點或不合理不能及時得到調整和優化，等到工程研制，甚至在軌運行再發現問題，必然為時已晚，造成無法挽回的損失。因此，每個階段都應對工程總體設計進行驗證和評估，確保工程總體設計科學性和優越性。

衛星工程總體設計是在衛星應用體系框架下，根據用戶需求，平衡優選工程各系統總體設計成果，綜合集成形成工程總體設計成果。工程總體設計是否與工程總體要求相一致，是否實現工程各系統間的平衡優化，可以通過多種定性定量方法驗證和評估，但在精細化科學決策情況下，基于仿真演示系統開展驗證試驗和評估是無法回避的方法。

衛星工程總體設計驗證和評估流程

第一步，定義總體設計驗證和評估的目標和試驗條件。在工程總體設計和工程各系統設計驗證試驗的基礎上，合理定義工程總體設計驗證和評估的目標和相關約束條件，經充分協商，在各方達成共識的情況下，有序開展總體設計驗證和評估工作。

第二步，總體仿真演示系統選擇。工程總體設計驗證和評估是衛星工程總體具體開展還是委托工程相關系統或第三方有資質部門開展，需要根據任務要求和資源條件，由工程兩條指揮線協商確定。為便于工程總體設計工作持續深入開展，應在工程技術總體部門搭建的總體仿真演示系統環境下，工程總體和各相關方共同開展總體設計的驗證和評估工作。

第三步，仿真試驗和數據整理。按照預先商定的仿真演示方案開展仿真試驗，進一步驗證和確認選用的仿真演示系統，獲得所需試驗數據。對多次仿真模擬獲得的多樣本試驗數據進行整理和必要的統計推斷，得到預期的試驗結果。如果試驗結果與預期目標不相適應，要認真組織研究解決，發現問題和不足，探索調整優化的方向和辦法。工程總體設計驗證和評估工作，要保證總體仿真演示驗證試驗可控，試驗數據真實可信，試驗結果經得起檢驗。

第四步，工程總體設計改進優化。總體設計和試驗驗證相互促進、相互支撐。工程總體根據驗證試驗結果改進優化總體設計，從中得到一個能滿足總體設計要求的綜合評估為最滿意的工程總體方案。

第五步，衛星工程總體設計方案評審和審批。在總體仿真演示系統驗證試驗支持下，經過多次迭代優化，得到滿足工程總體設計要求的衛星工程總體方案。這樣的總體方案只有通過富有經驗和知識水平高的專家組評審通過后，才能上報管理機關審批。通過專家的集思廣益能對總體方案做出合理的評價和認可。工程總體方案經管理機關審批后，作為工程系統相關方開展工作的基本依據。

5 結束語

衛星工程任務型號必須在衛星應用體系框架內，與其他衛星系統協同工作，滿足多用戶整體使用要求。工程總體設計受政治、經濟、戰略、社會文化、工業和科學，以及其他因素的影響，必須與工程總體協調、試驗、評估等其他總體工作緊密配合，在航天系統管理部門和工程各系統總體協同支持下，才有可能設計出綜合優化的工程總體方案。

工程總體設計貫穿于衛星工程壽命周期多個階段，不同階段形成不同的工作成果，實現不同的任務目標。工程總體根據衛星工程總體設計要求，在工程壽命周期過程中對總體設計成果進行多次迭代，不斷深化、細化，直到滿足任務要求。

當前，衛星工程總體設計處于轉型發展階段。工程總體設計組織管理不到位，總體設計能力不足，總體設計成果指導性不大，不能很好地滿足工程系統立項、研制和運行要求。衛星工程任務型號只有成體系設計、研制和運行，才有可能形成體系整體能力，才能真正滿足各類用戶使用要求。在航天系統管理體制機制改革調整的新形勢下，在從航天大國向航天強國轉型拓展過程中，衛星工程總體設計，特別是組合任務型號衛星工程總體設計至為關鍵。