航天型號全國產(chǎn)化控制系統(tǒng)研制實踐

王曉東 /中國運載火箭技術研究院

葉紹凱、劉江、禹春梅 /北京航天自動控制研究所

國防科技是國防力量的重要支撐，服務于國家的戰(zhàn)略安全需求。作為國防科技工業(yè)技術密集型的典型代表，航天科技工業(yè)主要承擔空間飛行器、航天運輸系統(tǒng)、空間裝備與基礎設施、導彈武器裝備的研制和生產(chǎn)任務。航天產(chǎn)業(yè)是強國競爭的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，其自主可控水平是衡量一個國家綜合國力的重要標志，航天科技工業(yè)的發(fā)展、航天產(chǎn)業(yè)的健全、航天產(chǎn)品的研制必須堅定走自主可控的發(fā)展路線。因此，2008 年我國啟動了以某型號研制為代表的航天型號國產(chǎn)化研制序幕，推進航天型號的自主可控發(fā)展。

一、現(xiàn)狀與差距

圖1 航天型號控制系統(tǒng)組成與產(chǎn)品生態(tài)關系

控制系統(tǒng)是航天型號的神經(jīng)中樞，是航天型號至關重要的組成部分，所以要實現(xiàn)航天技術自主可控，控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化首當其沖。航天型號控制系統(tǒng)一般由飛行控制系統(tǒng)和地面測發(fā)控系統(tǒng)2 個部分組成。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)關系如圖1 所示。

航天型號控制系統(tǒng)由復雜多樣的系統(tǒng)應用軟件與電氣設備組成，元器件、數(shù)字集成電路、模擬集成電路、計算機主板、網(wǎng)絡交換、總線應用及測試、圖形界面軟件、操作系統(tǒng)、IDE 集成開發(fā)環(huán)境是航天型號研制的重要通用基礎。尤其是核心電子元器件、基礎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)展水平和一個國家的綜合科技實力。美國特別重視元器件及基礎軟件技術的自主研發(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，能夠充分應用各成員國的航天元器件資源，其自主可控能力很強。

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)各配套單位可以實現(xiàn)交付的應用軟件完全自主，但安全關鍵等級A 級的軟件開發(fā)環(huán)境仍然采用的是國外商用產(chǎn)品，存在軟件基礎平臺技術不透明和未知安全隱患等問題。從整個控制系統(tǒng)配套產(chǎn)品生態(tài)看，我國航天型號控制系統(tǒng)自主可控的難點主要集中在基礎層，表現(xiàn)在2 個方面：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)處理平臺等奇缺，完全依靠進口。

二、解決方案

針對航天型號控制系統(tǒng)自主可控的難點（高端核心器件、基礎軟件），主要從技術和管理2個方面推進控制系統(tǒng)國產(chǎn)化配套產(chǎn)品生態(tài)建設，以有限的國產(chǎn)化生態(tài)資源實現(xiàn)復雜的航天型號控制系統(tǒng)功能。

1.技術方面

一是進行系統(tǒng)頂層優(yōu)化設計。采用“自頂向下+自底向上” 雙向迭代的系統(tǒng)設計方法，把控設計源頭，從系統(tǒng)頂層優(yōu)化設計出發(fā)——自頂向下梳理出系統(tǒng)各產(chǎn)品的共性功能需求，進行適當?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)化設計的平衡點，抓住核心關鍵，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，可以有效實現(xiàn)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化設計，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。基礎軟件開發(fā)技術難度大，研制周期長，國際主流基礎軟件市場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” 項目牽引，已經(jīng)形成了部分基礎軟件，在此基礎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)境等部分關鍵基礎軟件的設計技術，再定制開發(fā)出適應國產(chǎn)化控制系統(tǒng)研制的自主產(chǎn)品，實現(xiàn)彎道超車，以降低基礎軟件對國外的依賴。

航天型號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)動前行的，過去在計劃體制下形成了一套研制體系，在新形勢下需要建立更頂層的組織機構進行統(tǒng)一領導，充分調(diào)動市場資源，加大自主可控發(fā)展戰(zhàn)略研究，制定自主可控建設路線圖，鼓勵和引導優(yōu)勢市場資源進行自主可控發(fā)展。同時，各級參研組織在統(tǒng)一的質(zhì)量管理體系下必須強有力地推動落實，加強資源的保障、監(jiān)管，并形成一整套完善的管理規(guī)范。

