批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證技術(shù)分析

姚延風(fēng)，范 為，王 偉

（中國空間技術(shù)研究院 通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094）

0 引言

近年來，圍繞低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座掀起新一輪太空經(jīng)濟(jì)熱潮。在需求和市場牽引下，國外知名企業(yè)，如銥星公司、SpaceX 公司和OneWeb 公司，相繼推出了Iridium、Starlink 和OneWeb 等批產(chǎn)化低軌星座項(xiàng)目。截至2022 年2 月13 日，Starlink 星座共完成36 次發(fā)射，累計(jì)部署2091 顆衛(wèi)星；OneWeb 星座完成13 次發(fā)射，在軌部署衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到428 顆。大規(guī)模低軌星座已進(jìn)入批量實(shí)際部署階段。作為信息化時(shí)代的重要支撐，未來低軌星座的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、社會(huì)效應(yīng)將是無比巨大的。由于低軌星座的先入為主性以及頻率、軌道資源的稀缺性，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)日益成為航天強(qiáng)國競爭的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

“驗(yàn)證”作為航天器研制流程中的一項(xiàng)重要工作，是采用分析、試驗(yàn)、檢驗(yàn)、演示、相似性等方法提供客觀證據(jù)，確認(rèn)交付使用的航天器組件、分系統(tǒng)和系統(tǒng)符合規(guī)定的功能、性能和設(shè)計(jì)要求的過程。驗(yàn)證工作貫穿航天器研制階段，驗(yàn)證的合理性和有效性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成敗、研制成本及研制周期都有著至關(guān)重要的影響。

Iridium、Starlink 等國外商業(yè)低軌星座開展了大量面向批產(chǎn)驗(yàn)證的研究與實(shí)踐工作，取得了顯著成果。國內(nèi)空間互聯(lián)網(wǎng)星座處于系統(tǒng)構(gòu)建的籌備階段，衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)新，關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵單機(jī)多，星座還面臨組批生產(chǎn)和高密集發(fā)射的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)單顆或小批量衛(wèi)星的驗(yàn)證模式無法滿足批產(chǎn)衛(wèi)星短周期、低成本、大規(guī)模的驗(yàn)證需求，亟需優(yōu)化驗(yàn)證方法和流程，開展批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證技術(shù)研究。

本文對(duì)國外批產(chǎn)衛(wèi)星的驗(yàn)證技術(shù)進(jìn)行調(diào)研分析，從驗(yàn)證基線、驗(yàn)證方法、驗(yàn)證裝配級(jí)、驗(yàn)證理念等方面，分析梳理批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)，最后提出批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證技術(shù)的發(fā)展建議。

1 國外批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證技術(shù)調(diào)研

1.1 銥星系統(tǒng)（Iridium）

“銥星二代”（Iridium Next）是典型的批產(chǎn)衛(wèi)星，包括66 顆入軌組網(wǎng)星、6 顆在軌備份星、9 顆地面?zhèn)浞菪牵糜谔峁┤珪r(shí)域的移動(dòng)通信服務(wù)，系統(tǒng)于2019 年1 月全面建成，主承包商為泰雷茲?阿萊尼亞宇航公司。Iridium 項(xiàng)目為實(shí)現(xiàn)低成本和快速生產(chǎn)，采取了面向生產(chǎn)的設(shè)計(jì)、利用動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行生產(chǎn)管理、大量運(yùn)用COTS 部件等措施。衛(wèi)星驗(yàn)證設(shè)計(jì)采用如下策略：

1）整個(gè)衛(wèi)星總裝分為模塊、組件、艙板、載荷和整星5 個(gè)層級(jí)；環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)在生產(chǎn)階段完成，并盡量在低裝配級(jí)（模塊、組件）進(jìn)行，以便盡早檢測出制造工藝問題和潛在缺陷；

2）根據(jù)成熟度將衛(wèi)星分為鑒定星、初期批產(chǎn)星和全面批產(chǎn)星3 個(gè)階段，整星級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目可隨著衛(wèi)星成熟度的增加逐漸裁剪，但為了盡早發(fā)現(xiàn)問題，組件/模塊級(jí)的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目一般不允許裁剪；

3）在衛(wèi)星設(shè)計(jì)伊始，即成立由總體、總裝、試驗(yàn)、可靠性、元器件等多專業(yè)背景的專家組成的“可測試性專家組”（DFT team），開展從模塊到整星各層級(jí)的可測試性設(shè)計(jì)；目的在于用最少的時(shí)間和最小的花費(fèi)完成測試，發(fā)現(xiàn)缺陷并進(jìn)行隔離，提升測試及試驗(yàn)的有效性；

4）為提高測試效率，盡可能減少外接測試設(shè)備的使用，降低測試花費(fèi)，從集成電路模塊到整星級(jí)的測試都依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1149.1-1990 規(guī)定的“邊界掃描技術(shù)”進(jìn)行，包括“內(nèi)建自測試”（built-in test）和“互聯(lián)測試”（interconnect）。

1.2 全球星（GlobalStar）

“全球星”（Globalstar）系統(tǒng)由56 顆衛(wèi)星（含8 顆備份星）組成，所有衛(wèi)星要求在2 年內(nèi)完成總裝、測試和發(fā)射，GlobalStar 二代星座系統(tǒng)于2013 年部署完成。針對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證，承包商泰雷茲?阿萊尼亞宇航公司制定了“適應(yīng)高生產(chǎn)率的試驗(yàn)計(jì)劃”，具體驗(yàn)證策略如下：

