商業(yè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)質(zhì)量管控方法探索與實(shí)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(guī)劃出臺(tái)，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已成為國(guó)家新基建項(xiàng)目，各種商業(yè)衛(wèi)星項(xiàng)目呈井噴之勢(shì)，多家衛(wèi)星總體及商業(yè)衛(wèi)星公司開建衛(wèi)星生產(chǎn)流水線。而目前國(guó)內(nèi)星載計(jì)算機(jī)類產(chǎn)品的研制模式依然是深度定制的方式，產(chǎn)品化程度、質(zhì)量管控流程與商業(yè)衛(wèi)星的規(guī)?；兄菩枨蟛幌嗥ヅ?。要趕上商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展的浪潮，迫切需要從星載計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)上和管理上入手，開展商業(yè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)產(chǎn)品規(guī)?；兄乒芾眢w系建設(shè)。

1 商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展情況及特點(diǎn)

1.1 商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

2022 年4 月，美國(guó)太空司令部發(fā)布 《太空司令部商業(yè)整合戰(zhàn)略》，隨著商業(yè)衛(wèi)星整合戰(zhàn)略的發(fā)布和實(shí)施，商業(yè)衛(wèi)星將不再以衛(wèi)星制造商或衛(wèi)星最終用戶來進(jìn)行分類定義，可以將具有低成本、短周期、批量化特點(diǎn)的衛(wèi)星統(tǒng)稱為商業(yè)衛(wèi)星。

國(guó)外商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展縮影就是其低軌衛(wèi)星星座的計(jì)劃及實(shí)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(fā)射衛(wèi)星3097 顆，SpaceX 的星鏈衛(wèi)星占比超50%。據(jù)美國(guó)航天基金會(huì)2021 年發(fā)布的 《航天報(bào)告》顯示，商業(yè)航天占到市場(chǎng)份額的70%。

2014 年開始，我國(guó)密集出臺(tái)了多項(xiàng)政策支持商業(yè)航天發(fā)展，如2016 年國(guó)務(wù)院發(fā)布 《中國(guó)航天白皮書》、2021 年商務(wù)部發(fā)布《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》等，政策的紅利窗口期使得我國(guó)商業(yè)衛(wèi)星得到快速發(fā)展。當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)公司、新能源汽車公司、智能裝備公司和智慧城市等產(chǎn)業(yè)鏈的需求也催化著低軌通信星座、低軌導(dǎo)航增強(qiáng)星座、低軌物聯(lián)網(wǎng)星座進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。在國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃的牽引和商業(yè)市場(chǎng)的催化下，我國(guó)商業(yè)衛(wèi)星建設(shè)大踏步來臨，星上低成本設(shè)備的需求會(huì)伴隨增長(zhǎng)。

1.2 商業(yè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)特點(diǎn)

商業(yè)衛(wèi)星在衛(wèi)星制造上的共通點(diǎn)是：整星平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化、分系統(tǒng)模塊化、核心部件自主研發(fā)、廣泛的民營(yíng)供貨渠道及靈活的管理機(jī)制。商業(yè)衛(wèi)星為提高結(jié)構(gòu)緊湊度，減少單機(jī)產(chǎn)品種類、弱化分系統(tǒng)概念、強(qiáng)化整星一體化設(shè)計(jì)，多采用以公共母板為基礎(chǔ)的多模塊組合方案，實(shí)現(xiàn)整星電子學(xué)高度集成、板卡化。

商業(yè)衛(wèi)星的星載計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)是大量采用已有COTS（Comemercial Off The Shelf，商用貨架產(chǎn)品）器件或組件，大量采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。而我們當(dāng)前配套的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品主要特點(diǎn)是：深度定制、繼承性較差，單機(jī)單套、單機(jī)單管，遠(yuǎn)不適應(yīng)于商業(yè)衛(wèi)星的低成本、短周期、批量生產(chǎn)特點(diǎn)。

