商業(yè)衛(wèi)星的智能化研制方法研究

張明廣 董 房 楊同智

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展極大地改變了現(xiàn)代工業(yè)界的生態(tài)模式，提高了生產(chǎn)效率和資源利用率。近年來(lái)，歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家為保持本國(guó)在制造領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，解決制造業(yè)空心化問(wèn)題，紛紛推動(dòng)新一代信息技術(shù)與工業(yè)相融合，德國(guó)的“工業(yè)4.0”與美國(guó)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是其中的典型代表。凱捷咨詢公司（Capgemini）研究指出，截至2017年3月，62%的航空和國(guó)防類(lèi)企業(yè)從事智能制造項(xiàng)目，航空工業(yè)在數(shù)字化工廠運(yùn)用方面不僅領(lǐng)先于汽車(chē)行業(yè)（50%），還領(lǐng)先于能源及公共事業(yè)（42%）、生活消費(fèi)品（40%）、生命科學(xué)和醫(yī)藥（37%）等行業(yè)。不同于傳統(tǒng)衛(wèi)星的小子樣研制模式，商業(yè)衛(wèi)星具備與航空、汽車(chē)工業(yè)類(lèi)似的生產(chǎn)率高和生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，在研制過(guò)程中應(yīng)積極借鑒民用工業(yè)領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，提升商業(yè)衛(wèi)星的研制效能。

2 研制現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的衛(wèi)星研制模式往往存在以下問(wèn)題：傳統(tǒng)衛(wèi)星小子樣采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，單機(jī)產(chǎn)品返修率高，需要經(jīng)歷方案驗(yàn)證、桌面驗(yàn)證、初樣驗(yàn)證、正樣驗(yàn)證等各個(gè)階段，以此來(lái)保證非標(biāo)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性，也使整個(gè)研制周期延長(zhǎng)、成本增加；各個(gè)衛(wèi)星構(gòu)型不同，需要重新進(jìn)行布局、質(zhì)心控制、線纜排布，往往依賴人工定制化裝配；大型試驗(yàn)的數(shù)字化仿真能力不足，需要通過(guò)大型試驗(yàn)進(jìn)行考核驗(yàn)證；各個(gè)研制環(huán)節(jié)孤島式串行銜接，無(wú)法有效利用研制大數(shù)據(jù)的價(jià)值。傳統(tǒng)的衛(wèi)星制造模式已經(jīng)不能適應(yīng)批量化、低成本、快速研制的任務(wù)需求。

隨著國(guó)內(nèi)外商業(yè)航天的崛起，傳統(tǒng)的衛(wèi)星制造模式受到了巨大的沖擊和挑戰(zhàn)。商業(yè)衛(wèi)星采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)，具備生產(chǎn)率高和生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，例如，美國(guó)OneWeb商業(yè)衛(wèi)星公司與法國(guó)空中客車(chē)公司合作建造了新的衛(wèi)星制造工廠，借鑒空客公司工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化的研發(fā)生產(chǎn)理念，先通過(guò)10顆左右衛(wèi)星樣品的AIT試驗(yàn)驗(yàn)證衛(wèi)星的批量工業(yè)化生產(chǎn)模式，之后在制造工廠進(jìn)行衛(wèi)星設(shè)計(jì)與工業(yè)化流程生產(chǎn)線建設(shè)，真正實(shí)現(xiàn)把衛(wèi)星搬上全自動(dòng)流水線，像生產(chǎn)飛機(jī)部件一樣制造衛(wèi)星。OneWeb公司的衛(wèi)星制造流水線具備先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)和數(shù)據(jù)采集能力，能夠有效縮短裝配時(shí)間，全方位分析單機(jī)性能并進(jìn)行調(diào)試。可通過(guò)在軌衛(wèi)星的有效數(shù)據(jù)分析，支撐航天器的設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)時(shí)檢測(cè)和校對(duì)制造過(guò)程中的任何故障。OneWeb公司數(shù)字工廠將實(shí)現(xiàn)每天2～3顆衛(wèi)星的生產(chǎn)能力，單顆衛(wèi)星的研制成本預(yù)計(jì)控制在50萬(wàn)美元，2019年2月28日，該公司首批6顆衛(wèi)星發(fā)射，實(shí)際成本花費(fèi)約100萬(wàn)美元/顆。

