批产航天器设备布局研究

周孝伦 武向军 郝文宇 丛飞 梁翠娜

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

航天器通常为单颗研制，难以批量设计和生产［1］。导航卫星是一类特殊航天器，需要几十颗相同功能的卫星共同在轨运行，形成星座系统［2-3］。全球导航系统一般由24颗以上组成，如美国GPS系统、欧洲Galileo和俄罗斯的Glonass导航系统卫星数量都超过24颗，此类卫星已达到小批量的研制条件（一般超过5颗即为小批量）。导航载荷是导航卫星的主载荷，除导航载荷外，导航卫星一般还配置有通信转发、空间探测和其它探测或测试的载荷，进而实现卫星平台能力应用的最大化和载荷功能的多元化；同导航载荷相比，这些载荷可称作搭载载荷；各类轨道卫星、同类轨道不同序号卫星间搭载载荷通常存在差异，另外，由于不同厂家研制水平的不同，导致同类设备不同研制厂家之间存在技术状态不同，决定了导航卫星具有小批量、多状态的特点［4］。

导航卫星的出现，对以单星研制为主的航天器研制模式、设计惯例提出了挑战；卫星总体必须调整工作模式，满足导航卫星小批量、多状态的需要。本文在总结前期航天器研制经验的基础上，提出了以舱板布局设计作为基本单元进行小批量、多状态航天器布局设计状态控制的解决方案，并与产品数据管理系统有机结合，实现了批产航天器的设备布局状态管理。

2 批产航天器设备布局设计的难点分析

航天器研制是一项系统工程，具有系统复杂、技术密集、综合性强等特点，在系统层面与运载、发射场、测控、运控等大系统存在接口，在分系统层面包括十多个分系统，如结构、热控、能源、测控、控制、推进、综合电子、载荷等分系统；研制过程包括需求分析、方案设计、加工制造、总装与测试、发射与在轨管理等阶段，设计是航天器研制的一类重要活动；航天器设计包括总体设计、分系统设计和设备设计等多个层次；总体设计主要负责系统级设计，包括总体方案设计、系统指标分解、任务规划、设备布局设计等工作［1，6］。如何在有限的尺寸包络内完成航天器设备布局设计，提供各设备的工作条件，达到飞行任务的各项指标是航天器设备布局设计的主要问题［1，5-6］。

相对于单星研制，批产航天器研制是更加复杂的系统工程，对总体设计提出了更高要求，总体设计应确保不同设备配置、同类设备不同技术状态下总装、测试与在轨运行，因而，设计难度更大。针对航天器多状态（多配置），总体设计可通过两种方式解决设备布局设计难题：①针对航天器每种配置状态提供各自相应的设计方案；②针对所有配置状态提供一套兼容性设计。本文认为第一种解决方式可行，原因是：第二种解决方式对总体设计提出了极高的要求，增加了设计难度、复杂度，且给后期生产、总装测试埋下了隐患（也可能不存在满足所有要求的兼容设计）；第一种解决方式减少了各配置之间的相互耦合，降低了设计难度，但对设计方法、布局状态的控制，提出了更高要求；通过应用更科学的设计模式、更先进的信息化手段和更现代的管理手段，可以满足设备布局状态控制要求高等方面的要求。

3 基于舱板配置的设备布局方案

航天器通常包括载荷舱、服务舱和推进舱，每个舱包括多个舱板，舱板上安装设备、总装直属件、管路、电缆和热控设施等（图1）；对于航天器设备布局设计，舱板布局是最基本的设计单元，每个航天器都是舱板的组合；航天器设备布局设计状态的确定，即航天器各舱板布局设计状态的确定；对于小批量、多状态航天器研制，完成了各种配置状态下的舱板布局设计，即完成了多状态批产航天器的基本设计，不同配置的航天器可通过相应状态的舱板布局组合加以实现。

图1 卫星组成Fig．1 Configuration of satellite

基于舱板配置的设备布局方案主要包括如下方面：①特殊设备识别；②配置状态矩阵制定；③配置状态转化；④配置状态编码；⑤配置组合。为说明此解决方案，本文通过应用案例进行描述。

（1）特殊设备识别。特殊设备包括搭载设备和因研制厂家不同导致技术状态不同的设备，这里称为特殊设备，其它称为普通设备；由于特殊设备的配置不同，导致了同类航天器设计状态的不同，因此，本文对特殊设备进行识别与汇总，通过特殊设备的配置状态确定航天器的型号特征。

这里以某卫星星座为例对特殊设备进行说明。该星座特殊设备共4类，分别为设备A、B、C 和D，其中A、B和C是搭载设备，D 是多个厂家分别研制的同类设备，D 设备的研制厂家分别为X 厂、Y 厂和Z厂，研制的设备分别为D-X、D-Y 和D-Z。

（2）配置状态矩阵制定。卫星总体根据顶层任务要求和设备分工定点要求确定各类卫星设备配置状态。在各种配置的航天器差异性比对中，特殊设备使用情况反映了该航天器的设计特征，因此需形成各型航天器特殊设备配置状态矩阵，通过状态矩阵描述特殊设备配置情况。