衛(wèi)星試驗(yàn)計(jì)劃由鑒定星和飛行星組成，第1 顆GlobalStar 星是工程鑒定星，進(jìn)行全面的鑒定試驗(yàn)，目的是驗(yàn)證衛(wèi)星是否滿足性能要求和驗(yàn)證設(shè)計(jì)裕度，以驗(yàn)證后續(xù)飛行星生產(chǎn)階段的裝配、總裝和試驗(yàn)的程序。飛行星的測試和試驗(yàn)在權(quán)衡技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、可靠性和進(jìn)度要求后進(jìn)行了簡化，僅進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)，且只保留了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和熱循環(huán)試驗(yàn)作為暴露飛行產(chǎn)品缺陷的試驗(yàn)項(xiàng)目，目的是驗(yàn)證制造工藝，并確認(rèn)衛(wèi)星在總裝及驗(yàn)收試驗(yàn)中無潛在缺陷，可以運(yùn)往發(fā)射場發(fā)射。

為了適應(yīng)高生產(chǎn)速度的緊迫要求，飛行星試驗(yàn)根據(jù)以下假設(shè)進(jìn)行了簡化：

1）試驗(yàn)盡量在低裝配級(jí)（單機(jī)、組件、模塊）進(jìn)行，以盡早篩選出產(chǎn)品的制造及工藝缺陷；

2）限制整星級(jí)試驗(yàn)的數(shù)量和復(fù)雜程度，只有在其他較低裝配級(jí)不能很好地驗(yàn)證時(shí)，才在整星級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證，以避免重復(fù)試驗(yàn)；

3）系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)程序由組件/分系統(tǒng)試驗(yàn)中相似的程序?qū)С觯?/p>

4）使用與組件/分系統(tǒng)級(jí)相同的電氣和機(jī)械的地面保障設(shè)備或由它們導(dǎo)出，便于試驗(yàn)結(jié)果的比較和評(píng)估；

5）為系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)留有易于操作的專用接口。

1.3 星鏈（Starlink）

“星鏈”（Starlink）是目前部署衛(wèi)星數(shù)量最多的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。Starlink 采取自主研制的策略，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及AIT 全過程都由SpaceX 公司負(fù)責(zé)。關(guān)于Starlink 的研制驗(yàn)證流程，SpaceX 公司對(duì)外未正式披露直接相關(guān)內(nèi)容，根據(jù)廣泛調(diào)研，只有零散幾點(diǎn)線索供參考：

1）Starlink 關(guān)注體系級(jí)質(zhì)量保證，提升單星故障容錯(cuò)性。考慮到巨型低軌星座規(guī)模大，單點(diǎn)失效不足以引發(fā)系統(tǒng)性運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，且可通過快速部署加以彌補(bǔ)，因此不再單純追求以單星冗余設(shè)計(jì)及高等級(jí)器件保證系統(tǒng)的高可靠性，而是以任務(wù)需求為牽引，通過星座系統(tǒng)級(jí)冗余設(shè)計(jì)和故障可恢復(fù)設(shè)計(jì)保障任務(wù)的執(zhí)行。

2）繼承成熟產(chǎn)品，簡化驗(yàn)證環(huán)節(jié)，力爭快速將產(chǎn)品投入市場。Starlink 一期衛(wèi)星的星敏感器繼承了SpaceX 龍飛船的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從而避免了重新研發(fā)并降低了成本；僅用1 年左右的時(shí)間，相繼完成了原型星發(fā)射、在軌測試和方案修正，并迅速完成60 顆試驗(yàn)星的重新設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線組建與批量研制發(fā)射。因此推斷其在研制流程、特別是在驗(yàn)證環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行了幅度不小的簡化。

3）Starlink 采用Web 服務(wù)開發(fā)理念，注重在軌驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)迭代式能力升級(jí)。SpaceX 公司把衛(wèi)星更多地視作數(shù)據(jù)中心里布設(shè)的服務(wù)器，而非一個(gè)專用的航天器。在星座運(yùn)行過程中，研究團(tuán)隊(duì)采取類似Web 服務(wù)的開發(fā)方案，即在星座的一小簇衛(wèi)星上開展某項(xiàng)測試，如果在測試時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，即暫停運(yùn)行、改進(jìn)設(shè)計(jì)、重置軟件并重新測試。這是航天器功能開發(fā)理念的巨大變化，對(duì)于系統(tǒng)快速迭代至關(guān)重要。

4）創(chuàng)新商用現(xiàn)貨產(chǎn)品（COTS）的質(zhì)量保證要求，實(shí)現(xiàn)降本增效。SpaceX 公司在Starlink 衛(wèi)星的研制過程中使用部分商用現(xiàn)貨產(chǎn)品以降低成本，并結(jié)合航天任務(wù)需求制定了商用塑封器件質(zhì)量保證試驗(yàn)流程，采用器件級(jí)和板級(jí)試驗(yàn)相結(jié)合的用戶級(jí)“批接收篩選試驗(yàn)+單板考核試驗(yàn)”的質(zhì)量保證模式。另外，從試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)來看，與傳統(tǒng)宇航級(jí)器件篩選要求不同，增加了板級(jí)電性能測試、加電溫度循環(huán)、連續(xù)監(jiān)測的板級(jí)穩(wěn)態(tài)老煉試驗(yàn)等項(xiàng)目，以確保系統(tǒng)可靠性。

