商業(yè)低軌通信衛(wèi)星星座用元器件保障模式研究

趙麗 向開恒 張楠 劉晨 許瀚 霍宇嘉

（中國航天科工二院，北京，100854）

文 摘：低軌通信星座具有通信距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域大、信號(hào)衰減小、大容量、低延時(shí)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)全球移動(dòng)通信無縫覆蓋，具有很好的商業(yè)應(yīng)用前景。宇航型號(hào)用元器件采購和質(zhì)量保證模式無法滿足低軌通信星座衛(wèi)星的商業(yè)化需求。文章分析元器件保障模式面臨的挑戰(zhàn)和元器件選用需求，從衛(wèi)星關(guān)鍵元器件的攻關(guān)、元器件的差異化管理、塑封器件在衛(wèi)星上應(yīng)用、元器件在軌監(jiān)測與健康管理技術(shù)等方面提出元器件保障的新模式和新方法。

商業(yè)衛(wèi)星以商業(yè)效益為指引，以滿足用戶需求和實(shí)現(xiàn)市場價(jià)值為基本目標(biāo)，在保障產(chǎn)品可靠性的前提下，最大化控制成本，獲得市場競爭力。為了適應(yīng)規(guī)模化研制的商業(yè)通信衛(wèi)星的發(fā)展，需要建立面向“商業(yè)應(yīng)用、組批生產(chǎn)、成本控制”的元器件保證模式，要求元器件在保證可靠的基礎(chǔ)上，一方面能夠自主可控，確保覆蓋批量研制需求；另一方面能壓縮生產(chǎn)周期，確保能滿足型號(hào)研制進(jìn)度和質(zhì)量的要求[1-3]。針對(duì)目前通信衛(wèi)星用元器件保障模式現(xiàn)狀，需要探索一種元器件的性能、可靠性、成本和批產(chǎn)能力都能滿足商業(yè)航天星座要求的元器件保障模式。

1 低軌通信衛(wèi)星星座研制面臨的挑戰(zhàn)

隨著通信衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，全球掀起了低軌通信星座建設(shè)熱潮，由于其通信距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域大、信號(hào)衰減小、大容量、低延時(shí)以及可批量研制、快速部署等特點(diǎn)，利于打造具有全天候、全時(shí)段通信能力的信息基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)全球移動(dòng)通信無縫覆蓋，是衛(wèi)星通信大勢(shì)所趨。

但是如何在短周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)星座的快速部署，如何統(tǒng)籌解決政策、資金、技術(shù)、市場等多層面多角度的問題，已成為星座研制與生產(chǎn)面臨的新的挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在星座規(guī)模驟增（One Web 和SpaceX 星座數(shù)量計(jì)劃達(dá)到數(shù)千顆）、建設(shè)成本降低（Iridium 的系統(tǒng)性能更強(qiáng)，建設(shè)成本卻只有一代系統(tǒng)的50%左右）、研制周期縮短等方面[4-6]。

2 低軌通信星座的元器件選用控制面臨的挑戰(zhàn)

宇航型號(hào)多以單顆星研制為主，目前一顆星的研制周期一般為2 年～3 年。現(xiàn)有的元器件采購和質(zhì)量保證模式基本滿足型號(hào)任務(wù)需求。但是針對(duì)大規(guī)模商用衛(wèi)星星座的建設(shè)需求，現(xiàn)有模式難以滿足每年幾百顆星的研制元器件配套保障要求。

目前國內(nèi)研制的中高軌通信衛(wèi)星，出于軌道高度和在軌長壽命的考慮，對(duì)元器件的可靠性指標(biāo)要求較高，這就需要從元器件等級(jí)以及篩選條件等方面加強(qiáng)控制，以滿足衛(wèi)星高可靠長壽命的指標(biāo)要求。這種元器件選用模式造成了衛(wèi)星成本居高不下。商業(yè)化衛(wèi)星研制思路是以商業(yè)應(yīng)用效益為指引，性能與成本綜合優(yōu)化，這就要求商業(yè)衛(wèi)星用元器件應(yīng)具備抗輻照、大容量、小型化、重量輕、體積小、可靠性高、高密度集成等特點(diǎn)，并能覆蓋批量化衛(wèi)星生產(chǎn)的應(yīng)用需求，穩(wěn)定配套供應(yīng)。綜合來看，傳統(tǒng)的衛(wèi)星元器件保障模式已不能滿足低軌通信星座的研制需求，需要對(duì)商業(yè)衛(wèi)星用元器件保障模式不斷創(chuàng)新。

