劉付強 王祥 張新偉 劉瀾濤 趙霄洋 張春柳

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094) (2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

高分七號衛(wèi)星是我國首顆亞米級高分辨率立體測繪衛(wèi)星，為在太空中高效能的實現(xiàn)對地球表面的1∶10 000比例尺測繪任務，研制團隊攻克了多項關鍵技術，開發(fā)研制出了一系列高性能產品。衛(wèi)星提出了主被動載荷聯(lián)合工作的復合測繪體制，確保了在少控制點、無控制點條件下的測繪任務可靠實現(xiàn)；研制出新型高穩(wěn)定性、無畸變的亞米級雙線陣相機，實現(xiàn)了高分辨率的立體測繪；研制出國內首套星載長壽命對地全波形激光測高儀，實現(xiàn)了亞米級的對地距離測量精度；研制出具有可變編碼調制(VCM)模式的X頻段高速對地數(shù)傳設備，在世界上同期在軌飛行的采用X頻段進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪b感衛(wèi)星中，數(shù)據(jù)傳輸速率最高，有效提高了衛(wèi)星使用效能。為滿足大比例尺立體測繪任務對衛(wèi)星平臺外方位元素的指標要求，衛(wèi)星研制了高精度姿態(tài)測量與控制的關鍵產品，實現(xiàn)了亞角秒級的姿態(tài)確定精度和優(yōu)于0.000 2(°)/s的姿態(tài)穩(wěn)定度控制；研制了高穩(wěn)定性支撐結構與精密溫控裝置，實現(xiàn)了亞角秒級的衛(wèi)星結構熱穩(wěn)定性控制。同時，為確保衛(wèi)星長期在軌的好用性和易用性，衛(wèi)星設計了星上自主任務規(guī)劃和自主健康處置的軟件功能。高分七號衛(wèi)星提出并設計實現(xiàn)了多項國內首創(chuàng)、國際先進的技術和產品，任務難度大，對衛(wèi)星研制過程中的質量控制工作提出了很高要求。

近年來，隨著宇航產品任務的不斷增多和產品研制過程的日益復雜，中國航天的型號質量管理理念已由傳統(tǒng)的生產管理概念轉變?yōu)橐约夹g風險識別和控制為核心的工程技術概念[1]，2012年發(fā)布的航天器產品保證要求將傳統(tǒng)對航天產品質量和可靠性的管理控制工作，擴展為體系結構和內容要素更加完備的產品保證工作[2]。在后續(xù)的幾年中，針對暴露出的生產過程控制風險和軟件產品規(guī)模、復雜度均不斷升高帶來的新問題，中國航天又相繼發(fā)布了設計研制風險控制[3-5]、軟件研制質量保證等重要要求和相關支撐體系文件，這些凝結了多年航天產品研制經驗的產品保證標準、規(guī)范、要求、設計指南等文件的推出，使得中國航天產品保證體系不斷完善[6-8]。

高分七號衛(wèi)星于2014年開始研制，2019年11月發(fā)射入軌，其研制過程正值中國航天全面推進特色產品保證工作之時。衛(wèi)星在研制過程中，各承研單位對相關標準、規(guī)范的解讀和實踐方案也通過逐步摸索并積累了成熟的執(zhí)行經驗，這些外圍環(huán)境為高分七號衛(wèi)星研制過程中產品保證工作的規(guī)范開展、衛(wèi)星產品高質量的有效控制提供了有力保障。

1 研制任務特點對產品保證工作需求分析

不同于大部分主要以高分辨率為目標的對地成像衛(wèi)星，作為實現(xiàn)大比例尺測繪任務的高分七號衛(wèi)星，在實現(xiàn)高分辨率的同時，還需要實現(xiàn)有效載荷和平臺產品的多項高精度、高穩(wěn)定度指標，研制團隊為此完成了多個新型產品開發(fā)，并對成熟平臺產品開展了多項的適應性改造，這些新狀態(tài)對衛(wèi)星研制質量控制提出了很高要求。同時，在衛(wèi)星承研單位遍布全國，其質量管理標準各不相同，這也加大了產品保證工作的落實難度。為此，明確了以產品設計和研制過程的風險識別與控制為中心的系統(tǒng)級產品保證工作開展思路，并在該思路指引下，完成了產品保證重點工作需求分析，具體如下。

