航天型號(hào)全國產(chǎn)化控制系統(tǒng)研制實(shí)踐

王曉東 /中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

葉紹凱、劉江、禹春梅 /北京航天自動(dòng)控制研究所

國防科技是國防力量的重要支撐，服務(wù)于國家的戰(zhàn)略安全需求。作為國防科技工業(yè)技術(shù)密集型的典型代表，航天科技工業(yè)主要承擔(dān)空間飛行器、航天運(yùn)輸系統(tǒng)、空間裝備與基礎(chǔ)設(shè)施、導(dǎo)彈武器裝備的研制和生產(chǎn)任務(wù)。航天產(chǎn)業(yè)是強(qiáng)國競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，其自主可控水平是衡量一個(gè)國家綜合國力的重要標(biāo)志，航天科技工業(yè)的發(fā)展、航天產(chǎn)業(yè)的健全、航天產(chǎn)品的研制必須堅(jiān)定走自主可控的發(fā)展路線。因此，2008 年我國啟動(dòng)了以某型號(hào)研制為代表的航天型號(hào)國產(chǎn)化研制序幕，推進(jìn)航天型號(hào)的自主可控發(fā)展。

一、現(xiàn)狀與差距

圖1 航天型號(hào)控制系統(tǒng)組成與產(chǎn)品生態(tài)關(guān)系

控制系統(tǒng)是航天型號(hào)的神經(jīng)中樞，是航天型號(hào)至關(guān)重要的組成部分，所以要實(shí)現(xiàn)航天技術(shù)自主可控，控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化首當(dāng)其沖。航天型號(hào)控制系統(tǒng)一般由飛行控制系統(tǒng)和地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)2 個(gè)部分組成。以飛行控制系統(tǒng)為例，一般由敏感器、控制器、執(zhí)行器和算法軟件組成，其組成與產(chǎn)品生態(tài)關(guān)系如圖1 所示。

航天型號(hào)控制系統(tǒng)由復(fù)雜多樣的系統(tǒng)應(yīng)用軟件與電氣設(shè)備組成，元器件、數(shù)字集成電路、模擬集成電路、計(jì)算機(jī)主板、網(wǎng)絡(luò)交換、總線應(yīng)用及測(cè)試、圖形界面軟件、操作系統(tǒng)、IDE 集成開發(fā)環(huán)境是航天型號(hào)研制的重要通用基礎(chǔ)。尤其是核心電子元器件、基礎(chǔ)軟件和高端通用芯片等，其自主可控的程度體現(xiàn)了航天科技工業(yè)發(fā)展水平和一個(gè)國家的綜合科技實(shí)力。美國特別重視元器件及基礎(chǔ)軟件技術(shù)的自主研發(fā)，數(shù)十年來一直處于世界最前沿。歐洲宇航工業(yè)走的是區(qū)域合作的道路，能夠充分應(yīng)用各成員國的航天元器件資源，其自主可控能力很強(qiáng)。

我國元器件總體水平較低，尤其是2008 年前后，國產(chǎn)元器件品種較少，航天用關(guān)鍵元器件，如通用處理器及其配套芯片組、高性能A/D 、DA 等主要依賴進(jìn)口，已使用的國產(chǎn)元器件也經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量問題。軟件方面，控制系統(tǒng)各配套單位可以實(shí)現(xiàn)交付的應(yīng)用軟件完全自主，但安全關(guān)鍵等級(jí)A 級(jí)的軟件開發(fā)環(huán)境仍然采用的是國外商用產(chǎn)品，存在軟件基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)不透明和未知安全隱患等問題。從整個(gè)控制系統(tǒng)配套產(chǎn)品生態(tài)看，我國航天型號(hào)控制系統(tǒng)自主可控的難點(diǎn)主要集中在基礎(chǔ)層，表現(xiàn)在2 個(gè)方面：一是高端國產(chǎn)通用芯片、核心電子元器件品種少且成熟度不高；二是基礎(chǔ)軟件，如軟件集成開發(fā)環(huán)境、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)等奇缺，完全依靠進(jìn)口。

二、解決方案

針對(duì)航天型號(hào)控制系統(tǒng)自主可控的難點(diǎn)（高端核心器件、基礎(chǔ)軟件），主要從技術(shù)和管理2個(gè)方面推進(jìn)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化配套產(chǎn)品生態(tài)建設(shè)，以有限的國產(chǎn)化生態(tài)資源實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的航天型號(hào)控制系統(tǒng)功能。

