商業(yè)低軌通信衛(wèi)星星座用元器件保障模式研究

趙麗 向開恒 張楠 劉晨 許瀚 霍宇嘉

（中國航天科工二院，北京，100854）

文 摘：低軌通信星座具有通信距離遠、覆蓋區(qū)域大、信號衰減小、大容量、低延時等特點，可實現(xiàn)全球移動通信無縫覆蓋，具有很好的商業(yè)應用前景。宇航型號用元器件采購和質量保證模式無法滿足低軌通信星座衛(wèi)星的商業(yè)化需求。文章分析元器件保障模式面臨的挑戰(zhàn)和元器件選用需求，從衛(wèi)星關鍵元器件的攻關、元器件的差異化管理、塑封器件在衛(wèi)星上應用、元器件在軌監(jiān)測與健康管理技術等方面提出元器件保障的新模式和新方法。

商業(yè)衛(wèi)星以商業(yè)效益為指引，以滿足用戶需求和實現(xiàn)市場價值為基本目標，在保障產品可靠性的前提下，最大化控制成本，獲得市場競爭力。為了適應規(guī)模化研制的商業(yè)通信衛(wèi)星的發(fā)展，需要建立面向“商業(yè)應用、組批生產、成本控制”的元器件保證模式，要求元器件在保證可靠的基礎上，一方面能夠自主可控，確保覆蓋批量研制需求；另一方面能壓縮生產周期，確保能滿足型號研制進度和質量的要求[1-3]。針對目前通信衛(wèi)星用元器件保障模式現(xiàn)狀，需要探索一種元器件的性能、可靠性、成本和批產能力都能滿足商業(yè)航天星座要求的元器件保障模式。

1 低軌通信衛(wèi)星星座研制面臨的挑戰(zhàn)

隨著通信衛(wèi)星技術的發(fā)展，全球掀起了低軌通信星座建設熱潮，由于其通信距離遠、覆蓋區(qū)域大、信號衰減小、大容量、低延時以及可批量研制、快速部署等特點，利于打造具有全天候、全時段通信能力的信息基礎設施，實現(xiàn)全球移動通信無縫覆蓋，是衛(wèi)星通信大勢所趨。

但是如何在短周期內實現(xiàn)星座的快速部署，如何統(tǒng)籌解決政策、資金、技術、市場等多層面多角度的問題，已成為星座研制與生產面臨的新的挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在星座規(guī)模驟增（One Web 和SpaceX 星座數(shù)量計劃達到數(shù)千顆）、建設成本降低（Iridium 的系統(tǒng)性能更強，建設成本卻只有一代系統(tǒng)的50%左右）、研制周期縮短等方面[4-6]。

2 低軌通信星座的元器件選用控制面臨的挑戰(zhàn)

宇航型號多以單顆星研制為主，目前一顆星的研制周期一般為2 年～3 年?，F(xiàn)有的元器件采購和質量保證模式基本滿足型號任務需求。但是針對大規(guī)模商用衛(wèi)星星座的建設需求，現(xiàn)有模式難以滿足每年幾百顆星的研制元器件配套保障要求。

目前國內研制的中高軌通信衛(wèi)星，出于軌道高度和在軌長壽命的考慮，對元器件的可靠性指標要求較高，這就需要從元器件等級以及篩選條件等方面加強控制，以滿足衛(wèi)星高可靠長壽命的指標要求。這種元器件選用模式造成了衛(wèi)星成本居高不下。商業(yè)化衛(wèi)星研制思路是以商業(yè)應用效益為指引，性能與成本綜合優(yōu)化，這就要求商業(yè)衛(wèi)星用元器件應具備抗輻照、大容量、小型化、重量輕、體積小、可靠性高、高密度集成等特點，并能覆蓋批量化衛(wèi)星生產的應用需求，穩(wěn)定配套供應。綜合來看，傳統(tǒng)的衛(wèi)星元器件保障模式已不能滿足低軌通信星座的研制需求，需要對商業(yè)衛(wèi)星用元器件保障模式不斷創(chuàng)新。

