衛星產品“三化”策略研究

李國強 郭凱 周思卓 齊心

摘 要：本文在闡述產品通用化、系列化、組合化，即“三化”內涵及其作用意義的基礎上，調研分析了美歐等國外有代表性的衛星產品“三化”模式及實施案例，歸納總結了相關經驗；介紹了我國衛星產品“三化”的發展歷程及現狀，并重點針對后續衛星產品“三化”的廣泛深入開展進行了策略設計。

關鍵詞：衛星，通用化，系列化，組合化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.14.004

0 引 言

“三化”是通用化、系列化、組合化的簡稱，既是產品研制貫徹標準化理念的三種主要形式，也是標準化在產品研制中發揮作用的三種重要方法，還是產品研制實現標準化的三項關鍵目標。其中，通用化是最大限度地擴大同一單元使用范圍的標準化形式，也即通過選定或研制具有結構和功能互換性的通用單元并將其應用于互相獨立的新研系統以滿足其需求；系列化是根據同一類產品的發展規律和使用需求，將其主要參數按一定數列合理安排或規劃，并對其型式和結構進行規定或統一，從而有目的地指導同類產品有序發展的標準化形式；組合化是重復利用通用單元（通用模塊）并補充研制部分專用單元（專用模塊），拼合成滿足不同需求的新功能產品的標準化形式。實踐表明，“三化”是降低產品研制費用和研制風險的重要選擇，是縮短研制周期、延長產品有效壽命的重要措施，是提高產品質量和使用效能的有效途徑[1-2]。

伴隨著航天科技的快速發展，衛星應用的范圍不斷拓展，對不同衛星功能的需求日益廣泛而迫切；但衛星本身具有多研少產、體系復雜的特點，制約了衛星產品的批量化生產和規模效益。及時總結國內外衛星產品“三化”經驗，積極探索并持續深化衛星產品“三化”研究與實踐，是衛星產品面向多樣性需求發展規模生產方式的必由之路。

1 國外衛星產品“三化”調研分析

20世紀70年代起，世界航天發達國家和國際一流航天制造企業即開始推行衛星產品的“三化”設計。發展至今，形成了Boeing 702、A2100等系列衛星通用平臺、多功能集成的地面終端等，并經大量應用與驗證，趨于成熟。近年，美軍針對未來太空作戰模式，開發了快響衛星模塊化開放體系架構，對小衛星進行模塊化設計，實現小衛星的快速發射快速形成戰斗力。

1.1 美歐衛星通用平臺研發

麻省理工學院受美國航空航天局（NASA）委托進行了衛星產品通用化系列化研究，2000年，在研究成果中給出了基于平臺的衛星設計方法。衛星系統集成商與產品供應商根據發展需要，提出了成熟通用平臺和商業貨架產品的制造理念，為實現衛星產業化生產奠定了理論基礎。以波音衛星系統公司、洛克希德-馬丁商業空間系統公司、勞拉空間系統公司以及歐洲泰雷斯·阿萊尼亞公司等為代表的整星集成商，研發并固化了一系列高適應性、長壽命、大功率、多頻段的衛星通用平臺[3]。

波音公司主要涉及通信、導航和電子偵察衛星業務，也為NASA提供支撐。Boeing 702系列平臺保留了成熟的Boeing 601平臺的優點，既簡單又靈活，在承載能力、性能和性價比等方面都處于世界領先水平。目前，該系列平臺采用“一個基本型+多個子型（改進型或增強型）”的模式，已發展了基本型、702HP、702MP、GEM等型號，以滿足不同的任務要求。

洛克希德·馬丁公司衛星平臺產品的主要客戶為美國國防部，涉及通信、電子偵察及導彈預警、導航、遙感、氣象衛星，主要包括L M 70 0系列、LM 900/1200系列、LM 3000/4000/5000/7000系列、A2100系列、DSCS系列、Milstar系列、TIROS N等。其中，A2100系列是其主推的標準衛星平臺，包括A2100A、A2100AX、A2100AXS和A2100M等。A2100系列衛星平臺的平臺艙和有效載荷艙采用箱板式結構和模塊化設計，可根據載荷的不同需求對平臺的配置進行剪裁，使其對于各種載荷的適應能力大大加強，同時平臺零部件的通用率也大幅提高，進而提高了零部件的可靠性，使得A2100系列平臺被評為世界上可靠性最高的靜止軌道通用平臺。

