基于COTS的高性價比微小衛星研制管理模式研究

劉小彬 薛力軍 蘇燕

(深圳航天東方紅海特衛星有限公司,深圳 518054)

基于COTS的高性價比微小衛星研制管理模式研究

劉小彬 薛力軍 蘇燕

(深圳航天東方紅海特衛星有限公司,深圳 518054)

為實現微小衛星“新、快、好、省”的核心價值,通過開拓一號衛星和脈沖星試驗衛星研制實踐,對基于商用現貨產品(COTS)的微小衛星研制管理模式開展了深入研究,建立COTS的微小衛星通用產品體系,探索實踐“設計-制造”的衛星研制流程,形成一套COTS選用、篩選和應用的產品保證方法,確保衛星型號研制進度、質量、成本和風險可控,為加速推進微小衛星產業化發展探索實踐了有效的管理途徑。

商用現貨產品;產品體系;“設計-制造”流程;產品保證方法

1 引言

隨著航天技術的發展和市場競爭的日益激烈,“優先考慮開發效益”、“重視投入產出比”的市場經濟觀念逐漸主導了航天器開發及管理的全過程。微小衛星作為空間飛行器最活躍、進入門檻較低的領域,已成為國內外各航天機構爭先研究的熱點之一。

從全球范圍來看,近幾年來微小衛星在商業遙感領域取得了“井噴式”的發展,行星公司(Planet)的“鴿群”星座等項目已經取得成功經驗,空客公司眼下正以每天兩顆的速度為一網公司(OneWeb)制造由700多顆衛星組網的星座衛星,美國太空探索技術公司(Space X)等也正在開展數百顆低軌小衛星星座研制。這些公司采用低廉的微小衛星星座網絡顛覆了傳統模式。

隨著技術基礎的不斷累積,成熟的技術不斷用于航天產品的研制,國內微小衛星研制周期進一步縮短,但相對快速變化的國內外形勢和旺盛的市場需求,仍有很大差距。原有的研制生產模式已不能適應高密度發射、快速響應的需求。

與宇航發達國家相比,我國現有衛星研制生產模式重視成熟技術的集成,缺少成熟的商用現貨產品(COTS)。傳統宇航產品的研制模式以衛星型號任務為驅動,從元器件到功能模塊、再到單機、分系統,各級產品要重復設計、生產、試驗、應用等各個環節的全部研制活動;重復性的設計、分析、試驗、評審等活動占用了大量技術資源和人力資源,制約衛星研制生產效率,減緩了新技術研發和產品升級的速度。

一方面,國家對微小衛星研制模式轉型提出的迫切需求:新形勢下軍事戰略方針對能夠支撐天地一體化作戰的軍事航天裝備體系建設需求極為迫切;國民經濟各行業的轉型升級對天基信息服務的需求也愈發旺盛。另一方面,由于門檻較低,越來越多研制單位具備了微小衛星系統集成能力,更多研制企業的涌入,使得微小衛星在新技術、新產品的應用更為大膽,資本市場的加入,使得微小衛星在商業模式和研制模式的創新更為靈活,國內微小型航天器領域市場競爭態勢日趨激烈,必須同時滿足用戶壓縮成本與進度、保證質量與可靠性的需求。

微小衛星必須充分體現其“高性價比”的優勢,才能支撐起微小衛星日益旺盛的需求,真正實現微小衛星的“新、快、好、省”的核心價值。微小衛星研制的核心內涵,就是要按照科學、規范、先進、簡約的思路研制衛星,確保衛星“好用、可靠、經濟”,從選擇可用的商用現貨產品或技術入手,從源頭把控成本和進度;建立相應產品規范、技術標準和管理制度,確保衛星型號質量和可靠性受控;基于所選取的COTS,優化衛星研制流程,通過廣泛采用先進的設計、仿真方法和先進技術,實現衛星研制高性價比。

深圳航天東方紅海特衛星有限公司通過開拓一號衛星、脈沖星試驗衛星等型號研制,以創新的設計理念、科學的技術手段及合理的統籌管理方法,為基于COTS的微小衛星進行了有效的探索與實踐。

