北斗导航试验卫星综合电子软件研制管理经验与启示

常克武 贾卫松

(1 中国卫星导航系统管理办公室，北京 100054)(2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

北斗导航试验卫星综合电子软件研制管理经验与启示

常克武1贾卫松2

(1 中国卫星导航系统管理办公室，北京 100054)(2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

从软件管理、研制流程、沟通机制、开发模式、配置管理、产品质量6个方面总结了北斗全球卫星导航系统试验卫星综合电子软件研制工作管理实践的主要措施，通过研制成果验证了管理实践措施的有效性，并概括了对北斗全球卫星导航系统组网建设及其他后续卫星的软件研制的启示。

北斗全球卫星导航系统试验卫星；综合电子软件；管理；启示

1 引言

北斗全球卫星导航系统试验卫星(以下简称试验卫星)目的是完成总体方案和技术体制、关键技术、系统间接口和运行管理的在轨试验与验证，确定全球系统技术状态，为北斗全球导航卫星系统组网建设提供支持。综合电子系统是卫星信息处理中枢核心，是对卫星进行高效可靠的管理和控制，在整星甚至星座内进行信息统一处理和共享，实现多航天器、航天器内多应用过程与多用户之间任务协同[1]的一体化电子系统。试验卫星综合电子系统软件(以下简称综合电子软件)装载于综合电子系统设备中，是实现系统能力的核心。由于综合电子软件技术状态新、要求自主运行、需求迭代次数多、测试验证复杂、多系统配合、资源紧张等难点，因此，综合电子软件研制管理工作过程中采取了多项新措施。

综合电子软件交付后，经历了整星电测、力学试验、热真空试验及发射场测试等阶段，技术状态严格受控；在卫星发射后，各项在轨验证与技术试验中综合电子软件功能及性能均满足需求，并健康稳定运行。这些都充分说明了综合电子软件质量保证充分，过程管理有效。综合电子软件研制工作的管理实践，为后续正样组网卫星的批量化生产奠定了技术、生产与组织管理等方面的坚实基础。

本文分析了综合电子软件研制的任务特点，从软件管理、研制流程等6个方面详细阐述了管理实践的主要新措施，根据实践效果为后续卫星的软件研制提出了建议。

2 综合电子软件研制任务特点

1)技术状态新

试验卫星的新环境、新模式、新技术、新状态较多，同时整星研制进度紧张。为支持整星快速测试验证，综合电子软件需要在整星构建初期便提供先期验证版本，并在之后不断根据设计状态的变更及需求的增加而升级。而整星诸多设备的信息需求及接口变化，均需要迅速在综合电子软件中得到服务响应，并进行版本维护。

2)信息流复杂

试验卫星信息传输通道接口多，信息类型丰富，信息路径关系复杂，涉及地面测控、地面运控、星间通信各大系统接口。综合电子系统是信息枢纽，其软件承担了信息处理及协议转换的核心业务。测控/运控/星间三条链路相互备份，使信息的梳理及测试验证工作更加复杂。

3)研制单位交叉

综合电子软件采用全新的配套开发模式，各单位的配置项通过联合编译形成最终的目标码。配置项之间交互的匹配性直接影响产品运行的正确性和稳定性。不同单位并行研制并进行交叉交付与验证，给工程管理带来了新的特点。

4)多星并行研制

试验卫星由多颗中高度地球轨道(MEO)卫星和倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。MEO卫星发射采用多星发射，每两次发射时间仅间隔3个月。多星并行研制涉及人员、设备资源、地面测试环境等关键生产要素的协调，给整个研制进度带来较大风险。多星项目进度的紧迫性又使软件测试周期缩至最短，测试完备性较难保证。星间链路对接、测控对接和运控对接等试验多线并举，使软件研制时间更加紧迫。

3 综合电子软件研制管理实践

1)理论实践结合，规范软件管理

《军用软件研制能力成熟度模型》(GJB 5000A)借用了美国卡内基-梅隆大学的软件工程研究所(SEI)为美国国防部研究制订的一种评估软件承包商能力的办法，强调通过“过程管理”能力的提高，最终实现软件研制质量由组织的过程管理而非研发团队的能力来决定[2]。

在研制、管理难度大的背景下，综合电子软件研制工作将GJB 5000A理论与项目实践相结合，按照GJB 5000A三级的18个“过程域”的要求，将软件的研制过程细分为配置管理、测量与分析、项目监控、项目策划、过程和产品质量保证、需求管理、供方协议管理、决策分析和决定、集成项目管理、组织过程定义、组织过程焦点、组织培训、产品集成、需求开发、风险管理、技术解决方案、确认和验证等，并分别制定了管理要求。