1.4 試驗(yàn)效率研究情況

根據(jù)航天器地面試驗(yàn)及故障情況，研究試驗(yàn)有效性，改進(jìn)驗(yàn)證方法，是一項(xiàng)重要和有意義的工作。美國相關(guān)研究人員對(duì)其負(fù)責(zé)的航天器試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的主要問題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如下：

1）系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)中，熱試驗(yàn)暴露的質(zhì)量問題占比約為80%，力學(xué)試驗(yàn)暴露問題占比約20%，EMC 試驗(yàn)基本未暴露質(zhì)量問題，如圖1 所示，其中橫坐標(biāo)括號(hào)內(nèi)數(shù)值表示該項(xiàng)目暴露問題個(gè)數(shù)。

圖1 系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題比例Fig. 1 Proportion of problems found in system-level tests

2）各分系統(tǒng)組件級(jí)試驗(yàn)中，熱試驗(yàn)暴露質(zhì)量占比在80%以上，力學(xué)試驗(yàn)占比15%，少量質(zhì)量問題由EMC 暴露（如圖2 所示）。

圖2 組件級(jí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題比例Fig. 2 Proportion of problems found in component-level tests

由此可知，熱試驗(yàn)對(duì)暴露航天產(chǎn)品質(zhì)量問題最為有效，力學(xué)試驗(yàn)次之。上述質(zhì)量問題統(tǒng)計(jì)基于傳統(tǒng)研制模式下的航天器，針對(duì)批產(chǎn)衛(wèi)星試驗(yàn)效率的研究未檢索到相關(guān)文獻(xiàn)，但上述調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)于技術(shù)狀態(tài)較新批產(chǎn)星初級(jí)的設(shè)計(jì)鑒定和后期驗(yàn)收篩選具有重大的參考價(jià)值。

1.5 小結(jié)

通過對(duì)國外批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證技術(shù)的調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證策略具有如下特點(diǎn)：

1）項(xiàng)目前期投產(chǎn)工程鑒定星，對(duì)衛(wèi)星的功能性能及設(shè)計(jì)裕度進(jìn)行全面鑒定，主要面向“設(shè)計(jì)驗(yàn)證”，同時(shí)作為后續(xù)批產(chǎn)星的研制基線；

2）隨著衛(wèi)星技術(shù)成熟度的提升，批產(chǎn)星的驗(yàn)證項(xiàng)目逐步裁剪，過渡到檢查在衛(wèi)星裝配、總裝階段和環(huán)境影響可能帶來的工藝問題，主要面向“工藝驗(yàn)證”，以適應(yīng)批產(chǎn)化的驗(yàn)證需求；

3）衛(wèi)星驗(yàn)證采用分級(jí)驗(yàn)證策略，由低裝配級(jí)到高裝配級(jí)驗(yàn)證項(xiàng)目逐步減少，在低裝配級(jí)加嚴(yán)考核，避免將技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)引入高裝配級(jí)，有效控制項(xiàng)目技術(shù)及進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)；

4）注重商用COTS 器件的應(yīng)用，加強(qiáng)質(zhì)量控制與篩選試驗(yàn)以確?？煽啃?。

此外，開展試驗(yàn)有效性研究可為批產(chǎn)衛(wèi)星試驗(yàn)策略優(yōu)化提供重要的參考和依據(jù)。

2 批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證技術(shù)要點(diǎn)分析

2.1 驗(yàn)證基線

目前國外的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，包括美軍標(biāo)SMC-S-016（2014 版）、哥達(dá)德航天中心標(biāo)準(zhǔn)GSFC-STD-7000（2005 版）、NASA 標(biāo)準(zhǔn)NASA-STD-7000 系列、歐空局標(biāo)準(zhǔn)ECSS-E-ST-10-03C（2012 版）等，其試驗(yàn)要求仍針對(duì)傳統(tǒng)航天器研制模式。批產(chǎn)衛(wèi)星的系統(tǒng)級(jí)測試驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)未檢索到。

SMC-S-016 與Iridium/GlobalStar 等批產(chǎn)衛(wèi)星系統(tǒng)鑒定級(jí)和驗(yàn)收級(jí)驗(yàn)證基線對(duì)比分別如表1 和表2 所示。其中：R 為“要求的”試驗(yàn)，指要求必做的試驗(yàn)；ER 為“經(jīng)評(píng)價(jià)要求的”試驗(yàn)，指根據(jù)產(chǎn)品的具體研制情況來選擇做的試驗(yàn)；“—”表示標(biāo)準(zhǔn)中未列出/未明確規(guī)定要做的試驗(yàn)項(xiàng)目；“*”表示Iridium試驗(yàn)基線中未具體給出太陽電池陣展開試驗(yàn)和熱循環(huán)的試驗(yàn)順序，但公開資料顯示其進(jìn)行了熱循環(huán)和太陽電池陣展開試驗(yàn)。