3 低軌通信星座的元器件保障模式

3.1 制定發(fā)展規(guī)劃

針對低軌星座衛(wèi)星低成本、組批生產、元器件需求量大、質量要求穩(wěn)定的特點，探索適應發(fā)展需求的元器件保障模式。建立適應低軌通信星座的元器件保障模式，也不是一蹴而就，而應根據(jù)研制情況，制定短、中、長期發(fā)展規(guī)劃。

a）短期規(guī)劃：1 年～2 年內，結合商業(yè)衛(wèi)星的元器件保障現(xiàn)狀，梳理如下主要內容：①哪些元器件在小型化、高可靠等方面可以實現(xiàn)再突破；不同類型元器件最低可選用什么等級，給出合理可行的驗證方法。②在保證衛(wèi)星可靠性的前提下針對不同類型的元器件采用適應成本控制需求的差異化管理辦法，優(yōu)化剪裁或取消部分元器件補充篩選項目，最終達到型號研制成本合理壓縮的目的。③采集進口元器件（哪些公司/哪些型號規(guī)格）、國產元器件（零星采購和批量采購）在成本、進度和可靠性數(shù)據(jù)方面的信息。④針對核心器件進行重點攻關研制，滿足批量穩(wěn)定供貨需求，分批次解決自主可控問題。

b）中期規(guī)劃：結合未來3 年～5 年衛(wèi)星的研制進度和可靠性要求，開展星用核心元器件在軌監(jiān)測與健康管理技術研究，對COST 器件和塑封元器件開展搭載試驗驗證，為后續(xù)進一步降低元器件成本積累數(shù)據(jù)。逐步建立商業(yè)衛(wèi)星星座的元器件采購規(guī)范體系以及元器件選用目錄，進一步實現(xiàn)型號用元器件性能高、可靠、小型化、低成本的目標，保障后續(xù)工作順利進行。

c）長期規(guī)劃：根據(jù)任務需求，進一步完善商用衛(wèi)星元器件保障模式，提升整體效能，基本掌握不同軌道、不同壽命和不同工作模式的商業(yè)衛(wèi)星用元器件保障模式。

3.2 商業(yè)衛(wèi)星用關鍵元器件攻關探索

雖然目前國內衛(wèi)星用元器件大部分實現(xiàn)了自主可控，但是一些高端、核心元器件與國外還是存在差距。尤其是在中美貿易戰(zhàn)和中興事件的背景下，實現(xiàn)國產商業(yè)衛(wèi)星關鍵元器件自主可控的重要性就更加凸顯。因此有必要針對國產商業(yè)衛(wèi)星的核心器件進行攻關，立足于成熟經(jīng)驗，并提前謀劃未來星座的元器件發(fā)展需求，集中優(yōu)勢力量，提升商業(yè)衛(wèi)星用元器件自主可控的能力。

首先將進口元器件按照依存度進行分類：①一級產品為目前既無產品也無能力完成研制的產品；②二級產品為有能力完成研制或正處在研制攻關階段的產品；③三級產品為目前已有滿足替代需求的產品。

再根據(jù)元器件進口依存度，分批次解決自主可控問題，力爭在有限的時間區(qū)間內取得更充分、更可靠的國產化效果。同時，立足于商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展，衛(wèi)星研制單位牽引國內元器件生產單位研制滿足商業(yè)衛(wèi)星應用需求的元器件，做到抗輻照、小型化、輕量化、小體積、高可靠性、高密度集成，并實現(xiàn)元器件集成化。建立相應的驗證平臺，通過飛行驗證、搭載驗證，針對存在的問題不斷優(yōu)化設計。最終實現(xiàn)核心關鍵器件自主可控，覆蓋批量化衛(wèi)星生產的應用需求，實現(xiàn)穩(wěn)定供應。

3.3 商業(yè)衛(wèi)星用元器件差異化管理辦法

建立元器件質量等級與應用等級矩陣表，差異化選用。面向型號批產研制的元器件質量保證部門，充分借鑒已有成熟飛行經(jīng)歷的元器件質量保證數(shù)據(jù)，結合產品固有可靠性和應用等級要求，制定差異化的質量保證要求。具體如下所述。

a）優(yōu)化、裁剪甚至取消某些元器件的補充篩選項目。對于具有多次飛行經(jīng)歷的成熟產品，推進質量控制過程前移，加強產品過程質量控制（SPC），適當減少后期篩選項目。制定有針對性的元器件生產過程狀態(tài)控制，對于篩選檢測成本高的元器件，可以分析其可靠性以及對型號任務的影響，采用板級篩選方式實施質量保證。

b）根據(jù)元器件所在工程型號的重要性及元器件應用部位的關鍵性，將元器件的應用等級進行分類，選擇適用的元器件。優(yōu)先推薦按照國軍標和宇航元器件標準選用元器件的質量等級，其次選用成熟、能夠滿足需求的商用元器件等級。

c）建立元器件配套廠家動態(tài)考核機制，對不同應用等級的元器件生產過程提出不同的管控措施。對生產工藝變更和不符合衛(wèi)星型號可靠性要求的廠家有明確的處理措施，以保證衛(wèi)星型號元器件的可靠性。

