批產航天器設備布局研究

周孝倫 武向軍 郝文宇 叢飛 梁翠娜

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

航天器通常為單顆研制，難以批量設計和生產［1］。導航衛星是一類特殊航天器，需要幾十顆相同功能的衛星共同在軌運行，形成星座系統［2-3］。全球導航系統一般由24顆以上組成，如美國GPS系統、歐洲Galileo和俄羅斯的Glonass導航系統衛星數量都超過24顆，此類衛星已達到小批量的研制條件（一般超過5顆即為小批量）。導航載荷是導航衛星的主載荷，除導航載荷外，導航衛星一般還配置有通信轉發、空間探測和其它探測或測試的載荷，進而實現衛星平臺能力應用的最大化和載荷功能的多元化；同導航載荷相比，這些載荷可稱作搭載載荷；各類軌道衛星、同類軌道不同序號衛星間搭載載荷通常存在差異，另外，由于不同廠家研制水平的不同，導致同類設備不同研制廠家之間存在技術狀態不同，決定了導航衛星具有小批量、多狀態的特點［4］。

導航衛星的出現，對以單星研制為主的航天器研制模式、設計慣例提出了挑戰；衛星總體必須調整工作模式，滿足導航衛星小批量、多狀態的需要。本文在總結前期航天器研制經驗的基礎上，提出了以艙板布局設計作為基本單元進行小批量、多狀態航天器布局設計狀態控制的解決方案，并與產品數據管理系統有機結合，實現了批產航天器的設備布局狀態管理。

2 批產航天器設備布局設計的難點分析

航天器研制是一項系統工程，具有系統復雜、技術密集、綜合性強等特點，在系統層面與運載、發射場、測控、運控等大系統存在接口，在分系統層面包括十多個分系統，如結構、熱控、能源、測控、控制、推進、綜合電子、載荷等分系統；研制過程包括需求分析、方案設計、加工制造、總裝與測試、發射與在軌管理等階段，設計是航天器研制的一類重要活動；航天器設計包括總體設計、分系統設計和設備設計等多個層次；總體設計主要負責系統級設計，包括總體方案設計、系統指標分解、任務規劃、設備布局設計等工作［1，6］。如何在有限的尺寸包絡內完成航天器設備布局設計，提供各設備的工作條件，達到飛行任務的各項指標是航天器設備布局設計的主要問題［1，5-6］。

相對于單星研制，批產航天器研制是更加復雜的系統工程，對總體設計提出了更高要求，總體設計應確保不同設備配置、同類設備不同技術狀態下總裝、測試與在軌運行，因而，設計難度更大。針對航天器多狀態（多配置），總體設計可通過兩種方式解決設備布局設計難題：①針對航天器每種配置狀態提供各自相應的設計方案；②針對所有配置狀態提供一套兼容性設計。本文認為第一種解決方式可行，原因是：第二種解決方式對總體設計提出了極高的要求，增加了設計難度、復雜度，且給后期生產、總裝測試埋下了隱患（也可能不存在滿足所有要求的兼容設計）；第一種解決方式減少了各配置之間的相互耦合，降低了設計難度，但對設計方法、布局狀態的控制，提出了更高要求；通過應用更科學的設計模式、更先進的信息化手段和更現代的管理手段，可以滿足設備布局狀態控制要求高等方面的要求。

3 基于艙板配置的設備布局方案

航天器通常包括載荷艙、服務艙和推進艙，每個艙包括多個艙板，艙板上安裝設備、總裝直屬件、管路、電纜和熱控設施等（圖1）；對于航天器設備布局設計，艙板布局是最基本的設計單元，每個航天器都是艙板的組合；航天器設備布局設計狀態的確定，即航天器各艙板布局設計狀態的確定；對于小批量、多狀態航天器研制，完成了各種配置狀態下的艙板布局設計，即完成了多狀態批產航天器的基本設計，不同配置的航天器可通過相應狀態的艙板布局組合加以實現。