勞拉空間系統公司作為美國領先的商業衛星制造商，產品包括通信衛星、氣象衛星、數字音頻廣播衛星、點波束衛星等。目前主要的衛星通用平臺為SSL 1300系列，面向大型商用通信衛星領域，包括1300平臺基本型及1300E、1300HL、1300S、1300X等增強型、改進型。單一的平臺系列以及高繼承性的特點，為SSL 1300平臺系列積累了更多的星年，有利于可靠性的提高，也有利于企業生產成本和項目風險的降低，其市場占有率和市場認知度“雙高”，屬于“明星類”產品。

泰雷斯·阿萊尼亞公司是目前歐洲最大的衛星制造商，主要衛星平臺包括Spacebus系列平臺、Proteus平臺、PRIMA平臺，以及與Astrium聯合研制的Alphabus平臺。以Spacebus系列平臺為代表，其在開發當前平臺的同時充分考慮產品和技術后繼應用前景的通用化、系列化設計思想及平臺能力代表了國際商用通信衛星的先進水平。隨著關鍵技術的不斷突破，Spacebus平臺的能力在一定程度上反向牽引了市場需求，從最初的Spacebus 100平臺發展至如今的Spacebus 4000平臺，產品代際明顯，老平臺迅速被新平臺替代。同時，采用“一個基本型+多個子型（改進型或增強型）”模式，如Spacebus4000系列平臺，就有Spacebus－4000B1、4000B2、4000B3、4000C1、4000C2、4000C3和4000C4等多種子型，多個規格并存可滿足不同的任務要求。

衛星通用平臺的開發理念和相應接口規范體系的建立，加快了衛星平臺所屬單機和部件的系列化、專業化開發，并逐步形成了以系列型譜為指導、技術相對成熟、質量穩定、可供衛星設計選用的“商業貨架式產品（COTS）”。衛星產品供應商紛紛建立企業產品系列型譜，開展貨架式產品研發研制工作。美軍與洛克希德-馬丁簽署的新一代衛星研制合同中，也提出了全面采用COTS的相關要求。20世紀末，航天發達國家的成熟衛星研制周期已能夠控制在20個月左右，部分衛星甚至可以在14個月或更短時間內完成研制。目前，國際主要衛星制造企業以公用平臺和貨架產品為基礎，基本實現了衛星生產的準流水線作業，在控制和縮短研制周期的同時，保證了產品質量與可靠性，降低了項目風險，產生了極大的經濟、技術和軍事效益。

1.2 美軍快響衛星“三化”

美國是最早開展快速響應技術研究的國家。早在1999年美軍為重點支持包括情報、監視和偵察（ISR）、特種通信等空間力量增強及空間控制、空間支持任務，提出構建靈活的、具備更強響應能力且面向戰術應用的空間體系概念——“作戰響應空間（ORS）”。經過十幾年的發展，不但成立了專門的組織機構ORS辦公室，制定了ORS發展計劃，還成功開展多個飛行演示驗證項目，并開展了包括衛星平臺標準化、模塊化等關鍵技術研究。

2008年，ORS辦公室提出將“模塊化開放體系架構（MOSA）”策略引入快響衛星研制，在該策略指導下構建快響衛星體系，使其更具彈性，更易融入未來聯合作戰系統，提高互操作性和兼容性。美軍將MOSA定義為“一種將技術與商業兩種因素相結合的綜合策略，可用于指導開發新系統或升級改造現有系統”，體現兩個最顯著的特點：在技術層面（因素）強調模塊化，在商業層面（因素）突出開放性。此外，美軍的快速響應衛星關鍵技術還包括快速總裝、快速測試與試驗（AIT）流程、貨架式產品選用和即插即用技術應用等[4]。

美軍的快響衛星已基本形成了一套完善可靠的需求分析、設計研制、測試試驗、演示驗證等機制，標準化、模塊化、開放式架構成為快響衛星未來發展及軍事化應用的基礎。在MOSA策略下進行關鍵接口的統一，并建立標準化的衛星平臺，解決了面向不同載荷任務需求快速實現產品設計、集成及總裝發射的難題，降低了技術難度、壽命要求和進入門檻，加速未來快響衛星的大規模應用。

