基于公用平臺的遙感衛星研制模式轉型研究

王效楠、于龍江、張國斌、高陽 /北京空間飛行器總體設計部

“十二五”以來，北京空間飛行器總體設計部作為國家航天器系統研制的龍頭企業，以國家“產業結構轉型”等戰略為指導，積極應對航天器產業化與市場化研制面臨的機遇和挑戰，圍繞總體能力提升總目標，運用系統工程方法開展了一系列管理創新研究與實踐工作。此次的研究成果來源于相關的民用航天項目，包括中型敏捷遙感衛星公用平臺、高分辨率對地觀測系統研制、民用空間基礎設施建設等國家重大科技專項或工程項目實施過程，是總體部在遙感衛星研制模式由傳統的科研試驗模式向產業化和市場化方向發展的管理創新研究成果的匯聚。

遙感衛星研制模式轉型的研究與實施工作主要依托“中型敏捷遙感衛星公用平臺”開發工作。該平臺是“十二五”期間國家國防科技工業局用航天項目支持的、我國首個民用遙感衛星公用平臺開發項目。2013 年6 月，中型敏捷平臺項目獲得國務院批準立項，并按計劃于2016 年10 月全部完成研制工作。通過中型敏捷平臺項目開發，完整地建立了一套“基于公用平臺的遙感衛星型號研制模式”管理方法，形成了以“公用平臺+產品體系研制與應用”為核心措施的型號研制模式，并在多個型號中得到了應用，產生了預期效益。

一、面臨的挑戰與問題分析

1.挑戰

2000 年以來，衛星遙感應用數據市場迅速發展，并逐步進入產業化發展階段。目前，全球已發射300 多顆軍/民用遙感衛星，越來越多的政府通過國家航天部門、多國機構和公私合作方式訂購和發射遙感衛星，以獲取民用和軍用衛星圖像。與此同時，商業機構和科研機構也在越來越多地購買和使用遙感衛星圖像產品，衛星遙感技術的發展面臨新的機遇。

在經濟全球化和高技術迅猛發展的背景下，世界范圍內的遙感數據市場競爭日益激烈，高分辨率衛星影像在許多領域有著廣闊的應用前景，各國通過采取不同手段力求在這一領域占有一席之地。因此，加緊實現產業化與商業化研制能力，是我國遙感衛星研制部門的唯一選擇，而要實現這一能力，仍然面臨諸多困難，主要體現在效率偏低、成本過高、質量不穩等幾個方面。

一是遙感衛星研制的效率偏低。隨著衛星遙感應用的不斷拓展，遙感衛星研制模式正在從單顆科研試驗星向大量、多類、組網衛星研制轉變，衛星研制任務由幾年一顆轉變為每年幾顆、甚至十幾顆。同時，傳統研制模式的人力、物力消耗大，單星效率難以提升，產能受限，無法滿足型號數量大幅上升的需求。

二是遙感衛星研制成本過高。隨著航天器發射成本的不斷降低，以及國家對軍/民用航天器采購市場化模式的推進，傳統科研試驗模式下的單顆遙感衛星造價過高問題已成為各方關注的焦點。因此，迫切需要在確保成功的前提下，通過研制模式轉型實現降本增效，著力解決單星研制效率低、成本高居高不下等難題。

三是遙感衛星研制的質量不穩。我國已成功發射的數十顆遙感衛星中，真正成為質量穩定、用戶使用靈活方便的“精品衛星”并不多。基于遙感衛星設計研制中不斷面臨新應用、新需求的情況，以及實現批量化生產的迫切需求，必須解決需求不斷變化條件下如何保證衛星系統質量穩定的難題。

2.問題分析

原有的遙感衛星研制模式是在武器裝備科研試驗模式基礎上發展形成的，采用的是“一個型號、一支隊伍、一套流程、一批產品”的研制模式，各型號項目辦公室對平臺的技術狀態有很大的處置權，平臺的從屬性、專用性更強。由于新形勢下遙感衛星研制面臨研制效率偏低、成本過高、質量不穩等問題，原有研制模式與新形勢的矛盾主要體現在以下幾個方面。

