面向商業市場需求的國外低軌通信衛星星座快速研制生產淺析

● 文|北京空間科技信息研究所 李瑩 戴陽利

本文介紹了低軌通信衛星星座的發展概述以及低軌通信衛星星座研制生產面臨的挑戰，并從組織模式、衛星制造策略、成本管理等多角度對國外低軌通信衛星星座研制采取的有效措施進行了剖析，以期為國內相關星座的建設提供借鑒參考。

一、概述

低軌通信衛星網絡具有通信距離遠、覆蓋區域大、信號衰減小、容量大等特點，利用低軌通信衛星星座打造具有全天候、全時段通信能力的信息基礎設施，實現全球移動通信無縫覆蓋，是衛星通信行業近三十年來始終堅持探索的發展方向。

20世紀90年代，人們開始關注中低軌道衛星通信系統建設，掀起了第一波通信衛星星座建設浪潮，國外提出了以銥星（Iridium）、全球星（GlobalStar）、軌道通信衛星（Orbcomm）為代表的數十個星座建設方案，但終因成本超出用戶承受能力、競爭不敵地面通信網絡導致系統失敗。通過破產收購、業務重組，僅有銥星公司（Iridium）、全球星公司（GlobalStar）、軌道通信公司（Orbcomm）三大系統得以艱難存活。從2007年開始，在業務增長趨于穩定的狀態下，三大運營商都在積極開展下一代衛星部署[1]。

自2013年開始，隨著全球一體化的快速發展，在全球大容量通信需求的牽引以及商業航天發展的帶動下，建設中低軌道通信衛星系統再次成為通信衛星產業的發展潮流。世界主要航天國家都在積極布局低軌通信衛星系統，以歐、美新興初創航天企業為代表，明確提出并獲得廣泛關注的星座計劃達十多個，星座規模從數十顆躍漲至數千甚至上萬顆，典型如一網公司（OneWeb）的系統規劃，第一代星座衛星多達882顆衛星[2]；美國太空探索技術公司（SpaceX）的星鏈（Starlink）規劃，計劃包含近1.2萬顆衛星[3]。

目前，中國傳統以及新興航天企業也緊隨發展潮流，結合軍民融合、民用空間基礎設施建設等重大發展機遇，積極開展低軌通信衛星星座試驗和建設，構建全球覆蓋、天地融通、應用豐富、安全可靠的衛星互聯網體系。如中國航天科技集團有限公司的“鴻雁計劃”、中國航天科工集團有限公司的“虹云計劃”等。

二、低軌通信衛星星座研制生產面臨的挑戰

建設低軌通信衛星星座不再只滿足于建成系統，而是需要統籌解決政策、資金、技術、市場等多層面、多角度的問題。就衛星研制生產而言，傳統生產單顆或幾顆衛星的生產模式已不能滿足當下大規模星座成本與周期的要求，星座的研制與生產面臨新的特點與挑戰。

1.星座規模驟增

與第一波低軌通信衛星星座建設浪潮不同，新一代低軌通信衛星星座規模發生了質的變化。第一批低軌通信星座規模都在數十顆量級，Iridium系統包含分布在6個極地圓軌道面的72顆星（66顆工作星+6顆備用星），GlobalStar包含分布在8個傾角為52°的圓形軌道平面上的56顆衛星（48顆工作星+8顆備份星），Orbcomm也包含分布在7個軌道面上的48顆衛星。新一代低軌通信星座包括OneWeb、波音（Boeing）、SpaceX等在內的多個計劃星座數量都達到了數百、數千顆甚至上萬顆量級。這對衛星的生產方式甚至理念都帶來了巨大的挑戰。