三是強化國產(chǎn)化應用驗證。應用驗證是國產(chǎn)化產(chǎn)品走向工程化應用的關鍵環(huán)節(jié)，通過應用驗證，及早發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)元器件、基礎軟件、系統(tǒng)單機產(chǎn)品在控制系統(tǒng)應用中存在的問題，并及時進行故障分析和改進，不斷提高國產(chǎn)化產(chǎn)品的工程應用成熟度。國產(chǎn)化設計應用驗證一般包括芯片級應用驗證、板級應用驗證、整機級應用驗證和系統(tǒng)級應用驗證4個層次。

2.管理方面

一是建立強有力的管理體系。航天型號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)動前行的，過去在計劃體制下形成了一套研制體系，在新形勢下需要建立更頂層的組織機構進行統(tǒng)一領導，充分調(diào)動市場資源，加大自主可控發(fā)展戰(zhàn)略研究，制定自主可控建設路線圖，鼓勵和引導優(yōu)勢市場資源進行自主可控發(fā)展。同時，各級參研組織在統(tǒng)一的質(zhì)量管理體系下必須強有力地推動落實，加強資源的保障、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。

控制系統(tǒng)針對國產(chǎn)器件種類和數(shù)量雙高占比的要求，以型號研制牽引為抓手，微處理器、SoC、FPGA研制為核心，同時構建一整套軟件應用環(huán)境來支撐，開展了數(shù)十項新品元器件的研制，初步構建了器件級、單機產(chǎn)品級、系統(tǒng)級的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，特別是SoC 及外圍電路的成功研制及應用，同步牽引管殼封裝、元器件、數(shù)字集成電路、模擬集成電路、計算機主板、網(wǎng)絡交換、總線應用及測試、圖形界面軟件、操作系統(tǒng)、IDE集成開發(fā)環(huán)境等領域數(shù)十家高科技公司、科研院所發(fā)展，帶動了整個航天自主可控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進而推動國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設。

三是壓縮品種、重點突破。

以控制系統(tǒng)專業(yè)發(fā)展的需求為導向，系統(tǒng)梳理出航天型號的研制短線，同時兼顧未來5～10年的使用需求，牽引國內(nèi)元器件研發(fā)優(yōu)勢資源，壓縮品種、重點突破，降低產(chǎn)品成熟度帶來的風險，優(yōu)化多維度選型指標體系，做好需求統(tǒng)籌，使各航天產(chǎn)品的需求最小化，同時引領各個參研單位共同得到技術進步。某航天型號控制系統(tǒng)最終確定了元器件新品研制項目20 余項、“核高基” 項目SoC 項目3 項，牽引了多項進口元器件國產(chǎn)化替代項目及多項可靠性增長項目。

四是構建新型供應商管理體系。為了確?？刂葡到y(tǒng)國產(chǎn)化設計可靠落地，不斷強化供應商管理，嚴格質(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)整供應商關系。針對航天型號多品種、小批量、高可靠的特點，加強用戶對最終產(chǎn)品在研制過程的參與度，提前識別元器件研制的風險，對質(zhì)量問題多發(fā)的參研單位進行專項治理，對重大核心器件如SoC 的研制采用競爭擇優(yōu)，確保產(chǎn)品可靠性和關鍵計劃節(jié)點滿足航天型號需求，構建新興供應商管理體系。

五是推動航天產(chǎn)品工程建設。

在實踐中不斷總結(jié)、積累經(jīng)驗，加強標準體系建設，對研發(fā)、選用過程進行標準化、規(guī)范化建設，包括芯片研制、基礎軟件和系統(tǒng)/產(chǎn)品研制多個方面。在芯片研制方面，結(jié)合應用驗證過程中暴露的問題，修訂、完善、補充相關元器件標準，包括設計規(guī)范、產(chǎn)品規(guī)范、生產(chǎn)規(guī)范、測試規(guī)范、試驗規(guī)范、產(chǎn)品手冊及芯片應用指南等；對于SoC核心器件，構建了相應的航天用元器件標準體系。在系統(tǒng)及產(chǎn)品研制方面，重點加強國產(chǎn)元器件選用、系統(tǒng)/產(chǎn)品設計、應用驗證等經(jīng)驗的梳理和總結(jié)，形成了相應標準規(guī)范。

三、應用實踐

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

1.技術成果

系統(tǒng)方案設計過程中，通過反復多次的系統(tǒng)需求梳理、國內(nèi)元器件應用基礎調(diào)研，將系統(tǒng)頂層優(yōu)化設計與現(xiàn)有國產(chǎn)元器件選用分析相結(jié)合，最終確立了以某RISC 架構為核心的SoC 技術，進行控制系統(tǒng)集成化、國產(chǎn)化整體解決方案設計，支撐用戶對于系統(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試應用場景。該項目的元器件種類相對于傳統(tǒng)項目減少了50%以上，且獲得了顯著的系統(tǒng)性能提升（見圖2）。最終使得該項目飛行控制系統(tǒng)電氣設備核心器件100%實現(xiàn)國產(chǎn)化，有效提高了我國航天型號的自主保障能力。