一是設計環節。傳統的遙感衛星在系統設計規范、單機產品設計中采用單星單議的方式，產品狀態多，各型號間缺乏對于同類設計統一的組織和管理，造成試驗驗證工作量和成本增加。

二是生產環節。由于缺乏必要的統一設計，單機產品在生產中難以對生產的各要素和全過程進行固化與統一控制，產品生產易發生質量問題，也易造成人力、物力的浪費。

三是組裝環節。未進行統一設計的產品會引起各個遙感衛星型號在構形布局、產品安裝和線纜連接等方面的差異性。

四是測試環節。由于不同型號的差異性，每個新研型號均需在初樣階段單獨投產一套電性產品開展功能、性能測試和驗證，導致研制周期長、成本高。

五是應用環節。傳統研制模式下，由于各型號的差異性，地面測試數據與在軌飛行試驗難以進行共享，不利于衛星質量的提升改進。

實現基于公用平臺的遙感衛星研制模式轉型能夠從遙感衛星的設計、生產、組裝、測試、應用全鏈路中根本解決狀態發散、資源不集約、數據不共享的問題，實現從傳統遙感衛星研制模式向現代工業企業所要求的產業化、市場化研制模式轉型，對助推國家航天強國戰略的落地與實施具有重要意義。

二、模式研究過程

總體部提出了基于公用平臺的遙感衛星研制模式轉型的系統化科研生產轉型方案。其基本思路是：對于不同遙感衛星型號，將其公共部分（主要是衛星平臺）進行統一化設計，實現衛星平臺系統和單機層面設計狀態的通用化、標準化；基于狀態一致的單機產品體系，梳理并統籌不同型號的研制任務，研制若干“通用電性驗證平臺”，匹配各型號任務需求進行地面測試，滿足各型號初樣階段電性能測試需求；實現地面測試數據的充分共享，并輔助支持在軌異常問題的排查處理。

圍繞“提高效率、降低成本、提升質量”的整體發展目標，以滿足和保障任務需求與有效載荷多樣化的型號研制為約束條件，總體部運用系統工程方法建立了基于公用平臺的遙感衛星型號研制模式模型，如圖1 所示。該模型從遙感衛星及公用平臺的設計、生產、組裝、測試、應用全鏈路形成了管理辦法，依據模型初步建立了遙感衛星研制能力提升的指標體系：建立公用平臺建設與應用體系，不同遙感衛星重復設計工作量減少70%以上；建立公用平臺通用產品體系，單機產品規格減少40%；平臺研制完全模塊化，各艙段可以并行組裝、測試；開發通用電性平臺并實現型號應用，通用電性驗證平臺可以100%直接支持型號初樣測試。

圖1 基于公用平臺的遙感衛星型號研制模式模型

1.管理體系框架的構建

通過總結以往研制經驗，結合對國外先進衛星制造企業的調研分析，提出了基于公用平臺的遙感衛星型號研制模式的管理體系框架，如圖2所示。

該管理體系框架對傳統的遙感衛星研制模式進行改造，將共性部分的平臺業務抽離出來，形成“兩橫兩縱”的矩陣式管理體系框架。“兩橫”分別是型號共性管理、平臺與產品共性管理2 個方面的跨型號共性管理工作。“兩縱”分別是公用平臺建設、產品體系建設2 個方面的業務工作。

總體部以該管理體系框架為基礎，開展了業務與管理的創新實踐。在“兩橫”方面，制定了新型號對公用平臺和平臺產品選用的管理辦法，在10 余個型號進行了推廣應用，組織完成了跨型號的產品共享共用協調與組批投產協調等工作；在“兩縱”方面，專門成立了遙感公用平臺項目辦公室，牽頭組織完成了公用平臺型譜規劃，通過整合不同遙感型號的研制需求，統一完成了52類新研單機產品的設計開發，建立了遙感領域平臺第三代產品體系。