1.技術(shù)方面

一是進(jìn)行系統(tǒng)頂層優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用“自頂向下+自底向上” 雙向迭代的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，把控設(shè)計(jì)源頭，從系統(tǒng)頂層優(yōu)化設(shè)計(jì)出發(fā)——自頂向下梳理出系統(tǒng)各產(chǎn)品的共性功能需求，進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娐范ㄖ崎_發(fā)，自底向上基于現(xiàn)有國產(chǎn)元器件貨架開展選用分析，不斷尋找系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的平衡點(diǎn)，抓住核心關(guān)鍵，將國產(chǎn)器件的研制能力與既有國產(chǎn)器件貨架資源有效整合，可以有效實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化設(shè)計(jì)，并不斷提升自主可控的研制能力。

二是借力“核高基”成果及開源資源。基礎(chǔ)軟件開發(fā)技術(shù)難度大，研制周期長(zhǎng)，國際主流基礎(chǔ)軟件市場(chǎng)大部分份額已被美國、歐洲霸占，且處理器廠商和操作系統(tǒng)廠商聯(lián)手，形成了壟斷的全球基礎(chǔ)軟硬件生態(tài)系統(tǒng)，如微軟公司和Intel 公司的WinTel 生態(tài)系統(tǒng)。我國在“十一五” “十二五” 期間，通過“核高基” 項(xiàng)目牽引，已經(jīng)形成了部分基礎(chǔ)軟件，在此基礎(chǔ)上可以借助開源社區(qū)資源，先全面掌握操作系統(tǒng)、軟件開發(fā)環(huán)境等部分關(guān)鍵基礎(chǔ)軟件的設(shè)計(jì)技術(shù)，再定制開發(fā)出適應(yīng)國產(chǎn)化控制系統(tǒng)研制的自主產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)彎道超車，以降低基礎(chǔ)軟件對(duì)國外的依賴。

航天型號(hào)從過去的跟蹤仿制發(fā)展到今天的自主可控是由其內(nèi)在發(fā)展規(guī)律驅(qū)動(dòng)前行的，過去在計(jì)劃體制下形成了一套研制體系，在新形勢(shì)下需要建立更頂層的組織機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，充分調(diào)動(dòng)市場(chǎng)資源，加大自主可控發(fā)展戰(zhàn)略研究，制定自主可控建設(shè)路線圖，鼓勵(lì)和引導(dǎo)優(yōu)勢(shì)市場(chǎng)資源進(jìn)行自主可控發(fā)展。同時(shí)，各級(jí)參研組織在統(tǒng)一的質(zhì)量管理體系下必須強(qiáng)有力地推動(dòng)落實(shí)，加強(qiáng)資源的保障、監(jiān)管，并形成一整套完善的管理規(guī)范。

三是強(qiáng)化國產(chǎn)化應(yīng)用驗(yàn)證。應(yīng)用驗(yàn)證是國產(chǎn)化產(chǎn)品走向工程化應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過應(yīng)用驗(yàn)證，及早發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)元器件、基礎(chǔ)軟件、系統(tǒng)單機(jī)產(chǎn)品在控制系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題，并及時(shí)進(jìn)行故障分析和改進(jìn)，不斷提高國產(chǎn)化產(chǎn)品的工程應(yīng)用成熟度。國產(chǎn)化設(shè)計(jì)應(yīng)用驗(yàn)證一般包括芯片級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證、板級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證、整機(jī)級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證和系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證4個(gè)層次。

2.管理方面

一是建立強(qiáng)有力的管理體系。航天型號(hào)從過去的跟蹤仿制發(fā)展到今天的自主可控是由其內(nèi)在發(fā)展規(guī)律驅(qū)動(dòng)前行的，過去在計(jì)劃體制下形成了一套研制體系，在新形勢(shì)下需要建立更頂層的組織機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，充分調(diào)動(dòng)市場(chǎng)資源，加大自主可控發(fā)展戰(zhàn)略研究，制定自主可控建設(shè)路線圖，鼓勵(lì)和引導(dǎo)優(yōu)勢(shì)市場(chǎng)資源進(jìn)行自主可控發(fā)展。同時(shí)，各級(jí)參研組織在統(tǒng)一的質(zhì)量管理體系下必須強(qiáng)有力地推動(dòng)落實(shí)，加強(qiáng)資源的保障、監(jiān)管，并形成一整套完善的管理規(guī)范。

