卫星工程总体设计导论

庄家礼 张涛（北京跟踪与通信技术研究所）

卫星工程总体是航天系统管理部门组织管理卫星工程全寿命周期工作的主要抓手，是中国特色的以总体为核心的组织架构在卫星工程层级的实现样式。伴随中国航天事业跨越式发展，经过10 多年实践磨合，逐步形成了设计、协调、试验、评估等多位一体的卫星工程总体工作模式。总体设计是工程总体首要工作，是开展总体协调、试验和评估等工作的前提和基础。工程总体设计成果是卫星工程全寿命周期各项工作开展的基本依据，直接影响卫星工程能否立项批复、工程研制技术难度和系统运行使用效果。

在航天系统管理部门领导下，在工程系统各利益相关方支持配合下，卫星工程总体创建卫星任务概念，定义工程系统体系框架，论证系统性能指标，平衡利益相关方要求，筛选优化总体方案，制定卫星工程总体技术流程和计划流程。工程总体设计受政治、经济、战略、社会文化、工业和科学，以及其他广泛因素的影响，工程总体努力在卫星应用体系架构下构建平衡利益相关方要求的卫星工程任务型号，用最可靠的技术、最少的代价、最短的时间、最有利的配合、最有效的适应性和最有远见的前瞻性，制定出最可行的卫星工程总体方案。

1 卫星工程总体设计概况

卫星工程任务型号是卫星应用体系的有机组成部分，是由卫星、运载火箭、运控、应用、测控、发射场等系统组成的卫星工程系统。工程总体设计是对卫星工程各系统之间或之上，涉及工程系统全局的任务进行规划和安排。一方面要满足卫星应用体系顶层要求和卫星任务各项约束条件；另一方面要实现工程各系统平衡匹配和良性互动，促使工程系统整体特性涌现，满足用户使用要求。

美欧等国总结航天系统工程几十年经验教训，建立了规范的航天系统设计流程，提出了明确的设计成果要求。例如，美国国家航空航天局（NASA）系统工程手册把航天系统设计划分为多次迭代递归的明确利益相关方期望、确定技术要求、要求逻辑分解和设计实现方案等四个环节，通过权衡实现技术要求、系统体系框架和运行概念的协调一致，明确系统总体设计方案。四个系统设计环节应用于航天工程各层次结构产品，努力实现各层次系统总体方案的平衡协调。在系统设计师把系统设计流程应用于航天工程系统层次时，此时的系统设计流程相当于我们讨论的卫星工程总体设计。在航天任务概念研究、初步设计和详细设计等寿命周期阶段，系统设计师经过2～3 轮卫星工程总体设计工作迭代递归，逐步深化细化，形成航天任务范围、技术要求、运行概念、系统体系架构、系统工程管理计划等工作成果，并建立任务基线，置于技术状态控制之下。

在一个卫星工程任务型号一条龙的组织管理模式下，工程总体设计主要工作成果是卫星工程总体方案。卫星工程总体方案设计通常在工程型号立项批复后开始组织实施，在卫星任务各系统总体方案基础上，工程总体组织卫星任务型号各系统总体，采用小核心大外围工作方式，协同开展工程总体设计。在卫星系统初样研制阶段结束前，工程总体方案完成编制、评审并报送航天系统管理部门审批印发。工程总体组织开展星地一体化指标论证，提出卫星工程总体技术要求，设计相关系统间接口，安排各系统间对接试验，制定卫星工程研制建设总体技术流程和计划流程。工程总体方案设计主要是工程相关各系统总体方案的集成综合，真正意义上的总体设计成分少，既没有筛选优化卫星工程各系统总体方案，也没有做到在卫星应用体系框架下满足多用户使用要求。工程总体方案的主要作用是为航天系统管理部门和卫星型号总体人员提供工程系统全局视图。