3.4 塑封器件質量保證及宇航應用技術探索

近年來，對塑封器件進行嚴格的熱學、力學、抗輻射等方面的測試和評估后，NASA 已開始在其軍事和航天任務中采用塑封器件。英國SURREY 大學小衛(wèi)星公司在其發(fā)射的眾多衛(wèi)星中也已大量采用塑封器件。在低軌通信星座降本增效的需求下，塑封器件隨著性能和可靠性的日益提高，必將越來越多地應用于空間任務，以滿足商業(yè)低軌衛(wèi)星的發(fā)展需求。

塑封器件在衛(wèi)星上應用時，要面臨空間輻射效應、更寬的服役溫度范圍、更快的溫變率等問題，主要表現(xiàn)在：①塑封器件工作溫度區(qū)間比較窄，受溫度變化影響大，導致塑封器件的塑封層分層現(xiàn)象比較普遍。②隨著器件制造技術的進步，塑封器件的集成度越來越大，而其尺寸更小、速度更快，對高能粒子輻射影響更加敏感，空間輻射效應更加突出。③許多商用塑封器件內部導線比較細，容易受到污染或損傷，焊接質量較差，在溫度漂移、機械沖擊或振動過程中容易失效。

針對以上塑封器件在星上應用存在的問題和差距，需開展攻關驗證工作，優(yōu)化研制生產、測試考核和質量保證等技術。并針對塑封器件的薄弱環(huán)節(jié)，開展評價試驗或應用驗證技術，提高塑封器件在宇航環(huán)境下的使用可靠性。

3.5 元器件在軌監(jiān)測與健康管理技術探索

開展元器件的在軌數(shù)據(jù)監(jiān)測和故障診斷健康監(jiān)測技術探索，研究星上低等級器件和星上核心器件的應用驗證情況，獲取星上元器件在軌關鍵特征參數(shù)監(jiān)測標準和性能退化判據(jù)等。監(jiān)測系統(tǒng)至少要覆蓋衛(wèi)星用處理器、FPGA、存儲器、DSP、電源、AD 和DA 等關鍵器件的參數(shù)檢測與健康管理，具備元器件在軌檢測與故障診斷功能，但不能影響衛(wèi)星主任務工作。

3.6 元器件選用控制措施

針對規(guī)?；兄粕虡I(yè)通信衛(wèi)星所具有的“低成本、短周期、長壽命、高可靠、大批量”等研制要求，加強元器件選用控制管理。必須以選用目錄為著力點，通過建立獨立的元器件選用目錄來指導各衛(wèi)星研制單位開展元器件選型，實現(xiàn)規(guī)范元器件選用的目標。同時，對目錄內的元器件開展分類動態(tài)管理，選用目錄要考慮繼承性、體現(xiàn)先進性。充分繼承以往通信領域型號成熟應用國產元器件的基礎數(shù)據(jù)和進口元器件的選用和采購信息。此外，還應體現(xiàn)商業(yè)衛(wèi)星的技術先進性，確保選用的元器件具有先進性，符合航天器元器件發(fā)展規(guī)劃。針對進行需攻關的元器件，給予足夠的搭載驗證。建立商業(yè)衛(wèi)星星座元器件采購規(guī)范體系，實現(xiàn)元器件效費比的綜合提升，進一步實現(xiàn)型號產品抗輻照、高性能、小型化的目標，保障整個商業(yè)衛(wèi)星星座的元器件選用。

商業(yè)衛(wèi)星以商業(yè)效益為指引，以滿足用戶需求和實現(xiàn)市場價值為基本目標，在保障產品可靠性的前提下，最大化控制成本，才能獲得市場競爭力。商業(yè)衛(wèi)星用元器件只有建立面向商業(yè)應用、組批生產、質量保證、成本控制的保障模式，才能適應發(fā)展趨勢。