二是探索國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)。

控制系統(tǒng)針對(duì)國產(chǎn)器件種類和數(shù)量雙高占比的要求，以型號(hào)研制牽引為抓手，微處理器、SoC、FPGA研制為核心，同時(shí)構(gòu)建一整套軟件應(yīng)用環(huán)境來支撐，開展了數(shù)十項(xiàng)新品元器件的研制，初步構(gòu)建了器件級(jí)、單機(jī)產(chǎn)品級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，特別是SoC 及外圍電路的成功研制及應(yīng)用，同步牽引管殼封裝、元器件、數(shù)字集成電路、模擬集成電路、計(jì)算機(jī)主板、網(wǎng)絡(luò)交換、總線應(yīng)用及測(cè)試、圖形界面軟件、操作系統(tǒng)、IDE集成開發(fā)環(huán)境等領(lǐng)域數(shù)十家高科技公司、科研院所發(fā)展，帶動(dòng)了整個(gè)航天自主可控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)。

三是壓縮品種、重點(diǎn)突破。

以控制系統(tǒng)專業(yè)發(fā)展的需求為導(dǎo)向，系統(tǒng)梳理出航天型號(hào)的研制短線，同時(shí)兼顧未來5～10年的使用需求，牽引國內(nèi)元器件研發(fā)優(yōu)勢(shì)資源，壓縮品種、重點(diǎn)突破，降低產(chǎn)品成熟度帶來的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化多維度選型指標(biāo)體系，做好需求統(tǒng)籌，使各航天產(chǎn)品的需求最小化，同時(shí)引領(lǐng)各個(gè)參研單位共同得到技術(shù)進(jìn)步。某航天型號(hào)控制系統(tǒng)最終確定了元器件新品研制項(xiàng)目20 余項(xiàng)、“核高基” 項(xiàng)目SoC 項(xiàng)目3 項(xiàng)，牽引了多項(xiàng)進(jìn)口元器件國產(chǎn)化替代項(xiàng)目及多項(xiàng)可靠性增長(zhǎng)項(xiàng)目。

四是構(gòu)建新型供應(yīng)商管理體系。為了確保控制系統(tǒng)國產(chǎn)化設(shè)計(jì)可靠落地，不斷強(qiáng)化供應(yīng)商管理，嚴(yán)格質(zhì)量管控。通過系統(tǒng)使用方和核心器件研制方共同確定產(chǎn)品規(guī)范的方法，制定頂層質(zhì)量管理文件，重新調(diào)整供應(yīng)商關(guān)系。針對(duì)航天型號(hào)多品種、小批量、高可靠的特點(diǎn)，加強(qiáng)用戶對(duì)最終產(chǎn)品在研制過程的參與度，提前識(shí)別元器件研制的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)質(zhì)量問題多發(fā)的參研單位進(jìn)行專項(xiàng)治理，對(duì)重大核心器件如SoC 的研制采用競(jìng)爭(zhēng)擇優(yōu)，確保產(chǎn)品可靠性和關(guān)鍵計(jì)劃節(jié)點(diǎn)滿足航天型號(hào)需求，構(gòu)建新興供應(yīng)商管理體系。

五是推動(dòng)航天產(chǎn)品工程建設(shè)。

在實(shí)踐中不斷總結(jié)、積累經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，對(duì)研發(fā)、選用過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化建設(shè)，包括芯片研制、基礎(chǔ)軟件和系統(tǒng)/產(chǎn)品研制多個(gè)方面。在芯片研制方面，結(jié)合應(yīng)用驗(yàn)證過程中暴露的問題，修訂、完善、補(bǔ)充相關(guān)元器件標(biāo)準(zhǔn)，包括設(shè)計(jì)規(guī)范、產(chǎn)品規(guī)范、生產(chǎn)規(guī)范、測(cè)試規(guī)范、試驗(yàn)規(guī)范、產(chǎn)品手冊(cè)及芯片應(yīng)用指南等；對(duì)于SoC核心器件，構(gòu)建了相應(yīng)的航天用元器件標(biāo)準(zhǔn)體系。在系統(tǒng)及產(chǎn)品研制方面，重點(diǎn)加強(qiáng)國產(chǎn)元器件選用、系統(tǒng)/產(chǎn)品設(shè)計(jì)、應(yīng)用驗(yàn)證等經(jīng)驗(yàn)的梳理和總結(jié)，形成了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