此星座卫星共有6种配置，各型卫星配置情况见表1（标有“√”记号表示此型卫星配置有该设备，空白表示未配置该设备）；该配置矩阵标明了各型卫星的特殊设备应用情况。

表1 设备配置状态矩阵Table 1 Satellite configuration state matrix

（3）配置状态转化。配置确定后，卫星总体按照配置开展设备布局设计。布局过程是一种综合考虑机、光、电、热、磁等条件的多学科优化过程［1，5-6］，经过多轮的迭代设计，最终完成各设备在卫星舱板上的布局。

对于星座卫星，根据平台化、模块化和产品化的基本要求，卫星总体应确保6型卫星（I型、II型、III型、IV型、V型和VI型）中通用设备的布局应尽量相同，特殊设备所在舱板尽量明确，并与普通设备布局区域相对独立，减少相互之间的耦合；对于仅安装普通设备的舱板，在各型卫星中布局相同，这些舱板被称为单态板；对于安装有特殊设备的舱板，不同卫星中，布局情况不同，即同一舱板在不同卫星中存在不同的布局状态，本文将此类舱板称为多态板。各型卫星都是单态板和多态板的组合，卫星的多状态最终反映为某些舱板的多状态。

（4）配置状态编码。为有效控制多态板的配置状态，需对多态板的不同配置状态进行编码，用于区分不同状态的设计文件、模型与图纸，进而形成与各自状态相对应的设计文件、模型与图纸集合。

设备A 和D 安装在舱板31-0上，设备B 和C安装在舱板33-0上，根据表1中各型卫星的设备配置情况，舱板31-0存在5种布局状态，舱板33-0存在3种布局状态，配置状态编码情况见表2。

表2 舱板设计状态编码Table 2 Coding for structure board design state

31-0板5种配置对应的状态编码分别为：31-0＿S1、31-0＿S2、31-0＿S3、31-0＿S4和31-0＿S5，各编号对应的配置情况见表2。

33-0板3中配置对应的状态编码分别为：33-0＿S1、33-0＿S2和33-0＿S3，各编号对应的配置情况见表2。

（5）配置组合。多态板的每种配置状态与单态板共同组成卫星舱板的基本状态集合，各型卫星是多态板的其中一个配置状态与单态板的组合。卫星舱板投产时，卫星总体根据卫星配置情况对单态板和多态板所对应的舱板进行组合。6型卫星多态板组合情况见表3。

这里通过上述例子，说明基于舱板配置的设备布局方案应用过程：①通过特殊设备识别，确定星座中特殊设备种类情况；②根据分工定点，确定各卫星上特殊设备的应用情况，并形成设备配置状态矩阵（表1）；③结合卫星设备布局和配置，确定单态板和多态板；④对多态板进行编码（表2），形成舱板数据集；⑤根据卫星设备配置，从舱板数据集中抽取数据，构成对应类型的卫星数据（表3）。通过以上过程完成基于舱板配置的整星数据信息配置管理。

4 产品数据管理系统中的设备布局状态管理

航天器设计过程是多系统、多学科、多厂所协同工作的过程，设计过程中会产生大量的设计文件、模型和图纸等载体，这里统称为数据文件。各类数据文件相互协调、共同确定航天器的设计状态，从而，航天器设计状态的管理可以归结为数据文件的管理。数据文件通常借助产品数据管理系统进行管理，这些系统一般具有文件管理、版本管理、更改管理、送审管理、查询管理、权限管理、借用管理等功能，使航天器文件、模型和图纸在研制过程中内容受控、共享和再利用，实现信息数据的计算机管理，提高设计的效率［7-8］。当前，数据管理系统有很多种，相互之间存在差异，但应具有如下2项基本功能：

（1）数据管理。支持分布式异构数据存储、查询和管理功能，进行数据的检入、修改、送审和后期利用；具备权限管理功能，通过权限管理确保许可的人，在许可的时间，以许可的方式进行许可的操作；具备版本管理功能，通过版本区分不同时段的设计信息，从而保存中间过程的设计信息，确保设计信息的可追溯性［9-10］。

（2）产品结构管理。通过视图和明细表，实现对产品结构和物料清单管理；任何产品通常由一系列的零件、部件组成，将部件进一步分解，直到不能再分解，形成一个倒立分层的树状结构，称为产品结构树，简称产品结构。产品结构反映了产品的零部件层次关系，使得产品的结构关系清晰可见［10-11］。

产品数据管理系统的上述功能在小批量、多状态的航天器研制中广泛应用。数据管理功能促进批产航天器数据管理与相互借用，避免重复设计、设计数据重复导入；产品结构功能支持产品设计状态分解，促进设计改进型快速实现，方便配置管理和技术状态控制。

使用产品数据管理系统进行设备布局状态管理时，单态板和多态舱板分别建立与之对应的独立节点，节点下包含与舱板相对应的布局文件、模型和图纸，任何一个舱板节点都是该舱板相关布局信息的数据集。小批量、多状态航天器的任一状态都是单态板和多态板数据集的组合，任一状态航天器的设计数据都是共用舱板设计数据与多态舱板设计数据的组合；从而降低设计的难度，给小批量、多状态航天器设计、管理提供有效的途径和方式。

