卫星产品“三化”策略研究

李国强 郭凯 周思卓 齐心

摘 要：本文在阐述产品通用化、系列化、组合化，即“三化”内涵及其作用意义的基础上，调研分析了美欧等国外有代表性的卫星产品“三化”模式及实施案例，归纳总结了相关经验；介绍了我国卫星产品“三化”的发展历程及现状，并重点针对后续卫星产品“三化”的广泛深入开展进行了策略设计。

关键词：卫星，通用化，系列化，组合化

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.14.004

0 引 言

“三化”是通用化、系列化、组合化的简称，既是产品研制贯彻标准化理念的三种主要形式，也是标准化在产品研制中发挥作用的三种重要方法，还是产品研制实现标准化的三项关键目标。其中，通用化是最大限度地扩大同一单元使用范围的标准化形式，也即通过选定或研制具有结构和功能互换性的通用单元并将其应用于互相独立的新研系统以满足其需求；系列化是根据同一类产品的发展规律和使用需求，将其主要参数按一定数列合理安排或规划，并对其型式和结构进行规定或统一，从而有目的地指导同类产品有序发展的标准化形式；组合化是重复利用通用单元（通用模块）并补充研制部分专用单元（专用模块），拼合成满足不同需求的新功能产品的标准化形式。实践表明，“三化”是降低产品研制费用和研制风险的重要选择，是缩短研制周期、延长产品有效寿命的重要措施，是提高产品质量和使用效能的有效途径[1-2]。

伴随着航天科技的快速发展，卫星应用的范围不断拓展，对不同卫星功能的需求日益广泛而迫切；但卫星本身具有多研少产、体系复杂的特点，制约了卫星产品的批量化生产和规模效益。及时总结国内外卫星产品“三化”经验，积极探索并持续深化卫星产品“三化”研究与实践，是卫星产品面向多样性需求发展规模生产方式的必由之路。

1 国外卫星产品“三化”调研分析

20世纪70年代起，世界航天发达国家和国际一流航天制造企业即开始推行卫星产品的“三化”设计。发展至今，形成了Boeing 702、A2100等系列卫星通用平台、多功能集成的地面终端等，并经大量应用与验证，趋于成熟。近年，美军针对未来太空作战模式，开发了快响卫星模块化开放体系架构，对小卫星进行模块化设计，实现小卫星的快速发射快速形成战斗力。

1.1 美欧卫星通用平台研发

麻省理工学院受美国航空航天局（NASA）委托进行了卫星产品通用化系列化研究，2000年，在研究成果中给出了基于平台的卫星设计方法。卫星系统集成商与产品供应商根据发展需要，提出了成熟通用平台和商业货架产品的制造理念，为实现卫星产业化生产奠定了理论基础。以波音卫星系统公司、洛克希德-马丁商业空间系统公司、劳拉空间系统公司以及欧洲泰雷斯·阿莱尼亚公司等为代表的整星集成商，研发并固化了一系列高适应性、长寿命、大功率、多频段的卫星通用平台[3]。

波音公司主要涉及通信、导航和电子侦察卫星业务，也为NASA提供支撑。Boeing 702系列平台保留了成熟的Boeing 601平台的优点，既简单又灵活，在承载能力、性能和性价比等方面都处于世界领先水平。目前，该系列平台采用“一个基本型+多个子型（改进型或增强型）”的模式，已发展了基本型、702HP、702MP、GEM等型号，以满足不同的任务要求。

洛克希德·马丁公司卫星平台产品的主要客户为美国国防部，涉及通信、电子侦察及导弹预警、导航、遥感、气象卫星，主要包括L M 70 0系列、LM 900/1200系列、LM 3000/4000/5000/7000系列、A2100系列、DSCS系列、Milstar系列、TIROS N等。其中，A2100系列是其主推的标准卫星平台，包括A2100A、A2100AX、A2100AXS和A2100M等。A2100系列卫星平台的平台舱和有效载荷舱采用箱板式结构和模块化设计，可根据载荷的不同需求对平台的配置进行剪裁，使其对于各种载荷的适应能力大大加强，同时平台零部件的通用率也大幅提高，进而提高了零部件的可靠性，使得A2100系列平台被评为世界上可靠性最高的静止轨道通用平台。