2 國內衛星產品“三化”現狀

20世紀90年代起，依據我國應用衛星“九五”發展規劃和1996年發布的關于加強衛星通用化、系列化、組合化的決定，衛星在我國航天領域中率先開展了“三化”工作。二十余年間，衛星由最初“以型號為中心”逐步轉變為“以產品為中心”的模式，衛星“三化”理論方法逐漸成熟，“三化”產品不斷優化、固化并全面應用，衛星“三化”成效逐步顯現。

目前，我國初步形成了多個種類、能適應多種軌道和有效載荷的衛星通用平臺系列，主要有DF H- 4、C S -L 3 0 0 0（資源）、C A S T 9 6 8、CAST2000、SAST1000、SAST3000等。比較典型的如DFH-4衛星平臺，是我國自主研發的高功率、大容量、長壽命衛星平臺，適用于大容量廣播衛星、直播衛星、數據中繼衛星、高軌遙感以及其他地球靜止軌道應用衛星，可滿足國內外用戶的不同應用需求。同時，基于以航天器平臺基本型為主、兼顧可擴展能力的產品規范編制方法，形成了航天器通用平臺系列標準，以指導新通用平臺的建設[3]。

以推力器為代表的衛星單機在“三化”實施過程中也取得了顯著成效。推力器經過多年研制與應用，技術成熟，但產品規格眾多、小修小改不斷，既造成大量設計、試驗重復，也影響了產品可靠性增長和生產質量穩定。通過對標國際先進水平、把握技術發展趨勢、梳理明確現有產品規格，明確識別了推力器類型和額定真空推力為特征參數，規劃建立了能夠滿足未來10～15年應用需求且技術先進的推力器型譜。目前，通過推力器產品“三化”建設，已形成了0.5 N、1 N、5 N、10 N、25 N等成系列的、跨領域或跨平臺的、具有多星年在軌經歷的成熟產品，在提升產能的同時，降低了研制生產成本，縮短了交付周期，保證了質量穩定性。

3 衛星產品“三化”策略設計

為貫徹國家有關衛星產品“三化”及便于快速升級的要求，在充分吸取國外先進做法經驗基礎上，依據統型譜統標準的總體思路，以成熟型譜建設理論方法為牽引，分類開展“三化”型譜建設，以產品全壽命周期中“三化”策劃、設計、實施與監督評估為主要手段，先開展基礎性研究論證制定統型方案，再通過試點應用進行制標貫標改造，牽引全面的工程化實施，構建以縱向的各級各類產品型譜與技術狀態基線、橫向的體系建設與共性技術為核心的衛星產品“三化”策略機制。

3.1 衛星產品“三化”體系建設

針對衛星產品小批量、高復雜、高成本、技術升級快等特點，在現有“三化”理論基礎上，從衛星產品“三化”推進需求和典型應用特征出發，研究建設指導衛星產品“三化”推進需要的原理、規律、方法等理論體系，保障“三化”工作協調、有序開展的分工明確、界面清晰的組織管理體系，緊貼衛星產品特點的型譜規劃與設計、成熟度提升與評價、模塊化設計開發、統一接口適配器設計開發的技術研究體系，以規范“三化”推進工作實施和技術要求為目的、以系列型譜和接口標準為重點的法規標準體系，支撐“三化”推進實施的分析評估軟件、信息管理系統、人才隊伍等方面的配套保障體系；形成各階段界面劃分、工作內容和要求明確，保證衛星產品各類型、各階段“三化”工作規范化、有章可循的基本工作程序。

3.2 衛星通用平臺型譜建設

針對當前及未來衛星應用，對標國外先進平臺產品，融合我國主力衛星通用平臺型譜，進一步壓縮優化衛星通用平臺規格，明確衛星通用平臺基本配置與選配包，通過確立充分繼承現有成果、集約優化規格數量，對標國際一流企業、追求先進設計理念，持續升級平臺規劃、引領平臺發展進步，合理匹配運載能力、協同規劃平臺型譜等4項原則，以衛星軌道、整星發射重量作為特征參數，規劃并開展以“東方紅”系列、“資源”系列、CAST系列、SAST系列為代表的衛星通用平臺型譜建設[5]。