(1)作為衛(wèi)星載荷部分的兩線陣相機、激光測高儀和對地數(shù)傳分系統(tǒng)，涉及到多個新型產品的設計和研制，相關性能指標在國際同類產品中達到了領先水平。兩線陣相機為滿足低畸變、高光學系統(tǒng)穩(wěn)定性的內方位元素指標要求，設計了低敏感三反離軸遠心光學系統(tǒng)，并選用了碳-碳化硅材料設計了大型框架結構和大型主鏡的微應力支撐結構，相應產品研制周期長，系統(tǒng)測試驗證時機少，存在設計缺陷難于暴露的風險。激光測高儀設計了國內首個長壽命大功率空間全固態(tài)激光器；為實現(xiàn)激光回波的高精度測量，國內首次設計了新型激光與足印相機復合測量系統(tǒng)和全波形測量系統(tǒng)，設計難度極大，內部軟、硬件調試環(huán)節(jié)多且與總體需求聯(lián)系密切，對于產品質量控制提出了很高要求。衛(wèi)星載荷原始數(shù)據(jù)率極高，為此衛(wèi)星設計了X頻段VCM對地傳輸模式，最高碼速率可達2×1.2 Gbit/s，是目前世界最高的指標，這對其基帶產品的時序設計提出了極高要求；同時，VCM模式數(shù)傳鏈路對應的地面測試設備與星上產品處于同步研發(fā)階段，系統(tǒng)測試驗證手段不完善，在產品設計驗證方面存在及時性、充分性難以保證的風險。

(2)高分七號衛(wèi)星為滿足測繪任務需求，設計開發(fā)了多臺新型平臺產品，同時還選擇了新一代遙感平臺的部分產品和以往遙感衛(wèi)星的成熟產品。為滿足整星高精度姿態(tài)測量與高穩(wěn)定度控制需求，研制開發(fā)了測量精度優(yōu)于1″的高精度星敏感器和高穩(wěn)定度太陽翼驅動機構，并設計了抑制星上不同頻率擾動的姿態(tài)穩(wěn)定控制方法；為保證衛(wèi)星成像與姿態(tài)測量基準的高穩(wěn)定性，開發(fā)了大型復材載荷支撐結構，設計了高精度溫度控制方案；這些高精度外方位元素支撐產品的指標要求極高，且在整星階段難以驗證，為系統(tǒng)指標的實現(xiàn)帶來風險。同時，衛(wèi)星電源、測控產品雖然為新一代遙感平臺產品，但此類產品的鑒定和正樣產品與高分七號研制進度同步進行，且產品的原設計與高分七號衛(wèi)星需求存在部分差異，使得此類產品的設計驗證均存在風險。

(3)高分七號衛(wèi)星產品由中國空間技術研究院和航天系統(tǒng)內、外部多個單位負責研制，各單位在管理模式和宇航工程研制理念上均存在差異，由此在對產品保證工作要求的理解和落實上難免會發(fā)生偏差，產生質量控制的薄弱環(huán)節(jié)。外部單位承研了平臺、載荷中的部分關鍵產品，如上海航天技術研究院承研的電源控制器、太陽電池電路、中國航天電子技術研究院承研的測控產品和固態(tài)存儲器，中科院承研的激光測高儀產品等，這為衛(wèi)星的高質量控制與實現(xiàn)帶來了難度。

(4)在產品的頂層設計確定后，元器件、原材料、實施工藝等方面的合理選取也將直接決定產品的最終質量，而航天產品在太空中的特殊使用環(huán)境，使得上述因素對產品在軌性能的影響更為顯著。這些專項設計涉及到廣泛的基礎理論知識和操作方法經驗，其相關因素遍布于衛(wèi)星眾多新型產品的設計過程，如激光測高儀的特殊元器件、數(shù)傳產品用的高速數(shù)據(jù)處理與存儲芯片、兩線陣相機和激光測高儀中的多個復合材料結構模塊、高功率產品內部熱傳導材料、高壓電源密封工藝、新設備和器件的電裝工藝等，而各單機設計師在相關專項知識儲備和設計經驗上難免存在欠缺，這使得對于新、老元器件、材料、工藝的合理使用存在風險。