劳拉空间系统公司作为美国领先的商业卫星制造商，产品包括通信卫星、气象卫星、数字音频广播卫星、点波束卫星等。目前主要的卫星通用平台为SSL 1300系列，面向大型商用通信卫星领域，包括1300平台基本型及1300E、1300HL、1300S、1300X等增強型、改进型。单一的平台系列以及高继承性的特点，为SSL 1300平台系列积累了更多的星年，有利于可靠性的提高，也有利于企业生产成本和项目风险的降低，其市场占有率和市场认知度“双高”，属于“明星类”产品。

泰雷斯·阿莱尼亚公司是目前欧洲最大的卫星制造商，主要卫星平台包括Spacebus系列平台、Proteus平台、PRIMA平台，以及与Astrium联合研制的Alphabus平台。以Spacebus系列平台为代表，其在开发当前平台的同时充分考虑产品和技术后继应用前景的通用化、系列化设计思想及平台能力代表了国际商用通信卫星的先进水平。随着关键技术的不断突破，Spacebus平台的能力在一定程度上反向牵引了市场需求，从最初的Spacebus 100平台发展至如今的Spacebus 4000平台，产品代际明显，老平台迅速被新平台替代。同时，采用“一个基本型+多个子型（改进型或增强型）”模式，如Spacebus4000系列平台，就有Spacebus－4000B1、4000B2、4000B3、4000C1、4000C2、4000C3和4000C4等多种子型，多个规格并存可满足不同的任务要求。

卫星通用平台的开发理念和相应接口规范体系的建立，加快了卫星平台所属单机和部件的系列化、专业化开发，并逐步形成了以系列型谱为指导、技术相对成熟、质量稳定、可供卫星设计选用的“商业货架式产品（COTS）”。卫星产品供应商纷纷建立企业产品系列型谱，开展货架式产品研发研制工作。美军与洛克希德-马丁签署的新一代卫星研制合同中，也提出了全面采用COTS的相关要求。20世纪末，航天发达国家的成熟卫星研制周期已能够控制在20个月左右，部分卫星甚至可以在14个月或更短时间内完成研制。目前，国际主要卫星制造企业以公用平台和货架产品为基础，基本实现了卫星生产的准流水线作业，在控制和缩短研制周期的同时，保证了产品质量与可靠性，降低了项目风险，产生了极大的经济、技术和军事效益。

1.2 美军快响卫星“三化”

美国是最早开展快速响应技术研究的国家。早在1999年美军为重点支持包括情报、监视和侦察（ISR）、特种通信等空间力量增强及空间控制、空间支持任务，提出构建灵活的、具备更强响应能力且面向战术应用的空间体系概念——“作战响应空间（ORS）”。经过十几年的发展，不但成立了专门的组织机构ORS办公室，制定了ORS发展计划，还成功开展多个飞行演示验证项目，并开展了包括卫星平台标准化、模块化等关键技术研究。

2008年，ORS办公室提出将“模块化开放体系架构（MOSA）”策略引入快响卫星研制，在该策略指导下构建快响卫星体系，使其更具弹性，更易融入未来联合作战系统，提高互操作性和兼容性。美军将MOSA定义为“一种将技术与商业两种因素相结合的综合策略，可用于指导开发新系统或升级改造现有系统”，体现两个最显著的特点：在技术层面（因素）强调模块化，在商业层面（因素）突出开放性。此外，美军的快速响应卫星关键技术还包括快速总装、快速测试与试验（AIT）流程、货架式产品选用和即插即用技术应用等[4]。

美军的快响卫星已基本形成了一套完善可靠的需求分析、设计研制、测试试验、演示验证等机制，标准化、模块化、开放式架构成为快响卫星未来发展及军事化应用的基础。在MOSA策略下进行关键接口的统一，并建立标准化的卫星平台，解决了面向不同载荷任务需求快速实现产品设计、集成及总装发射的难题，降低了技术难度、寿命要求和进入门槛，加速未来快响卫星的大规模应用。