綜上，需積極借鑒民用工業(yè)、國(guó)外商業(yè)航天企業(yè)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，從衛(wèi)星設(shè)計(jì)的源頭出發(fā)，提升設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化水平，轉(zhuǎn)變研制模式，從標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、數(shù)據(jù)中心化、智能化方面推進(jìn)智能研制，提升衛(wèi)星的快速設(shè)計(jì)、快速集成與快速測(cè)試能力。如圖1所示，建立標(biāo)準(zhǔn)化研制基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)字化技術(shù)打通設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之間的鴻溝，通過(guò)云數(shù)據(jù)中心聚合設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、集成等環(huán)節(jié)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)分析與仿真模型實(shí)現(xiàn)智能化研制。

圖1 衛(wèi)星智能研制建設(shè)流程

3 智能研制

智能研制基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、管理、生產(chǎn)、應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)，在標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過(guò)傳感器、數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)與制造。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化

美國(guó)軍、民用航空航天工業(yè)代表了美國(guó)當(dāng)今最先進(jìn)的科學(xué)、技術(shù)、工程和制造工藝水平。標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行航空航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)的技術(shù)綱領(lǐng)，對(duì)航空航天產(chǎn)品的研制發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

商業(yè)衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)可提升衛(wèi)星的快速集成與檢修能力，降低批量研制成本。例如，美國(guó)AeroAstro公司設(shè)計(jì)了模塊化的航天器結(jié)構(gòu)框架SMARTBus，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)任務(wù)需求來(lái)選擇即插即用的模塊組件，快速完成系統(tǒng)集成。另外，商業(yè)衛(wèi)星的軟硬件構(gòu)架采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)：一是標(biāo)準(zhǔn)化的星體機(jī)械結(jié)構(gòu)，便于裝配；二是模塊化的功能部件，便于集成、維修。美國(guó)航空航天協(xié)會(huì)組織了世界上100多家小衛(wèi)星公司來(lái)研討小衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，由于小衛(wèi)星的制造商眾多且任務(wù)多樣，針對(duì)所有任務(wù)來(lái)制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的條件還不成熟，盲目追求標(biāo)準(zhǔn)化容易抑制創(chuàng)新，但在組件和接口層面應(yīng)開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化工作，以有效控制成本與研制進(jìn)度，促進(jìn)小衛(wèi)星的廣泛應(yīng)用。如圖2所示，美國(guó)Planet Lab公司的舊金山制造基地采用全新的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)研制流程，每周可生產(chǎn)40顆衛(wèi)星。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)的衛(wèi)星

航天工業(yè)正在從軍事化用途、單一產(chǎn)品生產(chǎn)模式向商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)成本、質(zhì)量和可重復(fù)性生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用。商業(yè)衛(wèi)星的批量研制需要從頂層出發(fā)，規(guī)劃行業(yè)發(fā)展規(guī)范，減少不必要的個(gè)性化定制產(chǎn)品，集中行業(yè)資源，滿足低成本高效率研制需求。

為了提升衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的靈活性，各國(guó)也在積極發(fā)展軟件定義衛(wèi)星技術(shù)，基于軟件最大化、硬件最小化的思想，降低衛(wèi)星軟硬件之間的緊耦合關(guān)系，以開(kāi)源、開(kāi)放模式構(gòu)建航天應(yīng)用商店，通過(guò)星載APP靈活改變、擴(kuò)充或提升其功能，有助于降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，為提高商業(yè)衛(wèi)星的智能化程度、發(fā)展智能化商業(yè)衛(wèi)星提供更多可能。

3.2 數(shù)字化

目前國(guó)內(nèi)航天企業(yè)主要使用CAD圖紙來(lái)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)衛(wèi)星，部分使用ProE三維圖形輔助設(shè)計(jì)、裝配，盡管每個(gè)個(gè)體站點(diǎn)也都配有數(shù)字化設(shè)計(jì)模型，但設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏持續(xù)通信與高效協(xié)同設(shè)計(jì)能力，最終導(dǎo)致成本增加、效率下降。此外，數(shù)字化下廠還未能有效應(yīng)用，總裝集成仍然依賴人工。航天產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成、產(chǎn)品研制是相對(duì)分離的，不利于商業(yè)衛(wèi)星的低成本、高效率批量研制。

