商业低轨通信卫星星座用元器件保障模式研究

赵丽 向开恒 张楠 刘晨 许瀚 霍宇嘉

（中国航天科工二院，北京，100854）

文 摘：低轨通信星座具有通信距离远、覆盖区域大、信号衰减小、大容量、低延时等特点，可实现全球移动通信无缝覆盖，具有很好的商业应用前景。宇航型号用元器件采购和质量保证模式无法满足低轨通信星座卫星的商业化需求。文章分析元器件保障模式面临的挑战和元器件选用需求，从卫星关键元器件的攻关、元器件的差异化管理、塑封器件在卫星上应用、元器件在轨监测与健康管理技术等方面提出元器件保障的新模式和新方法。

商业卫星以商业效益为指引，以满足用户需求和实现市场价值为基本目标，在保障产品可靠性的前提下，最大化控制成本，获得市场竞争力。为了适应规模化研制的商业通信卫星的发展，需要建立面向“商业应用、组批生产、成本控制”的元器件保证模式，要求元器件在保证可靠的基础上，一方面能够自主可控，确保覆盖批量研制需求；另一方面能压缩生产周期，确保能满足型号研制进度和质量的要求[1-3]。针对目前通信卫星用元器件保障模式现状，需要探索一种元器件的性能、可靠性、成本和批产能力都能满足商业航天星座要求的元器件保障模式。

1 低轨通信卫星星座研制面临的挑战

随着通信卫星技术的发展，全球掀起了低轨通信星座建设热潮，由于其通信距离远、覆盖区域大、信号衰减小、大容量、低延时以及可批量研制、快速部署等特点，利于打造具有全天候、全时段通信能力的信息基础设施，实现全球移动通信无缝覆盖，是卫星通信大势所趋。

但是如何在短周期内实现星座的快速部署，如何统筹解决政策、资金、技术、市场等多层面多角度的问题，已成为星座研制与生产面临的新的挑战。主要体现在星座规模骤增（One Web 和SpaceX 星座数量计划达到数千颗）、建设成本降低（Iridium 的系统性能更强，建设成本却只有一代系统的50%左右）、研制周期缩短等方面[4-6]。

2 低轨通信星座的元器件选用控制面临的挑战

宇航型号多以单颗星研制为主，目前一颗星的研制周期一般为2 年～3 年。现有的元器件采购和质量保证模式基本满足型号任务需求。但是针对大规模商用卫星星座的建设需求，现有模式难以满足每年几百颗星的研制元器件配套保障要求。

目前国内研制的中高轨通信卫星，出于轨道高度和在轨长寿命的考虑，对元器件的可靠性指标要求较高，这就需要从元器件等级以及筛选条件等方面加强控制，以满足卫星高可靠长寿命的指标要求。这种元器件选用模式造成了卫星成本居高不下。商业化卫星研制思路是以商业应用效益为指引，性能与成本综合优化，这就要求商业卫星用元器件应具备抗辐照、大容量、小型化、重量轻、体积小、可靠性高、高密度集成等特点，并能覆盖批量化卫星生产的应用需求，稳定配套供应。综合来看，传统的卫星元器件保障模式已不能满足低轨通信星座的研制需求，需要对商业卫星用元器件保障模式不断创新。

3 低轨通信星座的元器件保障模式

3.1 制定发展规划

针对低轨星座卫星低成本、组批生产、元器件需求量大、质量要求稳定的特点，探索适应发展需求的元器件保障模式。建立适应低轨通信星座的元器件保障模式，也不是一蹴而就，而应根据研制情况，制定短、中、长期发展规划。

a）短期规划：1 年～2 年内，结合商业卫星的元器件保障现状，梳理如下主要内容：①哪些元器件在小型化、高可靠等方面可以实现再突破；不同类型元器件最低可选用什么等级，给出合理可行的验证方法。②在保证卫星可靠性的前提下针对不同类型的元器件采用适应成本控制需求的差异化管理办法，优化剪裁或取消部分元器件补充筛选项目，最终达到型号研制成本合理压缩的目的。③采集进口元器件（哪些公司/哪些型号规格）、国产元器件（零星采购和批量采购）在成本、进度和可靠性数据方面的信息。④针对核心器件进行重点攻关研制，满足批量稳定供货需求，分批次解决自主可控问题。

b）中期规划：结合未来3 年～5 年卫星的研制进度和可靠性要求，开展星用核心元器件在轨监测与健康管理技术研究，对COST 器件和塑封元器件开展搭载试验验证，为后续进一步降低元器件成本积累数据。逐步建立商业卫星星座的元器件采购规范体系以及元器件选用目录，进一步实现型号用元器件性能高、可靠、小型化、低成本的目标，保障后续工作顺利进行。

c）长期规划：根据任务需求，进一步完善商用卫星元器件保障模式，提升整体效能，基本掌握不同轨道、不同寿命和不同工作模式的商业卫星用元器件保障模式。

3.2 商业卫星用关键元器件攻关探索

虽然目前国内卫星用元器件大部分实现了自主可控，但是一些高端、核心元器件与国外还是存在差距。尤其是在中美贸易战和中兴事件的背景下，实现国产商业卫星关键元器件自主可控的重要性就更加凸显。因此有必要针对国产商业卫星的核心器件进行攻关，立足于成熟经验，并提前谋划未来星座的元器件发展需求，集中优势力量，提升商业卫星用元器件自主可控的能力。