2 国内卫星产品“三化”现状

20世纪90年代起，依据我国应用卫星“九五”发展规划和1996年发布的关于加强卫星通用化、系列化、组合化的决定，卫星在我国航天领域中率先开展了“三化”工作。二十余年间，卫星由最初“以型号为中心”逐步转变为“以产品为中心”的模式，卫星“三化”理论方法逐渐成熟，“三化”产品不断优化、固化并全面应用，卫星“三化”成效逐步显现。

目前，我国初步形成了多个种类、能适应多种轨道和有效载荷的卫星通用平台系列，主要有DF H- 4、C S -L 3 0 0 0（资源）、C A S T 9 6 8、CAST2000、SAST1000、SAST3000等。比较典型的如DFH-4卫星平台，是我国自主研发的高功率、大容量、长寿命卫星平台，适用于大容量广播卫星、直播卫星、数据中继卫星、高轨遥感以及其他地球静止轨道应用卫星，可满足国内外用户的不同应用需求。同时，基于以航天器平台基本型为主、兼顾可扩展能力的产品规范编制方法，形成了航天器通用平台系列标准，以指导新通用平台的建设[3]。

以推力器为代表的卫星单机在“三化”实施过程中也取得了显著成效。推力器经过多年研制与应用，技术成熟，但产品规格众多、小修小改不断，既造成大量设计、试验重复，也影响了产品可靠性增长和生产质量稳定。通过对标国际先进水平、把握技术发展趋势、梳理明确现有产品规格，明确识别了推力器类型和额定真空推力为特征参数，规划建立了能够满足未来10～15年应用需求且技术先进的推力器型譜。目前，通过推力器产品“三化”建设，已形成了0.5 N、1 N、5 N、10 N、25 N等成系列的、跨领域或跨平台的、具有多星年在轨经历的成熟产品，在提升产能的同时，降低了研制生产成本，缩短了交付周期，保证了质量稳定性。

3 卫星产品“三化”策略设计

为贯彻国家有关卫星产品“三化”及便于快速升级的要求，在充分吸取国外先进做法经验基础上，依据统型谱统标准的总体思路，以成熟型谱建设理论方法为牵引，分类开展“三化”型谱建设，以产品全寿命周期中“三化”策划、设计、实施与监督评估为主要手段，先开展基础性研究论证制定统型方案，再通过试点应用进行制标贯标改造，牵引全面的工程化实施，构建以纵向的各级各类产品型谱与技术状态基线、横向的体系建设与共性技术为核心的卫星产品“三化”策略机制。

3.1 卫星产品“三化”体系建设

针对卫星产品小批量、高复杂、高成本、技术升级快等特点，在现有“三化”理论基础上，从卫星产品“三化”推进需求和典型应用特征出发，研究建设指导卫星产品“三化”推进需要的原理、规律、方法等理论体系，保障“三化”工作协调、有序开展的分工明确、界面清晰的组织管理体系，紧贴卫星产品特点的型谱规划与设计、成熟度提升与评价、模块化设计开发、统一接口适配器设计开发的技术研究体系，以规范“三化”推进工作实施和技术要求为目的、以系列型谱和接口标准为重点的法规标准体系，支撑“三化”推进实施的分析评估软件、信息管理系统、人才队伍等方面的配套保障体系；形成各阶段界面划分、工作内容和要求明确，保证卫星产品各类型、各阶段“三化”工作规范化、有章可循的基本工作程序。

3.2 卫星通用平台型谱建设

针对当前及未来卫星应用，对标国外先进平台产品，融合我国主力卫星通用平台型谱，进一步压缩优化卫星通用平台规格，明确卫星通用平台基本配置与选配包，通过确立充分继承现有成果、集约优化规格数量，对标国际一流企业、追求先进设计理念，持续升级平台规划、引领平台发展进步，合理匹配运载能力、协同规划平台型谱等4项原则，以卫星轨道、整星发射重量作为特征参数，规划并开展以“东方红”系列、“资源”系列、CAST系列、SAST系列为代表的卫星通用平台型谱建设[5]。