在航天系统管理体制机制改革调整的新形势下，在从航天大国向航天强国转型拓展过程中，正在建立组合任务型号航天系统组织管理新模式。卫星工程总体设计也在从单一任务型号工程总体设计向组合任务型号工程总体设计转型拓展。工程总体在做好单一任务型号工程总体设计基础上，还要做好不同任务型号之间统筹以及与卫星应用体系之间的顶层设计工作，这也意味着工程总体必须更加关注卫星工程型号立项批复前的系统顶层设计和工程研制总体可行性分析论证，明确卫星工程与其上一层次系统和同层次其他工程系统之间的联系和接口关系。如果卫星工程不能成体系设计，建成的卫星系统就很难形成体系整体能力，不可能真正满足各类用户使用要求。

2 卫星工程总体设计要求

卫星工程总体设计活动存在于政治、经济、技术、自然、信息和人际关系等特定的环境条件中，环境条件对卫星工程立项、研制和运行起到约束性作用，总体设计必须充分考虑顶层要求、项目管理要求、物理和技术要求，理解和明确工程系统和所处环境条件的相互关系、环境条件对工程系统的影响及可能产生的后果，划定工程系统和环境条件边界。

顶层要求

卫星工程系统顶层要求关键是在卫星应用体系框架下满足多用户使用要求。当前，我们已经建成卫星应用基本体系，卫星工程型号是整个应用体系有机组成部分。因此，卫星工程立项、研制、运行都要在已有卫星应用体系架构下开展。工程总体要主动了解航天发展战略和规划计划工作成果，要准确把握卫星应用体系对卫星工程型号顶层要求，明确工程型号与其他任务型号关系，并以此为前提开展工程总体设计。

满足用户使用要求是卫星工程立项、研制、运行的根本目的，单一任务型号工程系统不可能满足多用户使用要求，只能通过构建卫星应用体系形成体系整体能力，才有可能满足多用户要求。长期以来，卫星工程总体设计主要集中在系统技术性能的工程实现上，而对卫星系统的好用管用关注不够。为了保证在轨卫星系统便于操控、稳定运行和高效应用，必须高度重视多用户应用需求和使用要求，把卫星可用度、快速响应能力、系统应用效能，以及体系能力贡献率等顶层指标纳入测试考核要求，在卫星工程总体设计中重点论证。

卫星工程总体设计必须考虑政治、经济和社会文化环境等影响，充分领会并贯彻航天系统管理部门意图，争取各级领导和机关的指导和支持，为总体设计创造有利条件。管理部门的意图影响工程系统任务范式确定，影响卫星工程任务成功判定，直接影响甚至很大程度上决定工程总体设计结果。

物理和技术要求

卫星任务物理和技术条件是卫星工程得以存在的基础，主要包括物理环境、继承系统、标准规范和科技发展等方面。航天器在发射主动段要经受过载、振动、噪声和冲击环境，入轨后要在高真空、强辐射、微重力、超低温空间环境中运行多年。复杂恶劣的物理环境条件是工程总体设计不可回避的制约因素。

继承系统的开发经验和在轨运行情况是新卫星工程型号总体设计基础；新工程系统只能在已有运行系统和基础设施基础上研制，不可能推倒重来；新卫星系统纳入已有卫星应用体系，可以实现更优体系整体能力。

标准规范是经验教训总结的系统化，卫星工程总体设计应当遵循适用的标准规范。总体设计中充分采用国际、国家、行业和部门颁布的标准规范，可以提高设计质量，节约时间，降低成本。如果有的标准规范制约工程总体设计创新发展，工程总体需裁剪折衷，甚至弃用。但标准规范裁剪或弃用要有分析说明并履行一定报批手续，不能随心所欲。

工程总体设计要尽可能采用有一定基础的新技术，只有这样，才能既保证卫星工程研制具有较高技术水平，不会落后过时，又不至于因为技术不成熟，出现不可控技术风险。工程总体要关注航天预研发展和技术成熟度，按照工程研制程序有序组织管理。适度从国外引进先进技术和产品是提高工程技术水平的一项可行措施。