2.建設成本降低

商業通信衛星的研制以滿足用戶需求和實現市場價值為基本目標，要求在保證產品可靠性的前提下，最大化控制成本，以盡量低的成本投入市場，獲得競爭力，這就對衛星研制過程的成本提出了更高的要求。Iridium下一代系統在性能上比第一代更強，但建設成本卻只有一代系統的50%左右。OneWeb星座第一代系統的建設成本估算約為25—35億美元，單星造價成本僅有60萬美元左右。在現有研制生產模式下，很難達到成本要求，獲得市場競爭力，這就要求制造商在衛星的研制過程中都盡量采用先進的制造理念及技術，通過批量化生產降低星座系統的建設成本。

3.研制周期縮短

低軌通信衛星星座的研制、發射周期較短，且一般在部署一定數量的衛星后，才能為特定地區提供不間斷的持續服務。OneWeb星座2018年開始部署，2019年有望建成至少服務于歐洲和北美的可用系統，第二代星座計劃于2021年建成，第三代星座計劃于2023年建成。低軌衛星的壽命一般較短，在整個星座的服務壽命內必須持續不斷地進行衛星補充發射，這些都要求更短的研制與發射周期，且研制和發射周期縮短有利于降低衛星網絡系統的總成本并使得系統具有更強的競爭力。

三、國外低軌星座研制生產實踐剖析

為在成本、質量、進度等的約束范圍內實現高效、快速的衛星星座系統生產以及部署，國外宇航企業進行了大量的探索實踐，積累了豐富的設計生產及管理經驗，本文從組織形式、衛星制造策略等角度對國外案例進行分析，并對部分關鍵點進行剖析。

1.組織形式獨立健全

成立新的衛星制造公司，以其為主體來承擔大型衛星星座建設這類復雜的工程項目，各股東按照出資比例對新公司承擔有限責任，可有效隔離稅務、債務等風險，也便于公司內部管理、創新、資源統籌等工作的開展。

2016年1月，OneWeb公司和空客集團（Airbus）合資成立了OneWeb衛星公司，它們對合資公司擁有相等的股權[4]。OneWeb衛星公司承擔整個衛星星座的設計任務，前10顆試驗衛星在法國圖盧茲工廠制造，首條業務衛星批量生產線在北美佛羅里達州建立。OneWeb衛星公司還能制造衛星、平臺和設備，并由Airbus銷售給未來其他星座的運營商。雖然OneWeb衛星公司的主要客戶是OneWeb，但公司也開發其生產能力，為商業和政府客戶建造衛星[5]。

摩托羅拉公司的通信衛星集團公司（SATCOM）負責第一代Iridium的建造及發射。SATCOM成立了一個代理組織并創建了一個由多個公司組成的“虛擬工廠”，每個公司擁有不同的世界級核心競爭力。“虛擬工廠”具有杠桿性、靈活性和適應性，并具有共擔風險、共享成功的優勢。SATCOM制造團隊與每個合作伙伴都有制造技術聯絡人，它們之間經常組織課程或研討會，課程包含六西格瑪、可制造性設計、離散事件仿真等；研討會內容涉及整個供應鏈。除此之外，摩托羅拉還建立了一套基本工具，并在各分包商中進行部署，團隊采用統一的通用過程[6]。

2.廠址選擇考量全面

衛星生產工廠地址的選擇既要充分考慮自身具備的資源及能力優勢，又要考慮目標地是否具有雄厚的航天工業基礎、是否聚集航空航天企業及相關專業人才、是否利于衛星的運輸等，充分調用并利用已有資源。

2016年4月，OneWeb公司與美國佛羅里達州政府達成共同投資的協議，決定在該州建立一座可以生產900顆小衛星的新型衛星制造廠[7][8]。工廠包括生產區、檢車和裝配區，生產區主要開展平臺結構等生產，檢測區用于最終測試，裝配區用于裝配與故障處理。該衛星制造廠每天能組裝3—5顆衛星，所需生產人員250人。工廠不僅為OneWeb公司制造近900顆低軌道衛星，還打算承接來自其他運營商或客戶的小衛星制造業務。