3 低軌通信星座的元器件保障模式

3.1 制定發(fā)展規(guī)劃

針對(duì)低軌星座衛(wèi)星低成本、組批生產(chǎn)、元器件需求量大、質(zhì)量要求穩(wěn)定的特點(diǎn)，探索適應(yīng)發(fā)展需求的元器件保障模式。建立適應(yīng)低軌通信星座的元器件保障模式，也不是一蹴而就，而應(yīng)根據(jù)研制情況，制定短、中、長期發(fā)展規(guī)劃。

a）短期規(guī)劃：1 年～2 年內(nèi)，結(jié)合商業(yè)衛(wèi)星的元器件保障現(xiàn)狀，梳理如下主要內(nèi)容：①哪些元器件在小型化、高可靠等方面可以實(shí)現(xiàn)再突破；不同類型元器件最低可選用什么等級(jí)，給出合理可行的驗(yàn)證方法。②在保證衛(wèi)星可靠性的前提下針對(duì)不同類型的元器件采用適應(yīng)成本控制需求的差異化管理辦法，優(yōu)化剪裁或取消部分元器件補(bǔ)充篩選項(xiàng)目，最終達(dá)到型號(hào)研制成本合理壓縮的目的。③采集進(jìn)口元器件（哪些公司/哪些型號(hào)規(guī)格）、國產(chǎn)元器件（零星采購和批量采購）在成本、進(jìn)度和可靠性數(shù)據(jù)方面的信息。④針對(duì)核心器件進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)研制，滿足批量穩(wěn)定供貨需求，分批次解決自主可控問題。

b）中期規(guī)劃：結(jié)合未來3 年～5 年衛(wèi)星的研制進(jìn)度和可靠性要求，開展星用核心元器件在軌監(jiān)測與健康管理技術(shù)研究，對(duì)COST 器件和塑封元器件開展搭載試驗(yàn)驗(yàn)證，為后續(xù)進(jìn)一步降低元器件成本積累數(shù)據(jù)。逐步建立商業(yè)衛(wèi)星星座的元器件采購規(guī)范體系以及元器件選用目錄，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)型號(hào)用元器件性能高、可靠、小型化、低成本的目標(biāo)，保障后續(xù)工作順利進(jìn)行。

c）長期規(guī)劃：根據(jù)任務(wù)需求，進(jìn)一步完善商用衛(wèi)星元器件保障模式，提升整體效能，基本掌握不同軌道、不同壽命和不同工作模式的商業(yè)衛(wèi)星用元器件保障模式。

3.2 商業(yè)衛(wèi)星用關(guān)鍵元器件攻關(guān)探索

雖然目前國內(nèi)衛(wèi)星用元器件大部分實(shí)現(xiàn)了自主可控，但是一些高端、核心元器件與國外還是存在差距。尤其是在中美貿(mào)易戰(zhàn)和中興事件的背景下，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)商業(yè)衛(wèi)星關(guān)鍵元器件自主可控的重要性就更加凸顯。因此有必要針對(duì)國產(chǎn)商業(yè)衛(wèi)星的核心器件進(jìn)行攻關(guān)，立足于成熟經(jīng)驗(yàn)，并提前謀劃未來星座的元器件發(fā)展需求，集中優(yōu)勢(shì)力量，提升商業(yè)衛(wèi)星用元器件自主可控的能力。