卫星任务项目管理要求

只关注卫星系统性能要求的工程总体设计方案是不能指导实际工程研制的，在工程总体设计过程中要充分考虑组织、经费、进度和风险等项目管理因素影响。工程总体组织结构及其与工程相关系统组织关系，对工程总体设计影响很大。工程总体组织的战略目标、管理结构、资源支持强度、组织文化，以及工程总体与各系统的工作关系，都影响工程总体设计效率和质量。

卫星工程寿命周期经费制约工程总体方案设计。如果卫星工程任务范式是经费驱动型的，那么工程总体只能在给定经费额度内设计满足工程任务要求的总体方案。例如，虽然大型对地观测卫星能够提供更高性能和图像质量的影像产品，但受制于经费约束，工程总体可能选择低成本的小型对地观测卫星方案。

工程研制计划进度也制约着工程总体设计。为了保证卫星工程计划进度，按时交付使用，在开展工程总体设计时，尽可能选用成熟技术和产品；只在不能满足任务要求，且没有引进渠道的情况下，才花费时间开展新技术攻关。对于“深度撞击”这样的进度驱动型卫星任务，由于发射窗口的硬性约束，必须围绕按时发射合理安排各项工作任务，否则就可能错过任务时机。

卫星工程研制建设存在各种各样风险，工程总体在开展工程总体设计时，要重视风险分析，规避系统风险，降低风险概率，减轻风险发生时的危害，把风险控制在可接受范围内。

工程总体还应关注卫星系统频率和轨位资源的占用申请、运载火箭运载能力和整流罩尺寸限制、卫星特殊的一次性使用特点等要求，确保工程总体方案最大程度满足要求。

3 卫星工程总体设计程序和流程

卫星工程总体设计程序既可以按阶段划分，也可以按系统层次划分，还可以按逻辑步骤划分，或者在上述三种划分类型基础上建立三维结构模型进行综合划分。

按阶段划分的工程总体设计程序

按不同时间阶段工作深入程度不同，把工程总体设计划分为系统顶层设计、工程总体可行性论证、工程总体方案设计、工程总体技术固化等工程总体工作顺序。系统顶层设计在预研阶段开展，对系统发展战略与规划计划进行深化论证，解决卫星系统任务概念、发展思路、总体构想等顶层问题，初步明确卫星工程型号在卫星应用体系中的定位以及与其他卫星系统之间的关系；工程总体可行性论证在立项综合论证阶段开展，对卫星工程研制的总体性能、经费、进度、风险等进行综合研究，解决卫星工程立项研制的必要性、可行性和紧迫性问题，初步明确卫星系统使命任务、总体要求和工程总体可行性方案；工程总体方案设计在方案设计和初样研制阶段开展，对星地一体化指标、工程各系统方案、系统间接口关系等进行深化论证，明确卫星工程研制建设总体要求和各系统研制建设方案；卫星工程总体技术固化工作在正样研制与发射阶段开展，固化工程总体设计工作成果，提炼工程总体设计经验教训，持续提升工程总体设计质量。在这类设计程序中，尽管前一阶段工作是后一阶段工作的基础，后一阶段是前一阶段的继续，但每一阶段工作都有相对的独立性。因此，每一阶段都以完成该阶段工作成果评审为结束点。

按层次划分的工程总体设计程序

这类设计程序，根据工程系统层次结构，先解决卫星系统适应其外部环境和条件的问题，再解决卫星工程总体设计问题，而后进行卫星工程下一层次，即各构成系统的设计，从高层次往低层次按顺序安排设计工作。在工程系统上一层次设计工作中，工程总体主要根据卫星应用体系要求和用户使用要求，明确卫星工程顶层要求、物理和技术要求、项目管理要求等卫星工程总体设计要求；在卫星工程系统设计工作中，工程总体主要根据卫星工程总体设计要求，明确工程系统指标体系、框架结构和运行概念；在卫星工程下一层次设计工作中，工程总体主要是对卫星工程各构成系统提出总体要求，并优选其总体方案。在这类设计程序中，工程总体设计符合“先高后低、先外后内”和“先整体后局部”的顺序安排，符合局部服从整体的整体优化原则。