表1 SMC-S-016（2014 版）與Iridium/GlobalStar 系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)基線對(duì)比（鑒定級(jí))Table 1 Comparison between SMC-S-016(2014 version) and Iridium/GlobalStar system-level test baseline (qualification level)

表2 SMC-S-016（2014 版）與Iridium/GlobalStar 系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)基線對(duì)比（驗(yàn)收級(jí))Table 2 Comparison between SMC-S-016(2014 version) and Iridium/GlobalStar system-level test baseline (acceptance level)

對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)航天器的驗(yàn)證模式對(duì)批產(chǎn)衛(wèi)星具有重大的借鑒意義。

1）Iridium/GlobalStar 采用鑒定星+批產(chǎn)星/飛行星的研制模式明顯借鑒了美軍標(biāo)規(guī)定的“鑒定+驗(yàn)收”的驗(yàn)證策略，即鑒定星對(duì)應(yīng)鑒定試驗(yàn)，批產(chǎn)星/飛行星對(duì)應(yīng)驗(yàn)收試驗(yàn)。

2）通過對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)美軍標(biāo)規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目基本可以覆蓋Iridium/GlobalStar 衛(wèi)星的試驗(yàn)項(xiàng)目，只是在個(gè)別試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)順序上有所區(qū)別，具體如下：

①美軍標(biāo)規(guī)定及傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)一般遵循“先力后熱”的試驗(yàn)順序，目的在于和飛行時(shí)序保持一致，先經(jīng)歷運(yùn)載火箭主動(dòng)段的力學(xué)環(huán)境考核，再經(jīng)歷在軌熱環(huán)境考核；而Iridium 和GlobalStar 等批產(chǎn)衛(wèi)星普遍采用“先熱后力”的試驗(yàn)順序，一是基于研制流程優(yōu)化的考慮，避免對(duì)太陽電池陣等不參加熱試驗(yàn)設(shè)備的反復(fù)拆裝；二是基于熱試驗(yàn)暴露質(zhì)量問題更加有效，提前開展有助于盡早發(fā)現(xiàn)問題。

②關(guān)于熱試驗(yàn)項(xiàng)目，Iridium 和GlobalStar 的鑒定星均進(jìn)行了完整的熱平衡/熱真空試驗(yàn)，而批產(chǎn)星不做熱平衡，與美軍標(biāo)保持一致。區(qū)別在于，鑒定星還增加了整星熱循環(huán)試驗(yàn)，后續(xù)批產(chǎn)星/飛行星用熱循環(huán)替代熱真空試驗(yàn)，而傳統(tǒng)衛(wèi)星一般只在組件級(jí)進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)。究其原因，一是熱循環(huán)試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)資源需求較低，可以節(jié)約成本，二是在鑒定星安排熱循環(huán)試驗(yàn)可以驗(yàn)證獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)、驗(yàn)證試驗(yàn)方法，為后續(xù)批產(chǎn)星積累數(shù)據(jù)。

③關(guān)于隨機(jī)振動(dòng)/噪聲試驗(yàn)，一般按照航天器大小進(jìn)行劃分，大型航天器做噪聲試驗(yàn)，小型則做隨機(jī)振動(dòng)。大型和小型是以航天器質(zhì)量大小劃分，但劃分標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一（例如美軍標(biāo)規(guī)定180 kg 為界，戈達(dá)德通用規(guī)范規(guī)定450 kg 為界），只能說質(zhì)量密集型航天器宜用隨機(jī)振動(dòng)代替聲試驗(yàn)，而具有面積質(zhì)量比較大的航天器做聲試驗(yàn)更為合理。Iridium/Iridium Next 衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量為689 kg/860 kg，因此安排噪聲試驗(yàn)；GlobalStar 衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量450 kg，處于臨界值，因此在鑒定星中安排了隨機(jī)振動(dòng)/噪聲試驗(yàn)，在獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，用試驗(yàn)成本較低的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)替代噪聲試驗(yàn)。

④關(guān)于沖擊試驗(yàn)，航天器的沖擊源多數(shù)由火工品爆炸產(chǎn)生，包括星上太陽電池陣和天線的壓緊裝置，以及用于衛(wèi)星與運(yùn)載器脫離的火工品。對(duì)于低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星，衛(wèi)星與運(yùn)載大多采用點(diǎn)式火工品連接，沖擊量級(jí)可達(dá)上千，分離沖擊成為衛(wèi)星首要考慮的沖擊環(huán)境。此外，對(duì)于新研航天器平臺(tái)，首發(fā)型號(hào)的對(duì)接、分離沖擊試驗(yàn)是必做的，它不僅是環(huán)境試驗(yàn)，同時(shí)也是對(duì)接流程和分離性能的驗(yàn)證考核，后續(xù)型號(hào)如果連接狀態(tài)不變，沖擊試驗(yàn)可以不做。Iridium 和GlobalStar 鑒定星和批產(chǎn)星的驗(yàn)證策略充分體現(xiàn)了上述思路。