首先將進(jìn)口元器件按照依存度進(jìn)行分類：①一級(jí)產(chǎn)品為目前既無產(chǎn)品也無能力完成研制的產(chǎn)品；②二級(jí)產(chǎn)品為有能力完成研制或正處在研制攻關(guān)階段的產(chǎn)品；③三級(jí)產(chǎn)品為目前已有滿足替代需求的產(chǎn)品。

再根據(jù)元器件進(jìn)口依存度，分批次解決自主可控問題，力爭在有限的時(shí)間區(qū)間內(nèi)取得更充分、更可靠的國產(chǎn)化效果。同時(shí)，立足于商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展，衛(wèi)星研制單位牽引國內(nèi)元器件生產(chǎn)單位研制滿足商業(yè)衛(wèi)星應(yīng)用需求的元器件，做到抗輻照、小型化、輕量化、小體積、高可靠性、高密度集成，并實(shí)現(xiàn)元器件集成化。建立相應(yīng)的驗(yàn)證平臺(tái)，通過飛行驗(yàn)證、搭載驗(yàn)證，針對(duì)存在的問題不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終實(shí)現(xiàn)核心關(guān)鍵器件自主可控，覆蓋批量化衛(wèi)星生產(chǎn)的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供應(yīng)。

3.3 商業(yè)衛(wèi)星用元器件差異化管理辦法

建立元器件質(zhì)量等級(jí)與應(yīng)用等級(jí)矩陣表，差異化選用。面向型號(hào)批產(chǎn)研制的元器件質(zhì)量保證部門，充分借鑒已有成熟飛行經(jīng)歷的元器件質(zhì)量保證數(shù)據(jù)，結(jié)合產(chǎn)品固有可靠性和應(yīng)用等級(jí)要求，制定差異化的質(zhì)量保證要求。具體如下所述。

a）優(yōu)化、裁剪甚至取消某些元器件的補(bǔ)充篩選項(xiàng)目。對(duì)于具有多次飛行經(jīng)歷的成熟產(chǎn)品，推進(jìn)質(zhì)量控制過程前移，加強(qiáng)產(chǎn)品過程質(zhì)量控制（SPC），適當(dāng)減少后期篩選項(xiàng)目。制定有針對(duì)性的元器件生產(chǎn)過程狀態(tài)控制，對(duì)于篩選檢測成本高的元器件，可以分析其可靠性以及對(duì)型號(hào)任務(wù)的影響，采用板級(jí)篩選方式實(shí)施質(zhì)量保證。

b）根據(jù)元器件所在工程型號(hào)的重要性及元器件應(yīng)用部位的關(guān)鍵性，將元器件的應(yīng)用等級(jí)進(jìn)行分類，選擇適用的元器件。優(yōu)先推薦按照國軍標(biāo)和宇航元器件標(biāo)準(zhǔn)選用元器件的質(zhì)量等級(jí)，其次選用成熟、能夠滿足需求的商用元器件等級(jí)。

c）建立元器件配套廠家動(dòng)態(tài)考核機(jī)制，對(duì)不同應(yīng)用等級(jí)的元器件生產(chǎn)過程提出不同的管控措施。對(duì)生產(chǎn)工藝變更和不符合衛(wèi)星型號(hào)可靠性要求的廠家有明確的處理措施，以保證衛(wèi)星型號(hào)元器件的可靠性。

3.4 塑封器件質(zhì)量保證及宇航應(yīng)用技術(shù)探索

近年來，對(duì)塑封器件進(jìn)行嚴(yán)格的熱學(xué)、力學(xué)、抗輻射等方面的測試和評(píng)估后，NASA 已開始在其軍事和航天任務(wù)中采用塑封器件。英國SURREY 大學(xué)小衛(wèi)星公司在其發(fā)射的眾多衛(wèi)星中也已大量采用塑封器件。在低軌通信星座降本增效的需求下，塑封器件隨著性能和可靠性的日益提高，必將越來越多地應(yīng)用于空間任務(wù)，以滿足商業(yè)低軌衛(wèi)星的發(fā)展需求。