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)上入手，需研制并形成低耦合高密度的標(biāo)準(zhǔn)化貨架化部組件，組搭未來的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，以提高集成性、提升批量生產(chǎn)力；從管理上入手，應(yīng)合理剪裁簡(jiǎn)化當(dāng)前管控流程，壓縮成本、縮短開發(fā)生產(chǎn)周期。

2 星上計(jì)算機(jī)質(zhì)量管控存在的問題

近年來，衛(wèi)星公司的資產(chǎn)配重逐漸從重衛(wèi)星資產(chǎn)向重應(yīng)用資產(chǎn)過渡，壓縮衛(wèi)星產(chǎn)品成本及快速搶占市場(chǎng)是其尋找合作單位的主要考慮內(nèi)容[2]。傳統(tǒng)的星上計(jì)算機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量保證體系的不適應(yīng)性日益凸顯，主要存在以下問題。

a）三個(gè)研制階段的劃分不能適應(yīng)商業(yè)衛(wèi)星短周期的項(xiàng)目管理需求。傳統(tǒng)的型號(hào)研制中方案、初樣（電性件、鑒定件）和正樣3 個(gè)階段的劃分和工作有力保障了衛(wèi)星研制的成功，但一個(gè)產(chǎn)品全周期至少超過2 年，不能滿足商業(yè)衛(wèi)星用計(jì)算機(jī)短周期、快響應(yīng)的研制需求。

b）長(zhǎng)鏈條的質(zhì)量管控及評(píng)審不能適應(yīng)商業(yè)衛(wèi)星精簡(jiǎn)化的流程建設(shè)需求。過程質(zhì)量控制及評(píng)審是確保產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一，傳統(tǒng)衛(wèi)星的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量控制是從策劃階段開始，縱向上覆蓋衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)單位、分系統(tǒng)承制單位和單機(jī)承制單位甚至是用戶單位，橫向上需主管總師、專家和質(zhì)量保證人員參與，評(píng)審項(xiàng)目過多、鏈條過長(zhǎng)，導(dǎo)致部分單點(diǎn)工作人員在多個(gè)型號(hào)并舉時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響工作的時(shí)效性和項(xiàng)目執(zhí)行力。

c）全過程、全要素的數(shù)據(jù)包編制不能適應(yīng)商業(yè)衛(wèi)星高效費(fèi)比要求。為了可追溯性，目前一個(gè)宇航型號(hào)任務(wù)需產(chǎn)生大量文檔，各級(jí)文件中重復(fù)內(nèi)容較多，紙質(zhì)歸檔極大地浪費(fèi)人力和成本，滿足不了成本和時(shí)間上的高效費(fèi)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(yè)衛(wèi)星低成本需求。目前星上產(chǎn)品多選用宇航級(jí)器件，器件成本超過產(chǎn)品成本的50%，但是宇航級(jí)器件價(jià)格昂貴、生產(chǎn)周期長(zhǎng)。元器件質(zhì)保主要是100%器件級(jí)二次篩選保證，需要的周期長(zhǎng)、篩選費(fèi)昂貴，甚至篩選費(fèi)用超過器件本身費(fèi)用。

3 商業(yè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)質(zhì)量管控方法探索

3.1 合并研制階段

全面梳理星上產(chǎn)品的研制流程，對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星研制的方案、初樣、正樣階段進(jìn)行重新定義。將產(chǎn)品劃分為新研產(chǎn)品和繼承產(chǎn)品。新研產(chǎn)品是新設(shè)計(jì)的或用已有貨架化板卡重新組合的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，繼承產(chǎn)品是沿用已有技術(shù)狀態(tài)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。

將研制階段分為地面試驗(yàn)件階段和飛行件階段，新研產(chǎn)品需經(jīng)歷地面試驗(yàn)件階段和飛行件階段。地面試驗(yàn)件需完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)及環(huán)境驗(yàn)證，飛行件階段需完成飛行及入軌驗(yàn)證。

