構建航天軟件研制新體系支撐“十四五”航天發展新跨越

程 勝 /文

軟件是現代信息化武器裝備的靈魂，是決定裝備作戰能力的關鍵要素，這在新一代航空航天裝備中體現尤為突出。F-35“閃電”是美軍在役最先進的第五代戰斗機，屬于典型的軟件定義數字化戰機。F-35硬件采用通用模塊化設計，通過軟件實現了戰機的絕大部分功能。飛行軟件源代碼規模超過800 萬行，軟件研發投入超過108 億美元，通過從Block1A 到Block3F 的6 次軟件版本升級，大幅提高了環境感知、目標識別、武器控制、通信和導航、戰機維護等功能的戰技指標和智能化程度，使其具備了超一流的綜合作戰能力。美軍后續還將通過軟件升級持續增強F-35的作戰能力。可以看出，在現代先進武器裝備中，硬件猶如人的身體，軟件猶如人的思想和靈魂，在同等身體條件下，人的能力主要取決于思想和靈魂，而裝備的作戰能力主要取決于軟件。

在信息化和智能化時代，軟件是定義裝備功能和戰技指標的主要手段，軟件已成為裝備的核心能力，軟件水平將成為航天裝備發展的核心競爭力。加快構建航天軟件研制新體系，形成世界一流的航天裝備軟件研制能力，已經成為當前我國航天發展和航天強國建設的迫切需求。

本文所談的航天裝備軟件主要指航天裝備中的飛行控制、目標識別、故障診斷等嵌入式軟件，以及支持航天裝備測試、發射、在軌運行的地面任務軟件。

國內外航天裝備軟件發展態勢及挑戰

國外航天裝備軟件發展態勢

在現代武器裝備和作戰系統中，軟件無處不在。軟件控制著武器裝備的運行，驅動整個作戰系統的正常運轉。軟件已經從過去硬件或裝備功能的輔助使能角色，轉變成如今裝備和系統核心能力的定義者。2009 年美國宇航局發表的《飛行軟件復雜度》研究報告，對軍用飛機、火星探測器、汽車的嵌入式軟件發展情況分析后發現，近四十年來裝備軟件規模以指數級增長，發揮的作用越來越大，地位也更加突出。1960 年代F-4“鬼怪”戰斗機的軟件僅有1000 行源代碼，實現了8%的系統功能。2000 年F-22 猛禽戰斗機的軟件超過250 萬行，實現了超過80%的系統功能。1970 年代“海盜號”火星探測器軟件不到1 萬行，而2011 年發射的“好奇號”火星車超過了300萬行。1990 年代通用汽車的車載軟件是百萬行規模，到2010 年已經超過1 億行。隨著現代裝備智能化、體系化的發展趨勢，裝備功能將更加復雜，軟件規模還將持續快速增長，其作用和地位將更加凸顯。

裝備軟件規模快速增長的原因是什么？這與軟件屬性有直接關系。第一，軟件具有非物質性特點，不受物理實體限制，容易編寫和修改。第二，軟件是彌補硬件不足和增強系統性能的“魔法棒”，軟件可以通過跨專業系統級協同顯著增強硬件和系統能力。例如，通過軟件冗余算法，可以有效彌補硬件抗輻照能力不足，顯著提升星載計算機可靠性；通過軟件算法可大幅提高雷達系統的抗干擾能力。所以，設計師都會首選把功能分配給軟件來實現。軟件規模因此迅速增長，同時也使得軟件復雜度陡增，給軟件研制和測試驗證工作帶來巨大挑戰。