3.3 衛星通用單機產品型譜建設

通用性強、可多型號衛星平臺通用，技術先進、必要功能采用集成性設計是當前及未來衛星平臺設計與應用的主流產品類別，以開展產品化、型譜化工作，具有通用化、系列化基礎等為遴選與確定原則，聚焦星上平臺關鍵重要單機、有效載荷單機、與地面有接口的單機等，迭代開展衛星通用單機產品型譜研究與更新，打通并統一各級單機產品型譜內產品類別、產品規格、產品名稱與代號等，建設衛星通用單機產品型譜及配套的產品規范。

3.4 衛星平臺分系統及有效載荷型譜研究與建設

針對衛星平臺數據管理、綜合電子、測控通信等技術發展快、功能集成度大的分系統，探索建立分系統級型譜；針對通信、遙感、數傳等有效載荷模塊化組合化設計趨勢，探索建立有效載荷級型譜或選配方案；針對星上告警、防護等新型分系統，探索建立分系統級型譜等，研究建立衛星平臺分系統、有效載荷級型譜或選配方案指南等。

3.5 衛星產品選用機制建設

在當前衛星產品科研訂購與試驗鑒定總體框架下，結合星箭產品化與鑒定定型工作推進，融合當前衛星研制部門產品選用實踐與成果成效，探索建立衛星產品選用模式與監督評價機制，融入衛星產品研制主流程，適時開展試點驗證并迭代完善，形成衛星產品選用系列規章制度文件、標準規范、試點經驗指南等。

3.6 衛星通用產品成熟度提升與上貨架

結合星箭產品化實踐和貨架產品建設，在前期基礎上深化提升衛星產品成熟度評價工作，將成熟度提升重點回歸至產品質量與可靠性的本質上，切實保證衛星“三化”產品基礎，研究形成貨架產品基線、規章制度及標準規范等。

3.7 衛星產品研制過程“三化”監督

將“三化”監督納入衛星產品研制主流程，同時結合里程碑節點的標準化審查與標準化評估工作，以“研制總要求—標準化大綱—‘三化方案—標準化工作—考核驗證—標準化審查—狀態鑒定—標準化專項評估—產品定型”為主線，在不同階段以訂購方監督、研制方監督以及主管部門監督等多種方式開展。

3.8 衛星產品“三化”評估

設計涵蓋“三化”規劃與保障、“三化”產品選用、“三化”資源開發、“三化”設計和“三化”使用評價等評估維度，包括“三化”組織與管理、型譜產品選用率、貨架產品選用率、通用產品規范制定、“三化”資源數據庫建設等指標要素的衛星產品“三化”評估指標體系；綜合基于專家經驗的定性方法和基于數理統計的定量方法，科學確定各指標權重，建立衛星產品“三化”評估模型。

4 結 語

本文以分析衛星產品“三化”作用意義為切入點，基于國內外衛星產品“三化”發展現狀，設計提出了縱向貫穿各級各類衛星產品型譜與技術狀態基線、橫向覆蓋體系建設與共性技術，涉及策劃、實施、監督、評估的衛星產品“三化”策略，可為后續新型通用平臺等衛星產品論證方案的確定提供參考，以期有助于推動我國衛星產品的通用化、系列化和產業化發展。

參考文獻

[1]李春田.標準化概論[M].北京：中國人民大學出版社，2014.

[2]孔憲倫.軍用標準化[M].北京：國防工業出版社，2003.

[3]李國強，張大偉，郭凱. 航天器公用平臺標準建設研究[J].中國標準化，2021（7）：102-106.

[4]齊心，周思卓，林屹立. 美軍小衛星“三化”前沿技術發展探析[J].國際太空，2021（3）：54-59.

[5]姚遠，蔡亞星，郭玲華，等. 新型高軌公用衛星平臺發展現狀與趨勢[J].太空探索，2020（7）：64-67.

作者簡介

李國強，副研究員，主要研究方向為航天標準化。

（責任編輯：張佩玉）