圖1 衛星組成Fig．1 Configuration of satellite

基于艙板配置的設備布局方案主要包括如下方面：①特殊設備識別；②配置狀態矩陣制定；③配置狀態轉化；④配置狀態編碼；⑤配置組合。為說明此解決方案，本文通過應用案例進行描述。

（1）特殊設備識別。特殊設備包括搭載設備和因研制廠家不同導致技術狀態不同的設備，這里稱為特殊設備，其它稱為普通設備；由于特殊設備的配置不同，導致了同類航天器設計狀態的不同，因此，本文對特殊設備進行識別與匯總，通過特殊設備的配置狀態確定航天器的型號特征。

這里以某衛星星座為例對特殊設備進行說明。該星座特殊設備共4類，分別為設備A、B、C 和D，其中A、B和C是搭載設備，D 是多個廠家分別研制的同類設備，D 設備的研制廠家分別為X 廠、Y 廠和Z廠，研制的設備分別為D-X、D-Y 和D-Z。

（2）配置狀態矩陣制定。衛星總體根據頂層任務要求和設備分工定點要求確定各類衛星設備配置狀態。在各種配置的航天器差異性比對中，特殊設備使用情況反映了該航天器的設計特征，因此需形成各型航天器特殊設備配置狀態矩陣，通過狀態矩陣描述特殊設備配置情況。

此星座衛星共有6種配置，各型衛星配置情況見表1（標有“√”記號表示此型衛星配置有該設備，空白表示未配置該設備）；該配置矩陣標明了各型衛星的特殊設備應用情況。

表1 設備配置狀態矩陣Table 1 Satellite configuration state matrix

（3）配置狀態轉化。配置確定后，衛星總體按照配置開展設備布局設計。布局過程是一種綜合考慮機、光、電、熱、磁等條件的多學科優化過程［1，5-6］，經過多輪的迭代設計，最終完成各設備在衛星艙板上的布局。

對于星座衛星，根據平臺化、模塊化和產品化的基本要求，衛星總體應確保6型衛星（I型、II型、III型、IV型、V型和VI型）中通用設備的布局應盡量相同，特殊設備所在艙板盡量明確，并與普通設備布局區域相對獨立，減少相互之間的耦合；對于僅安裝普通設備的艙板，在各型衛星中布局相同，這些艙板被稱為單態板；對于安裝有特殊設備的艙板，不同衛星中，布局情況不同，即同一艙板在不同衛星中存在不同的布局狀態，本文將此類艙板稱為多態板。各型衛星都是單態板和多態板的組合，衛星的多狀態最終反映為某些艙板的多狀態。

（4）配置狀態編碼。為有效控制多態板的配置狀態，需對多態板的不同配置狀態進行編碼，用于區分不同狀態的設計文件、模型與圖紙，進而形成與各自狀態相對應的設計文件、模型與圖紙集合。

設備A 和D 安裝在艙板31-0上，設備B 和C安裝在艙板33-0上，根據表1中各型衛星的設備配置情況，艙板31-0存在5種布局狀態，艙板33-0存在3種布局狀態，配置狀態編碼情況見表2。

表2 艙板設計狀態編碼Table 2 Coding for structure board design state

31-0板5種配置對應的狀態編碼分別為：31-0＿S1、31-0＿S2、31-0＿S3、31-0＿S4和31-0＿S5，各編號對應的配置情況見表2。

33-0板3中配置對應的狀態編碼分別為：33-0＿S1、33-0＿S2和33-0＿S3，各編號對應的配置情況見表2。

（5）配置組合。多態板的每種配置狀態與單態板共同組成衛星艙板的基本狀態集合，各型衛星是多態板的其中一個配置狀態與單態板的組合。衛星艙板投產時，衛星總體根據衛星配置情況對單態板和多態板所對應的艙板進行組合。6型衛星多態板組合情況見表3。