塑封器件在衛(wèi)星上應(yīng)用時(shí)，要面臨空間輻射效應(yīng)、更寬的服役溫度范圍、更快的溫變率等問題，主要表現(xiàn)在：①塑封器件工作溫度區(qū)間比較窄，受溫度變化影響大，導(dǎo)致塑封器件的塑封層分層現(xiàn)象比較普遍。②隨著器件制造技術(shù)的進(jìn)步，塑封器件的集成度越來越大，而其尺寸更小、速度更快，對(duì)高能粒子輻射影響更加敏感，空間輻射效應(yīng)更加突出。③許多商用塑封器件內(nèi)部導(dǎo)線比較細(xì)，容易受到污染或損傷，焊接質(zhì)量較差，在溫度漂移、機(jī)械沖擊或振動(dòng)過程中容易失效。

針對(duì)以上塑封器件在星上應(yīng)用存在的問題和差距，需開展攻關(guān)驗(yàn)證工作，優(yōu)化研制生產(chǎn)、測試考核和質(zhì)量保證等技術(shù)。并針對(duì)塑封器件的薄弱環(huán)節(jié)，開展評(píng)價(jià)試驗(yàn)或應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)，提高塑封器件在宇航環(huán)境下的使用可靠性。

3.5 元器件在軌監(jiān)測與健康管理技術(shù)探索

開展元器件的在軌數(shù)據(jù)監(jiān)測和故障診斷健康監(jiān)測技術(shù)探索，研究星上低等級(jí)器件和星上核心器件的應(yīng)用驗(yàn)證情況，獲取星上元器件在軌關(guān)鍵特征參數(shù)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和性能退化判據(jù)等。監(jiān)測系統(tǒng)至少要覆蓋衛(wèi)星用處理器、FPGA、存儲(chǔ)器、DSP、電源、AD 和DA 等關(guān)鍵器件的參數(shù)檢測與健康管理，具備元器件在軌檢測與故障診斷功能，但不能影響衛(wèi)星主任務(wù)工作。

3.6 元器件選用控制措施

針對(duì)規(guī)模化研制商業(yè)通信衛(wèi)星所具有的“低成本、短周期、長壽命、高可靠、大批量”等研制要求，加強(qiáng)元器件選用控制管理。必須以選用目錄為著力點(diǎn)，通過建立獨(dú)立的元器件選用目錄來指導(dǎo)各衛(wèi)星研制單位開展元器件選型，實(shí)現(xiàn)規(guī)范元器件選用的目標(biāo)。同時(shí)，對(duì)目錄內(nèi)的元器件開展分類動(dòng)態(tài)管理，選用目錄要考慮繼承性、體現(xiàn)先進(jìn)性。充分繼承以往通信領(lǐng)域型號(hào)成熟應(yīng)用國產(chǎn)元器件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和進(jìn)口元器件的選用和采購信息。此外，還應(yīng)體現(xiàn)商業(yè)衛(wèi)星的技術(shù)先進(jìn)性，確保選用的元器件具有先進(jìn)性，符合航天器元器件發(fā)展規(guī)劃。針對(duì)進(jìn)行需攻關(guān)的元器件，給予足夠的搭載驗(yàn)證。建立商業(yè)衛(wèi)星星座元器件采購規(guī)范體系，實(shí)現(xiàn)元器件效費(fèi)比的綜合提升，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)型號(hào)產(chǎn)品抗輻照、高性能、小型化的目標(biāo)，保障整個(gè)商業(yè)衛(wèi)星星座的元器件選用。

商業(yè)衛(wèi)星以商業(yè)效益為指引，以滿足用戶需求和實(shí)現(xiàn)市場價(jià)值為基本目標(biāo)，在保障產(chǎn)品可靠性的前提下，最大化控制成本，才能獲得市場競爭力。商業(yè)衛(wèi)星用元器件只有建立面向商業(yè)應(yīng)用、組批生產(chǎn)、質(zhì)量保證、成本控制的保障模式，才能適應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)。