圖2 基于公用平臺的遙感衛星型號研制模式管理體系框架

2.建立了新平臺的研制流程與隊伍管理辦法

（1）統一標準，完成遙感衛星公用平臺型譜規劃

2012 年以來，總體部按照結構體系、承載重量的劃分標準，對大中型遙感衛星平臺型譜進行了系統規劃，包括遙感中型平臺（ZY1000）、中型敏捷平臺（ZY2000）、遙感大平臺（ZY3000）、高軌中型遙感平臺（DFH-4R）等。

（2）科學設計，制定新平臺的研制開發流程

新平臺是指針對未來5～10 年的任務需求，對標國際航天器的研制情況和發展趨勢進行開發與研制，全新設計的、可適應多種載荷配置方案的衛星平臺。新平臺的開發與驗證由需求分析、方案設計、地面驗證、在軌驗證4 個階段組成。

需求分析階段。針對型譜中規劃的新平臺，對已明確的或潛在的用戶任務需求進行充分調研。

方案設計階段。對公用平臺技術指標的實現途徑進行充分論證，制定平臺方案、各分系統方案、大系統的接口方案等。

地面驗證階段。制定地面驗證計劃，如結構模型驗證、熱控模型驗證、電性模型驗證、大系統接口驗證等。

在軌驗證階段。包括關鍵技術的在軌驗證、單機產品的在軌驗證以及公用平臺整體的在軌驗證。

（3）集智攻關，組建平臺開發隊伍，完成新平臺開發

針對新平臺開發組建了專門的研制隊伍（遙感公用平臺項目辦公室），組織模式如圖3 所示。

3.完成通用產品體系規劃與統一設計、研制、驗證

（1）結合型號研制，統一規劃平臺產品體系

總體部于2012 年對遙感領域平臺產品體系進行了梳理、分析，從產品通用性、集成度、數據管理特點、供電方式等方面確定了第三代產品體系代際劃分原則。

第三代平臺產品體系以高集成度、智能化、通用化、輕小型化、長壽命為典型技術特征，保留型號使用中功能先進、成熟度高、質量穩定的單機產品，減少了產品類型，精簡了產品狀態。

以產品技術狀態統一成果為基礎，結合應用該平臺4 個型號的研制計劃，對電性產品、結構熱控產品進行了統籌，進一步控制了產品投產數量。四星鑒定件原需求共116 件，統籌后投產52 件，投產減少比例達55%，電性產品、結構熱控產品投產減少的比例分別達到35%和40%。

（2）統一開展新研單機的設計和試驗驗證

按照“詳細設計統一審定、產保要求統一實施、技術狀態統一控制、研制試驗統一開展、鑒定產品統籌投產”的原則，對4 個型號開展統一協作。對頂層規范進行了統一，制定了最大包絡狀態的地面環境試驗規范、空間環境規范、通用產品EMC 規范以及統一的設計建造規范。根據單機產品對于不同母線電壓適應性要求、不同模塊配置要求以及其他差異化使用要求，統一制定了鑒定產品試驗矩陣，完成了全部52 類單機的開發和鑒定工作。

圖3 新公用平臺組織機構圖

（3）統一進行單機產品的技術狀態控制

為實現對單機產品技術狀態的有效控制和統一管理，總體部制定了采用“單機通用產品規范+單機通用IDS”2 類文件對單機技術狀態進行控制的管理辦法。各分系統按計劃完成了去型號化的通用產品規范、通用IDS 的編制工作。

這些措施確保了平臺單機產品能夠滿足通用化使用要求，技術狀態統一受控。

4.建立基于公用平臺的新型號研制管理辦法

（1）整合優化，建立基于公用平臺的新型號研制流程

遙感衛星型號研制模式創新的思路主要包括在預研階段和方案階段整合并優化初樣階段的設計驗證工作，其研制流程如圖4 所示。

預研階段和方案階段整合。盡量利用公用平臺產品、技術，提高前期技術狀態和設計細節的明確程度，提高設計工作的工程化水平和驗證工作的深度，以促進預研成果直接應用于工程。

