北斗導航試驗衛星綜合電子軟件研制管理經驗與啟示

常克武 賈衛松

(1 中國衛星導航系統管理辦公室，北京 100054)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

北斗導航試驗衛星綜合電子軟件研制管理經驗與啟示

常克武1賈衛松2

(1 中國衛星導航系統管理辦公室，北京 100054)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

從軟件管理、研制流程、溝通機制、開發模式、配置管理、產品質量6個方面總結了北斗全球衛星導航系統試驗衛星綜合電子軟件研制工作管理實踐的主要措施，通過研制成果驗證了管理實踐措施的有效性，并概括了對北斗全球衛星導航系統組網建設及其他后續衛星的軟件研制的啟示。

北斗全球衛星導航系統試驗衛星；綜合電子軟件；管理；啟示

1 引言

北斗全球衛星導航系統試驗衛星(以下簡稱試驗衛星)目的是完成總體方案和技術體制、關鍵技術、系統間接口和運行管理的在軌試驗與驗證，確定全球系統技術狀態，為北斗全球導航衛星系統組網建設提供支持。綜合電子系統是衛星信息處理中樞核心，是對衛星進行高效可靠的管理和控制，在整星甚至星座內進行信息統一處理和共享，實現多航天器、航天器內多應用過程與多用戶之間任務協同[1]的一體化電子系統。試驗衛星綜合電子系統軟件(以下簡稱綜合電子軟件)裝載于綜合電子系統設備中，是實現系統能力的核心。由于綜合電子軟件技術狀態新、要求自主運行、需求迭代次數多、測試驗證復雜、多系統配合、資源緊張等難點，因此，綜合電子軟件研制管理工作過程中采取了多項新措施。

綜合電子軟件交付后，經歷了整星電測、力學試驗、熱真空試驗及發射場測試等階段，技術狀態嚴格受控；在衛星發射后，各項在軌驗證與技術試驗中綜合電子軟件功能及性能均滿足需求，并健康穩定運行。這些都充分說明了綜合電子軟件質量保證充分，過程管理有效。綜合電子軟件研制工作的管理實踐，為后續正樣組網衛星的批量化生產奠定了技術、生產與組織管理等方面的堅實基礎。

本文分析了綜合電子軟件研制的任務特點，從軟件管理、研制流程等6個方面詳細闡述了管理實踐的主要新措施，根據實踐效果為后續衛星的軟件研制提出了建議。

2 綜合電子軟件研制任務特點

1)技術狀態新

試驗衛星的新環境、新模式、新技術、新狀態較多，同時整星研制進度緊張。為支持整星快速測試驗證，綜合電子軟件需要在整星構建初期便提供先期驗證版本，并在之后不斷根據設計狀態的變更及需求的增加而升級。而整星諸多設備的信息需求及接口變化，均需要迅速在綜合電子軟件中得到服務響應，并進行版本維護。

2)信息流復雜

試驗衛星信息傳輸通道接口多，信息類型豐富，信息路徑關系復雜，涉及地面測控、地面運控、星間通信各大系統接口。綜合電子系統是信息樞紐，其軟件承擔了信息處理及協議轉換的核心業務。測控/運控/星間三條鏈路相互備份，使信息的梳理及測試驗證工作更加復雜。

3)研制單位交叉

綜合電子軟件采用全新的配套開發模式，各單位的配置項通過聯合編譯形成最終的目標碼。配置項之間交互的匹配性直接影響產品運行的正確性和穩定性。不同單位并行研制并進行交叉交付與驗證，給工程管理帶來了新的特點。

4)多星并行研制

試驗衛星由多顆中高度地球軌道(MEO)衛星和傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星組成。MEO衛星發射采用多星發射，每兩次發射時間僅間隔3個月。多星并行研制涉及人員、設備資源、地面測試環境等關鍵生產要素的協調，給整個研制進度帶來較大風險。多星項目進度的緊迫性又使軟件測試周期縮至最短，測試完備性較難保證。星間鏈路對接、測控對接和運控對接等試驗多線并舉，使軟件研制時間更加緊迫。

3 綜合電子軟件研制管理實踐

1)理論實踐結合，規范軟件管理

《軍用軟件研制能力成熟度模型》(GJB 5000A)借用了美國卡內基-梅隆大學的軟件工程研究所(SEI)為美國國防部研究制訂的一種評估軟件承包商能力的辦法，強調通過“過程管理”能力的提高，最終實現軟件研制質量由組織的過程管理而非研發團隊的能力來決定[2]。

在研制、管理難度大的背景下，綜合電子軟件研制工作將GJB 5000A理論與項目實踐相結合，按照GJB 5000A三級的18個“過程域”的要求，將軟件的研制過程細分為配置管理、測量與分析、項目監控、項目策劃、過程和產品質量保證、需求管理、供方協議管理、決策分析和決定、集成項目管理、組織過程定義、組織過程焦點、組織培訓、產品集成、需求開發、風險管理、技術解決方案、確認和驗證等，并分別制定了管理要求。