航空及汽車(chē)行業(yè)的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用較為成熟，可以作為商業(yè)航天數(shù)字化批量研制的設(shè)計(jì)參考。如圖3所示，航空工業(yè)廣泛采用MBD（Model-Based Design）數(shù)字化設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)，將三維制造信息PMI（Product Manufacturing Information）與三維設(shè)計(jì)信息共同定義到產(chǎn)品三維數(shù)字化模型中，使CAD、CAM等數(shù)字化設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)了高度集成。美國(guó)波音公司在其787等新型客機(jī)研制過(guò)程中，全面采用基于模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，將三維制造信息與設(shè)計(jì)信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，代替二維圖紙，直接使用三維設(shè)計(jì)模型作為研制依據(jù)，使技術(shù)人員從傳統(tǒng)的二維藍(lán)圖中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、零件加工、工裝設(shè)計(jì)、零部件檢測(cè)檢驗(yàn)、部件裝配的高度集成、協(xié)同和融合?？湛凸镜墓こ處煵捎眠_(dá)索系統(tǒng)3D Experience平臺(tái)，將A350XWB設(shè)計(jì)制造過(guò)程中4000人的工作關(guān)聯(lián)起來(lái)，同時(shí)應(yīng)用達(dá)索系統(tǒng)Enovia協(xié)同技術(shù)，通過(guò)沉浸式投影機(jī)系統(tǒng)Cave技術(shù)與3D虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)共同作業(yè)，使空客的工程師在A350 XWB飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中就對(duì)機(jī)內(nèi)零件實(shí)現(xiàn)了可視化，使飛機(jī)系統(tǒng)組裝可視化。此外，“數(shù)字孿生”概念已逐步用于航空航天領(lǐng)域，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型創(chuàng)建出一套詳細(xì)的虛擬數(shù)字模型，通過(guò)高保真仿真平臺(tái)模擬系統(tǒng)工作，將仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行同步比較，對(duì)產(chǎn)品的性能測(cè)試、故障檢測(cè)與維修具有重要作用。

圖3 數(shù)字化設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)

美國(guó)OneWeb商業(yè)衛(wèi)星公司借鑒空客公司的飛機(jī)批量化研制經(jīng)驗(yàn)，在佛羅里達(dá)工廠進(jìn)行衛(wèi)星設(shè)計(jì)和工業(yè)化流程生產(chǎn)線建設(shè)。圖4為OneWeb數(shù)字化工廠，通過(guò)數(shù)字化連接設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、集成、測(cè)試、試驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)，有效實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品研制各個(gè)環(huán)節(jié)的高效協(xié)同工作，可為我國(guó)設(shè)計(jì)商業(yè)衛(wèi)星數(shù)字化工廠提供參考。

圖4 美國(guó)OneWeb商業(yè)衛(wèi)星公司數(shù)字化工廠

3.3 以數(shù)據(jù)為中心

衛(wèi)星的產(chǎn)品種類(lèi)、數(shù)量不斷增加，產(chǎn)品數(shù)據(jù)包、測(cè)試數(shù)據(jù)、在軌數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)，歸檔式信息管理方式已無(wú)法滿足型號(hào)研制需求。目前存在數(shù)據(jù)管理分散，設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)分離，無(wú)有效的統(tǒng)一管理平臺(tái)，缺少有效的數(shù)據(jù)整合、分析與挖掘技術(shù)方法等問(wèn)題，這不利于型號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、設(shè)計(jì)優(yōu)化與高效研制。

航天產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試到運(yùn)行等的全周期數(shù)據(jù)一體化管理是航天產(chǎn)品數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。美國(guó)先后建立了政府與工業(yè)部門(mén)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)（GIDEP）、核心自動(dòng)化維修系統(tǒng)（CAMS）、維修管理信息和控制系統(tǒng)（MMICS）、可靠性信息分析中心（RIAC）、維修數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（AFM66-1）等數(shù)據(jù)系統(tǒng)，依靠數(shù)據(jù)支持大幅提高了產(chǎn)品的成熟度。歐空局（ESA）建立了系統(tǒng)可靠性服務(wù)系統(tǒng)（SRS）、預(yù)警系統(tǒng)、歐洲空間元器件信息交換系統(tǒng)（ESCIES）、歐洲電子元器件驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)國(guó)際交換網(wǎng)（EXACT）等信息系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析挖掘，提升產(chǎn)品的研制性能。我國(guó)航天研制單位也建設(shè)了一些區(qū)域數(shù)據(jù)中心，如測(cè)試數(shù)據(jù)中心、質(zhì)量信息系統(tǒng)、項(xiàng)目管理系統(tǒng)等，但系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，數(shù)據(jù)分散在單機(jī)研制單位、總體單位、AIT單位等，未能有效利用全周期數(shù)據(jù)信息。