優化初樣階段的設計驗證工作。在前期設計工作得到較好驗證、技術狀態清晰、細節設計完善的基礎上，充分利用電性驗證平臺和數字化設計分析工具，簡化初樣階段的驗證工作，重點圍繞有效載荷開展工作，并進行必要的平臺與有效載荷接口匹配與驗證；通過電性平臺對型號方案的可行性、平臺與有效載荷的接口適應性進行驗證。

通過研制模式轉變和流程優化，可以大幅節約成本，促進預研成果直接應用于型號，將原有5年預研時間+1 年方案壓縮到1.5～2 年完成可行性方案；數字化設計技術和仿真手段的應用，可將初樣研制階段節約至少6 個月。通過促進數字化設計技術的應用，可提升衛星研制的數字化程度，總體總裝設計和信息流的管理更加規范和高效，在提高設計質量的同時可縮短約2～3 個月的設計周期。

（2）促進銜接，針對性設計新型號隊伍組織模式

針對基于公用平臺的新型號研制，型號隊伍組織模式如圖5 所示。

圖4 基于公用平臺的遙感衛星型號研制流程

（3）大膽實踐，實現新型研制模式的衛星應用

在確定采用中型敏捷平臺、新研制模式后，某衛星型號研制過程中實現了以下4 個方面的優化。

一是系統及平臺單機級文件沿用和簡化。系統級規范、單機產品規范等文件均以借用的形式直接應用平臺研制形成的通用文件，減少了產品技術狀態變化、重復設計帶來的成本和進度浪費。

二是平臺部分技術狀態的直接沿用。平臺部分不再開展初樣設計和驗證等工作，僅配合整星開展有效載荷功能性能的驗證。

三是初樣采用通用電性驗證平臺進行電性能測試。該衛星初樣直接利用平臺研制的通用電性驗證平臺進行電性能測試，不再新投產平臺部分電性/鑒定產品。

四是初樣不進行整星級的結構力學試驗、熱平衡試驗。該衛星基于公用平臺的研制模式，大大優化衛星研制技術流程，有效降低了研制成本和研制周期。

圖5 基于公用平臺的新型號隊伍組織模式

三、實施效果

總體部依托“中型敏捷遙感衛星公用平臺”等項目開展了遙感衛星研制模式轉型的研究與實施工作，實施中取得良好效果。

一是首次運用系統工程理論和方法，圍繞“提高效率、降低成本、提升質量”的整體發展目標，以滿足和保障任務需求與有效載荷多樣化的型號研制為約束條件，運用系統工程方法建立了基于公用平臺的遙感衛星型號研制模式模型，形成了相應的管理體系框架，結合型號研制實現了工程應用。

二是建立了新平臺研制流程與研制隊伍管理辦法，兼顧新平臺研制的開發需求與工程要求，確保新平臺研制過程緊密圍繞先進性、公用性、高可靠等目標開展，關鍵技術能夠順利完成攻關，功能性能指標能夠全面得到驗證。

三是建立了新平臺及產品的生產管理體系，組建了公用平臺建設的工作團隊、遙感領域平臺產品體系建設的工作團隊，完成了全新一代 “中型敏捷遙感衛星公用平臺” 的研制開發，形成了“公用平臺+通用產品”的科研生產組織模式，對產品統籌投產的實施效果進行了檢驗。

四是建立了基于公用平臺的新遙感衛星型號的研制管理辦法。在研制流程方面，將預研階段和方案階段整合，優化了初樣階段的設計驗證工作；在隊伍配置方面，建立了型號隊伍與公用平臺隊伍有效銜接的機制，實踐應用中取得了預期效果。

基于公用平臺的遙感衛星研制模式轉型項目成果已應用于1 個平臺（中型敏捷遙感衛星公用平臺）和6 個型號研制任務中，有力保障了國家高分專項、空間基礎設施等重大工程的順利推進。從遙感衛星的設計、生產、組裝、測試、應用全鏈路上根本性地解決了狀態發散、資源不集約、數據不共享等問題，實現企業所要求的產業化、市場化研制模式的轉型，綜合管理水平達到國際先進，在取得巨大社會效益的同時綜合經濟效益超過億元。