所謂復雜度，是指人理解和驗證一個事物的困難程度。軟件是靠人開發的，如果復雜度超出了軟件開發人員的理解能力，軟件開發的危機就來了。事實上，這就是1968 年北約召開全球首次軟件工程會議上提出的“軟件危機”之情形：軟件質量，進度失控，預算超支。《飛行軟件復雜度》報告指出，“軟件危機”的根源在于：我們對復雜軟件的需求超出了軟件研制團隊的開發能力。當然，1968 年遇到的復雜問題，現在看來很簡單，已經很容易解決。這主要得益于五十多年來軟件工程技術取得的巨大進展。但是，現代智能化裝備所需軟件的規模和復雜度相比五十年前又增長了三個數量級，再次超出了當前的軟件研制能力。

2000 年前后美國發生了以“火星天氣軌道器”為代表的多起重大航天任務失敗，經調查都是由于軟件缺陷所致。正是這些慘痛的失敗促使美國宇航局開展了飛行軟件復雜度問題及應對措施的研究，并且啟動了全面的軟件工程能力提升行動。主要內容有：加強新技術研究和新工具研發；加強先進方法和工具的推廣應用；加強軟件架構研究和架構師培養等。經過多年努力，美國宇航局的軟件研制能力再一次實現飛躍，很好地保障了以“好奇號”火星探測為代表的一系列復雜航天任務的成功實施。“好奇號”是當時世界上智能化程度最高、最為復雜的火星車，飛行軟件規模達到空前的300 萬行。但美國宇航局噴氣推進實驗室僅依靠35 人的軟件開發團隊，就按期高質量完成了全部軟件開發。“好奇號”自從2011 年成功發射后，目前仍在火星上正常執行任務，期間基本沒出現過軟件問題，軟件質量極高。這源自團隊采用的先進軟件開發技術和工具。“好奇號”的軟件研制主要采用了模型驅動開發及形式化驗證技術，其中75%代碼都是通過模型驅動開發工具自動生成的。模型驅動開發和形式化驗證等技術，已在美國宇航局的后續任務中得到了廣泛應用。

美國宇航局“好奇號”火星車

美國太空探索公司是近年來國際航天界最閃耀的明星，成立的短短18 年來，通過大膽創新，創造了一系列航天奇跡，顛覆了傳統航天產業：第一家成功發射液體商業火箭入軌、第一家發射商業貨運飛船與國際空間站成功對接、第一家實現可重復使用火箭并投入商業發射、僅數年就成功研制目前全球最大運載量的火箭、第一家通過自研載人飛船將宇航員成功送往國際空間站的商業公司、發射建立全球最大星座“星鏈計劃”。公司同時維持著至少3種大型運載火箭、2 型飛船、上千顆衛星的設計、制造、發射、運營等全部工作。其軟件團隊總共35 人，承擔了至少上述6個型號飛行軟件和地面軟件的研制，以及發射支持、航天器在軌管理等工作。在太空探索公司近百次商業發射中，未發生過嚴重軟件故障。據國外媒體報道，相同的任務交給波音等傳統航天企業，至少得50 倍規模（1750 人）的團隊才能完成。太空探索公司的軟件開發效率和質量水平是顛覆性的。據其軟件團隊在網絡上透露的信息，其主要秘訣有：①產品起點高，大量采用成熟先進的商業軟硬件產品和技術；②軟件復用度高，所有型號共用一套軟件架構和平臺；③團隊水平高，成員都是有豐富經驗的游戲軟件工程師；④開發模式新，采用了基于敏捷理念的DevOp 模式。

美國太空探索公司“龍”飛船

可以看出，為解決航天復雜軟件開發的問題，太空探索公司進行了顛覆性創新，而美國宇航局采用的是傳統基礎上的創新。

我國航天裝備軟件發展態勢及挑戰

近年來，在空間站工程、北斗導航工程、高分專項等重大航天工程的帶動下，我國航天型號研制和發射任務都進入了高潮期。航天主要研制單位的任務量猛增數倍，尤其軟件任務量增加更為顯著。據統計，空間站工程的軟件數量相比前期任務增加了近十倍。除了數量增加，軟件規模也增長很快。很多重要軟件規模急劇膨脹，復雜度陡增，如飛船GNC 軟件代碼規模已超過10萬行。在軟件人員無顯著增加的情況下，軟件開發面臨巨大壓力。這種任務形勢給航天帶來了艱巨挑戰，軟件問題增多，嚴重問題時有發生，軟件已成為當前各級關注的突出風險。