2 COTS高性價比微小衛星產品體系

隨著工業技術的發展,COTS的性能已經取得了長足的進步,大量的COTS已經具備了應用于航天的可能性。在國內外微小衛星研制中,已經有許多COTS實現了在軌飛行,并且都表現出了良好的性能和環境適應性。COTS的應用是微小衛星降低研制成本、縮短研制周期的主要解決途徑之一。

2.1 COTS選用及驗證情況

2.1.1 COTS選用及地面驗證情況

開拓一號衛星和脈沖星試驗衛星采用微小衛星公用平臺(CAST20平臺),選用了大量COTS,主要包括工業級PC104計算機、工業級18650鋰離子電池、工業級單晶硅太陽電池片、磁強計、磁力矩器、工業相機等現貨產品,以及采用工業級器件研制的測控模塊、數傳模塊、電源控制模塊等研制產品,如圖1所示。

通過開展對同類產品及供應商的廣泛遴選[1],選擇了性能穩定、功耗低、接口適合于微小衛星集成擴展的產品,針對性地對其開展了各項摸底試驗(含空間環境適應性摸底、鑒定級試驗及專項試驗),從單機或系統級進行了加固設計,確定COTS可于星上應用。

以開拓一號衛星為例,衛星采用了大量先進的工業新技術(25項)和新產品(18種),針對新選用的COTS共開展200多項試驗。以工業級PC104計算機和18650鋰離子電池為例試驗驗證情況見表1和表2。

現驗證分析如下:

(1)PC104計算機總劑量試驗。四片多路開關損壞,衛星總體通過分析將該器件更換成功能相同的其他公司生產的器件,通過了總劑量試驗。通過摸底試驗,剔除了有工藝缺陷、早期失效的器件,確保星載計算機部件交付整星后,滿足系統指標要求。

(2)18650鋰電池單體破壞試驗。“針刺試驗”未滿足試驗成功判據要求。考慮在衛星應用上不存在該故障模式,以及此型電池單體生產線的固化程度較高,故未對電池單體進行設計生產調整,判定單體破壞性試驗通過。

新選用的COTS采購回所后,經確認通過驗收級試驗后,才能交付整星、參與系統驗證。

表1 COTS PC104計算機板級/驗證試驗項目Table 1 COTS’PC104 computer board-level tests

表2 COTS 18650鋰電池板級/驗證試驗項目Table 2 COTS’18650 lithium-ion battery board-level tests

2.1.2 COTS在軌應用情況

開拓一號衛星順利通過整星力學、電磁兼容性(EMC)、熱、磁等大型試驗考核后,于2015年9月20日發射,目前已在軌超壽命期服役19個月;脈沖星試驗衛星于2016年11月發射,目前在軌運行穩定。星上選用的COTS通過了整星地面及飛行試驗考核,經過在軌驗證,納入公司微小衛星COTS單機產品型譜。

通過分析開拓一號衛星兩年以來的在軌異常情況,除整星安全模式主要是因為設備使用不當所致(載荷使用頻次過高導致蓄電池超限放電1次、工業級太陽陣產品固有質量特性導致性能蛻變、配置1只星敏感器導致星敏感器見月3次),其余異常主要是因工業級產品自身抗空間粒子環境的能力不足所致。其在軌異常情況,經過星上自主或地面遙控處理后均能恢復正常。

在軌異常處理經驗表明,采取系統級容錯措施,確保系統可用性及運行安全,是非常必要且有效的。

2.2 基于COTS的微小衛星產品體系建設

通過衛星研制實踐,形成了CAST20平臺基線和COTS單機產品型譜并每年度完善、更新,從組織層面強調源頭選用。同時收集、分析COTS在軌應用及地面驗證情況,開展COTS空間應用經驗庫建設,動態更新微小衛星產品手冊。

2.2.1 CAST20公用平臺產品體系

依托開拓一號A星(KT-1A)、脈沖星試驗01星(MCX)研制,開展CAST20公用平臺開發和驗證,建立CAST20公用平臺產品基線《CAST20公用平臺產品技術狀態基線報告》,結合某一號衛星、開拓一號B星(KT-1B)研制,進一步豐富CAST20公用平臺產品體系。

