商业卫星计算机质量管控方法探索与实践

徐瑞娇 刘曦 邱素蓉

（航天九院七七一所，西安，710119）

随着十四五规划出台，低轨卫星互联网已成为国家新基建项目，各种商业卫星项目呈井喷之势，多家卫星总体及商业卫星公司开建卫星生产流水线。而目前国内星载计算机类产品的研制模式依然是深度定制的方式，产品化程度、质量管控流程与商业卫星的规模化研制需求不相匹配。要赶上商业卫星发展的浪潮，迫切需要从星载计算机的设计上和管理上入手，开展商业卫星计算机产品规模化研制管理体系建设。

1 商业卫星发展情况及特点

1.1 商业卫星发展现状

2022 年4 月，美国太空司令部发布 《太空司令部商业整合战略》，随着商业卫星整合战略的发布和实施，商业卫星将不再以卫星制造商或卫星最终用户来进行分类定义，可以将具有低成本、短周期、批量化特点的卫星统称为商业卫星。

国外商业卫星的发展缩影就是其低轨卫星星座的计划及实施情况[1]，最具代表性的是SpaceX的“星链”星座。2020 年至2021 年全球发射卫星3097 颗，SpaceX 的星链卫星占比超50%。据美国航天基金会2021 年发布的 《航天报告》显示，商业航天占到市场份额的70%。

2014 年开始，我国密集出台了多项政策支持商业航天发展，如2016 年国务院发布 《中国航天白皮书》、2021 年商务部发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》等，政策的红利窗口期使得我国商业卫星得到快速发展。当下互联网公司、新能源汽车公司、智能装备公司和智慧城市等产业链的需求也催化着低轨通信星座、低轨导航增强星座、低轨物联网星座进入一个新的发展时期。在国家战略规划的牵引和商业市场的催化下，我国商业卫星建设大踏步来临，星上低成本设备的需求会伴随增长。

1.2 商业卫星计算机特点

商业卫星在卫星制造上的共通点是：整星平台标准化、分系统模块化、核心部件自主研发、广泛的民营供货渠道及灵活的管理机制。商业卫星为提高结构紧凑度，减少单机产品种类、弱化分系统概念、强化整星一体化设计，多采用以公共母板为基础的多模块组合方案，实现整星电子学高度集成、板卡化。

商业卫星的星载计算机在设计上的特点是大量采用已有COTS（Comemercial Off The Shelf，商用货架产品）器件或组件，大量采用标准化设计。而我们当前配套的计算机产品主要特点是：深度定制、继承性较差，单机单套、单机单管，远不适应于商业卫星的低成本、短周期、批量生产特点。

从产品设计上入手，需研制并形成低耦合高密度的标准化货架化部组件，组搭未来的计算机产品，以提高集成性、提升批量生产力；从管理上入手，应合理剪裁简化当前管控流程，压缩成本、缩短开发生产周期。

2 星上计算机质量管控存在的问题

近年来，卫星公司的资产配重逐渐从重卫星资产向重应用资产过渡，压缩卫星产品成本及快速抢占市场是其寻找合作单位的主要考虑内容[2]。传统的星上计算机产品质量保证体系的不适应性日益凸显，主要存在以下问题。

a）三个研制阶段的划分不能适应商业卫星短周期的项目管理需求。传统的型号研制中方案、初样（电性件、鉴定件）和正样3 个阶段的划分和工作有力保障了卫星研制的成功，但一个产品全周期至少超过2 年，不能满足商业卫星用计算机短周期、快响应的研制需求。

b）长链条的质量管控及评审不能适应商业卫星精简化的流程建设需求。过程质量控制及评审是确保产品质量的重要手段之一，传统卫星的计算机产品质量控制是从策划阶段开始，纵向上覆盖卫星总体设计单位、分系统承制单位和单机承制单位甚至是用户单位，横向上需主管总师、专家和质量保证人员参与，评审项目过多、链条过长，导致部分单点工作人员在多个型号并举时会严重影响工作的时效性和项目执行力。

c）全过程、全要素的数据包编制不能适应商业卫星高效费比要求。为了可追溯性，目前一个宇航型号任务需产生大量文档，各级文件中重复内容较多，纸质归档极大地浪费人力和成本，满足不了成本和时间上的高效费比要求。

d）“一刀切”的元器件的选用要求和筛选流程不适用于商业卫星低成本需求。目前星上产品多选用宇航级器件，器件成本超过产品成本的50%，但是宇航级器件价格昂贵、生产周期长。元器件质保主要是100%器件级二次筛选保证，需要的周期长、筛选费昂贵，甚至筛选费用超过器件本身费用。

3 商业卫星计算机质量管控方法探索

3.1 合并研制阶段

全面梳理星上产品的研制流程，对传统卫星研制的方案、初样、正样阶段进行重新定义。将产品划分为新研产品和继承产品。新研产品是新设计的或用已有货架化板卡重新组合的计算机产品，继承产品是沿用已有技术状态的计算机产品。

