基于COTS的高性价比微小卫星研制管理模式研究

刘小彬 薛力军 苏燕

(深圳航天东方红海特卫星有限公司,深圳 518054)

基于COTS的高性价比微小卫星研制管理模式研究

刘小彬 薛力军 苏燕

(深圳航天东方红海特卫星有限公司,深圳 518054)

为实现微小卫星“新、快、好、省”的核心价值,通过开拓一号卫星和脉冲星试验卫星研制实践,对基于商用现货产品(COTS)的微小卫星研制管理模式开展了深入研究,建立COTS的微小卫星通用产品体系,探索实践“设计-制造”的卫星研制流程,形成一套COTS选用、筛选和应用的产品保证方法,确保卫星型号研制进度、质量、成本和风险可控,为加速推进微小卫星产业化发展探索实践了有效的管理途径。

商用现货产品;产品体系;“设计-制造”流程;产品保证方法

1 引言

随着航天技术的发展和市场竞争的日益激烈,“优先考虑开发效益”、“重视投入产出比”的市场经济观念逐渐主导了航天器开发及管理的全过程。微小卫星作为空间飞行器最活跃、进入门槛较低的领域,已成为国内外各航天机构争先研究的热点之一。

从全球范围来看,近几年来微小卫星在商业遥感领域取得了“井喷式”的发展,行星公司(Planet)的“鸽群”星座等项目已经取得成功经验,空客公司眼下正以每天两颗的速度为一网公司(OneWeb)制造由700多颗卫星组网的星座卫星,美国太空探索技术公司(Space X)等也正在开展数百颗低轨小卫星星座研制。这些公司采用低廉的微小卫星星座网络颠覆了传统模式。

随着技术基础的不断累积,成熟的技术不断用于航天产品的研制,国内微小卫星研制周期进一步缩短,但相对快速变化的国内外形势和旺盛的市场需求,仍有很大差距。原有的研制生产模式已不能适应高密度发射、快速响应的需求。

与宇航发达国家相比,我国现有卫星研制生产模式重视成熟技术的集成,缺少成熟的商用现货产品(COTS)。传统宇航产品的研制模式以卫星型号任务为驱动,从元器件到功能模块、再到单机、分系统,各级产品要重复设计、生产、试验、应用等各个环节的全部研制活动;重复性的设计、分析、试验、评审等活动占用了大量技术资源和人力资源,制约卫星研制生产效率,减缓了新技术研发和产品升级的速度。

一方面,国家对微小卫星研制模式转型提出的迫切需求:新形势下军事战略方针对能够支撑天地一体化作战的军事航天装备体系建设需求极为迫切;国民经济各行业的转型升级对天基信息服务的需求也愈发旺盛。另一方面,由于门槛较低,越来越多研制单位具备了微小卫星系统集成能力,更多研制企业的涌入,使得微小卫星在新技术、新产品的应用更为大胆,资本市场的加入,使得微小卫星在商业模式和研制模式的创新更为灵活,国内微小型航天器领域市场竞争态势日趋激烈,必须同时满足用户压缩成本与进度、保证质量与可靠性的需求。

微小卫星必须充分体现其“高性价比”的优势,才能支撑起微小卫星日益旺盛的需求,真正实现微小卫星的“新、快、好、省”的核心价值。微小卫星研制的核心内涵,就是要按照科学、规范、先进、简约的思路研制卫星,确保卫星“好用、可靠、经济”,从选择可用的商用现货产品或技术入手,从源头把控成本和进度;建立相应产品规范、技术标准和管理制度,确保卫星型号质量和可靠性受控;基于所选取的COTS,优化卫星研制流程,通过广泛采用先进的设计、仿真方法和先进技术,实现卫星研制高性价比。

深圳航天东方红海特卫星有限公司通过开拓一号卫星、脉冲星试验卫星等型号研制,以创新的设计理念、科学的技术手段及合理的统筹管理方法,为基于COTS的微小卫星进行了有效的探索与实践。

