航天型號全國產化控制系統研制實踐

王曉東 /中國運載火箭技術研究院

葉紹凱、劉江、禹春梅 /北京航天自動控制研究所

國防科技是國防力量的重要支撐，服務于國家的戰略安全需求。作為國防科技工業技術密集型的典型代表，航天科技工業主要承擔空間飛行器、航天運輸系統、空間裝備與基礎設施、導彈武器裝備的研制和生產任務。航天產業是強國競爭的戰略產業，其自主可控水平是衡量一個國家綜合國力的重要標志，航天科技工業的發展、航天產業的健全、航天產品的研制必須堅定走自主可控的發展路線。因此，2008 年我國啟動了以某型號研制為代表的航天型號國產化研制序幕，推進航天型號的自主可控發展。

一、現狀與差距

圖1 航天型號控制系統組成與產品生態關系

控制系統是航天型號的神經中樞，是航天型號至關重要的組成部分，所以要實現航天技術自主可控，控制系統的國產化首當其沖。航天型號控制系統一般由飛行控制系統和地面測發控系統2 個部分組成。以飛行控制系統為例，一般由敏感器、控制器、執行器和算法軟件組成，其組成與產品生態關系如圖1 所示。

航天型號控制系統由復雜多樣的系統應用軟件與電氣設備組成，元器件、數字集成電路、模擬集成電路、計算機主板、網絡交換、總線應用及測試、圖形界面軟件、操作系統、IDE 集成開發環境是航天型號研制的重要通用基礎。尤其是核心電子元器件、基礎軟件和高端通用芯片等，其自主可控的程度體現了航天科技工業發展水平和一個國家的綜合科技實力。美國特別重視元器件及基礎軟件技術的自主研發，數十年來一直處于世界最前沿。歐洲宇航工業走的是區域合作的道路，能夠充分應用各成員國的航天元器件資源，其自主可控能力很強。

我國元器件總體水平較低，尤其是2008 年前后，國產元器件品種較少，航天用關鍵元器件，如通用處理器及其配套芯片組、高性能A/D 、DA 等主要依賴進口，已使用的國產元器件也經常出現質量問題。軟件方面，控制系統各配套單位可以實現交付的應用軟件完全自主，但安全關鍵等級A 級的軟件開發環境仍然采用的是國外商用產品，存在軟件基礎平臺技術不透明和未知安全隱患等問題。從整個控制系統配套產品生態看，我國航天型號控制系統自主可控的難點主要集中在基礎層，表現在2 個方面：一是高端國產通用芯片、核心電子元器件品種少且成熟度不高；二是基礎軟件，如軟件集成開發環境、操作系統、數據處理平臺等奇缺，完全依靠進口。

二、解決方案

針對航天型號控制系統自主可控的難點（高端核心器件、基礎軟件），主要從技術和管理2個方面推進控制系統國產化配套產品生態建設，以有限的國產化生態資源實現復雜的航天型號控制系統功能。

1.技術方面

一是進行系統頂層優化設計。采用“自頂向下+自底向上” 雙向迭代的系統設計方法，把控設計源頭，從系統頂層優化設計出發——自頂向下梳理出系統各產品的共性功能需求，進行適當的電路定制開發，自底向上基于現有國產元器件貨架開展選用分析，不斷尋找系統優化設計的平衡點，抓住核心關鍵，將國產器件的研制能力與既有國產器件貨架資源有效整合，可以有效實現控制系統國產化設計，并不斷提升自主可控的研制能力。

二是借力“核高基”成果及開源資源。基礎軟件開發技術難度大，研制周期長，國際主流基礎軟件市場大部分份額已被美國、歐洲霸占，且處理器廠商和操作系統廠商聯手，形成了壟斷的全球基礎軟硬件生態系統，如微軟公司和Intel 公司的WinTel 生態系統。我國在“十一五” “十二五” 期間，通過“核高基” 項目牽引，已經形成了部分基礎軟件，在此基礎上可以借助開源社區資源，先全面掌握操作系統、軟件開發環境等部分關鍵基礎軟件的設計技術，再定制開發出適應國產化控制系統研制的自主產品，實現彎道超車，以降低基礎軟件對國外的依賴。

航天型號從過去的跟蹤仿制發展到今天的自主可控是由其內在發展規律驅動前行的，過去在計劃體制下形成了一套研制體系，在新形勢下需要建立更頂層的組織機構進行統一領導，充分調動市場資源，加大自主可控發展戰略研究，制定自主可控建設路線圖，鼓勵和引導優勢市場資源進行自主可控發展。同時，各級參研組織在統一的質量管理體系下必須強有力地推動落實，加強資源的保障、監管，并形成一整套完善的管理規范。