該管理流程需設(shè)立2 個(gè)庫(kù)：①貨架化部組件庫(kù)（COTS 組件庫(kù)），在軌驗(yàn)證過的組件，經(jīng)評(píng)審后歸入貨架化部組件庫(kù)，根據(jù)市場(chǎng)預(yù)估可以提前進(jìn)行儲(chǔ)備生產(chǎn)；②產(chǎn)品庫(kù)，將在軌驗(yàn)證過的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)去型號(hào)化后歸入產(chǎn)品化庫(kù)，作為未來任務(wù)的基線產(chǎn)品，如經(jīng)論證后滿足新的任務(wù)需求，則直接按繼承產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)。

3.2 簡(jiǎn)化過程質(zhì)量控制及評(píng)審要求

全面梳理產(chǎn)品研制過程中涉及的各要素，“應(yīng)控皆控”，但需簡(jiǎn)化控制方式，降低評(píng)審級(jí)別，縮短評(píng)審鏈條。主要方法為：①將產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)策劃、設(shè)計(jì)開發(fā)策劃、任務(wù)書、開發(fā)輸入評(píng)審等項(xiàng)目合并控制，用“項(xiàng)目啟動(dòng)策劃表”代替原有報(bào)告，以評(píng)審會(huì)形式把控；②將元器件選用、設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)分析與控制、特性分析、測(cè)試覆蓋性分析等項(xiàng)目合并控制，用“設(shè)計(jì)報(bào)告”代替原有報(bào)告，以評(píng)審會(huì)形式把控；③將備料審查用“備料確認(rèn)單”的方式，以各方簽署確認(rèn)形式把控；④將轉(zhuǎn)階段或出廠確認(rèn)用“研制總結(jié)檢查表”的方式，以評(píng)審或各方簽署確認(rèn)形式把控；⑤對(duì)新研產(chǎn)品，將評(píng)審提前到模樣階段進(jìn)行，提前把控，以盡可能減少后期設(shè)計(jì)反復(fù)。

3.3 簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)包要求

對(duì)傳統(tǒng)宇航型號(hào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)包進(jìn)行了合并、刪減，將原100 余份數(shù)據(jù)包要求縮減至39 份。

用表格的形式代替部分原有的報(bào)告，去掉套話，減輕編寫壓力。例如，用“項(xiàng)目啟動(dòng)策劃表”代替實(shí)現(xiàn)策劃書和開發(fā)策劃書、用“備料確認(rèn)單”代替?zhèn)淞显u(píng)審報(bào)告、用“生產(chǎn)準(zhǔn)備檢查表”代替生產(chǎn)準(zhǔn)備確認(rèn)報(bào)告、用“研制總結(jié)檢查表”代替研制總結(jié)報(bào)告。

將部分原有報(bào)告合并，內(nèi)容應(yīng)有盡有，簡(jiǎn)化模板。例如，將單項(xiàng)設(shè)計(jì)報(bào)告合并至“設(shè)計(jì)報(bào)告”中；工藝相關(guān)文件合并至“工藝流程卡”中；研制總結(jié)、產(chǎn)保總結(jié)等總結(jié)性內(nèi)容合并至“研制總結(jié)檢查表”中。

改變歸檔形式，迎合實(shí)際使用需求，簡(jiǎn)化歸檔手續(xù)。將結(jié)構(gòu)圖紙歸檔改為結(jié)構(gòu)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(kù)。

3.4 優(yōu)化元器件選型及篩選流程

3.4.1 優(yōu)化元器件選型要求

器件選型是源頭控制，針對(duì)的是各類元器件的型號(hào)規(guī)格、供應(yīng)商、封裝形式等，壓縮選型品種，并確保選擇的生產(chǎn)廠、器件型號(hào)符合應(yīng)用的可靠性預(yù)期，確認(rèn)是否可以進(jìn)行連續(xù)性的批采購(gòu)[4]。

