商業衛星計算機質量管控方法探索與實踐

徐瑞嬌 劉曦 邱素蓉

（航天九院七七一所，西安，710119）

隨著十四五規劃出臺，低軌衛星互聯網已成為國家新基建項目，各種商業衛星項目呈井噴之勢，多家衛星總體及商業衛星公司開建衛星生產流水線。而目前國內星載計算機類產品的研制模式依然是深度定制的方式，產品化程度、質量管控流程與商業衛星的規?；兄菩枨蟛幌嗥ヅ?。要趕上商業衛星發展的浪潮，迫切需要從星載計算機的設計上和管理上入手，開展商業衛星計算機產品規?；兄乒芾眢w系建設。

1 商業衛星發展情況及特點

1.1 商業衛星發展現狀

2022 年4 月，美國太空司令部發布 《太空司令部商業整合戰略》，隨著商業衛星整合戰略的發布和實施，商業衛星將不再以衛星制造商或衛星最終用戶來進行分類定義，可以將具有低成本、短周期、批量化特點的衛星統稱為商業衛星。

國外商業衛星的發展縮影就是其低軌衛星星座的計劃及實施情況[1]，最具代表性的是SpaceX的“星鏈”星座。2020 年至2021 年全球發射衛星3097 顆，SpaceX 的星鏈衛星占比超50%。據美國航天基金會2021 年發布的 《航天報告》顯示，商業航天占到市場份額的70%。

2014 年開始，我國密集出臺了多項政策支持商業航天發展，如2016 年國務院發布 《中國航天白皮書》、2021 年商務部發布《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》等，政策的紅利窗口期使得我國商業衛星得到快速發展。當下互聯網公司、新能源汽車公司、智能裝備公司和智慧城市等產業鏈的需求也催化著低軌通信星座、低軌導航增強星座、低軌物聯網星座進入一個新的發展時期。在國家戰略規劃的牽引和商業市場的催化下，我國商業衛星建設大踏步來臨，星上低成本設備的需求會伴隨增長。

1.2 商業衛星計算機特點

商業衛星在衛星制造上的共通點是：整星平臺標準化、分系統模塊化、核心部件自主研發、廣泛的民營供貨渠道及靈活的管理機制。商業衛星為提高結構緊湊度，減少單機產品種類、弱化分系統概念、強化整星一體化設計，多采用以公共母板為基礎的多模塊組合方案，實現整星電子學高度集成、板卡化。

商業衛星的星載計算機在設計上的特點是大量采用已有COTS（Comemercial Off The Shelf，商用貨架產品）器件或組件，大量采用標準化設計。而我們當前配套的計算機產品主要特點是：深度定制、繼承性較差，單機單套、單機單管，遠不適應于商業衛星的低成本、短周期、批量生產特點。

從產品設計上入手，需研制并形成低耦合高密度的標準化貨架化部組件，組搭未來的計算機產品，以提高集成性、提升批量生產力；從管理上入手，應合理剪裁簡化當前管控流程，壓縮成本、縮短開發生產周期。

2 星上計算機質量管控存在的問題

近年來，衛星公司的資產配重逐漸從重衛星資產向重應用資產過渡，壓縮衛星產品成本及快速搶占市場是其尋找合作單位的主要考慮內容[2]。傳統的星上計算機產品質量保證體系的不適應性日益凸顯，主要存在以下問題。

a）三個研制階段的劃分不能適應商業衛星短周期的項目管理需求。傳統的型號研制中方案、初樣（電性件、鑒定件）和正樣3 個階段的劃分和工作有力保障了衛星研制的成功，但一個產品全周期至少超過2 年，不能滿足商業衛星用計算機短周期、快響應的研制需求。

b）長鏈條的質量管控及評審不能適應商業衛星精簡化的流程建設需求。過程質量控制及評審是確保產品質量的重要手段之一，傳統衛星的計算機產品質量控制是從策劃階段開始，縱向上覆蓋衛星總體設計單位、分系統承制單位和單機承制單位甚至是用戶單位，橫向上需主管總師、專家和質量保證人員參與，評審項目過多、鏈條過長，導致部分單點工作人員在多個型號并舉時會嚴重影響工作的時效性和項目執行力。

c）全過程、全要素的數據包編制不能適應商業衛星高效費比要求。為了可追溯性，目前一個宇航型號任務需產生大量文檔，各級文件中重復內容較多，紙質歸檔極大地浪費人力和成本，滿足不了成本和時間上的高效費比要求。

d）“一刀切”的元器件的選用要求和篩選流程不適用于商業衛星低成本需求。目前星上產品多選用宇航級器件，器件成本超過產品成本的50%，但是宇航級器件價格昂貴、生產周期長。元器件質保主要是100%器件級二次篩選保證，需要的周期長、篩選費昂貴，甚至篩選費用超過器件本身費用。

3 商業衛星計算機質量管控方法探索

3.1 合并研制階段

全面梳理星上產品的研制流程，對傳統衛星研制的方案、初樣、正樣階段進行重新定義。將產品劃分為新研產品和繼承產品。新研產品是新設計的或用已有貨架化板卡重新組合的計算機產品，繼承產品是沿用已有技術狀態的計算機產品。