首先将进口元器件按照依存度进行分类：①一级产品为目前既无产品也无能力完成研制的产品；②二级产品为有能力完成研制或正处在研制攻关阶段的产品；③三级产品为目前已有满足替代需求的产品。

再根据元器件进口依存度，分批次解决自主可控问题，力争在有限的时间区间内取得更充分、更可靠的国产化效果。同时，立足于商业卫星的发展，卫星研制单位牵引国内元器件生产单位研制满足商业卫星应用需求的元器件，做到抗辐照、小型化、轻量化、小体积、高可靠性、高密度集成，并实现元器件集成化。建立相应的验证平台，通过飞行验证、搭载验证，针对存在的问题不断优化设计。最终实现核心关键器件自主可控，覆盖批量化卫星生产的应用需求，实现稳定供应。

3.3 商业卫星用元器件差异化管理办法

建立元器件质量等级与应用等级矩阵表，差异化选用。面向型号批产研制的元器件质量保证部门，充分借鉴已有成熟飞行经历的元器件质量保证数据，结合产品固有可靠性和应用等级要求，制定差异化的质量保证要求。具体如下所述。

a）优化、裁剪甚至取消某些元器件的补充筛选项目。对于具有多次飞行经历的成熟产品，推进质量控制过程前移，加强产品过程质量控制（SPC），适当减少后期筛选项目。制定有针对性的元器件生产过程状态控制，对于筛选检测成本高的元器件，可以分析其可靠性以及对型号任务的影响，采用板级筛选方式实施质量保证。

b）根据元器件所在工程型号的重要性及元器件应用部位的关键性，将元器件的应用等级进行分类，选择适用的元器件。优先推荐按照国军标和宇航元器件标准选用元器件的质量等级，其次选用成熟、能够满足需求的商用元器件等级。

c）建立元器件配套厂家动态考核机制，对不同应用等级的元器件生产过程提出不同的管控措施。对生产工艺变更和不符合卫星型号可靠性要求的厂家有明确的处理措施，以保证卫星型号元器件的可靠性。

3.4 塑封器件质量保证及宇航应用技术探索

近年来，对塑封器件进行严格的热学、力学、抗辐射等方面的测试和评估后，NASA 已开始在其军事和航天任务中采用塑封器件。英国SURREY 大学小卫星公司在其发射的众多卫星中也已大量采用塑封器件。在低轨通信星座降本增效的需求下，塑封器件随着性能和可靠性的日益提高，必将越来越多地应用于空间任务，以满足商业低轨卫星的发展需求。

塑封器件在卫星上应用时，要面临空间辐射效应、更宽的服役温度范围、更快的温变率等问题，主要表现在：①塑封器件工作温度区间比较窄，受温度变化影响大，导致塑封器件的塑封层分层现象比较普遍。②随着器件制造技术的进步，塑封器件的集成度越来越大，而其尺寸更小、速度更快，对高能粒子辐射影响更加敏感，空间辐射效应更加突出。③许多商用塑封器件内部导线比较细，容易受到污染或损伤，焊接质量较差，在温度漂移、机械冲击或振动过程中容易失效。

针对以上塑封器件在星上应用存在的问题和差距，需开展攻关验证工作，优化研制生产、测试考核和质量保证等技术。并针对塑封器件的薄弱环节，开展评价试验或应用验证技术，提高塑封器件在宇航环境下的使用可靠性。

3.5 元器件在轨监测与健康管理技术探索

开展元器件的在轨数据监测和故障诊断健康监测技术探索，研究星上低等级器件和星上核心器件的应用验证情况，获取星上元器件在轨关键特征参数监测标准和性能退化判据等。监测系统至少要覆盖卫星用处理器、FPGA、存储器、DSP、电源、AD 和DA 等关键器件的参数检测与健康管理，具备元器件在轨检测与故障诊断功能，但不能影响卫星主任务工作。

3.6 元器件选用控制措施

针对规模化研制商业通信卫星所具有的“低成本、短周期、长寿命、高可靠、大批量”等研制要求，加强元器件选用控制管理。必须以选用目录为着力点，通过建立独立的元器件选用目录来指导各卫星研制单位开展元器件选型，实现规范元器件选用的目标。同时，对目录内的元器件开展分类动态管理，选用目录要考虑继承性、体现先进性。充分继承以往通信领域型号成熟应用国产元器件的基础数据和进口元器件的选用和采购信息。此外，还应体现商业卫星的技术先进性，确保选用的元器件具有先进性，符合航天器元器件发展规划。针对进行需攻关的元器件，给予足够的搭载验证。建立商业卫星星座元器件采购规范体系，实现元器件效费比的综合提升，进一步实现型号产品抗辐照、高性能、小型化的目标，保障整个商业卫星星座的元器件选用。

商业卫星以商业效益为指引，以满足用户需求和实现市场价值为基本目标，在保障产品可靠性的前提下，最大化控制成本，才能获得市场竞争力。商业卫星用元器件只有建立面向商业应用、组批生产、质量保证、成本控制的保障模式，才能适应发展趋势。