這里通過上述例子，說明基于艙板配置的設備布局方案應用過程：①通過特殊設備識別，確定星座中特殊設備種類情況；②根據分工定點，確定各衛星上特殊設備的應用情況，并形成設備配置狀態矩陣（表1）；③結合衛星設備布局和配置，確定單態板和多態板；④對多態板進行編碼（表2），形成艙板數據集；⑤根據衛星設備配置，從艙板數據集中抽取數據，構成對應類型的衛星數據（表3）。通過以上過程完成基于艙板配置的整星數據信息配置管理。

4 產品數據管理系統中的設備布局狀態管理

航天器設計過程是多系統、多學科、多廠所協同工作的過程，設計過程中會產生大量的設計文件、模型和圖紙等載體，這里統稱為數據文件。各類數據文件相互協調、共同確定航天器的設計狀態，從而，航天器設計狀態的管理可以歸結為數據文件的管理。數據文件通常借助產品數據管理系統進行管理，這些系統一般具有文件管理、版本管理、更改管理、送審管理、查詢管理、權限管理、借用管理等功能，使航天器文件、模型和圖紙在研制過程中內容受控、共享和再利用，實現信息數據的計算機管理，提高設計的效率［7-8］。當前，數據管理系統有很多種，相互之間存在差異，但應具有如下2項基本功能：

（1）數據管理。支持分布式異構數據存儲、查詢和管理功能，進行數據的檢入、修改、送審和后期利用；具備權限管理功能，通過權限管理確保許可的人，在許可的時間，以許可的方式進行許可的操作；具備版本管理功能，通過版本區分不同時段的設計信息，從而保存中間過程的設計信息，確保設計信息的可追溯性［9-10］。

（2）產品結構管理。通過視圖和明細表，實現對產品結構和物料清單管理；任何產品通常由一系列的零件、部件組成，將部件進一步分解，直到不能再分解，形成一個倒立分層的樹狀結構，稱為產品結構樹，簡稱產品結構。產品結構反映了產品的零部件層次關系，使得產品的結構關系清晰可見［10-11］。

產品數據管理系統的上述功能在小批量、多狀態的航天器研制中廣泛應用。數據管理功能促進批產航天器數據管理與相互借用，避免重復設計、設計數據重復導入；產品結構功能支持產品設計狀態分解，促進設計改進型快速實現，方便配置管理和技術狀態控制。

使用產品數據管理系統進行設備布局狀態管理時，單態板和多態艙板分別建立與之對應的獨立節點，節點下包含與艙板相對應的布局文件、模型和圖紙，任何一個艙板節點都是該艙板相關布局信息的數據集。小批量、多狀態航天器的任一狀態都是單態板和多態板數據集的組合，任一狀態航天器的設計數據都是共用艙板設計數據與多態艙板設計數據的組合；從而降低設計的難度，給小批量、多狀態航天器設計、管理提供有效的途徑和方式。

5 導航衛星設備布局方案

在導航衛星研制過程中，應用基于艙板配置的設備布局方案對衛星設備布局狀態進行了控制。首先確定了衛星特殊設備，包括搭載設備4類，分別為JY01、JY02、JY03和JY04，不同技術狀態設備2類，分別為D01和D02；其中D01有兩個研制廠家X 和Y，研制的設備分別為D01X 和D01Y；D02有兩個研制廠家S和T，研制的設備分別為D02S和D02T。這些設備分別安裝在11-0、12-0和13-0艙板上，艙板11-0 共有3 種配置，艙板12-0和13-0分別有2種配置；各自的狀態編號分別為11-0＿S1、11-0＿S2、11-0＿S3、12-0＿S1、12-0＿S2、13-0＿S1和13-0＿S2，衛星多態板及特殊設備配置情況見圖2。

圖2 各衛星設備布局狀態Fig．2 Layout state for each satellite

該方案與產品數據管理系統結合，實現了衛星單態板和多態艙板的設備布局狀態管理，同一布局狀態的數據在系統中集中管理，形成產品數據集；并結合版本管理、有效性管理對各版本關于批發次的有效性［12］情況進行清晰的界定，見圖3。