將研制階段分為地面試驗件階段和飛行件階段，新研產品需經歷地面試驗件階段和飛行件階段。地面試驗件需完成產品設計及環境驗證，飛行件階段需完成飛行及入軌驗證。

該管理流程需設立2 個庫：①貨架化部組件庫（COTS 組件庫），在軌驗證過的組件，經評審后歸入貨架化部組件庫，根據市場預估可以提前進行儲備生產；②產品庫，將在軌驗證過的計算機產品技術狀態去型號化后歸入產品化庫，作為未來任務的基線產品，如經論證后滿足新的任務需求，則直接按繼承產品進行生產。

3.2 簡化過程質量控制及評審要求

全面梳理產品研制過程中涉及的各要素，“應控皆控”，但需簡化控制方式，降低評審級別，縮短評審鏈條。主要方法為：①將產品實現策劃、設計開發策劃、任務書、開發輸入評審等項目合并控制，用“項目啟動策劃表”代替原有報告，以評審會形式把控；②將元器件選用、設計、風險分析與控制、特性分析、測試覆蓋性分析等項目合并控制，用“設計報告”代替原有報告，以評審會形式把控；③將備料審查用“備料確認單”的方式，以各方簽署確認形式把控；④將轉階段或出廠確認用“研制總結檢查表”的方式，以評審或各方簽署確認形式把控；⑤對新研產品，將評審提前到模樣階段進行，提前把控，以盡可能減少后期設計反復。

3.3 簡化數據包要求

對傳統宇航型號產品數據包進行了合并、刪減，將原100 余份數據包要求縮減至39 份。

用表格的形式代替部分原有的報告，去掉套話，減輕編寫壓力。例如，用“項目啟動策劃表”代替實現策劃書和開發策劃書、用“備料確認單”代替備料評審報告、用“生產準備檢查表”代替生產準備確認報告、用“研制總結檢查表”代替研制總結報告。

將部分原有報告合并，內容應有盡有，簡化模板。例如，將單項設計報告合并至“設計報告”中；工藝相關文件合并至“工藝流程卡”中；研制總結、產?？偨Y等總結性內容合并至“研制總結檢查表”中。

改變歸檔形式，迎合實際使用需求，簡化歸檔手續。將結構圖紙歸檔改為結構模型光盤刻錄歸檔；邏輯圖歸檔改為光盤刻錄歸檔；PCB 文件直接歸至mentor 庫。

3.4 優化元器件選型及篩選流程

3.4.1 優化元器件選型要求

器件選型是源頭控制，針對的是各類元器件的型號規格、供應商、封裝形式等，壓縮選型品種，并確保選擇的生產廠、器件型號符合應用的可靠性預期，確認是否可以進行連續性的批采購[4]。

商業衛星計算機用元器件選用總體原則是根據單機中各功能的關鍵級別進行差異化選用，盡量選用低成本器件，能從設計上保證的盡量減少器件成本支出。具體選用原則包括以下幾個方面。

a）處理器最小系統建議選擇耐輻射電路以提高系統可靠性，其他部位的元器件選用COTS元器件；

b）進口元器件質量等級不低于工業級，優先選用汽車級和軍溫塑封電路；國產元器件質量等級不低于工業級，無工業級元器件時最低選用普軍級，必要時可選擇三溫合格品；

c）根據衛星軌道及衛星壽命優先選擇總劑量指標滿足要求的COTS 元器件；

d）選用COTS 元器件時優選有過飛行經歷的元器件；

e）優先選用MRAM（磁阻存儲器）和FeRAM（鐵電存儲器）替代PROM；

f）對于總劑量指標不滿足要求的元器件，需要針對性地采取加固設計措施；

g）慎選有低劑量率效應的元器件，必須選用時需采取有針對性的加固設計措施；

h）慎選工藝線寬小于40nm 的元器件，必須選用時需采取有針對性的冗余容錯設計。

3.4.2 優化元器件篩選流程

參考SpaceX 星鏈篩選流程，結合已發射商業任務的篩選情況，制定元器件篩選流程，如圖1所示。篩選原則：①以單機關鍵程度作為篩選項目選擇的根本依據，當單機關鍵程度高、要求最低風險設計時，采用定制式質保模式，在圖1 基礎上增加考核項。其他單機執行圖1 篩選流程。②所有元器件均需進行“器件級篩選＋板級篩選”兩級篩選。

圖1 商業衛星計算機元器件篩選流程

4 實踐效果和總結

通過對商業衛星計算機產品管控新模式的探索，開展對商業航天領域的宇航計算機產品研制體系戰略研究，發布了 《商業衛星配套產品質量管控辦法》。以某綜合電子計算機（配套2 顆星）、某星務計算機（配套6 顆星）為例，將原來超過1 年的研制周期壓縮至6 個月之內，且完整經歷了地面驗證件和飛行件2 個階段，有效縮短研制周期的同時保證了產品的可靠性。某星務計算機（配套12 顆星），生產成本壓縮50%左右；某高性能計算機，生產批量達20 套/批時，可將生產成本控制在6 萬元以內。

針對國家衛星組網基礎建設規劃和近10 年上萬顆體量對商業衛星計算機產品的海量需求，開展相應的質量管控方法研究，一定程度上可以實現時間成本、人力成本和經濟成本的有效降低，為商業衛星計算機規?；a業發展提供管理依據和支撐，也可以為未來更科學更精準的衛星產品差異化管控提供數據和經驗。