2 產品保證工作主要措施

2.1 充分識別新研載荷產品設計風險，試驗驗證充分

1)長周期光學載荷設計驗證風險的有效控制

高分七號衛(wèi)星的激光測高儀、兩線陣相機分系統(tǒng)產品中均包含研制周期極長的光機結構，為確保設計可靠，在研制初期充分論證的基礎上，研制團隊依照產品研制試驗管理規(guī)定，組織研制單位對于關鍵部件投產了先行驗證件和結構件，并對產品性能邊界開展了充分測試驗證，提前暴露光、機系統(tǒng)方案的設計不足，為正樣件的設計改善提供了有力支撐。特別是針對兩線陣相機選用碳碳化硅材料的主體框架結構，該大型設計在國內尚無研制先例，且需要多道加工工序和近一年的時間完成生產，研制團隊依據(jù)要求開展了專項產品保證策劃，明確了各階段的試驗要求，設置強制檢驗點，開展跟產測試，及時開展數(shù)據(jù)分析及聯(lián)合審查，確保了產品的質量。

2)載荷鑒定研制拖延與驗證充分性矛盾的控制措施

在兩線陣相機、激光測高儀的鑒定產品研制過程中，隨著具體設計驗證工作的不斷深入，出現(xiàn)了針對相機主鏡支撐結構設計、激光全波形采樣有效識別、激光回波穩(wěn)定采集設計等方面的優(yōu)化需求，使得鑒定件研制進度延遲，出現(xiàn)了載荷鑒定驗證與部分正樣產品研制并行開展的狀態(tài)。為此，研制團隊依照要求開展了充分的生產準備評審，針對正樣研制流程進行深入的研制技術風險分析，制定了載荷分階段、分模塊的鑒定驗證與正樣投產計劃。特別對于關鍵的設計風險模塊，組織各方專家制定多方案設計驗證計劃，設置關鍵項目并明確控制措施，對過程狀態(tài)持續(xù)跟蹤，確保各載荷模塊的正樣設計經過充分的鑒定驗證，在有效規(guī)避設計風險的同時，保證了正樣產品的順利研制。

3)先進高速數(shù)傳系統(tǒng)的驗證風險控制

(1)高速數(shù)傳基帶傳輸可靠性驗證風險衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)基帶部分需要完成對碼速率約為10 Gbit/s的載荷數(shù)據(jù)的實時接收與處理，極高的速率要求使得產品內部軟、硬件各環(huán)節(jié)的設計余量有限，對電性件和鑒定件的測試驗證表明，外部溫度、電磁環(huán)境均會對數(shù)據(jù)可靠傳輸造成影響，為此在初樣階段對于數(shù)傳基帶軟件進行了多輪完善。為確保正樣產品軟、硬件狀態(tài)匹配和工作穩(wěn)定，衛(wèi)星在正樣驗收大綱文件中提出對開展模擬環(huán)境聯(lián)試的要求，針對初樣階段暴露的設計不足，開展了產品電磁干擾風險影響分析，完成相關產品的聯(lián)合高低溫性能驗證。同時，依照軟件產品保證要求，對各軟件開展了產品保證技術要素確認，確保執(zhí)行高速數(shù)傳任務的軟、硬件產品狀態(tài)匹配、測試驗證充分。

(2)X頻段VCM傳輸模式驗證風險衛(wèi)星設計實現(xiàn)的X頻段VCM模式高碼速率對地傳輸系統(tǒng)屬國內首創(chuàng)，而相應地面測試驗證設備雖然有多個廠家開發(fā)，但都與星上設備處于同步開發(fā)狀態(tài)，且不同廠家設備性能存在差異，對衛(wèi)星復雜的數(shù)傳工作模式的適應性各有不同，給數(shù)傳系統(tǒng)初樣乃至正樣設計驗證帶來了極大風險。為此，衛(wèi)星依照地面設備保證要求，提前完成地面產品保證策劃，自初樣階段開始，依托上級機關，組織協(xié)調地面系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)和相關地檢設備開發(fā)廠家開展多輪技術協(xié)調和對接試驗，并協(xié)調有限的引進設備資源，分階段開展比對調試，實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)解調設備對于衛(wèi)星總裝廠測試、發(fā)射場測試以及在軌數(shù)據(jù)接收的不同使用要求的全覆蓋，在確保星上產品各模式設計充分、測試有效的同時，促進了地面設備的開發(fā)。衛(wèi)星入軌后的多次傳輸試驗表明，衛(wèi)星數(shù)傳VCM傳輸模式設計正確、產品工作正常。