⑤功能和性能試驗(yàn)是一項(xiàng)重要試驗(yàn)，它是航天器在環(huán)境試驗(yàn)前、后性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求的判據(jù)，幾乎所有衛(wèi)星分系統(tǒng)都要參與該試驗(yàn)，試驗(yàn)周期較長。批產(chǎn)衛(wèi)星普遍采用分級(jí)測試的模式，合理進(jìn)行測試項(xiàng)目劃分。在保證測試覆蓋性的前提下，限制整星級(jí)試驗(yàn)數(shù)目和復(fù)雜程度，只有當(dāng)在其他較低裝配級(jí)不能很好地進(jìn)行驗(yàn)證的項(xiàng)目才在整星級(jí)進(jìn)行，避免重復(fù)低裝配級(jí)已進(jìn)行過的試驗(yàn)。

⑥電磁兼容試驗(yàn)在國外標(biāo)準(zhǔn)中都不是必做的驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目，但在首發(fā)航天器的鑒定試驗(yàn)中一般必須要做。Iridium/GlobalStar 同樣采納了上述思路，在鑒定星中安排了電磁兼容試驗(yàn)，積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，摸索電磁兼容設(shè)計(jì)及處理方法，待后續(xù)批產(chǎn)星平臺(tái)及載荷狀態(tài)固化后，再取消電磁兼容試驗(yàn)。

⑦模態(tài)試驗(yàn)不是較為常見的一種試驗(yàn)，一般是在通過分析預(yù)示難以準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的情況下開展。傳統(tǒng)大衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)和次級(jí)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，因此模態(tài)試驗(yàn)有其必要性。而批產(chǎn)衛(wèi)星普遍采用箱板式或框架式的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)傳力路徑相對(duì)簡單，通過分析可以比較準(zhǔn)確地預(yù)示結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性；另外，通過正弦振動(dòng)試驗(yàn)同樣可以達(dá)到上述目的，故批產(chǎn)衛(wèi)星可以取消模態(tài)試驗(yàn)。

2.2 驗(yàn)證方法

從驗(yàn)證策略和驗(yàn)證基線（矩陣）來看，除了試驗(yàn)驗(yàn)證外，批產(chǎn)衛(wèi)星廣泛使用了檢驗(yàn)、演示、相似性等驗(yàn)證方法，充分體現(xiàn)了多種驗(yàn)證方法的綜合運(yùn)用。

檢驗(yàn)廣泛用于產(chǎn)品的制造、鑒定、驗(yàn)收、總裝和使用前檢查等各階段，通常使用目視與儀器測量方式判定產(chǎn)品的物理特性（例如構(gòu)造特征、外觀、標(biāo)識(shí)等）、接口與設(shè)計(jì)圖樣、工藝要求是否一致；

演示是指采用帶有模擬器的真實(shí)硬件或軟件在模擬的運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行產(chǎn)品工作性能和要求檢查的方法，如廣泛使用的衛(wèi)星模擬器、模擬應(yīng)答機(jī)開展的測控對(duì)接試驗(yàn)。Iridium Next 星座項(xiàng)目人員基于Thales 公司構(gòu)建模塊——K2 模擬器內(nèi)核級(jí)OCOE-6 監(jiān)測系統(tǒng)（如圖3 所示）開發(fā)了一系列用于各項(xiàng)測試的模擬器和地面電氣支持設(shè)備（EGSE），模擬器和EGSE 支持平臺(tái)軟件、星上綜合電子、有效載荷、星上電源的驗(yàn)證與調(diào)試，同時(shí)支持衛(wèi)星在軌運(yùn)行仿真。

圖3 Iridium Next 項(xiàng)目模擬器和EGSEFig. 3 Iridium Next project simulator and EGSE

相似性驗(yàn)證可以認(rèn)為是一種經(jīng)驗(yàn)的分析驗(yàn)證方法，通過證明所需驗(yàn)證的產(chǎn)品相似于另一個(gè)已經(jīng)按等效的或更嚴(yán)格的要求進(jìn)行過驗(yàn)證的產(chǎn)品，從而確認(rèn)所需驗(yàn)證的產(chǎn)品滿足要求。國內(nèi)外各類航天器（包括傳統(tǒng)航天器和批產(chǎn)衛(wèi)星）“鑒定試驗(yàn)+驗(yàn)收試驗(yàn)”的驗(yàn)證模式充分體現(xiàn)了相似性驗(yàn)證的有效性，即根據(jù)鑒定試驗(yàn)的結(jié)果，利用相似性適用的準(zhǔn)則，對(duì)部組件、系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)量級(jí)進(jìn)行合理裁剪，確保達(dá)到驗(yàn)證目的。經(jīng)過分析，批產(chǎn)衛(wèi)星相似性驗(yàn)證具有自身的優(yōu)勢：1）批產(chǎn)低軌衛(wèi)星樣本數(shù)較大，一般經(jīng)過鑒定星→初期批產(chǎn)星→全面批產(chǎn)星的研制歷程，且一般驗(yàn)證重心前移，在部組件進(jìn)行了充分的試驗(yàn)考核，數(shù)據(jù)積累完善；2）批產(chǎn)衛(wèi)星采用生產(chǎn)線模式，生產(chǎn)制造、供貨廠商相對(duì)固化，衛(wèi)星狀態(tài)質(zhì)量穩(wěn)定性較好。

2.3 驗(yàn)證的裝配級(jí)選擇

航天系統(tǒng)一般采用金字塔型的分級(jí)驗(yàn)證策略，即從組成系統(tǒng)的低層次裝配級(jí)開始，到較高層次的裝配級(jí)，最后進(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)證。這樣可將問題在較低層次上盡早暴露，從而有效降低成本和計(jì)劃進(jìn)度上的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，驗(yàn)證方法在技術(shù)和資源上也更容易實(shí)現(xiàn)。