三是強化國產化應用驗證。應用驗證是國產化產品走向工程化應用的關鍵環節，通過應用驗證，及早發現國產元器件、基礎軟件、系統單機產品在控制系統應用中存在的問題，并及時進行故障分析和改進，不斷提高國產化產品的工程應用成熟度。國產化設計應用驗證一般包括芯片級應用驗證、板級應用驗證、整機級應用驗證和系統級應用驗證4個層次。

2.管理方面

一是建立強有力的管理體系。航天型號從過去的跟蹤仿制發展到今天的自主可控是由其內在發展規律驅動前行的，過去在計劃體制下形成了一套研制體系，在新形勢下需要建立更頂層的組織機構進行統一領導，充分調動市場資源，加大自主可控發展戰略研究，制定自主可控建設路線圖，鼓勵和引導優勢市場資源進行自主可控發展。同時，各級參研組織在統一的質量管理體系下必須強有力地推動落實，加強資源的保障、監管，并形成一整套完善的管理規范。

二是探索國產化產業生態建設。

控制系統針對國產器件種類和數量雙高占比的要求，以型號研制牽引為抓手，微處理器、SoC、FPGA研制為核心，同時構建一整套軟件應用環境來支撐，開展了數十項新品元器件的研制，初步構建了器件級、單機產品級、系統級的產業生態，特別是SoC 及外圍電路的成功研制及應用，同步牽引管殼封裝、元器件、數字集成電路、模擬集成電路、計算機主板、網絡交換、總線應用及測試、圖形界面軟件、操作系統、IDE集成開發環境等領域數十家高科技公司、科研院所發展，帶動了整個航天自主可控產業的發展，進而推動國產化產業生態建設。

三是壓縮品種、重點突破。

以控制系統專業發展的需求為導向，系統梳理出航天型號的研制短線，同時兼顧未來5～10年的使用需求，牽引國內元器件研發優勢資源，壓縮品種、重點突破，降低產品成熟度帶來的風險，優化多維度選型指標體系，做好需求統籌，使各航天產品的需求最小化，同時引領各個參研單位共同得到技術進步。某航天型號控制系統最終確定了元器件新品研制項目20 余項、“核高基” 項目SoC 項目3 項，牽引了多項進口元器件國產化替代項目及多項可靠性增長項目。

四是構建新型供應商管理體系。為了確保控制系統國產化設計可靠落地，不斷強化供應商管理，嚴格質量管控。通過系統使用方和核心器件研制方共同確定產品規范的方法，制定頂層質量管理文件，重新調整供應商關系。針對航天型號多品種、小批量、高可靠的特點，加強用戶對最終產品在研制過程的參與度，提前識別元器件研制的風險，對質量問題多發的參研單位進行專項治理，對重大核心器件如SoC 的研制采用競爭擇優，確保產品可靠性和關鍵計劃節點滿足航天型號需求，構建新興供應商管理體系。

五是推動航天產品工程建設。

在實踐中不斷總結、積累經驗，加強標準體系建設，對研發、選用過程進行標準化、規范化建設，包括芯片研制、基礎軟件和系統/產品研制多個方面。在芯片研制方面，結合應用驗證過程中暴露的問題，修訂、完善、補充相關元器件標準，包括設計規范、產品規范、生產規范、測試規范、試驗規范、產品手冊及芯片應用指南等；對于SoC核心器件，構建了相應的航天用元器件標準體系。在系統及產品研制方面，重點加強國產元器件選用、系統/產品設計、應用驗證等經驗的梳理和總結，形成了相應標準規范。

三、應用實踐

以2008 年某航天項目控制系統研制為例，用戶對控制系統國產化率提出了很高的要求，且系統性能指標要求相對于傳統型號大幅提升。由于是國家重大工程，所以項目的國產化研制過程獲得了國家及下屬各級單位的高度關注和關照，為項目的推進提供了有力的資源保障、經費保障及嚴格的研制過程監督，最終旗開得勝，碩果累累。

1.技術成果

系統方案設計過程中，通過反復多次的系統需求梳理、國內元器件應用基礎調研，將系統頂層優化設計與現有國產元器件選用分析相結合，最終確立了以某RISC 架構為核心的SoC 技術，進行控制系統集成化、國產化整體解決方案設計，支撐用戶對于系統性能和國產化率的要求。最終形成2 款SoC，分別面向飛行控制和飛行測試應用場景。該項目的元器件種類相對于傳統項目減少了50%以上，且獲得了顯著的系統性能提升（見圖2）。最終使得該項目飛行控制系統電氣設備核心器件100%實現國產化，有效提高了我國航天型號的自主保障能力。