2.2.2 COTS單機產品型譜

基于COTS選用、篩選及在軌應用驗證,積累COTS空間應用經驗,開展COTS空間應用經驗總結,并形成COTS單機產品型譜(《深圳東方紅微小衛星COTS單機產品型譜表》)和經驗手冊(深圳東方紅COTS產品空間應用經驗手冊),不斷提升、完善公司提升商用現貨產品空間應用的質量和可靠性。

3 基于COTS的微小衛星研制流程

從圖2可以看出,2013年以來全球300 kg以下微小衛星呈爆發式增長,以微小衛星為代表的軌道革命已經來臨。與此同時,用戶要求衛星研制周期進一步縮短,對于微小衛星,從啟動項目研制到產品交付,提出了18個月甚至更短的交付期。原有的研制生產流程已不能適應高密度發射、快速響應的需求。

3.1 基于COTS的微小衛星研制階段劃分

基于全生命管理理論,各專業航天研制單位對航天器全生命周期進行了劃分,并在衛星型號研制管理中予以推行(表3)。衛星研制的核心工作主要在方案設計、初樣研制及正樣研制三個階段實現[2]。

基于所選用的COTS型譜產品可即時采購、批量獲得、成本低廉,深圳東方紅海特衛星有限公司在充分分析、繼承傳統衛星型號研制工作項目的基礎上,將基于COTS的微小衛星研制流程進行了梳理,把傳統大衛星研制的方案、初樣與正樣階段重新定義為兩個階段:設計階段和制造階段,如圖3所示,以實現COTS的高性價比微小衛星的快速研制[3]。

表3 傳統航天器研制階段劃分Table 3 Development stages of traditional spacecraft

3.1.1 設計階段

設計階段包括任務可行性論證、方案設計和詳細設計過程[3],如圖4所示。控制要點如下。

(1)將方案和初樣階段合并,盡可能選用型譜現貨產品、減少研制產品的設計驗證工作,從而可有效壓縮設計階段研制周期、降低成本。

(2)對擬選用但暫未納入已發布的COTS單機型譜的COTS,要重點開展產品選用控制,主要工作包括:充分的供方及產品調研、基于產品特點開展摸底試驗(重點關注空間環境適應性)、確定產品方案滿足整星要求(必要時開展設計改進或采取系統冗余設計等措施),并完成相應評審及接口數據單(IDS)簽署。

(3)根據衛星特點,開展技術風險分析,根據分析結果,設計、制定有針對性的產品級與整星級設計驗證項目并實施,基于驗證結果確認系統級風險可控。

3.1.2 制造階段

制造階段包括系統集成、系統確認試驗、測試和出廠發射過程,如圖5所示。控制要點如下。

(1)設計階段已識別技術風險已得到有效控制,直接啟動正樣星制造。

(2)可快速完成COST正樣產品采購(成本較低,可適當放量采購),通過篩選試驗驗證合格后入庫、領用上星。

(3)領用合格入庫但未作飛行件的產品作為驗證件,并行開展整星驗證件桌面聯試與正樣綜合測試,保證測試充分性,壓縮研制周期。

(4)基于批量化的微小衛星,開展衛星批量化組裝、測試及抽樣檢測,優化整星的試驗驗證流程,提高衛星研制效率和效益。

3.2 實物成果

3.2.1 開拓一號衛星

開拓一號衛星包括A星和B星兩顆技術試驗衛星,2015年9月20日發射,穩定運行至今。B星(立方星)作為A星載荷之一裝載于A衛星,構成子母星組合體。

衛星采用“設計-制造”兩階段研制流程,總研制周期縮短為20個月。

(1)設計階段:12個月,充分開展COTS調研、摸底試驗和鑒定試驗;

(2)制造階段:8個月,完成COTS部組件采購,集成、接口匹配性驗證、系統級測試與試驗,衛星出廠。

3.2.2 脈沖星試驗衛星

脈沖星試驗衛星采用與開拓一號A星相同的衛星平臺,大量采用已納入型譜的COTS,由于COTS的易獲得性,省略了傳統新研產品材料配套、設計確認、設計驗證試驗等工作,從而顯著地壓縮了研制周期,衛星任務確定后,從正樣研制到整星出廠,用時僅10個月。