商業(yè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)用元器件選用總體原則是根據(jù)單機(jī)中各功能的關(guān)鍵級(jí)別進(jìn)行差異化選用，盡量選用低成本器件，能從設(shè)計(jì)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(gè)方面。

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

b）進(jìn)口元器件質(zhì)量等級(jí)不低于工業(yè)級(jí)，優(yōu)先選用汽車級(jí)和軍溫塑封電路；國(guó)產(chǎn)元器件質(zhì)量等級(jí)不低于工業(yè)級(jí)，無(wú)工業(yè)級(jí)元器件時(shí)最低選用普軍級(jí)，必要時(shí)可選擇三溫合格品；

c）根據(jù)衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星壽命優(yōu)先選擇總劑量指標(biāo)滿足要求的COTS 元器件；

d）選用COTS 元器件時(shí)優(yōu)選有過飛行經(jīng)歷的元器件；

e）優(yōu)先選用MRAM（磁阻存儲(chǔ)器）和FeRAM（鐵電存儲(chǔ)器）替代PROM；

f）對(duì)于總劑量指標(biāo)不滿足要求的元器件，需要針對(duì)性地采取加固設(shè)計(jì)措施；

g）慎選有低劑量率效應(yīng)的元器件，必須選用時(shí)需采取有針對(duì)性的加固設(shè)計(jì)措施；

h）慎選工藝線寬小于40nm 的元器件，必須選用時(shí)需采取有針對(duì)性的冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)。

3.4.2 優(yōu)化元器件篩選流程

參考SpaceX 星鏈篩選流程，結(jié)合已發(fā)射商業(yè)任務(wù)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(jī)關(guān)鍵程度作為篩選項(xiàng)目選擇的根本依據(jù)，當(dāng)單機(jī)關(guān)鍵程度高、要求最低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，采用定制式質(zhì)保模式，在圖1 基礎(chǔ)上增加考核項(xiàng)。其他單機(jī)執(zhí)行圖1 篩選流程。②所有元器件均需進(jìn)行“器件級(jí)篩選＋板級(jí)篩選”兩級(jí)篩選。

圖1 商業(yè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)元器件篩選流程

4 實(shí)踐效果和總結(jié)

通過對(duì)商業(yè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)產(chǎn)品管控新模式的探索，開展對(duì)商業(yè)航天領(lǐng)域的宇航計(jì)算機(jī)產(chǎn)品研制體系戰(zhàn)略研究，發(fā)布了 《商業(yè)衛(wèi)星配套產(chǎn)品質(zhì)量管控辦法》。以某綜合電子計(jì)算機(jī)（配套2 顆星）、某星務(wù)計(jì)算機(jī)（配套6 顆星）為例，將原來超過1 年的研制周期壓縮至6 個(gè)月之內(nèi)，且完整經(jīng)歷了地面驗(yàn)證件和飛行件2 個(gè)階段，有效縮短研制周期的同時(shí)保證了產(chǎn)品的可靠性。某星務(wù)計(jì)算機(jī)（配套12 顆星），生產(chǎn)成本壓縮50%左右；某高性能計(jì)算機(jī)，生產(chǎn)批量達(dá)20 套/批時(shí)，可將生產(chǎn)成本控制在6 萬(wàn)元以內(nèi)。

針對(duì)國(guó)家衛(wèi)星組網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)劃和近10 年上萬(wàn)顆體量對(duì)商業(yè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的海量需求，開展相應(yīng)的質(zhì)量管控方法研究，一定程度上可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間成本、人力成本和經(jīng)濟(jì)成本的有效降低，為商業(yè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)發(fā)展提供管理依據(jù)和支撐，也可以為未來更科學(xué)更精準(zhǔn)的衛(wèi)星產(chǎn)品差異化管控提供數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。