選擇該地區作為衛星制造廠的落腳點主要考慮到周圍有6～7家航空航天制造企業，具有技術和人才優勢；距離NASA計劃建設的新發射場、SpaceX公司以及波音公司發射場不遠，生產下線后數小時即可發射；得到佛羅里達州政府的支持。根據OneWeb公司與佛羅里達航天公司（Space Florida）達成的協議，后者會為新建衛星制造廠投資8000萬美元。另外，佛羅里達州交通運輸部在新廠建設階段還將投入1750萬美元的配套資金。

3.衛星制造策略先進

（1）流水線的制造策略

創新小衛星設計和自動化的生產制造流程，強化生產制造過程自動化技術的應用，通過大批量的生產降低衛星系統建造成本，將面向制造的設計充分體現于生產線的規劃設計。

2017年6月27日，第一批OneWeb衛星的流水生產線在法國圖盧茲工廠——空客的核心制造工廠啟動，OneWeb衛星的端到端驗證、集成和測試工作正式開始了，這批衛星共10顆，將在2018年下半年完成生產組裝并發射。

為了應對大規模星座交付和部署的壓力，OneWeb開辟了極具創新特點的自動化生產線模式，以實現批量化、快速交付。整個生產線將充分利用協作機器人、智能裝配工具、自動光學檢測系統、大數據控制系統、自動精準耦合系統、自動導軌傳送機器人、自動加熱分配系統、增強現實工具以及自動測試系統等數字化、智能化手段，加速整個裝配、總裝、試驗（AIT）流程，在新的生產線上將達到1天生產2顆通信小衛星的能力。

（2）采用“技術島”策略進行衛星AIT，充分利用學習曲線以及該方法在總體成本和質量保證方面的優勢

阿萊尼亞公司（Alenia）在GlobalStar的AIT過程中采用了“技術島”解決途徑（圖1）。“技術島”由工作站組成，每個工作站進行單一的一項AIT操作，每個“技術島”執行一項明確的任務，彼此間可以并行工作。GlobalStar生產線中包括8個技術島：推進系統管路焊接專區、總裝專區、精測專區、電測和熱循環試驗專區、太陽翼試驗和振動試驗專區、質量特性測試專區、包裝和運輸專區以及歸零專區，見圖1。每個“島”都擁有專用的測試設備，以及具有高超技術的工作人員執行每項特定的AIT操作。質量評估/生產評估員將所有“島”進行監督，在生產期間進行高標準的質量控制[9-11]。

圖1 技術島組織方案和生產流程

除“技術島”外，還建立了受控的存儲區，可以向每個“技術島”持續有效提供部件。最后，建立了一個“歸零”技術島，用于離線檢查以及處理異常。這可在不影響生產效率的條件下對衛星異常進行診斷和修復。

“技術島”布局的特點：每個島可按資源與人力來自主確定規模；部分島可以并行工作，縮短研制周期；每個島都專門從事一個明確階段的工作，有效提高了學習曲線；島的格局具有較大靈活性，可在出現設備或產品故障時盡量減少中斷時間。

鮑爾宇航公司強化對研制生產基地與生產設施的系統規劃設計，三個主要生產基地均按照AIT流程呈逆時針分布。組裝廠區包括單機與分系統生產線和電子產品組裝中心；集成廠區、測試廠區與組裝廠區依次相連，中部為核心部組件制造廠區。通過集成設施設備、優化布局，提高了效率，減少了制造、組裝、集成、測試時間。除此之外，還針對商業衛星降低任務運營期費用的需求，在衛星設計制造過程匯總基于衛星智能化的運控技術，優化在軌運營策略。衛星自身、地面控制中心、離線工具等結合使用，通過需求分析確定衛星、控制中心和離線工具的操作自動化重點，以實現低成本運營。

（3）推廣柔性，制造理念增強生產線對任務型號變化的適應性

以柔性制造理念改革系統結構、人員組織、運作方式，使生產系統能對型號任務需求變化做出快速反應和制造能力的快速轉換，達到守住型號任務完成節點，降低生產成本的目的。

制造系統具有柔性體現在其對生產任務更替等外部變化和設備因故暫停等內部變化的適應能力，柔性制造系統以中央計算機控制機床和傳輸系統實現同時加工幾種不同的零件。應用柔性生產系統能夠提高生產線的柔性和效率，使之在保證產品質量的前提下，縮短產品生產周期，降低生產成本。