開拓一號衛星和脈沖星試驗衛星外形如圖6所示。

3.3 “設計-制造”的研制流程優化

結合開拓一號和脈沖星試驗衛星的研制,深入分析了基于COTS的微小衛星產品特點,全面梳理了其研制流程,細化了“設計-制造”階段研制工作項目和工作流程,形成了基于COTS的微小衛星研制流程編制指南(《深圳東方紅商業化微小衛星研制技術流程編制指南HT/C-K-10》),涵蓋技術流程、計劃流程和產品保證流程內容。

4 基于COTS的微小衛星產品保證方法

基于COTS的高性價比微小衛星質量管理的核心工作,就是開展非宇航級產品的空間應用技術風險識別與控制方法研究。按照“邊研制、邊總結、邊固化”的工作思路,從工作類別和產品類別分別梳理產品保證經驗,建立一套產品規范體系,涵蓋COTS產品技術規范和產品保證管理規范,確保產品質量滿足要求,后續還將不斷補充完善。

4.1 微小衛星產品質量保證文件體系

微小衛星產品質量保證文件體系包括型號產品保證文件和產品保證標準規范、質量管理體系文件。三者與基于COTS的微小衛星產品保證規范的關系詳見圖7。基于實踐形成COTS產品規范作為第三層次文件發布,作為內部指導基于COTS的微小衛星研制的工作準則;在經過充分的在軌飛行驗證,積累足夠的飛行數據后,再將相關產品保證管理規范和技術規范由第三層次文件逐步提升為相應標準。

4.1.1 質量管理體系文件

質量管理體系文件是公司基于GJB9001質量管理體系要求已建立的涵蓋微小衛星設計開發、裝配、測試、試驗和服務過程實現的管理文件,以及相應的技術及操作規范文件[4]。

4.1.2 產品保證標準規范

產品保證標準規范是規范開展產品保證工作的依據,包括產品保證的管理標準和技術標準,主要沿襲航天相關標準規范要求。

4.1.3 衛星型號產品保證文件

型號產品保證文件,包括型號產品保證大綱和對各類采購及研制產品的保證要求,包括產品試驗要求、評審要求、驗收要求等,是產品保證工作有效落實的基礎,由各衛星型號組織制定。

4.2 基于COTS的微小衛星產品保證規范

基于大量的篩選試驗及產品測試,公司深入開展COTS研制試驗與鑒定試驗研究,摸索形成一套基于COTS的微小衛星產品規范,包括設計規范、篩選規范和應用規范等一系列文件[5]。

4.2.1 COTS保證思路

COTS的高性價比微小衛星產品保證建設思路,就是要“選好”、“篩好”、“用好”擬上星的COTS。

“選”:立足國內,選取業界技術領先、有高端市場供貨背景的供應商,對其提供的COTS開展摸底試驗,選到工藝可靠、可用于上星的COTS。

“篩”:建立COTS篩選試驗方法,剔除有工藝缺陷、器件早期失效的COTS,采取批量訂購的策略,批次性采購COTS,按正態分布原則對通過老煉篩選進行挑選,性能滿足要求的產品入庫存儲。

“用”:建立COTS部組件使用規范、抗空間環境的系統級設計方法,開展COTS應用設計,充分考慮降額(熱、力學、EMC、頻率試驗),依據設計規范,開展必要的輻射劑量屏蔽、系統級的糾錯和容錯設計等。

4.2.2 產品保證主要內容

COST的產品保證主要內容包括:①篩選試驗條件;②加固設計規范;③板級鑒定級試驗條件;④系統級糾錯;⑤容錯設計要求。

公司確定了COTS“選好、篩好、用好”的產品保證路徑,開展了大量的摸底試驗、研制試驗、鑒定試驗以及整星系統試驗,開拓一號衛星采用的COTS共計開展了200余次試驗,確保了上天產品滿足要求。