将研制阶段分为地面试验件阶段和飞行件阶段，新研产品需经历地面试验件阶段和飞行件阶段。地面试验件需完成产品设计及环境验证，飞行件阶段需完成飞行及入轨验证。

该管理流程需设立2 个库：①货架化部组件库（COTS 组件库），在轨验证过的组件，经评审后归入货架化部组件库，根据市场预估可以提前进行储备生产；②产品库，将在轨验证过的计算机产品技术状态去型号化后归入产品化库，作为未来任务的基线产品，如经论证后满足新的任务需求，则直接按继承产品进行生产。

3.2 简化过程质量控制及评审要求

全面梳理产品研制过程中涉及的各要素，“应控皆控”，但需简化控制方式，降低评审级别，缩短评审链条。主要方法为：①将产品实现策划、设计开发策划、任务书、开发输入评审等项目合并控制，用“项目启动策划表”代替原有报告，以评审会形式把控；②将元器件选用、设计、风险分析与控制、特性分析、测试覆盖性分析等项目合并控制，用“设计报告”代替原有报告，以评审会形式把控；③将备料审查用“备料确认单”的方式，以各方签署确认形式把控；④将转阶段或出厂确认用“研制总结检查表”的方式，以评审或各方签署确认形式把控；⑤对新研产品，将评审提前到模样阶段进行，提前把控，以尽可能减少后期设计反复。

3.3 简化数据包要求

对传统宇航型号产品数据包进行了合并、删减，将原100 余份数据包要求缩减至39 份。

用表格的形式代替部分原有的报告，去掉套话，减轻编写压力。例如，用“项目启动策划表”代替实现策划书和开发策划书、用“备料确认单”代替备料评审报告、用“生产准备检查表”代替生产准备确认报告、用“研制总结检查表”代替研制总结报告。

将部分原有报告合并，内容应有尽有，简化模板。例如，将单项设计报告合并至“设计报告”中；工艺相关文件合并至“工艺流程卡”中；研制总结、产保总结等总结性内容合并至“研制总结检查表”中。

改变归档形式，迎合实际使用需求，简化归档手续。将结构图纸归档改为结构模型光盘刻录归档；逻辑图归档改为光盘刻录归档；PCB 文件直接归至mentor 库。

3.4 优化元器件选型及筛选流程

3.4.1 优化元器件选型要求

器件选型是源头控制，针对的是各类元器件的型号规格、供应商、封装形式等，压缩选型品种，并确保选择的生产厂、器件型号符合应用的可靠性预期，确认是否可以进行连续性的批采购[4]。

商业卫星计算机用元器件选用总体原则是根据单机中各功能的关键级别进行差异化选用，尽量选用低成本器件，能从设计上保证的尽量减少器件成本支出。具体选用原则包括以下几个方面。

a）处理器最小系统建议选择耐辐射电路以提高系统可靠性，其他部位的元器件选用COTS元器件；

b）进口元器件质量等级不低于工业级，优先选用汽车级和军温塑封电路；国产元器件质量等级不低于工业级，无工业级元器件时最低选用普军级，必要时可选择三温合格品；

c）根据卫星轨道及卫星寿命优先选择总剂量指标满足要求的COTS 元器件；

d）选用COTS 元器件时优选有过飞行经历的元器件；

e）优先选用MRAM（磁阻存储器）和FeRAM（铁电存储器）替代PROM；

f）对于总剂量指标不满足要求的元器件，需要针对性地采取加固设计措施；

g）慎选有低剂量率效应的元器件，必须选用时需采取有针对性的加固设计措施；

h）慎选工艺线宽小于40nm 的元器件，必须选用时需采取有针对性的冗余容错设计。

3.4.2 优化元器件筛选流程

参考SpaceX 星链筛选流程，结合已发射商业任务的筛选情况，制定元器件筛选流程，如图1所示。筛选原则：①以单机关键程度作为筛选项目选择的根本依据，当单机关键程度高、要求最低风险设计时，采用定制式质保模式，在图1 基础上增加考核项。其他单机执行图1 筛选流程。②所有元器件均需进行“器件级筛选＋板级筛选”两级筛选。

图1 商业卫星计算机元器件筛选流程

4 实践效果和总结

通过对商业卫星计算机产品管控新模式的探索，开展对商业航天领域的宇航计算机产品研制体系战略研究，发布了 《商业卫星配套产品质量管控办法》。以某综合电子计算机（配套2 颗星）、某星务计算机（配套6 颗星）为例，将原来超过1 年的研制周期压缩至6 个月之内，且完整经历了地面验证件和飞行件2 个阶段，有效缩短研制周期的同时保证了产品的可靠性。某星务计算机（配套12 颗星），生产成本压缩50%左右；某高性能计算机，生产批量达20 套/批时，可将生产成本控制在6 万元以内。

针对国家卫星组网基础建设规划和近10 年上万颗体量对商业卫星计算机产品的海量需求，开展相应的质量管控方法研究，一定程度上可以实现时间成本、人力成本和经济成本的有效降低，为商业卫星计算机规模化产业发展提供管理依据和支撑，也可以为未来更科学更精准的卫星产品差异化管控提供数据和经验。