（4）結合項目風險承受能力，推動市場可靠供應的非定制商用元器件和部組件的選用

商用現貨（COTS）器件一般具有較高的性能、較短的交貨周期，但是往往以犧牲可靠性以及抗輻射能力為代價，但對于商業衛星，選用COTS器件是降低成本的潛在方式。

在Iridium系統一期，摩托羅拉通信衛星事業部也大量采用COTS部件，根據其自身統計，各種來源的電氣、電子和機電（EEE）器件比例如下：9%的定制器件、25%的COTS主動器件、27%的COTS被動器件、5%的高可靠主動器件、17%的高可靠被動器件、2%的經過進一步篩選的COTS器件、15%的特殊處理器件。摩托羅拉通信衛星事業部得出的結論是：許多COTS器件完全能夠滿足任務需求，但也有一些需要額外加固、降級和篩選，而一些關鍵部件則需要采用高可靠器件以提高效費比。摩托羅拉通信衛星事業部采取的主要措施是：COTS供應商與產品需要專門的選擇程序；應用COTS器件需要在生產線上進行相應調整；對重點器件進行抗輻射評估；有過飛行經歷的更好。

4.信息管理系統高效

（1）搭建設計制造協同工作平臺，實現航天器聯合研制與并行工程

以IPT（Integrated Product Team）的組織形式、并行的研制流程、成熟度控制方法進行航天器研制，通過協同研制平臺，在產品數字化定義的同時，并行開展可制造性分析、工藝和工裝設計、關鍵部件物料采購，提前進行生產準備；通過協同研制平臺，以產品結構為基礎，進行模塊化的、面向裝配和制造的在線并行產品定義，邏輯上建立集成產品、工藝、工裝、檢驗數據的產品單一數據源。

（2）建設數字化仿真模擬系統，協同管理衛星建設

基于數字化技術工具將生產現場細節情況進行數據采集與表示，通過建立管理知識庫與優化生產模型將采集的生產數據進行自動分析，從而優化生產、合理調配資源、改善工藝、提高產品質量，為企業提供精細化的決策支持。

摩托羅拉在建設Iridium時，采用離散事件仿真進行了供應鏈以及時間的管理。仿真整個供應鏈的動態，及時了解設計決策對上游及下游過程的影響，動態模型包含所有合作伙伴的工廠、運輸方式和發射場，包含進度驅動、質量控制、靈敏度等要素，仿真可以明確周期、瓶頸問題、工具以及要求[6]。進行時間仿真，評估由于進度和過程的變化對生產造成的影響。用信息系統跟蹤記錄與航天器生產和在軌性能相關的信息數據，據此可以優化航天器設計和虛擬工廠仿真，并為下一批衛星設定性能基線。

（3）搭建數據管理系統，與合作伙伴共享相關制造信息，增強企業之間的信息連通，提高工作效率

開發支撐并行工程的軟件平臺，打造涵蓋工藝、生產、質量、經營全要素信息的產品信息集成管理平臺，打通縱向研制流程與橫向供應商鏈路；廣泛采用數字化制造與計算機模擬仿真，支撐項目性能、成本、風險綜合分析與快速評估。

Alenia為支持設備生產，建立了局域數據管理系統（DMS），并與GlobalStar的數據管理系統相連接[11]。局域數據管理系統是衛星生產廠內部的一個綜合信息系統，為AIT設備提供了信息接收、分類、儲存、檢索和分發的能力。衛星生產的各級別的設計、集成和試驗的數據都將被儲存，授權的遠程節點可以訪問。在衛星生產過程中，分發和獲得的信息包括：圖紙；部件、材料和工藝清單；AIT程序；集成/試驗結果和工作記錄；QA/PA報告；不合格記錄報告。在數據管理系統框架內，AIT工廠的每一個“技術島”都是一個節點，與系統相連，具有輸入/輸出的信息交換能力。通過數據管理系統，AIT人員可以與設計人員緊密聯系，實現了不一致問題的實時決策。