3.3 卫星通用单机产品型谱建设

通用性强、可多型号卫星平台通用，技术先进、必要功能采用集成性设计是当前及未来卫星平台设计与应用的主流产品类别，以开展产品化、型谱化工作，具有通用化、系列化基础等为遴选与确定原则，聚焦星上平台关键重要单机、有效载荷单机、与地面有接口的单机等，迭代开展卫星通用单机产品型谱研究与更新，打通并统一各级单机产品型谱内产品类别、产品规格、产品名称与代号等，建设卫星通用单机产品型谱及配套的产品规范。

3.4 卫星平台分系统及有效载荷型谱研究与建设

针对卫星平台数据管理、综合电子、测控通信等技术发展快、功能集成度大的分系统，探索建立分系统级型谱；针对通信、遥感、数传等有效载荷模块化组合化设计趋势，探索建立有效载荷级型谱或选配方案；针对星上告警、防护等新型分系统，探索建立分系统级型谱等，研究建立卫星平台分系统、有效载荷级型谱或选配方案指南等。

3.5 卫星产品选用机制建设

在当前卫星产品科研订购与试验鉴定总体框架下，结合星箭产品化与鉴定定型工作推进，融合当前卫星研制部门产品选用实践与成果成效，探索建立卫星产品选用模式与监督评价机制，融入卫星产品研制主流程，适时开展试点验证并迭代完善，形成卫星产品选用系列规章制度文件、标准规范、试点经验指南等。

3.6 卫星通用产品成熟度提升与上货架

结合星箭产品化实践和货架产品建设，在前期基础上深化提升卫星产品成熟度评价工作，将成熟度提升重点回归至产品质量与可靠性的本质上，切实保证卫星“三化”产品基础，研究形成货架产品基线、规章制度及标准规范等。

3.7 卫星产品研制过程“三化”监督

将“三化”监督纳入卫星产品研制主流程，同时结合里程碑节点的标准化审查与标准化评估工作，以“研制总要求—标准化大纲—‘三化方案—标准化工作—考核验证—标准化审查—状态鉴定—标准化专项评估—产品定型”为主线，在不同阶段以订购方监督、研制方监督以及主管部门监督等多种方式开展。

3.8 卫星产品“三化”评估

设计涵盖“三化”规划与保障、“三化”产品选用、“三化”资源开发、“三化”设计和“三化”使用評价等评估维度，包括“三化”组织与管理、型谱产品选用率、货架产品选用率、通用产品规范制定、“三化”资源数据库建设等指标要素的卫星产品“三化”评估指标体系；综合基于专家经验的定性方法和基于数理统计的定量方法，科学确定各指标权重，建立卫星产品“三化”评估模型。

4 结 语

本文以分析卫星产品“三化”作用意义为切入点，基于国内外卫星产品“三化”发展现状，设计提出了纵向贯穿各级各类卫星产品型谱与技术状态基线、横向覆盖体系建设与共性技术，涉及策划、实施、监督、评估的卫星产品“三化”策略，可为后续新型通用平台等卫星产品论证方案的确定提供参考，以期有助于推动我国卫星产品的通用化、系列化和产业化发展。

参考文献

[1]李春田.标准化概论[M].北京：中国人民大学出版社，2014.

[2]孔宪伦.军用标准化[M].北京：国防工业出版社，2003.

[3]李国强，张大伟，郭凯. 航天器公用平台标准建设研究[J].中国标准化，2021（7）：102-106.

[4]齐心，周思卓，林屹立. 美军小卫星“三化”前沿技术发展探析[J].国际太空，2021（3）：54-59.

[5]姚远，蔡亚星，郭玲华，等. 新型高轨公用卫星平台发展现状与趋势[J].太空探索，2020（7）：64-67.

作者简介

李国强，副研究员，主要研究方向为航天标准化。

（责任编辑：张佩玉）