研制過程中，核心電子器件與型號研制同時開展，產品成熟度不高導致的設計反復嚴重影響了項目研制計劃。但用戶、控制系統和芯片研制單位不畏艱難、同舟共濟、集智攻關，不斷探索SoC 應用驗證方法。通過項目縱向牽引和用戶橫向課題支撐，不斷強化應用驗證，構建了全維度、全流程應用驗證體系，有效提升了系統國產化設計的可靠性。

在基礎軟件方面，借助國家“核高基” 項目成果及開源社區資源進行定制開發，初步構建出支撐國產核心器件應用的自主基礎軟件生態，形成了軟件開發環境、操作系統、數據平臺等一系列基礎軟件。

2.管理成果

圖2 某項目控制計算機采用SoC技術前后對比

圖3 管理創新打破傳統分工模式

一是建立跨專業、跨領域、跨單位的協同研制模式。控制系統采用基于SoC 的國產化設計方案，促進了管理創新，打破了傳統的航天型號研制分工模式（見圖3）。在基于SoC 技術的型號研制過程中，堅持系統單位抓總與芯片單位專業優勢相結合，建立了系統研制單位、芯片研制單位、基礎軟件研制單位優勢互補、協同設計的研制模式。

將SoC 研制、應用所需的所有專業領域的人員（包括系統總體單位、單機配套單位、芯片設計單位、基礎軟件設計單位等）集中協同工作，最大程度提高研發效率，實現了系統與芯片、基礎軟件的研制高度結合，構建了全新的協同研制流程。

二是初步建立國產化產品生態。通過系統牽引，在芯片研制單位、基礎軟件研制單位、整機配套單位間架起橋梁，有效推進了國產化應用生態的構建和快速發展，形成了基于核心關鍵器件、軟件開發環境、國產“戰星” 操作系統、圖形界面、軍用大數據系統等為代表的、可供借鑒的一整套控制系統國產化解決方案。

圖4 航天用SoC標準體系框架

三是初步建立自主可控產品體系。建立元器件保障隊伍，立足于控制系統當前及未來發展需求，強化選用控制和優化統型，建立控制系統元器件選用目錄，嚴格質量控制；建立產品化研制隊伍，推進構建自主可控產品體系，將該項目研制形成的一系列控制系統核心產品上貨架，推進產品驅動戰略，有效支撐了多個國家重大項目快速研制和自主可控。

四是建立健全相關標準體系。

完成國產化工程應用經驗總結，構建了航天SoC IP 核庫，固化SoC 研發過程中取得的成果；建立軍用SoC 的規范，促進產業化發展，形成以航天SoC IP 核庫為基礎的SoC 研發流程及SoC應用和質量管理體系框架。在現有的電子元器件標準體系外，補充建立了航天用SoC 標準體系框架(見圖4)，包括詳細規范、測試方法、應用指南、設計控制、應用驗證等多個方面。

四、后續建議

實現航天型號控制系統的全國產化設計，關鍵是要有來自國家層面的強有力支撐、保障和監督，要有決心和恒心。具體實施上，重點突破核心關鍵元器件、基礎軟件的核心自主，并建立完整的自主產品生態體系。

關鍵元器件方面，需要豐富高端元器件品種，全面支撐各航天型號的應用，如開展AI 芯片、導引頭圖像處理電路等新型超大規模集成電路的研制；同時，應該加強元器件最新制造工藝技術的掌控，只有掌握了最先進的制造工藝，才能不受制于人，并實現可持續發展。

基礎軟件方面，目前仿真測試軟件、硬件開發軟件、專用集成開發軟件等工具平臺類軟件大多依賴進口產品，且研制難度極大，是控制系統軟件領域實現自主可控的夜明珠。后續，還要全面建成、建好國產化產品生態，擴大應用群體，通過不斷的應用驗證，持續提升國產器件的成熟度和可靠性，從而降低芯片成本、系統成本。控制系統國產化只是第一步，還需進一步推進面向整個航天器箭上、地面電氣系統的全國產化設計，實現全面自主可控。

近年來，黨中央關于航天型號自主可控發展作出一系列重要批示和指示，要求在已有成績的基礎上強力破解當前受制于人的被動局面，加快實現核心技術自主可控，航天工業部門已經全面掀起自主可控的發展熱潮，相信航天工業系統在不久的將來將實現全面自主可控發展，為我國實現強軍強國的發展戰略奠定基礎。▲