2 COTS高性价比微小卫星产品体系

随着工业技术的发展,COTS的性能已经取得了长足的进步,大量的COTS已经具备了应用于航天的可能性。在国内外微小卫星研制中,已经有许多COTS实现了在轨飞行,并且都表现出了良好的性能和环境适应性。COTS的应用是微小卫星降低研制成本、缩短研制周期的主要解决途径之一。

2.1 COTS选用及验证情况

2.1.1 COTS选用及地面验证情况

开拓一号卫星和脉冲星试验卫星采用微小卫星公用平台(CAST20平台),选用了大量COTS,主要包括工业级PC104计算机、工业级18650锂离子电池、工业级单晶硅太阳电池片、磁强计、磁力矩器、工业相机等现货产品,以及采用工业级器件研制的测控模块、数传模块、电源控制模块等研制产品,如图1所示。

通过开展对同类产品及供应商的广泛遴选[1],选择了性能稳定、功耗低、接口适合于微小卫星集成扩展的产品,针对性地对其开展了各项摸底试验(含空间环境适应性摸底、鉴定级试验及专项试验),从单机或系统级进行了加固设计,确定COTS可于星上应用。

以开拓一号卫星为例,卫星采用了大量先进的工业新技术(25项)和新产品(18种),针对新选用的COTS共开展200多项试验。以工业级PC104计算机和18650锂离子电池为例试验验证情况见表1和表2。

现验证分析如下:

(1)PC104计算机总剂量试验。四片多路开关损坏,卫星总体通过分析将该器件更换成功能相同的其他公司生产的器件,通过了总剂量试验。通过摸底试验,剔除了有工艺缺陷、早期失效的器件,确保星载计算机部件交付整星后,满足系统指标要求。

(2)18650锂电池单体破坏试验。“针刺试验”未满足试验成功判据要求。考虑在卫星应用上不存在该故障模式,以及此型电池单体生产线的固化程度较高,故未对电池单体进行设计生产调整,判定单体破坏性试验通过。

新选用的COTS采购回所后,经确认通过验收级试验后,才能交付整星、参与系统验证。

表1 COTS PC104计算机板级/验证试验项目Table 1 COTS’PC104 computer board-level tests

表2 COTS 18650锂电池板级/验证试验项目Table 2 COTS’18650 lithium-ion battery board-level tests

2.1.2 COTS在轨应用情况

开拓一号卫星顺利通过整星力学、电磁兼容性(EMC)、热、磁等大型试验考核后,于2015年9月20日发射,目前已在轨超寿命期服役19个月;脉冲星试验卫星于2016年11月发射,目前在轨运行稳定。星上选用的COTS通过了整星地面及飞行试验考核,经过在轨验证,纳入公司微小卫星COTS单机产品型谱。

通过分析开拓一号卫星两年以来的在轨异常情况,除整星安全模式主要是因为设备使用不当所致(载荷使用频次过高导致蓄电池超限放电1次、工业级太阳阵产品固有质量特性导致性能蜕变、配置1只星敏感器导致星敏感器见月3次),其余异常主要是因工业级产品自身抗空间粒子环境的能力不足所致。其在轨异常情况,经过星上自主或地面遥控处理后均能恢复正常。

在轨异常处理经验表明,采取系统级容错措施,确保系统可用性及运行安全,是非常必要且有效的。

2.2 基于COTS的微小卫星产品体系建设

通过卫星研制实践,形成了CAST20平台基线和COTS单机产品型谱并每年度完善、更新,从组织层面强调源头选用。同时收集、分析COTS在轨应用及地面验证情况,开展COTS空间应用经验库建设,动态更新微小卫星产品手册。

2.2.1 CAST20公用平台产品体系

依托开拓一号A星(KT-1A)、脉冲星试验01星(MCX)研制,开展CAST20公用平台开发和验证,建立CAST20公用平台产品基线《CAST20公用平台产品技术状态基线报告》,结合某一号卫星、开拓一号B星(KT-1B)研制,进一步丰富CAST20公用平台产品体系。