圖3 衛星設備布局配置Fig．3 Satellite equipments layout configuration

圖3中公共數據集中管理了單態板和多態板每種狀態的布局數據，各型衛星，如圖3中I型衛星數據直接從公共數據集中提取符合要求的布局數據，即可快速構建I型衛星產品結構樹，從而實現各型衛星設計狀態的清晰管理。該方案解決了多方案設計中的設計狀態控制的難題，簡化了控制方法，使得各衛星的狀態準確明了。

6 結束語

本文針對小批量、多狀態航天器的設計狀態控制難題，提出了基于艙板配置的設備布局狀態控制方案，通過特殊設備識別、配置狀態矩陣制定、配置狀態轉化、配置狀態編碼和配置組合實現批產航天器的設備布局狀態控制，并結合產品數據管理系統的實施，實現批產航天器的產品結構管理。降低了航天器總體設計難度，提高了工程實施的可行性和可實施性。本方案實施可行，可在具有類似特點的航天器研制工作中加以推廣。

（References）

［1］徐福祥．衛星工程概論［M］．北京：中國宇航出版社，2003

Xu Fuxiang．An introduction to satellite engineering［M］．Beijing：China Astronautics Press，2003（in Chinese）

［2］王惠南．GPS原理與應用［M］．北京：科學出版社，2004

Wang Huinan．Principle and application of GPS［M］．Beijing：Science Press，2004（in Chinese）

［3］邊少鋒．衛星導航系統概論［M］．北京：電子工業出版社，2005

Bian Shaofeng．An introduction to satellite navigation system［M］．Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2005（in Chinese）

［4］崔紹春．衛星有效載荷的地位和作用［J］．航天返回與遙感，2003，24（1）：61-65

Cui Shaochun．Position and effect of satellite payload［J］．Spacecraft Recovery ＆ Remote Sensing，2003，24（1）：61-65（in Chinese）

［5］王希季．衛星設計學［M］．上海：上海科學技術出版社，1997

Wang Xiji．Satellite design［M］．Shanghai：Shanghai Scientific ＆Technical Publishers，1997（in Chinese）

［6］彭成榮，航天器總體設計［M］．北京：中國科學技術出版社，2011

Peng Chengrong．System design of spacecraft［M］．Beijing：China Science and Technology Press，2011（in Chinese）

［7］童秉樞．產品數據管理（PDM）技術［M］．北京：清華大學出版社，2000

Tong Bingshu．Technology of product data management（PDM）［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2000（in Chinese）

［8］龐士宗．產品數據管理（PDM）［M］．北京：機械工業出版社，2001

Pang Shizong．Product data management（PDM）［M］．Beijing：China Machine Press，2001（in Chinese）

［9］范文慧．產品數據管理（PDM）的原理與實施［M］．北京：機械工業出版社，2004 Fan Wenhui．Principle and application of product data management（PDM）［M］．Beijing：China Machine Press，2004（in Chinese）

［10］葉曉俊．PDM 中的產品結構與配置管理［J］．計算機工程與應用，1999，35（5）：29-32

Ye Xiaojun．Product structure and configuration management in PDM［J］．Computer Engineering and Application，1999，35（5）：29-32（in Chinese）

［11］劉霞．衛星系統總體方案樹合成技術研究［J］．軍民兩用技術與產品，2006，10（8）：36-39

Liu Xia．The technology of synthesizing satellite system trade trees［J］．Dual Use Technologies ＆ Products，2006，10（8）：36-39（in Chinese）

［12］張榮霞．基于有效性的航天器批臺次技術狀態管理方法［J］．制造業自動化，2012，34（14）：79-81

Zhang Rongxia． Multi-product technical configuration management of spacecraft based on effectiveness［J］．Manufacturing Automation，2012，34（14）：79-81（in Chinese）