借助大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建思路和方法，本文建設(shè)了面向航天全生命周期數(shù)據(jù)綜合管理的分析平臺(tái)。如圖5所示，大數(shù)據(jù)平臺(tái)可簡(jiǎn)要分為3層：數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用，數(shù)據(jù)收集層負(fù)責(zé)收集多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等異構(gòu)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)融合層負(fù)責(zé)將異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合管理，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和并行計(jì)算支持；智能應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析與建模，承擔(dān)具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用工作。

圖5 全周期數(shù)據(jù)綜合管理平臺(tái)

3.4 智能化

智能研制平臺(tái)本質(zhì)上是一個(gè)基于云平臺(tái)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化解決方案。數(shù)字化是智能研制的基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)化是數(shù)字化、智能化的前提。在標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)，使各環(huán)節(jié)信息互聯(lián)互通，并基于數(shù)字模型綜合分析各個(gè)研制環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息，可提高研制過(guò)程的可控性、減少人工干預(yù)。

在大數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)上，開(kāi)展智能研制應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1） 故障診斷與預(yù)測(cè)：基于航天產(chǎn)品的全生命周期數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)與模型雙驅(qū)動(dòng)，提高故障的提前識(shí)別與自動(dòng)化檢測(cè)能力。

（2） 產(chǎn)品設(shè)計(jì)：通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)的融合分析，識(shí)別不利于制造、測(cè)試和使用的缺陷設(shè)計(jì)，迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3） 市場(chǎng)分析：通過(guò)分析市場(chǎng)數(shù)據(jù)，提出產(chǎn)品布局建議，科學(xué)指導(dǎo)產(chǎn)品系列規(guī)劃。

（4） 模型仿真：基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)與設(shè)計(jì)模型對(duì)航天器進(jìn)行建模仿真，通過(guò)模型之間信息的傳遞和并行工作，建立模塊化的數(shù)學(xué)模型，輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與故障診斷。

目前智能化技術(shù)已在衛(wèi)星AIT、在軌管理中發(fā)揮了一定作用，如圖6所示，衛(wèi)星PHM健康評(píng)估系統(tǒng)利用決策樹(shù)、回歸、貝葉斯分類(lèi)等故障判斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)的故障模型判斷及精細(xì)化報(bào)警能力，實(shí)現(xiàn)完備有效的報(bào)警機(jī)制，自動(dòng)啟動(dòng)故障定位和處理工作流程，大幅提升監(jiān)測(cè)報(bào)警的有效性；并通過(guò)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，了解該系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，評(píng)估該系統(tǒng)的健康水平。智能研制需要依靠眾多關(guān)鍵軟硬件技術(shù)做支撐，應(yīng)積極借鑒民用航空、汽車(chē)領(lǐng)域及國(guó)外商業(yè)衛(wèi)星公司的成功研制經(jīng)驗(yàn)，逐步擴(kuò)展智能化技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，提升研制效率，降低研制成本。

圖6 衛(wèi)星健康狀態(tài)智能評(píng)估系統(tǒng)

4 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星涉及機(jī)熱電控等多個(gè)不同專業(yè)，還與空間環(huán)境狀態(tài)息息相關(guān)，需結(jié)合各關(guān)鍵學(xué)科的專業(yè)知識(shí)來(lái)理解衛(wèi)星的運(yùn)行方式，另外需要在數(shù)字化的平臺(tái)上，綜合管理運(yùn)用多學(xué)科專業(yè)知識(shí)，集成應(yīng)用貝葉斯、支持向量機(jī)、集成學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法和數(shù)字化仿真建模技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)航天的智能研制。