三、應(yīng)用實(shí)踐

以2008 年某航天項(xiàng)目控制系統(tǒng)研制為例，用戶對(duì)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化率提出了很高的要求，且系統(tǒng)性能指標(biāo)要求相對(duì)于傳統(tǒng)型號(hào)大幅提升。由于是國家重大工程，所以項(xiàng)目的國產(chǎn)化研制過程獲得了國家及下屬各級(jí)單位的高度關(guān)注和關(guān)照，為項(xiàng)目的推進(jìn)提供了有力的資源保障、經(jīng)費(fèi)保障及嚴(yán)格的研制過程監(jiān)督，最終旗開得勝，碩果累累。

1.技術(shù)成果

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過程中，通過反復(fù)多次的系統(tǒng)需求梳理、國內(nèi)元器件應(yīng)用基礎(chǔ)調(diào)研，將系統(tǒng)頂層優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)有國產(chǎn)元器件選用分析相結(jié)合，最終確立了以某RISC 架構(gòu)為核心的SoC 技術(shù)，進(jìn)行控制系統(tǒng)集成化、國產(chǎn)化整體解決方案設(shè)計(jì)，支撐用戶對(duì)于系統(tǒng)性能和國產(chǎn)化率的要求。最終形成2 款SoC，分別面向飛行控制和飛行測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)景。該項(xiàng)目的元器件種類相對(duì)于傳統(tǒng)項(xiàng)目減少了50%以上，且獲得了顯著的系統(tǒng)性能提升（見圖2）。最終使得該項(xiàng)目飛行控制系統(tǒng)電氣設(shè)備核心器件100%實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，有效提高了我國航天型號(hào)的自主保障能力。

研制過程中，核心電子器件與型號(hào)研制同時(shí)開展，產(chǎn)品成熟度不高導(dǎo)致的設(shè)計(jì)反復(fù)嚴(yán)重影響了項(xiàng)目研制計(jì)劃。但用戶、控制系統(tǒng)和芯片研制單位不畏艱難、同舟共濟(jì)、集智攻關(guān)，不斷探索SoC 應(yīng)用驗(yàn)證方法。通過項(xiàng)目縱向牽引和用戶橫向課題支撐，不斷強(qiáng)化應(yīng)用驗(yàn)證，構(gòu)建了全維度、全流程應(yīng)用驗(yàn)證體系，有效提升了系統(tǒng)國產(chǎn)化設(shè)計(jì)的可靠性。

在基礎(chǔ)軟件方面，借助國家“核高基” 項(xiàng)目成果及開源社區(qū)資源進(jìn)行定制開發(fā)，初步構(gòu)建出支撐國產(chǎn)核心器件應(yīng)用的自主基礎(chǔ)軟件生態(tài)，形成了軟件開發(fā)環(huán)境、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺(tái)等一系列基礎(chǔ)軟件。

2.管理成果

圖2 某項(xiàng)目控制計(jì)算機(jī)采用SoC技術(shù)前后對(duì)比

圖3 管理創(chuàng)新打破傳統(tǒng)分工模式

一是建立跨專業(yè)、跨領(lǐng)域、跨單位的協(xié)同研制模式。控制系統(tǒng)采用基于SoC 的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)了管理創(chuàng)新，打破了傳統(tǒng)的航天型號(hào)研制分工模式（見圖3）。在基于SoC 技術(shù)的型號(hào)研制過程中，堅(jiān)持系統(tǒng)單位抓總與芯片單位專業(yè)優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，建立了系統(tǒng)研制單位、芯片研制單位、基礎(chǔ)軟件研制單位優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同設(shè)計(jì)的研制模式。

將SoC 研制、應(yīng)用所需的所有專業(yè)領(lǐng)域的人員（包括系統(tǒng)總體單位、單機(jī)配套單位、芯片設(shè)計(jì)單位、基礎(chǔ)軟件設(shè)計(jì)單位等）集中協(xié)同工作，最大程度提高研發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與芯片、基礎(chǔ)軟件的研制高度結(jié)合，構(gòu)建了全新的協(xié)同研制流程。