從Starlink、Iridium Next 和OneWeb 等批產(chǎn)衛(wèi)星的驗(yàn)證特點(diǎn)來看，目前中間裝配級(jí)的試驗(yàn)逐漸向系統(tǒng)級(jí)和元器件/部組件級(jí)轉(zhuǎn)移，分系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證逐步弱化，從而將質(zhì)量控制重心前移，規(guī)避項(xiàng)目進(jìn)度和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。下面重點(diǎn)對(duì)元器件、組件、分系統(tǒng)裝配級(jí)驗(yàn)證和驗(yàn)證理念進(jìn)行分析，系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證不再贅述。

2.3.1 元器件級(jí)

SpaceX 公司結(jié)合航天任務(wù)實(shí)際要求、NASA 的規(guī)范指南及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，簡化元器件級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目，增加板級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目，系統(tǒng)可靠性和宇航適用性的質(zhì)量保證要求并未降低，其主要區(qū)別和改進(jìn)體現(xiàn)在4 個(gè)方面：1）選用準(zhǔn)入的范圍。元器件選用基于具體宇航任務(wù)應(yīng)用條件，工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)等質(zhì)量控制水平穩(wěn)定的商用塑封器件在通過可靠性篩選試驗(yàn)后也可作為商業(yè)航天的候選元器件。2）禁限用工藝的應(yīng)對(duì)措施。對(duì)于商用塑封器件中存在的宇航禁限用工藝問題，不是一票否決棄用，而是考慮采用風(fēng)險(xiǎn)分析、工藝再處理、外部加固處理等多種措施支撐可靠應(yīng)用。3）抗輻射要求的考慮。對(duì)于空間環(huán)境較好的任務(wù)，在質(zhì)量保證中不再進(jìn)行商用塑封器件的抗輻射試驗(yàn)評(píng)估，而是在選型控制階段基于應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)考慮抗輻射問題的處理。4）試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)流程、項(xiàng)目和條件的設(shè)計(jì)方面，以選用合理性分析和批量采購為前提，考慮任務(wù)實(shí)際工況，裁剪非必要的器件級(jí)試驗(yàn)，結(jié)合應(yīng)用條件增加板級(jí)篩選試驗(yàn)、板級(jí)接收和考核試驗(yàn)，減少或合并抽樣數(shù)量；針對(duì)商用塑封器件的封裝缺陷，增加潮濕敏感性分級(jí)測試、加電溫度循環(huán)和板級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)等項(xiàng)目。

2.3.2 組件級(jí)

為確保組批生產(chǎn)效率，批產(chǎn)衛(wèi)星對(duì)組件級(jí)產(chǎn)品的供貨穩(wěn)定性和質(zhì)量一致性提出了更高要求。例如，OneWeb 為控制產(chǎn)品質(zhì)量，大幅減少供應(yīng)商數(shù)量，由供應(yīng)商對(duì)交付部組件質(zhì)量負(fù)責(zé)，一般不對(duì)供應(yīng)商部組件進(jìn)行驗(yàn)收測試。Sodern 公司為OneWeb低軌星座專門設(shè)計(jì)了低成本的Auriga 星敏。該星敏由一般EEE（電工、電子、電氣）元器件、FPGA、光電器件和機(jī)械部件等構(gòu)成；在生產(chǎn)時(shí)覆蓋了一般電子裝聯(lián)、光電性能調(diào)試、機(jī)加、表面處理等航天常用工藝；在驗(yàn)證軟件功能時(shí)需要引入整星姿軌控分系統(tǒng)（AOCS）進(jìn)行分系統(tǒng)/整星級(jí)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，具有較好的代表性。

Auriga 星敏元器件按照空間環(huán)境敏感性和重要性實(shí)行了分層級(jí)的選用，部分器件選用了工業(yè)級(jí)器件，但需符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證要求，在降低成本的同時(shí)確保了產(chǎn)品的質(zhì)量，如表3 所示。

表3 Auriga 星敏元器件選用說明Table 3 Instructions for component selections for Auriga star sensor

Auriga 星敏在模塊級(jí)完成環(huán)境試驗(yàn)篩選和性能測試，整機(jī)進(jìn)行裝配和最終性能測試，其制造流程如圖4 所示。在產(chǎn)品交付時(shí)，環(huán)境試驗(yàn)僅作隨機(jī)振動(dòng)和熱校準(zhǔn)穩(wěn)定性測試，簡化了試驗(yàn)流程（如圖5 所示），從而以傳統(tǒng)高軌星敏20～30 件/年的資源，實(shí)現(xiàn)了Auriga 星敏 1500～3000 件/年的生產(chǎn)能力。

圖4 Auriga 星敏制造流程Fig. 4 Manufacturing process of Auriga star sensor

圖5 Auriga 星敏驗(yàn)收流程Fig. 5 Acceptance process of Auriga star sensor

2.3.3 分系統(tǒng)級(jí)