2.2 加強型號間溝通交流，規(guī)避平臺產品研制風險

1)識別關鍵特性，開展專項試驗完成測試驗證

為實現(xiàn)測繪任務對外放位元素相關指標的要求，衛(wèi)星研制團隊完成新型高精度姿態(tài)測量與控制關鍵單機和結構熱穩(wěn)定性保證相關產品的研制，由于衛(wèi)星對相應產品指標需求明顯高于其他非測繪類遙感衛(wèi)星，一般的測試流程難以完成驗證任務，對此，衛(wèi)星依照技術風險分析識別與控制相關要求，完成了產品的關鍵特性識別，明確了量化控制要求，并設計專項試驗完成驗證。對于高精度星敏感器，開展了專項的溫度穩(wěn)定性測試和觀星試驗，建立誤差模型，對于星敏數(shù)據(jù)中的長、短周期誤差進行了定量識別；對于高穩(wěn)定度太陽翼驅動機構，針對衛(wèi)星使用環(huán)境，開展了氣浮臺上的多模式驅動穩(wěn)定性試驗；對于衛(wèi)星結構熱穩(wěn)定性設計，完成了針對衛(wèi)星在軌長、短期不同環(huán)境的溫度場反演和指標預示，并基于數(shù)字圖像相關測量方法，完成了整星結構熱穩(wěn)定性的專項試驗，實現(xiàn)了對亞角秒級結構尺寸穩(wěn)定性指標的充分驗證。衛(wèi)星入軌后數(shù)據(jù)表明，衛(wèi)星外方位元素精度全面滿足指標要求。

2)優(yōu)化資源，平臺新型產品共性技術審查充分

在高分七號衛(wèi)星平臺產品中，部分選用了新一代遙感平臺產品。一方面，高分七號衛(wèi)星研制進度與其他選用同型產品的型號進度相當，無產品前期驗證經驗；另一方面，各型號對于產品具體的使用需求也不盡相同，這使得衛(wèi)星對于此類產品的直接選用存在風險。為此，在研制初期，項目辦依照產品基線管理規(guī)定，對原型產品在設計指標和驗證環(huán)境方面與本衛(wèi)星需求的具體差異進行全面比對，對于不一致之處，在相應產品初樣設計中進行了充分的適應性分析和改進可行性論證。在產品研制過程中，充分發(fā)揮型號項目辦公室和衛(wèi)星總體單位的統(tǒng)一管理優(yōu)勢，多次組織不同型號研制團隊針對控制、測控、電源分系統(tǒng)的關鍵新型單機的使用經驗及時開展技術交流；同時依照鑒定產品管理規(guī)定，依托總體單位專家開展多型號聯(lián)合的同型產品鑒定設計審查和產品鑒定試驗后開蓋狀態(tài)下的設計復查。上述工作不僅有效節(jié)約了各研制單位、項目辦公室及承研單位的時間成本和人力物力成本，同時加強了不同研制團隊間的溝通和經驗交流，實現(xiàn)了優(yōu)質技術資源的高效共享，大大提升了審查效果，確保了產品的設計可靠性。

3)結合新的產保要求在系統(tǒng)層面開展成熟產品設計改進

在不斷完善的產品保證體系文件中，供配電安全性設計和在軌容限設計是近年來被反復強調的兩項重點工作，已發(fā)布了相應的設計指南，提出了詳細、明確的工作方案。衛(wèi)星研制團隊在保證新研產品依照相應指南開展設計的同時，在系統(tǒng)層面依據(jù)新要求針對成熟平臺產品開展了設計優(yōu)化改進，如為避免“下位機主份故障”且“主份無法正常斷電”的雙重故障，對1553B總線上的各終端下位機的斷電設計安全性開展了復查，對中央處理單元、控溫儀、直流-直流變換器等產品進行了完善設計；為避免下級用電產品短路影響上級供電設備安全，對相機電源控制器、固態(tài)存儲器等產品供電開關的設置進行了更改；為改善CMG、動量輪在軌擾動對圖像質量影響，衛(wèi)星開展了相應的部件轉動試驗，并在此基礎上優(yōu)化了動量輪的選用配置，為CMG設計配置了減隔振裝置。通過上述結合新要求的設計復查與設計完善工作，確保了相應成熟產品能夠滿足衛(wèi)星的使用要求。

2.3 識別外協(xié)單位設計薄弱環(huán)節(jié)，重點管控

在高分七號衛(wèi)星產品承制單位中，除中國空間技術研究院內部單位，還有上海航天技術研究院、中國航天電子技術研究院、中國科學院、中國電子科技集團有限公司、中國船舶集團有限公司等多個研制單位。各單位在對航天產品的特殊需求的理解上存在差異，在產品可靠性設計和工藝實現(xiàn)能力方面也存在不同的薄弱環(huán)節(jié)，這使得相應產品的設計和驗證存在一定風險。