研制過程中，核心電子器件與型號研制同時開展，產(chǎn)品成熟度不高導致的設計反復嚴重影響了項目研制計劃。但用戶、控制系統(tǒng)和芯片研制單位不畏艱難、同舟共濟、集智攻關，不斷探索SoC 應用驗證方法。通過項目縱向牽引和用戶橫向課題支撐，不斷強化應用驗證，構建了全維度、全流程應用驗證體系，有效提升了系統(tǒng)國產(chǎn)化設計的可靠性。

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

2.管理成果

圖2 某項目控制計算機采用SoC技術前后對比

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)化設計方案，促進了管理創(chuàng)新，打破了傳統(tǒng)的航天型號研制分工模式（見圖3）。在基于SoC 技術的型號研制過程中，堅持系統(tǒng)單位抓總與芯片單位專業(yè)優(yōu)勢相結(jié)合，建立了系統(tǒng)研制單位、芯片研制單位、基礎軟件研制單位優(yōu)勢互補、協(xié)同設計的研制模式。

將SoC 研制、應用所需的所有專業(yè)領域的人員（包括系統(tǒng)總體單位、單機配套單位、芯片設計單位、基礎軟件設計單位等）集中協(xié)同工作，最大程度提高研發(fā)效率，實現(xiàn)了系統(tǒng)與芯片、基礎軟件的研制高度結(jié)合，構建了全新的協(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、基礎軟件研制單位、整機配套單位間架起橋梁，有效推進了國產(chǎn)化應用生態(tài)的構建和快速發(fā)展，形成了基于核心關鍵器件、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標準體系框架

三是初步建立自主可控產(chǎn)品體系。建立元器件保障隊伍，立足于控制系統(tǒng)當前及未來發(fā)展需求，強化選用控制和優(yōu)化統(tǒng)型，建立控制系統(tǒng)元器件選用目錄，嚴格質(zhì)量控制；建立產(chǎn)品化研制隊伍，推進構建自主可控產(chǎn)品體系，將該項目研制形成的一系列控制系統(tǒng)核心產(chǎn)品上貨架，推進產(chǎn)品驅(qū)動戰(zhàn)略，有效支撐了多個國家重大項目快速研制和自主可控。

四是建立健全相關標準體系。

完成國產(chǎn)化工程應用經(jīng)驗總結(jié)，構建了航天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，促進產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，形成以航天SoC IP 核庫為基礎的SoC 研發(fā)流程及SoC應用和質(zhì)量管理體系框架。在現(xiàn)有的電子元器件標準體系外，補充建立了航天用SoC 標準體系框架(見圖4)，包括詳細規(guī)范、測試方法、應用指南、設計控制、應用驗證等多個方面。

四、后續(xù)建議

實現(xiàn)航天型號控制系統(tǒng)的全國產(chǎn)化設計，關鍵是要有來自國家層面的強有力支撐、保障和監(jiān)督，要有決心和恒心。具體實施上，重點突破核心關鍵元器件、基礎軟件的核心自主，并建立完整的自主產(chǎn)品生態(tài)體系。

關鍵元器件方面，需要豐富高端元器件品種，全面支撐各航天型號的應用，如開展AI 芯片、導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，應該加強元器件最新制造工藝技術的掌控，只有掌握了最先進的制造工藝，才能不受制于人，并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

基礎軟件方面，目前仿真測試軟件、硬件開發(fā)軟件、專用集成開發(fā)軟件等工具平臺類軟件大多依賴進口產(chǎn)品，且研制難度極大，是控制系統(tǒng)軟件領域?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)，擴大應用群體，通過不斷的應用驗證，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?？刂葡到y(tǒng)國產(chǎn)化只是第一步，還需進一步推進面向整個航天器箭上、地面電氣系統(tǒng)的全國產(chǎn)化設計，實現(xiàn)全面自主可控。

近年來，黨中央關于航天型號自主可控發(fā)展作出一系列重要批示和指示，要求在已有成績的基礎上強力破解當前受制于人的被動局面，加快實現(xiàn)核心技術自主可控，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)在不久的將來將實現(xiàn)全面自主可控發(fā)展，為我國實現(xiàn)強軍強國的發(fā)展戰(zhàn)略奠定基礎。▲