2.2.2 COTS单机产品型谱

基于COTS选用、筛选及在轨应用验证,积累COTS空间应用经验,开展COTS空间应用经验总结,并形成COTS单机产品型谱(《深圳东方红微小卫星COTS单机产品型谱表》)和经验手册(深圳东方红COTS产品空间应用经验手册),不断提升、完善公司提升商用现货产品空间应用的质量和可靠性。

3 基于COTS的微小卫星研制流程

从图2可以看出,2013年以来全球300 kg以下微小卫星呈爆发式增长,以微小卫星为代表的轨道革命已经来临。与此同时,用户要求卫星研制周期进一步缩短,对于微小卫星,从启动项目研制到产品交付,提出了18个月甚至更短的交付期。原有的研制生产流程已不能适应高密度发射、快速响应的需求。

3.1 基于COTS的微小卫星研制阶段划分

基于全生命管理理论,各专业航天研制单位对航天器全生命周期进行了划分,并在卫星型号研制管理中予以推行(表3)。卫星研制的核心工作主要在方案设计、初样研制及正样研制三个阶段实现[2]。

基于所选用的COTS型谱产品可即时采购、批量获得、成本低廉,深圳东方红海特卫星有限公司在充分分析、继承传统卫星型号研制工作项目的基础上,将基于COTS的微小卫星研制流程进行了梳理,把传统大卫星研制的方案、初样与正样阶段重新定义为两个阶段:设计阶段和制造阶段,如图3所示,以实现COTS的高性价比微小卫星的快速研制[3]。

表3 传统航天器研制阶段划分Table 3 Development stages of traditional spacecraft

3.1.1 设计阶段

设计阶段包括任务可行性论证、方案设计和详细设计过程[3],如图4所示。控制要点如下。

(1)将方案和初样阶段合并,尽可能选用型谱现货产品、减少研制产品的设计验证工作,从而可有效压缩设计阶段研制周期、降低成本。

(2)对拟选用但暂未纳入已发布的COTS单机型谱的COTS,要重点开展产品选用控制,主要工作包括:充分的供方及产品调研、基于产品特点开展摸底试验(重点关注空间环境适应性)、确定产品方案满足整星要求(必要时开展设计改进或采取系统冗余设计等措施),并完成相应评审及接口数据单(IDS)签署。

(3)根据卫星特点,开展技术风险分析,根据分析结果,设计、制定有针对性的产品级与整星级设计验证项目并实施,基于验证结果确认系统级风险可控。

3.1.2 制造阶段

制造阶段包括系统集成、系统确认试验、测试和出厂发射过程,如图5所示。控制要点如下。

(1)设计阶段已识别技术风险已得到有效控制,直接启动正样星制造。

(2)可快速完成COST正样产品采购(成本较低,可适当放量采购),通过筛选试验验证合格后入库、领用上星。

(3)领用合格入库但未作飞行件的产品作为验证件,并行开展整星验证件桌面联试与正样综合测试,保证测试充分性,压缩研制周期。

(4)基于批量化的微小卫星,开展卫星批量化组装、测试及抽样检测,优化整星的试验验证流程,提高卫星研制效率和效益。

3.2 实物成果

3.2.1 开拓一号卫星

开拓一号卫星包括A星和B星两颗技术试验卫星,2015年9月20日发射,稳定运行至今。B星(立方星)作为A星载荷之一装载于A卫星,构成子母星组合体。

卫星采用“设计-制造”两阶段研制流程,总研制周期缩短为20个月。

(1)设计阶段:12个月,充分开展COTS调研、摸底试验和鉴定试验;

(2)制造阶段:8个月,完成COTS部组件采购,集成、接口匹配性验证、系统级测试与试验,卫星出厂。

3.2.2 脉冲星试验卫星

脉冲星试验卫星采用与开拓一号A星相同的卫星平台,大量采用已纳入型谱的COTS,由于COTS的易获得性,省略了传统新研产品材料配套、设计确认、设计验证试验等工作,从而显著地压缩了研制周期,卫星任务确定后,从正样研制到整星出厂,用时仅10个月。