目前，國外批產(chǎn)衛(wèi)星普遍采取組件產(chǎn)品供應(yīng)商采購模式，衛(wèi)星批產(chǎn)后組件直接進(jìn)入整星AIT，以往分系統(tǒng)的概念已逐步模糊，因此分系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證基本已被組件級(jí)或系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證替代。對(duì)于技術(shù)狀態(tài)較新的鑒定星/首發(fā)星，星上電子設(shè)備功能和性能驗(yàn)證可通過系統(tǒng)級(jí)地面驗(yàn)證平臺(tái)（Verification Platform for Interface &Software, VPI）實(shí)現(xiàn)。Iridium Next 衛(wèi)星有3 類地面測試平臺(tái)，數(shù)字式測試臺(tái)（numerical bench）、配備真實(shí)星載計(jì)算機(jī)的混合測試臺(tái)（hybrid bench with real OBC）和配備模擬計(jì)算機(jī)的混合測試臺(tái)（hybrid bench with emulated OBC）。

以數(shù)字式測試臺(tái)為例，支持星上綜合電子驗(yàn)證、地面AIT 和衛(wèi)星在軌操作流程準(zhǔn)備功能，參見圖6。

圖6 Iridium Next 衛(wèi)星數(shù)字式測試臺(tái)組成Fig. 6 Configuration of digital test bench for Iridium Next satellite

2.3.4 驗(yàn)證理念

SpaceX 公司將互聯(lián)網(wǎng)思維和硅谷模式引入到航天產(chǎn)業(yè)，采用“漸進(jìn)迭代”的系統(tǒng)工程論模型，在成本、技術(shù)、周期三者約束的全局優(yōu)化中實(shí)現(xiàn)平衡。傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程認(rèn)為，應(yīng)在前期設(shè)計(jì)中暴露盡可能多的風(fēng)險(xiǎn)，以降低錯(cuò)誤成本，但這將耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力成本，導(dǎo)致項(xiàng)目周期變長。反觀SpaceX 則更注重綜合成本的考量，其突出特點(diǎn)是縮減初始產(chǎn)品研制周期，前期產(chǎn)品不注重全部功能的集成，適度放寬某些技術(shù)指標(biāo)的可靠性要求，壓縮迭代循環(huán)周期，通過多次設(shè)計(jì)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。這一模式將資金成本在時(shí)間維度上分割，技術(shù)人員在產(chǎn)品試錯(cuò)過程中積累大量經(jīng)驗(yàn)，從而在后續(xù)生產(chǎn)中提升產(chǎn)品質(zhì)量水平與可靠性，體現(xiàn)出綜合成本優(yōu)勢。

傳統(tǒng)模型與SpaceX 考慮綜合成本模型的對(duì)比如圖7 所示。

圖7 考慮資金成本的傳統(tǒng)模型與SpaceX 考慮綜合成本的模型對(duì)比Fig. 7 Traditional model considering capital cost vs. SpaceX model considering comprehensive cost

基于上述思想，SpaceX 在前期快速生產(chǎn)的產(chǎn)品和最終產(chǎn)品往往有著巨大的區(qū)別。以Starlink 衛(wèi)星為例：2018 年2 月，SpaceX 發(fā)射2 顆Starlink 技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（Microsat-2a/2b），主要驗(yàn)證Ku、Ka 頻段的衛(wèi)星固定通信業(yè)務(wù)和星間通信業(yè)務(wù)、波束切換與管理等，衛(wèi)星采用梯形壁掛式設(shè)計(jì)，質(zhì)量400 kg；而2019 年5 月一箭60 星發(fā)射的第1 組Starlink 星座（稱為V0.9 版本），衛(wèi)星構(gòu)型發(fā)生巨大變化，采用堆疊式平板構(gòu)型，發(fā)射質(zhì)量227 kg，主要對(duì)新型氪工質(zhì)霍爾電推進(jìn)、新型堆疊壓緊釋放機(jī)構(gòu)、新型低成本平板相控陣天線等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證；后續(xù)針對(duì)天文學(xué)界提出的Starlink 衛(wèi)星可能影響天文觀測的問題，SpaceX 公司在后續(xù)批發(fā)射的衛(wèi)星中增加了遮光板，改善了星表處理工藝，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星載荷功能進(jìn)行加強(qiáng)，形成V1.0 版本（如圖8 所示）。

圖8 Starlink 衛(wèi)星演化流程Fig. 8 Evolution process of Starlink satellites

3 對(duì)批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證技術(shù)的思考與建議

本文通過分析國外批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證策略的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證技術(shù)的發(fā)展提出以下思考與建議：

1）完善批產(chǎn)航天器的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系。目前，國內(nèi)外主要航天器驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)仍以傳統(tǒng)航天器研制模式為主，未針對(duì)批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證進(jìn)行規(guī)定。我國在具有批產(chǎn)特點(diǎn)的微納衛(wèi)星（質(zhì)量＜100 kg）試驗(yàn)優(yōu)化上進(jìn)行有益探索并頒布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 38027—2019《微納衛(wèi)星試驗(yàn)要求》），但低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星一般屬于小衛(wèi)星范疇（質(zhì)量100～1000 kg），因此該標(biāo)準(zhǔn)的適用性還有待深入研究和實(shí)踐應(yīng)用；此外，該標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了微納衛(wèi)星的試驗(yàn)要求，對(duì)于批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證工作如何策劃，驗(yàn)證方法、驗(yàn)證裝配級(jí)、驗(yàn)證模型如何選擇和確定等頂層需求沒有明確規(guī)定。應(yīng)結(jié)合我國在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)編制及航天器驗(yàn)證工作中已積累的經(jīng)驗(yàn)，逐步建立適用于批產(chǎn)航天器驗(yàn)證的頂層標(biāo)準(zhǔn)體系。