中國長征5 號大型運載火箭

近兩年來，國防科工局高度關注航天軟件發展態勢，組織航天相關單位進行了專題研究，還多次組織相關專家對航天軟件問題進行了深入研討。最后達成的共識是，當前航天型號軟件問題頻出的根源在于軟件任務量和復雜度增長太快，現有軟件研制體系已難以適應，亟須全面加強研制體系建設、提升軟件研制能力。這與美國宇航局二十年前面臨的局面類似。面臨的問題和挑戰有：①軟件仍處于附屬地位。對信息化智能化裝備軟件的作用認識不足，軟件仍然是硬件附屬，難以發揮軟件定義系統的核心作用；②研制模式滯后。軟件研制模式滯后于技術發展和形勢發展，工具和手段落后；③標準化和產業化程度低。標準觀念薄弱，標準難以有效貫徹，軟件標準化和產品化程度低，難以復用和共享，低水平重復嚴重，難以形成分工協同的產業鏈協同發展格局；④技術進步慢。軟件技術日新月異，但對新技術研究少，應用更少，滯后于時代發展；⑤研發投入少。軟件基礎技術和工具軟件技術研發投入嚴重不足，基礎薄弱；⑥自主軟件工具缺。型號應用的絕大部分軟件工具都是美歐產品，受制于人，尤其缺少與國產宇航處理器配套的自主可控軟件工具，后續發展存在很大風險和隱患；⑦崗位認證缺。航天裝備軟件要求極高，對崗位技能有特殊要求，尤其是系統架構師、軟件安全工程師、軟件質量保證工程師等重要崗位必須熟練掌握相關技能，目前缺乏崗位認證，人員水平難以保證；⑧軟件人員地位低。軟件人員在型號中地位低，發展空間小，人才流失嚴重，引進外部人才困難。

構建航天軟件研制新體系的舉措

二十多年前，中國航天在重重質量危機中，率先提出了“抓評測促工程化”的戰略，采取了兩項關鍵舉措：①改進開發過程，將軟件作為獨立產品納入型號產品配套表，軟件從不受控的程序員個人資產轉變為受控的組織資產，實現對源頭的把控；②建立第三方評測體系，軟件出廠前必須經過獨立評測把關，實現對末端的質控。通過抓住兩頭，軟件工程化取得了立竿見影的效果，迅速扭轉局面，實現了軟件開發從個體“作坊式”向團隊“工程化”的轉變，支撐了航天二十多年的快速發展。

在新的歷史時期，航天軟件發展到了一個新階段。當前所面臨的軟件形勢，既是風險挑戰，也是邁向更高臺階的發展機遇。只要各級高度重視，抓住問題本質，系統謀劃，開拓創新，一定能抓住機遇，走出一條有中國特色的航天軟件發展道路，實現航天軟件水平的再次飛躍，有力支撐航天強國建設。具體舉措有：

加強研究和學習，提高思想統一認識。組織航天專業軟件力量，持續開展對國內外航天軟件發展態勢研究和分析，尤其是對以美國太空探索公司為代表的顛覆性創新力量的跟蹤和研究。組織各單位對研究成果進行深入學習和交流，使各級領導和型號研制隊伍充分認識和理解軟件對未來航天發展的極端重要性和開發方法改進、提高的緊迫性；