按问题解决的逻辑步骤划分卫星工程总体设计程序

这类设计程序，按逻辑顺序安排工程总体设计工作，分为明确任务和目标、探索可行方案、优化和选择、检验和决策等多个逻辑步骤。明确任务和目标步骤，分析工程总体设计要求，说明总体设计重点与范围，确定总体设计任务和目标；探索可行方案步骤，拟定总体设计工作计划，搜集整理相关资料，依据搜集资料找出其中的相互关系，寻求实现任务目标的多个可行方案；优化和选择步骤，对各可行方案进行定量与定性相结合的综合分析，给出每种方案利弊得失和费用效益，同时考虑各种有关因素，如政治、经济、军事、理论等，所有因素加以合并考虑和研究，在此基础上，优选若干可行方案；检验和决策步骤，以试验、抽样、仿真模拟等方式，在不同假设条件下对优选的可行方案进行比较，融合提出最佳方案和意见建议，报送相关部门决策实施。

按三维结构模型划分的工程总体设计流程

工程总体设计既没有固定不变的内容，也没有固定不变的程序和流程。总体设计程序和流程虽因国家、管理部门、任务范式和技术成熟度等有一定差异，但基本程序总体上是一致的。融合工程总体设计程序划分类型，结合工程总体设计工作实际情况，综合提出工程总体设计流程。

步骤A，确定工程系统综合需求，也就是系统任务的定性目标。应用需求是工程立项研制根本出发点和最终落脚点，全面、准确、科学的综合需求分析是系统指标体系论证和总体方案优化设计的基础。在卫星应用体系框架内，围绕如何满足应用需求展开深入分析。依托主要用户代表开展应用需求分析，在此基础上汇总、综合分析，形成卫星工程型号综合需求。

卫星工程总体设计流程

步骤B，确定卫星系统使用要求。根据需求综合分析结果和已有系统运行使用经验，考虑各种约束条件，提出卫星系统使用要求。依托主要用户代表，根据其实际情况和任务需要，提出多用户系统使用要求，在此基础上汇总、协调平衡，得到卫星系统运行使用要求。

步骤C，确定星地一体化指标体系，既要明确指标种类数量，又要确定具体指标范围。星地一体化指标研究在工程相关系统协同配合下，在前期研究成果的基础上，多次迭代逐步确定。

步骤D，确定卫星工程系统架构。根据系统综合需求、运行使用要求和星地一体化指标，分析设计系统构成、技术体制和工作原理，找出影响系统性能、经费和进度等的主导要素，据此有针对性地开展总体设计，尽快收敛可选方案。

步骤E，确定系统技术性能指标并逐级向低层次系统分配。通过权衡研究和咨询决策，确定系统体系架构，分析各系统功能、性能和接口关系，力求做到系统技术性能优化，指标分配合理、平衡、匹配。

步骤F，确定工程各系统总体方案并开展系统间接口设计。依托工程相关系统，在前期工作成果基础上，确定工程各系统组成、功能、技术性能、信息流程和接口关系，多次迭代逐步确定工程各系统总体方案。

步骤G，确定技术途径、工程经费概算和初步研制周期。根据确定的工程总体及各系统总体方案，开展技术可行性分析，提炼关键技术并提出可能解决的途径；分析系统产品配套情况，估算工程研制费用，提出工程研制总体计划安排建议。

步骤H，验证总体方案设计的合理性和科学性，评估系统建成后的使用效能。组织开展工程总体仿真研究，科学分配星地一体化指标，保证各系统指标协调平衡；权衡优选各系统总体方案，力求工程整体优化；构建使用效能评估准则，通过系统工程流程、运行模式仿真，准确客观地评估系统使用效能，量化支撑卫星工程总体设计决策。

需要强调的是，和其他系统设计流程类似，虽然卫星工程总体设计流程看上去是按照顺序连贯开展的，但实际工作中，这些步骤是相互作用、相互依赖、多次迭代循环的。在卫星工程寿命周期不同阶段，工程总体设计以不同形式展现。