开拓一号卫星和脉冲星试验卫星外形如图6所示。

3.3 “设计-制造”的研制流程优化

结合开拓一号和脉冲星试验卫星的研制,深入分析了基于COTS的微小卫星产品特点,全面梳理了其研制流程,细化了“设计-制造”阶段研制工作项目和工作流程,形成了基于COTS的微小卫星研制流程编制指南(《深圳东方红商业化微小卫星研制技术流程编制指南HT/C-K-10》),涵盖技术流程、计划流程和产品保证流程内容。

4 基于COTS的微小卫星产品保证方法

基于COTS的高性价比微小卫星质量管理的核心工作,就是开展非宇航级产品的空间应用技术风险识别与控制方法研究。按照“边研制、边总结、边固化”的工作思路,从工作类别和产品类别分别梳理产品保证经验,建立一套产品规范体系,涵盖COTS产品技术规范和产品保证管理规范,确保产品质量满足要求,后续还将不断补充完善。

4.1 微小卫星产品质量保证文件体系

微小卫星产品质量保证文件体系包括型号产品保证文件和产品保证标准规范、质量管理体系文件。三者与基于COTS的微小卫星产品保证规范的关系详见图7。基于实践形成COTS产品规范作为第三层次文件发布,作为内部指导基于COTS的微小卫星研制的工作准则;在经过充分的在轨飞行验证,积累足够的飞行数据后,再将相关产品保证管理规范和技术规范由第三层次文件逐步提升为相应标准。

4.1.1 质量管理体系文件

质量管理体系文件是公司基于GJB9001质量管理体系要求已建立的涵盖微小卫星设计开发、装配、测试、试验和服务过程实现的管理文件,以及相应的技术及操作规范文件[4]。

4.1.2 产品保证标准规范

产品保证标准规范是规范开展产品保证工作的依据,包括产品保证的管理标准和技术标准,主要沿袭航天相关标准规范要求。

4.1.3 卫星型号产品保证文件

型号产品保证文件,包括型号产品保证大纲和对各类采购及研制产品的保证要求,包括产品试验要求、评审要求、验收要求等,是产品保证工作有效落实的基础,由各卫星型号组织制定。

4.2 基于COTS的微小卫星产品保证规范

基于大量的筛选试验及产品测试,公司深入开展COTS研制试验与鉴定试验研究,摸索形成一套基于COTS的微小卫星产品规范,包括设计规范、筛选规范和应用规范等一系列文件[5]。

4.2.1 COTS保证思路

COTS的高性价比微小卫星产品保证建设思路,就是要“选好”、“筛好”、“用好”拟上星的COTS。

“选”:立足国内,选取业界技术领先、有高端市场供货背景的供应商,对其提供的COTS开展摸底试验,选到工艺可靠、可用于上星的COTS。

“筛”:建立COTS筛选试验方法,剔除有工艺缺陷、器件早期失效的COTS,采取批量订购的策略,批次性采购COTS,按正态分布原则对通过老炼筛选进行挑选,性能满足要求的产品入库存储。

“用”:建立COTS部组件使用规范、抗空间环境的系统级设计方法,开展COTS应用设计,充分考虑降额(热、力学、EMC、频率试验),依据设计规范,开展必要的辐射剂量屏蔽、系统级的纠错和容错设计等。

4.2.2 产品保证主要内容

COST的产品保证主要内容包括:①筛选试验条件;②加固设计规范;③板级鉴定级试验条件;④系统级纠错;⑤容错设计要求。

公司确定了COTS“选好、筛好、用好”的产品保证路径,开展了大量的摸底试验、研制试验、鉴定试验以及整星系统试验,开拓一号卫星采用的COTS共计开展了200余次试验,确保了上天产品满足要求。