項目策劃過程中，依照“集成項目管理、風險管理、確認與驗證”等過程域的要求，對軟件研制的工作量、進度進行了估計，制訂了詳細的進度表及風險管理計劃、利益相關方參與計劃、資源管理計劃、測試與驗證計劃、配置管理計劃，并對需重點決策的事件進行評估，規范了軟件管理過程。

2)優化研制流程，分步策劃實施

綜合電子技術狀態新，當單機硬件研制結束時整星電測節點也很臨近，造成軟件研制時間緊張。此外，軟件研制流程同時受到地面測試設備及需求確定性的制約，任何一個環節控制不好，都有可能導致生產計劃后延。按照識別優化項目、確定優化目標、制定優化方案、實施優化策略的步驟[3]，軟件項目組在策劃中對全生命周期的工作進行細致全面分解，準確分析短板和風險點，并對優化后的方案分步實施，圖1為綜合電子分系統軟件研制的主要歷程。一方面將軟件研制啟動時間提前，充分利用軟仿真形成初始版本，當硬件到位時第一時間加載調試成型軟件；另一方面明確關鍵短線并重點監控，對難點和風險點制定相應的措施；為確保多套正樣產品同時測試，增加關鍵單機的配套數量，提前啟動測試設備的研制，保證測試環境的完整性建設。

圖1 綜合電子軟件研制歷程Fig.1 Development of integrated electronic subsystem software

3)多單位交叉協作，建立溝通機制

綜合電子軟件中的核心是由多單位的軟件聯合編譯而成，多方協同的關鍵在于軟件接口界面。為保證風險可控，在任務分解的基礎上，首先明確多方軟件的功能和職責，進而劃定軟件接口的數據流向、責任控制主體，確保接口定義清晰嚴密；為保證各方軟件故障隔離，對資源分配、編碼規則、數據交互、任務模式進行統一約定， 規避內存訪問越界、時序死鎖等軟件間的安全性影響；在軟件交付中采用交叉交付模式，創建聯合開發框架，由A單位先行將程序交付B單位，B單位對軟件進行合版編譯后，交付A單位進行后續開發，采用分時聯試的方法進行驗證，從流程上避免交叉協作對研制主線的影響。形成接口控制協議及接口程序復查報告，并由專家審查把關。建立溝通機制，加強項目辦公室與設計師對科研進度匹配的溝通；加強分系統間軟件接口及聯試溝通，加強芯片及單機生產方溝通，消除多單位間可能存在的責任不落實項目，避免模糊區域存在。

4)敏捷開發，嚴控技術狀態

為保證在需求變化，尤其是自主運行技術狀態不確定情形下的軟件質量控制，綜合電子軟件采用敏捷開發與傳統瀑布模型結合的方式。敏捷軟件開發是一種應對變化需求，以人為核心、迭代、循序漸進的開發方法，可以持續、快速交付高質量軟件[4]。在敏捷開發中，把綜合電子軟件項目切分為多個相互聯系，但也可獨立運行的子項目。各個子項目的成果都經過測試，具備集成和可運行的特征，由不同設計師分別完成。在開發過程中集成軟件一直處于可使用狀態，隨時可以交付整星配合各分系統及單機的驗證。同時，為保證敏捷開發中軟件功能擴展更改的技術狀態控制，從項目有效性、影響分析完整性、試驗驗證充分性及更改落實全面性等多方面進行[5]。指定專人跟蹤技術狀態的確定與科研協調，并由設計師分別負責追蹤子項目的更動影響分析、試驗驗證及更改落實情況，確保全研制生命周期的質量可控。

5)優化配置管理，主體與變體控制

為了規范多星軟件并行研制流程，統一研制管理和實施要求，保證軟件工程化工作有序開展，綜合電子軟件采用主體與變體配置管理模式。將僅通過修改參數或者完全不修改即可滿足型號多顆衛星使用需求的軟件配置項作為主體；以每顆衛星根據本身固有的需求，在主體基礎上進行參數修改，而形成的可裝載于某顆衛星上的軟件配置項作為變體。通過記錄主體的研制和演進歷程及相應配置狀態形成主線，通過記錄變體在主體基礎上經過的研制和演進歷程及相應配置狀態形成分支。試驗衛星以全球衛星導航系統衛星的綜合電子軟件配置項為主體，形成MEO軌道雙星和IGSO軌道衛星3個分支的變體，在確保軟件質量的前提下剔除重復的開發步驟，提高軟件研制效率。圖2為主體、變體、主線和分支的演進圖。