4.2.3 產品技術規范

通過試驗驗證,公司組織編制了14份COTS技術規范,包括12份COTS試驗規范、1份產品測試規范、1份設計規范和1份工藝規范,如表4所示。

通過開展地面試驗驗證,衛星總體對非宇航級產品的空間環境適應性進行了有效的評估和驗證,這些規范的形成,通過衛星型號在軌穩定的運行得到有力證明,為后續進一步開展COTS空間適應性分析提供了參考和依據。

表4 基于COTS的微小衛星產品規范Table 4 Criterions of micro-satellites with COTS

4.3 基于COTS的微小衛星產品保證管理規范

通過梳理,認為基于COTS的微小衛星產品實現過程與傳統衛星并無太大差異,但在產品選用、供方評定、產品驗收等管理過程存在較大差異。根據COTS的微小衛星研制特點,公司組織編制了一系列專項產品保證管理規范,以質量體系三層次文件形式發布,作為基于COTS的微小衛星產品保證工作開展的管理依據。目前,公司已制定并發布12項產品保證管理規范,涵蓋了產品保證相關要素,如表5所示。

表5 基于COTS的微小衛星產品保證管理規范Table 5 Quality assurance criterions of micro-satellites with COTS

5 結束語

深圳航天東方紅海特衛星有限公司將結合不斷出現的新任務,繼續探索實踐高性價比微小衛星的研制管理模式,針對COTS在高軌衛星中的應用以及延長COTS在軌壽命方面繼續開展研究;結合基于COTS的微小衛星任務,全面驗證高性價比微小衛星研制模式,形成全面涵蓋設計、研制、生產等各環節的一整套標準規范體系;建立完善的微小衛星產業鏈,積極探索微小衛星的“衛星工廠”研制模式,具備適應面向“百星”量級的任務開發和生產能力,提出基于星座的微小衛星研制生產模式方案建議,真正實現微小衛星產業化目標。

References)

[1]周云.采購成本控制與供應商管理[M].2版.北京:機械出版社,2014 Zhou Yun.Purchasing cost control and supplier management[M].2 edition.Beijing:China Machine Press,2014(in Chinese)

[2]楊保華.神舟七號飛船項目管理[M].北京:航空工業出版社,2010 Yang Baohua.Shenzhou-7 spaceship project management[M].Beijing:Aviation Industry Press,2010(in Chinese)

[3]譚維熾,胡金剛.航天器系統工程[M].北京:中國科學技術出版社,2009 Tan Weichi,Hu Jingang.Spacecraft system engineering[M].Beijing:China Science and Technology Press,2009(in Chinese)

[4]約瑟夫 M 朱蘭,約瑟夫 A 德費歐.朱蘭質量手冊:通向卓越績效的全面指南[M].6版.北京:中國人民大學出版社,2014 Jpseph M Juran,Jpseph A De Feo.JURAN’s quality handbook:the complete guide to performance excellence[M].6 edition.Beijing:China Renmin University Press,2014(in Chinese)

[5]徐強,施宏耕.產品保證[M].北京:中國宇航出版社,2017 Xu Qiang.Shi Honggeng.Product assurance[M].Beijing:China Astronautics Press,2017(in Chinese)

Study on Management Model of High Cost-effective Micro-satellites with COTS

LIU Xiaobin XUE Lijun SU Yan
(Shenzhen Aerospace Dongfanghong HIT Satellite Ltd,Shenzhen 518054,China)

In an effort to the core values‘Novel,Fast,Best,Economic’of the micro-satellites,the management model of the high cost-effective micro-satellite development has been explored practically.We investigated on the high cost-effective micro-satellites’product category,the quality guarantee methods based on the successful experience of the KT-1 and XPNAV-1 satellites.The design-manufacture procedures and the quality guarantee methods including the selection,studying and application of the COTS(Commercial Off-the-self)have been proposed for the high cost-effective micro-satellites.Such management model will ensure the high control of the research scheduling,quality,cost and risk,which will promote the rapid development of micro-satellite industrialization.

COTS;product category;design-manufacture procedures;quality guarantee

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.017

2017-09-22;

2017-09-29

劉小彬,女,高級工程師,從事航天器型號科研質量管理工作。Email:liuxiaobin@szhtdfh.com。

(編輯:張小琳)