二是初步建立國產(chǎn)化產(chǎn)品生態(tài)。通過系統(tǒng)牽引，在芯片研制單位、基礎(chǔ)軟件研制單位、整機(jī)配套單位間架起橋梁，有效推進(jìn)了國產(chǎn)化應(yīng)用生態(tài)的構(gòu)建和快速發(fā)展，形成了基于核心關(guān)鍵器件、軟件開發(fā)環(huán)境、國產(chǎn)“戰(zhàn)星” 操作系統(tǒng)、圖形界面、軍用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)等為代表的、可供借鑒的一整套控制系統(tǒng)國產(chǎn)化解決方案。

圖4 航天用SoC標(biāo)準(zhǔn)體系框架

三是初步建立自主可控產(chǎn)品體系。建立元器件保障隊(duì)伍，立足于控制系統(tǒng)當(dāng)前及未來發(fā)展需求，強(qiáng)化選用控制和優(yōu)化統(tǒng)型，建立控制系統(tǒng)元器件選用目錄，嚴(yán)格質(zhì)量控制；建立產(chǎn)品化研制隊(duì)伍，推進(jìn)構(gòu)建自主可控產(chǎn)品體系，將該項(xiàng)目研制形成的一系列控制系統(tǒng)核心產(chǎn)品上貨架，推進(jìn)產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略，有效支撐了多個(gè)國家重大項(xiàng)目快速研制和自主可控。

四是建立健全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。

完成國產(chǎn)化工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，構(gòu)建了航天SoC IP 核庫，固化SoC 研發(fā)過程中取得的成果；建立軍用SoC 的規(guī)范，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，形成以航天SoC IP 核庫為基礎(chǔ)的SoC 研發(fā)流程及SoC應(yīng)用和質(zhì)量管理體系框架。在現(xiàn)有的電子元器件標(biāo)準(zhǔn)體系外，補(bǔ)充建立了航天用SoC 標(biāo)準(zhǔn)體系框架(見圖4)，包括詳細(xì)規(guī)范、測(cè)試方法、應(yīng)用指南、設(shè)計(jì)控制、應(yīng)用驗(yàn)證等多個(gè)方面。

四、后續(xù)建議

實(shí)現(xiàn)航天型號(hào)控制系統(tǒng)的全國產(chǎn)化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是要有來自國家層面的強(qiáng)有力支撐、保障和監(jiān)督，要有決心和恒心。具體實(shí)施上，重點(diǎn)突破核心關(guān)鍵元器件、基礎(chǔ)軟件的核心自主，并建立完整的自主產(chǎn)品生態(tài)體系。

關(guān)鍵元器件方面，需要豐富高端元器件品種，全面支撐各航天型號(hào)的應(yīng)用，如開展AI 芯片、導(dǎo)引頭圖像處理電路等新型超大規(guī)模集成電路的研制；同時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)元器件最新制造工藝技術(shù)的掌控，只有掌握了最先進(jìn)的制造工藝，才能不受制于人，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

基礎(chǔ)軟件方面，目前仿真測(cè)試軟件、硬件開發(fā)軟件、專用集成開發(fā)軟件等工具平臺(tái)類軟件大多依賴進(jìn)口產(chǎn)品，且研制難度極大，是控制系統(tǒng)軟件領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主可控的夜明珠。后續(xù)，還要全面建成、建好國產(chǎn)化產(chǎn)品生態(tài)，擴(kuò)大應(yīng)用群體，通過不斷的應(yīng)用驗(yàn)證，持續(xù)提升國產(chǎn)器件的成熟度和可靠性，從而降低芯片成本、系統(tǒng)成本。控制系統(tǒng)國產(chǎn)化只是第一步，還需進(jìn)一步推進(jìn)面向整個(gè)航天器箭上、地面電氣系統(tǒng)的全國產(chǎn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全面自主可控。

近年來，黨中央關(guān)于航天型號(hào)自主可控發(fā)展作出一系列重要批示和指示，要求在已有成績(jī)的基礎(chǔ)上強(qiáng)力破解當(dāng)前受制于人的被動(dòng)局面，加快實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)自主可控，航天工業(yè)部門已經(jīng)全面掀起自主可控的發(fā)展熱潮，相信航天工業(yè)系統(tǒng)在不久的將來將實(shí)現(xiàn)全面自主可控發(fā)展，為我國實(shí)現(xiàn)強(qiáng)軍強(qiáng)國的發(fā)展戰(zhàn)略奠定基礎(chǔ)。▲