5.成本管理權衡集約

（1）集成全球優勢資源，綜合權衡，比價招標，提高產出水平及運作效率，降低采購成本

OneWeb的供應商分布在全球且均具有航天產業背景，根據公開渠道信息源，已知的OneWeb供應商主要包括加拿大MDA公司、法國Sodern公司、英國Teledyne Defence公司、瑞士Ruag公司以及美國SolAero公司等。OneWeb公司在獲得合作伙伴和供應商商業融資及與空客組建合資公司、啟動項目后完成了分包商的分解落實，首期承付款嚴格約束在空間系統全部預算目標5%以下，這些供應商大多需要墊資建立全新的生產線，或對現有設施進行改造，才能滿足緊湊的進度和龐大的生產量。

波音公司在構建各產品供應鏈前就做好系統的發展定位，明確核心競爭力，根據實際需要選擇不同領域和不同環節具有競爭優勢的成員企業，組成供應鏈。為實現全球供應鏈的協調管理，波音成立了“全球合作伙伴”部門專門負責供應鏈管理，通過全球采購實現最優采購效率，而企業自身則聚焦于系統設計、流程控制和優化等核心能力。為及時應對市場環境的變化，波音根據具體項目需求，在供應鏈內組建多功能項目小組。項目小組使得來自不同領域的成員企業可以更好地交換信息，集中優勢力量解決較為復雜的問題，使供應鏈系統在不增加投入的前提下提高產出水平，提高了運作效率，降低了成本。

（2）借助信息化平臺，建立基于流程的成本管理系統，與設計、生產、制造、銷售、客戶支持及管理等主流過程相銜接，落實成本責任，同時避免產生額外的成本

為克服成本管理難以融入企業管理主流程的弊病，波音等國際工業巨頭都在積極向基于流程的成本管理轉變，并不斷完善。波音基于流程的成本管理具有以下特點：①將成本信息與企業科研、生產、管理等具體的運作決策聯系起來；②以作業法作為歸集成本的依據，將資源與小型產品組進行匹配，各產品組為自身成本負責；③應用作業成本模型可以確定管理、銷售、財務等成本的成本動因，可以更好地對銷售、營銷、稅務等部門發生的成本進行影響、控制和歸集。

（3）建設內容符合國家戰略需求，順應商業航天發展形勢，爭取國家的后補償機制

對于軍工科研項目，國家會適當考慮研制單位的具體研制情況以及合理收益對研制單位進行必要的補償。

2001年3月28日，Iridium公司在經過資產重組后宣布，于同年6月開始進軍數據傳輸服務領域，包括撥號接入和直接接入互聯網服務，同時向用戶提供更加全面的語音傳輸服務。美國國防部與Iridium公司簽訂了為期5年、每年7200萬美元的訂單，向美國國防部下屬的2萬名政府官員的1600部手機提供不限時的衛星電話服務。這份合同是Iridium起死回生的關鍵，是一份市場合同，也是一種政府補償行為。此后，Iridium公司推出了多種軍用話音、數據服務，穩定了業務。Iridium公司為美國在伊拉克、阿富汗的行動提供了有力支持，為步兵、車輛、飛機、無人機、指揮控制等軍事人員和武器系統提供了有效的通信手段。

四、結束語

隨著通信衛星技術的發展，建設滿足用戶需求的通信衛星星座系統技術上不再是最大的挑戰，如何在短周期內、在可承受成本范圍內實現通信衛星星座的研制生產以及快速部署，已成為通信衛星產業發展的關鍵問題。凝聚各方力量在更高效益、更短周期上實現星座系統建設，既是創新發展、增強自身建設能力的發展需求，也是在商業航天發展形勢下主動出擊、謀求站位優勢的當務之急。