4 卫星工程总体设计验证和评估

经过卫星任务系统顶层设计、工程总体可行性论证、工程总体方案设计、工程总体技术固化等各阶段卫星工程总体设计工作，卫星工程任务型号从概念设想到研制建设，再到在轨运行使用。工程总体设计通过工程研制和在轨运行得到最终的验证和评估。这样的验证和评估虽然最有说服力，需要做到位，但也有其缺陷。如果工程总体设计弱点或不合理不能及时得到调整和优化，等到工程研制，甚至在轨运行再发现问题，必然为时已晚，造成无法挽回的损失。因此，每个阶段都应对工程总体设计进行验证和评估，确保工程总体设计科学性和优越性。

卫星工程总体设计是在卫星应用体系框架下，根据用户需求，平衡优选工程各系统总体设计成果，综合集成形成工程总体设计成果。工程总体设计是否与工程总体要求相一致，是否实现工程各系统间的平衡优化，可以通过多种定性定量方法验证和评估，但在精细化科学决策情况下，基于仿真演示系统开展验证试验和评估是无法回避的方法。

卫星工程总体设计验证和评估流程

第一步，定义总体设计验证和评估的目标和试验条件。在工程总体设计和工程各系统设计验证试验的基础上，合理定义工程总体设计验证和评估的目标和相关约束条件，经充分协商，在各方达成共识的情况下，有序开展总体设计验证和评估工作。

第二步，总体仿真演示系统选择。工程总体设计验证和评估是卫星工程总体具体开展还是委托工程相关系统或第三方有资质部门开展，需要根据任务要求和资源条件，由工程两条指挥线协商确定。为便于工程总体设计工作持续深入开展，应在工程技术总体部门搭建的总体仿真演示系统环境下，工程总体和各相关方共同开展总体设计的验证和评估工作。

第三步，仿真试验和数据整理。按照预先商定的仿真演示方案开展仿真试验，进一步验证和确认选用的仿真演示系统，获得所需试验数据。对多次仿真模拟获得的多样本试验数据进行整理和必要的统计推断，得到预期的试验结果。如果试验结果与预期目标不相适应，要认真组织研究解决，发现问题和不足，探索调整优化的方向和办法。工程总体设计验证和评估工作，要保证总体仿真演示验证试验可控，试验数据真实可信，试验结果经得起检验。

第四步，工程总体设计改进优化。总体设计和试验验证相互促进、相互支撑。工程总体根据验证试验结果改进优化总体设计，从中得到一个能满足总体设计要求的综合评估为最满意的工程总体方案。

第五步，卫星工程总体设计方案评审和审批。在总体仿真演示系统验证试验支持下，经过多次迭代优化，得到满足工程总体设计要求的卫星工程总体方案。这样的总体方案只有通过富有经验和知识水平高的专家组评审通过后，才能上报管理机关审批。通过专家的集思广益能对总体方案做出合理的评价和认可。工程总体方案经管理机关审批后，作为工程系统相关方开展工作的基本依据。

5 结束语

卫星工程任务型号必须在卫星应用体系框架内，与其他卫星系统协同工作，满足多用户整体使用要求。工程总体设计受政治、经济、战略、社会文化、工业和科学，以及其他因素的影响，必须与工程总体协调、试验、评估等其他总体工作紧密配合，在航天系统管理部门和工程各系统总体协同支持下，才有可能设计出综合优化的工程总体方案。

工程总体设计贯穿于卫星工程寿命周期多个阶段，不同阶段形成不同的工作成果，实现不同的任务目标。工程总体根据卫星工程总体设计要求，在工程寿命周期过程中对总体设计成果进行多次迭代，不断深化、细化，直到满足任务要求。

当前，卫星工程总体设计处于转型发展阶段。工程总体设计组织管理不到位，总体设计能力不足，总体设计成果指导性不大，不能很好地满足工程系统立项、研制和运行要求。卫星工程任务型号只有成体系设计、研制和运行，才有可能形成体系整体能力，才能真正满足各类用户使用要求。在航天系统管理体制机制改革调整的新形势下，在从航天大国向航天强国转型拓展过程中，卫星工程总体设计，特别是组合任务型号卫星工程总体设计至为关键。