優化研制體系，提高軟件地位。智能化是航天裝備發展的必然趨勢，其核心是信息系統和軟件。重新審視信息系統和軟件在型號中的地位和作用，將其提升到總體地位。軟件研制要從頂層型號需求分析和總體設計開始全面介入，需設置專職信息系統及軟件副總師（不是管理崗位，而是軟件系統架構師）負責型號總體信息和軟件系統需求分析及架構設計。逐步從以機械結構為中心的傳統體系，過渡到以信息系統和軟件為中心的新體系，適應智能航天裝備發展需要；

制定有效標準，著力貫徹落實。標準對于行業的健康發展具有舉足輕重的作用。目前航天軟件的標準程度不高，有效執行的軟件標準極少。究其原因：①標準不可用。當前的標準主要由標準化機構編寫而成，與實際應用結合不緊，可用性不高；②貫標意識不夠。缺乏有效的貫標機制，標準意識普遍不強，缺少對標準的敬畏。不遵循標準帶來的問題：①造成“小散弱”局面。不遵循統一標準，單位間難以形成相互支撐、良性互動的協同發展格局，只能各自封閉、難以發展；②造成行業落后。不遵循標準，行業缺乏透明性，難以與外部產業鏈對接，造成行業封閉、發展落后。反觀國際一流企業，無不是標準的先行者和實踐者。要實現航天軟件的健康發展，一定要重視標準制定和貫徹。要采取兩方面措施推動航天軟件標準化：①應用單位主導標準制定。由專業研究機構和主要應用單位來主導標準制定，標準必須得到行業內主要應用單位的認可；②從頂層強制貫標。主管部門在下達研制任務時，將相關標準作為項目研發或產品研制的必要條件，從頂層推動標準貫徹；

堅定自主發展，加強工具研發。軟件開發工具是研制現代復雜軟件的核心工具手段，其作用猶如光刻機之于芯片制造，高端數控機床之于高端武器裝備生產。軟件開發工具水平決定軟件研制水平。如果工具受制于人，航天裝備軟件也必將受制于人。生產工具是生產力水平的標志。航天所用的軟件開發工具是航天裝備軟件研制能力的標志。當前軟件開發模式正從以人工作業為主，自然語言文檔為中心，瀑布開發模型為特征的傳統模式，向以自動化作業為主，模型為中心，敏捷開發模型為特征的新模式轉變。新的開發模式需要全新的軟件開發工具，國內外航天領域也都處于模式轉型和工具升級階段。須抓住這次航天軟件開發模式轉型機遇，從國家層面集中力量開展新一代自主軟件開發工具的研發和應用，爭取在“十四五”期間取得突破，實現軟件開發工具的自主保障，擺脫受制于人的局面。重點開展三方面研發：①模型驅動軟件開發、形式化驗證等技術研究，及針對航天領域的工具研發；②基于成熟商用軟硬件技術的航天高可靠軟件開發技術研究；③基于敏捷思想的航天軟件研制模式研究及工具環境研發；

重視軟件架構，加強基礎建設。無論從美國宇航局的研究實踐，還是從太空探索公司的成功經驗，都可以看出優秀的軟件架構對于高效研制高質量軟件的重要作用。通過優秀的軟件架構，可以確保軟件整體的可靠性和可擴展性，進行最大程度的軟件復用，大幅提高軟件開發效率，保證產品質量。重點支持運載火箭箭載軟件、航天器綜合電子軟件、地面支持系統軟件的通用參考架構研究和軟件研制，相關成果發布給全行業共享。同時在裝備研制要求中，將軟件架構選用納入必要條件。通過研發支持和型號推廣，推動航天裝備軟件架構的應用和發展；