4.2.3 产品技术规范

通过试验验证,公司组织编制了14份COTS技术规范,包括12份COTS试验规范、1份产品测试规范、1份设计规范和1份工艺规范,如表4所示。

通过开展地面试验验证,卫星总体对非宇航级产品的空间环境适应性进行了有效的评估和验证,这些规范的形成,通过卫星型号在轨稳定的运行得到有力证明,为后续进一步开展COTS空间适应性分析提供了参考和依据。

表4 基于COTS的微小卫星产品规范Table 4 Criterions of micro-satellites with COTS

4.3 基于COTS的微小卫星产品保证管理规范

通过梳理,认为基于COTS的微小卫星产品实现过程与传统卫星并无太大差异,但在产品选用、供方评定、产品验收等管理过程存在较大差异。根据COTS的微小卫星研制特点,公司组织编制了一系列专项产品保证管理规范,以质量体系三层次文件形式发布,作为基于COTS的微小卫星产品保证工作开展的管理依据。目前,公司已制定并发布12项产品保证管理规范,涵盖了产品保证相关要素,如表5所示。

表5 基于COTS的微小卫星产品保证管理规范Table 5 Quality assurance criterions of micro-satellites with COTS

5 结束语

深圳航天东方红海特卫星有限公司将结合不断出现的新任务,继续探索实践高性价比微小卫星的研制管理模式,针对COTS在高轨卫星中的应用以及延长COTS在轨寿命方面继续开展研究;结合基于COTS的微小卫星任务,全面验证高性价比微小卫星研制模式,形成全面涵盖设计、研制、生产等各环节的一整套标准规范体系;建立完善的微小卫星产业链,积极探索微小卫星的“卫星工厂”研制模式,具备适应面向“百星”量级的任务开发和生产能力,提出基于星座的微小卫星研制生产模式方案建议,真正实现微小卫星产业化目标。

References)

[1]周云.采购成本控制与供应商管理[M].2版.北京:机械出版社,2014 Zhou Yun.Purchasing cost control and supplier management[M].2 edition.Beijing:China Machine Press,2014(in Chinese)

[2]杨保华.神舟七号飞船项目管理[M].北京:航空工业出版社,2010 Yang Baohua.Shenzhou-7 spaceship project management[M].Beijing:Aviation Industry Press,2010(in Chinese)

[3]谭维炽,胡金刚.航天器系统工程[M].北京:中国科学技术出版社,2009 Tan Weichi,Hu Jingang.Spacecraft system engineering[M].Beijing:China Science and Technology Press,2009(in Chinese)

[4]约瑟夫 M 朱兰,约瑟夫 A 德费欧.朱兰质量手册:通向卓越绩效的全面指南[M].6版.北京:中国人民大学出版社,2014 Jpseph M Juran,Jpseph A De Feo.JURAN’s quality handbook:the complete guide to performance excellence[M].6 edition.Beijing:China Renmin University Press,2014(in Chinese)

[5]徐强,施宏耕.产品保证[M].北京:中国宇航出版社,2017 Xu Qiang.Shi Honggeng.Product assurance[M].Beijing:China Astronautics Press,2017(in Chinese)

Study on Management Model of High Cost-effective Micro-satellites with COTS

LIU Xiaobin XUE Lijun SU Yan
(Shenzhen Aerospace Dongfanghong HIT Satellite Ltd,Shenzhen 518054,China)

In an effort to the core values‘Novel,Fast,Best,Economic’of the micro-satellites,the management model of the high cost-effective micro-satellite development has been explored practically.We investigated on the high cost-effective micro-satellites’product category,the quality guarantee methods based on the successful experience of the KT-1 and XPNAV-1 satellites.The design-manufacture procedures and the quality guarantee methods including the selection,studying and application of the COTS(Commercial Off-the-self)have been proposed for the high cost-effective micro-satellites.Such management model will ensure the high control of the research scheduling,quality,cost and risk,which will promote the rapid development of micro-satellite industrialization.

COTS;product category;design-manufacture procedures;quality guarantee

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.017

2017-09-22;

2017-09-29

刘小彬,女,高级工程师,从事航天器型号科研质量管理工作。Email:liuxiaobin@szhtdfh.com。

(编辑:张小琳)