1)與外協(xié)單位充分互動，針對薄弱環(huán)節(jié)制定專項產品保證措施

為有效識別外協(xié)單位產品設計的薄弱環(huán)節(jié)，項目辦公室依照外協(xié)產品管理規(guī)定，在初樣階段便制定了針對外協(xié)產品的專項產品保證策劃，并對航天系統(tǒng)外單位開展了產品保證要求的專題宣貫。在研制過程中邀請院內外各專業(yè)方向的專家對相應產品的初樣設計、鑒定設計開展了可靠性設計審查；在產品試驗后的開蓋狀態(tài)下進行了工藝設計復核；針對較為特殊的高壓模塊、密封模塊、光學模塊、高速率模塊開展了專項的設計審查；結合其他型號對相應共性產品的使用情況進行及時的設計改進評估；組織衛(wèi)星總體對產品使用需求進行詳細分解，實現(xiàn)產品設計、驗證的及時迭代。通過上述措施，實現(xiàn)了對各外協(xié)產品設計缺陷的及時暴露、改進和驗證。

2)結合整星需求，推進軟件保證要求彌補外協(xié)單位體系支撐缺陷

衛(wèi)星載荷在軌的工作模式和地面數(shù)據(jù)使用需求均極為復雜，對相關軟件的設件質量提出了很高要求，而相關外協(xié)單位在軟件工程化的研制經驗上還有所欠缺，對此，衛(wèi)星結合航天器軟件保證要求的推進，組織外協(xié)單位開展了全面的軟件產品保證技術要素確認，并對發(fā)現(xiàn)的問題進了多輪迭代。同時為保證軟件驗證的充分性，組織衛(wèi)星總體、外協(xié)方產品設計師、外協(xié)方軟件設計師、軟件評測方，針對評測需求開展了兩輪的交流和審查，及時發(fā)現(xiàn)并改進了設計缺陷，使得作為整星研制短線的載荷軟件及時的完成了高質量研制。

2.4 發(fā)揮專項保證中心作用，保證產品質量

與衛(wèi)星產品相關的元器件、原材料、實施工藝的合理選取和對于空間環(huán)境的合理防護，將直接影響產品的在軌性能。在高分七號衛(wèi)星研制初期，面向元器件、工藝、材料選用控制和空間環(huán)境防護設計的高級別專項產品保證中心被相繼設立。項目辦公室依托各專項保證中心，組織開展了相應的產品保證工作。

在衛(wèi)星初樣設計完成后，項目辦公室組織開展了針對所有產品的元器件、工藝、材料、空間環(huán)境防護的全面設計確認，并依照工作指南完成了元器件、材料、工藝的常見多發(fā)問題復查。具體確認工作被分階段、分專項開展，通過專家預審材料，設計師現(xiàn)場答疑等多種形式，確保了幾百份材料表格的有效確認。而后，項目辦公室編制了相關審查紀要，對紀要中要求進行了跟蹤落實。在衛(wèi)星產品正樣設計前，項目辦公室要求各單位首先開展了產品技術狀態(tài)變化對各專項質量確認的影響分析，在此基礎上有針對性的開展了再確認工作，節(jié)約了人力資源，有效提高了確認效率。同時，在研制過程中，衛(wèi)星還結合相關“舉一反三”要求，邀請相關專項保證中心專家，對涉及到的元器件、工藝、材料、空間環(huán)境防護設計問題進行評審把關。

通過上述控制措施，衛(wèi)星對進口(MRAM)存儲芯片缺陷、激光用高壓器件和探測器密封工藝風險、高頻鎖相環(huán)路工藝缺陷、金剛石闊熱材料性能改進、高速接插件焊接等研制過程中多項不同等級設計風險進行了及時準確的處置。

3 結束語

本文根據(jù)高分七號衛(wèi)星任務需求和產品特點，在對衛(wèi)星產品質量控制重點和風險點進行了分析識別，對衛(wèi)星開展保證重點工作進行了歸納說明。在衛(wèi)星研制過程中，項目辦公室將中國航天對產品保證工作的推進要求與衛(wèi)星質量風險控制工作相結合，針對新型載荷和平臺產品研制、成熟產品適應性改進、外協(xié)單位設計能力差異等影響產品質量的薄弱環(huán)節(jié)，依照相關要求開展了專項產品保證工作，確保了衛(wèi)星產品的設計可靠性和驗證充分性，有效規(guī)避了研制風險，實現(xiàn)了衛(wèi)星高質量研制，為后續(xù)衛(wèi)星在相關產品保證要求的執(zhí)行方面提供了參考。