2）深入挖掘批產(chǎn)星座系統(tǒng)建設(shè)模式。低軌星座具有項(xiàng)目投資巨大、技術(shù)復(fù)雜、迭代更新快等顯著特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的批產(chǎn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證提出了更高要求。從國外建成、在建及規(guī)劃的中低軌星座系統(tǒng)來看，除SpaceX 公司堅(jiān)持自主研發(fā)策略外，均選擇單一的成熟衛(wèi)星制造商作為主承包商、衛(wèi)星平臺(tái)基于單一成熟高可靠平臺(tái)、載荷全球訂購或貨架采購的建設(shè)模式，其中泰雷茲?阿萊尼亞公司基于其成熟的EliTeBus-1000 平臺(tái)，承擔(dān)Iridium-Next、GlobalStar-2、O3b、Lightspeed 四大系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)，目的在于充分利用承包商現(xiàn)有的成熟技術(shù)和供應(yīng)鏈體系，確保衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)及接口狀態(tài)受控，盡可能降低系統(tǒng)的技術(shù)和進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能與成本的綜合最優(yōu)。

3）制定并實(shí)踐符合國情的批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證策略。批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證需要綜合權(quán)衡技術(shù)水平、周期、成本和風(fēng)險(xiǎn)等多方面因素的影響，尋求平衡的解決方案。為此，需要在各項(xiàng)約束條件下，加強(qiáng)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的針對(duì)性與有效性研究，加強(qiáng)故障模式及影響分析（FMEA）和測試覆蓋性分析，充分識(shí)別產(chǎn)品工作的邊界條件，持續(xù)開展航天器試驗(yàn)有效性評(píng)估研究，提升驗(yàn)證工作的效費(fèi)比。此外，批產(chǎn)衛(wèi)星如何驗(yàn)證尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，SpaceX 公司的容許試錯(cuò)的“漸進(jìn)迭代”理論有其特定的應(yīng)用背景，照搬照抄并不符合我國國情，需要打牢基礎(chǔ)、穩(wěn)步推進(jìn)，探索出一條適合我國批產(chǎn)衛(wèi)星驗(yàn)證的新路。為此，建議在星座設(shè)計(jì)前期，同步規(guī)劃頂層驗(yàn)證策劃，提前開展工程實(shí)踐工作。

4）探索商用現(xiàn)貨技術(shù)批產(chǎn)應(yīng)用的技術(shù)途徑。使用COTS 技術(shù)和產(chǎn)品是批產(chǎn)衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展趨勢之一，Iridium 和Starlink 均制定了專門的元器件質(zhì)量保證和篩選策略，對(duì)可靠性和宇航適用性的要求并未降低。COTS 技術(shù)的廣泛應(yīng)用需要重點(diǎn)解決空間環(huán)境下的可靠性問題，特別是COTS 器件對(duì)空間輻射環(huán)境適應(yīng)能力的驗(yàn)證和防護(hù)設(shè)計(jì)。為此，需要結(jié)合任務(wù)剖面和環(huán)境剖面，探索合理選用COTS 產(chǎn)品的技術(shù)途徑，制定適應(yīng)批產(chǎn)衛(wèi)星的選用及驗(yàn)證策略，確保任務(wù)可靠性滿足要求。此外，還需制定適應(yīng)批產(chǎn)衛(wèi)星的元器件選型規(guī)范，轉(zhuǎn)變?cè)骷O(shè)計(jì)選用、生產(chǎn)、采購、質(zhì)保和管理模式，實(shí)現(xiàn) “單件、小批量型號(hào)研制”向“大規(guī)模組批生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)變。

5）加大研制試驗(yàn)及在軌飛行驗(yàn)證投入。對(duì)衛(wèi)星而言，解決可靠性問題主要依賴于研制試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)。研制試驗(yàn)采用試驗(yàn)—分析—改進(jìn)（TAAF）方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性增長，驗(yàn)收試驗(yàn)在不同裝配級(jí)暴露產(chǎn)品的材料及制造缺陷。在傳統(tǒng)驗(yàn)證工作中，對(duì)通過研制試驗(yàn)提高產(chǎn)品固有可靠性重視不足，在批產(chǎn)衛(wèi)星中要改進(jìn)上述問題，將研制試驗(yàn)納入型號(hào)和產(chǎn)品研制流程并實(shí)施工程化管理。此外，在軌飛行試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品和技術(shù)可用性的最直接手段，有利于快速提升產(chǎn)品的技術(shù)成熟度，提升系統(tǒng)可靠性。SpaceX 公司的“漸進(jìn)迭代”系統(tǒng)工程論十分重視在軌驗(yàn)證對(duì)于完善衛(wèi)星設(shè)計(jì)的重要作用。為此，建議利用搭載或試驗(yàn)星等方式，系統(tǒng)謀劃在軌驗(yàn)證工作，充分利用在軌驗(yàn)證機(jī)會(huì)，提前驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)。