圖2 主體、變體、主線和分支的演進Fig.2 Evolution of subject,variant,main line and branch

6)強化可靠性設計，規范分析測試

在信息流復雜、進度緊張的前提下，任何疏忽都可能對研制工作造成顛覆性影響，規范產品的可靠性設計、分析、試驗和驗證過程成為重中之重[6]。可靠性工作圍繞軟件工程化、輸入條件梳理及接口復查、分系統軟件測試的覆蓋性檢查3個方面展開。嚴格按照軟件工程化流程[7]，首先形成設計文檔，在文檔經過評審、仔細推敲、覆蓋所有需求及故障響應后，方進行代碼升級或實現，避免由于分析不深入導致重復開發。對輸入條件進行清理，對星內、星地、星間數據流進行清理并進行專家把關審查，形成準確的技術狀態基線。提前策劃及投產測試設備，專人負責清理測試細則，并通過評審確定用例的測試覆蓋性；大力推進自動化測試設備研制，以期在縮短軟件產品測試周期的同時保證交付質量。

4 啟示

通過研制過程的合理管控，綜合電子軟件在各研制階段技術狀態嚴格受控，并按計劃交付用戶。在各階段測試及試驗過程中，軟件可靠性指標、數據存儲余量、總線負載余量、處理器機時裕度均滿足指標要求，軟件落焊后故障率為0%，星間-星地信息流等專項復查項目都無隱患，軟件出廠后無質量問題發生。試驗衛星綜合電子軟件研制工作管理實踐為組網星的批量生產積累了經驗，也為其他衛星的軟件研制提供了借鑒，并得到如下啟示。

1)以GJB 5000A理論指導過程管理

過程管理是保證軟件產品質量穩定的重要手段，GJB 5000A及軟件能力成熟度模型(CMM)理論已是國內外軍、民公認的管理理論基礎，并在綜合電子軟件研制中起到了重要作用。組網星軟件產品研制有試驗衛星軟件研制的基礎，但也面臨著批量大、研制人員少和進度緊張等新風險。在組網星軟件研制中，首先要堅持以先進的GJB 5000A來進行項目管理，確定軟件管理的理論基礎。只有這樣，才能確保軟件研制的各個方面都得到有效管理，指導資源的分配和保證項目各個階段的狀態得到控制，才能最終保證軟件產品研制的效率和質量。

2)以瀑布模型為基礎開展敏捷開發

傳統軟件開發采用瀑布模型，強制開發人員采用規范的方法，嚴格規定每個階段必須提交的文檔，要求每個階段交出的所有產品都必須經過質量保證小組的仔細驗證，以保證軟件的質量。但是瀑布模型存在缺點：在軟件正式交付之前，總體僅能通過文檔了解產品狀態，而且由于衛星軟件研制周期較長[8]、技術狀態新，期間軟件的需求必然會發生變化。試驗衛星綜合電子軟件在以瀑布模型基礎上融合敏捷開發模式，使軟件研制進度快速推進，在保證控制技術狀態的基礎上為衛星提供了最優的功能解決方案。組網星研制時間更加緊張，綜合電子軟件的敏捷迭代開發的優勢將更加明顯。敏捷開發與瀑布模型結合的關鍵是：迭代過程應盡量避免更動已經完成的模塊，否則會導致重復測試，反而使進度拖延。

3)以主體與變體配置管理嚴控技術狀態

綜合電子軟件經歷開發及回歸測試等多階段版本升級，軟件技術狀態嚴格受控，主線及多星分支演進層次清晰，主體及變體之間差異明確，主體確定后變體研制速度提升80%，充分證明基于主體和變體的配置管理模式對全球衛星導航系統衛星的組網建設有效適用。在配置管理操作方法上，由于變體需求的提出來源于主體基礎上的修改，而其研制及演進歷程分支與主體獨立存在，因而在制定主體需求時，應全面覆蓋且明確變體修改部分，簡化流程并提高研制效率。

5 結束語

試驗衛星綜合電子軟件研制工作的管理經驗，為后續組網衛星的批量化生產奠定了技術、生產與組織管理等方面的堅實基礎。研制團隊在規定的時間內，以嚴格受控的技術狀態，安全可靠的軟件質量，緊密匹配的整星技術流程，圓滿完成了研制任務，實現了軟件在軌穩定運行。其在軟件過程管理、質量保證、風險控制、流程優化、配置管理等方面的探索與實踐的經驗，對導航衛星及其他后續衛星軟件研制有重要參考價值。

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(編輯：張小琳)

Practice and Inspiration in Development of Integrated Electronic Subsystem Software for Test Satellite of Beidou Navigation Satellite System

CHANG Kewu1JIA Weisong2

(1 China Satellite Navigation Office，Beijing 100054，China) (2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

New technologies, such as complex information flow, cooperation of department and concurrent development of multi-satellite, bring about great challenge to the management of integrated electronic subsystem software.This paper summarizes the main measures of management in six respects: GJB 5000A, technological process, communication mechanism, development model, configuration management and product quality, verifies effectiveness of the measures by the development achievements and outlines the inspiration for the management of software deve-lopment in the construction of Beidou global navigation satellite system and other satellites.

test satellite of Beidou global navigation satellite system; integrated electronic subsystem software; management; inspiration

2016-06-30；

2016-07-12

國家重大科技專項工程

常克武，男，碩士研究生，工程師，從事導航衛星總體設計與研制管理工作。Email：changkewu@163.com。

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.04.017