打造軟件生態，共同發展壯大。生態鏈是維系行業健康發展的關鍵。通過生態鏈，才能實現各執所長，分工協作，建立體系，形成合力，做大做強。現代智能化航天裝備軟件已經是復雜軟件系統，除了完成特定任務的應用模塊，還包括硬件驅動程序、操作系統、數據庫、科學計算庫、網絡協議庫、消息通信庫、導航制導算法庫、機器學習庫等，這些都是復雜的可復用專業軟件，研發及升級維護投入很大，不可能每家單位都自己解決。目前一些單位封閉起來試圖自建體系，結果是低水平重復，浪費國家資源，行業整體水平難以發展。要建立軟件生態，各單位要站在行業發展高度，以開放共贏的心態，相互支撐，優勢互補，共同做大做強。產業鏈強，行業必強，反過來會吸引更多優勢力量參與，推動行業不斷走向繁榮。生態鏈建立需要政府主管部門的政策引導和激勵，主要措施有：①制定發布標準。制定航天軟件技術及產品標準，公開發布；②建立“航天軟件產品合格名錄”。對申請產品開展全面驗證，符合要求的納入名錄；③納入型號選型。發布合格名錄，并在型號任務中將選用名錄產品作為必要條件，推動產品應用；④鼓勵研用。在產品推廣前期，為鼓勵自主產品研制及應用，對于被采購的產品，給予產品研制單位和應用單位一定補貼。通過開放機制、應用銜接、資金支持，打通生態鏈上下游，形成良性循環，必將培育出支撐航天裝備軟件發展的生態鏈；

強化技能培訓，落實持證上崗。軟件開發中，人起決定性作用。如果軟件人員不掌握必要的技能，就不可能高效率、高質量完成產品開發。航天軟件對質量和安全性的要求比一般商業軟件更嚴苛，要求軟件人員除掌握一般的軟件開發技能外，還要求熟練掌握航天領域知識、航天軟件研制規范等知識，以及軟件安全性分析和設計、軟件可靠性分析和設計等技能。特別是一些關鍵軟件的開發崗位，尤為必要。為確保人員滿足崗位要求，要建立人員培訓及認證體系。具體措施如下：①開展人員培訓和認證。委托航天專業機構聯合行業高校，開展人員培訓和認證工作；②納入承研資格評定要求。將通過認證人員情況作為“武器裝備科研生產許可證”軟件開發資格的審查項；

完善評測體系，確保把關作用。軟件第三方軟件測試是確保航天軟件質量的關鍵把關環節。多年來建立的軟件評測體系對保證航天軟件的質量發揮了很大作用。但隨著航天發展，軟件評測的質量把關作用越來越不明顯。原因有：①獨立性不足。第三方評測的基本要求是，評測單位在管理、技術、經費方面必須獨立于研制單位。只有如此，評測才能起到客觀把關作用。目前航天大多數研究院都建立了各自的評測機構，軟件評測都是內循環，已失去獨立性；②機構“小散弱”矛盾突出。絕大多數評測機構的人員規模只有幾十人，極少數超過百人，力量分散，規模小。近年來評測任務增長超過十倍，軟件的規模和復雜度劇增，評測單位難以應對，評測質量降低；③評測質量缺少監督。軟件評測缺少有效監督，質量無法保證。例如，對于一個數萬行的飛控軟件，美國霍尼韋爾公司要用數百萬規模的測試用例。而針對同等規模的飛控軟件，咱們的評測機構只用了幾百個測試用例，評測質量堪憂。為切實發揮第三方評測作用，需進一步完善軟件評測體系，措施如下：①嚴控評測資格。提高評測資格標準，對人員規模、持證人員數量、工具條件等提出更高要求，重新審定資格，淘汰不合格機構；②確保評測獨立性。對評測獨立性提出明確規定，對違反規定的嚴厲處罰；③建立監管機構。制定評測質量監管和責任追究制度，依托獨立于所有研制單位的專業軟件機構建立“軟件獨立評估中心”，定期對評測單位的評測質量進行復測復查，曝光不合格情況并進行處罰；④加強統一的航天軟件產品質量數據庫建設，持續采集航天裝備軟件質量信息，作為對評測機構評價的重要依據。同時，利用形成的軟件質量大數據，可以分析軟件質量趨勢，為質量主管部門提供科學決策支撐。