5 导航卫星设备布局方案

在导航卫星研制过程中，应用基于舱板配置的设备布局方案对卫星设备布局状态进行了控制。首先确定了卫星特殊设备，包括搭载设备4类，分别为JY01、JY02、JY03和JY04，不同技术状态设备2类，分别为D01和D02；其中D01有两个研制厂家X 和Y，研制的设备分别为D01X 和D01Y；D02有两个研制厂家S和T，研制的设备分别为D02S和D02T。这些设备分别安装在11-0、12-0和13-0舱板上，舱板11-0 共有3 种配置，舱板12-0和13-0分别有2种配置；各自的状态编号分别为11-0＿S1、11-0＿S2、11-0＿S3、12-0＿S1、12-0＿S2、13-0＿S1和13-0＿S2，卫星多态板及特殊设备配置情况见图2。

图2 各卫星设备布局状态Fig．2 Layout state for each satellite

该方案与产品数据管理系统结合，实现了卫星单态板和多态舱板的设备布局状态管理，同一布局状态的数据在系统中集中管理，形成产品数据集；并结合版本管理、有效性管理对各版本关于批发次的有效性［12］情况进行清晰的界定，见图3。

图3 卫星设备布局配置Fig．3 Satellite equipments layout configuration

图3中公共数据集中管理了单态板和多态板每种状态的布局数据，各型卫星，如图3中I型卫星数据直接从公共数据集中提取符合要求的布局数据，即可快速构建I型卫星产品结构树，从而实现各型卫星设计状态的清晰管理。该方案解决了多方案设计中的设计状态控制的难题，简化了控制方法，使得各卫星的状态准确明了。

6 结束语

本文针对小批量、多状态航天器的设计状态控制难题，提出了基于舱板配置的设备布局状态控制方案，通过特殊设备识别、配置状态矩阵制定、配置状态转化、配置状态编码和配置组合实现批产航天器的设备布局状态控制，并结合产品数据管理系统的实施，实现批产航天器的产品结构管理。降低了航天器总体设计难度，提高了工程实施的可行性和可实施性。本方案实施可行，可在具有类似特点的航天器研制工作中加以推广。

（References）

［1］徐福祥．卫星工程概论［M］．北京：中国宇航出版社，2003

Xu Fuxiang．An introduction to satellite engineering［M］．Beijing：China Astronautics Press，2003（in Chinese）

［2］王惠南．GPS原理与应用［M］．北京：科学出版社，2004

Wang Huinan．Principle and application of GPS［M］．Beijing：Science Press，2004（in Chinese）

［3］边少锋．卫星导航系统概论［M］．北京：电子工业出版社，2005

Bian Shaofeng．An introduction to satellite navigation system［M］．Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2005（in Chinese）

［4］崔绍春．卫星有效载荷的地位和作用［J］．航天返回与遥感，2003，24（1）：61-65

Cui Shaochun．Position and effect of satellite payload［J］．Spacecraft Recovery ＆ Remote Sensing，2003，24（1）：61-65（in Chinese）

［5］王希季．卫星设计学［M］．上海：上海科学技术出版社，1997

Wang Xiji．Satellite design［M］．Shanghai：Shanghai Scientific ＆Technical Publishers，1997（in Chinese）

［6］彭成荣，航天器总体设计［M］．北京：中国科学技术出版社，2011

Peng Chengrong．System design of spacecraft［M］．Beijing：China Science and Technology Press，2011（in Chinese）

［7］童秉枢．产品数据管理（PDM）技术［M］．北京：清华大学出版社，2000

Tong Bingshu．Technology of product data management（PDM）［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2000（in Chinese）

［8］庞士宗．产品数据管理（PDM）［M］．北京：机械工业出版社，2001

Pang Shizong．Product data management（PDM）［M］．Beijing：China Machine Press，2001（in Chinese）

［9］范文慧．产品数据管理（PDM）的原理与实施［M］．北京：机械工业出版社，2004 Fan Wenhui．Principle and application of product data management（PDM）［M］．Beijing：China Machine Press，2004（in Chinese）

［10］叶晓俊．PDM 中的产品结构与配置管理［J］．计算机工程与应用，1999，35（5）：29-32

Ye Xiaojun．Product structure and configuration management in PDM［J］．Computer Engineering and Application，1999，35（5）：29-32（in Chinese）

［11］刘霞．卫星系统总体方案树合成技术研究［J］．军民两用技术与产品，2006，10（8）：36-39

Liu Xia．The technology of synthesizing satellite system trade trees［J］．Dual Use Technologies ＆ Products，2006，10（8）：36-39（in Chinese）

［12］张荣霞．基于有效性的航天器批台次技术状态管理方法［J］．制造业自动化，2012，34（14）：79-81

Zhang Rongxia． Multi-product technical configuration management of spacecraft based on effectiveness［J］．Manufacturing Automation，2012，34（14）：79-81（in Chinese）