项目策划过程中，依照“集成项目管理、风险管理、确认与验证”等过程域的要求，对软件研制的工作量、进度进行了估计，制订了详细的进度表及风险管理计划、利益相关方参与计划、资源管理计划、测试与验证计划、配置管理计划，并对需重点决策的事件进行评估，规范了软件管理过程。

2)优化研制流程，分步策划实施

综合电子技术状态新，当单机硬件研制结束时整星电测节点也很临近，造成软件研制时间紧张。此外，软件研制流程同时受到地面测试设备及需求确定性的制约，任何一个环节控制不好，都有可能导致生产计划后延。按照识别优化项目、确定优化目标、制定优化方案、实施优化策略的步骤[3]，软件项目组在策划中对全生命周期的工作进行细致全面分解，准确分析短板和风险点，并对优化后的方案分步实施，图1为综合电子分系统软件研制的主要历程。一方面将软件研制启动时间提前，充分利用软仿真形成初始版本，当硬件到位时第一时间加载调试成型软件；另一方面明确关键短线并重点监控，对难点和风险点制定相应的措施；为确保多套正样产品同时测试，增加关键单机的配套数量，提前启动测试设备的研制，保证测试环境的完整性建设。

图1 综合电子软件研制历程Fig.1 Development of integrated electronic subsystem software

3)多单位交叉协作，建立沟通机制

综合电子软件中的核心是由多单位的软件联合编译而成，多方协同的关键在于软件接口界面。为保证风险可控，在任务分解的基础上，首先明确多方软件的功能和职责，进而划定软件接口的数据流向、责任控制主体，确保接口定义清晰严密；为保证各方软件故障隔离，对资源分配、编码规则、数据交互、任务模式进行统一约定， 规避内存访问越界、时序死锁等软件间的安全性影响；在软件交付中采用交叉交付模式，创建联合开发框架，由A单位先行将程序交付B单位，B单位对软件进行合版编译后，交付A单位进行后续开发，采用分时联试的方法进行验证，从流程上避免交叉协作对研制主线的影响。形成接口控制协议及接口程序复查报告，并由专家审查把关。建立沟通机制，加强项目办公室与设计师对科研进度匹配的沟通；加强分系统间软件接口及联试沟通，加强芯片及单机生产方沟通，消除多单位间可能存在的责任不落实项目，避免模糊区域存在。

4)敏捷开发，严控技术状态

为保证在需求变化，尤其是自主运行技术状态不确定情形下的软件质量控制，综合电子软件采用敏捷开发与传统瀑布模型结合的方式。敏捷软件开发是一种应对变化需求，以人为核心、迭代、循序渐进的开发方法，可以持续、快速交付高质量软件[4]。在敏捷开发中，把综合电子软件项目切分为多个相互联系，但也可独立运行的子项目。各个子项目的成果都经过测试，具备集成和可运行的特征，由不同设计师分别完成。在开发过程中集成软件一直处于可使用状态，随时可以交付整星配合各分系统及单机的验证。同时，为保证敏捷开发中软件功能扩展更改的技术状态控制，从项目有效性、影响分析完整性、试验验证充分性及更改落实全面性等多方面进行[5]。指定专人跟踪技术状态的确定与科研协调，并由设计师分别负责追踪子项目的更动影响分析、试验验证及更改落实情况，确保全研制生命周期的质量可控。

5)优化配置管理，主体与变体控制

为了规范多星软件并行研制流程，统一研制管理和实施要求，保证软件工程化工作有序开展，综合电子软件采用主体与变体配置管理模式。将仅通过修改参数或者完全不修改即可满足型号多颗卫星使用需求的软件配置项作为主体；以每颗卫星根据本身固有的需求，在主体基础上进行参数修改，而形成的可装载于某颗卫星上的软件配置项作为变体。通过记录主体的研制和演进历程及相应配置状态形成主线，通过记录变体在主体基础上经过的研制和演进历程及相应配置状态形成分支。试验卫星以全球卫星导航系统卫星的综合电子软件配置项为主体，形成MEO轨道双星和IGSO轨道卫星3个分支的变体，在确保软件质量的前提下剔除重复的开发步骤，提高软件研制效率。图2为主体、变体、主线和分支的演进图。

图2 主体、变体、主线和分支的演进Fig.2 Evolution of subject,variant,main line and branch

6)强化可靠性设计，规范分析测试

在信息流复杂、进度紧张的前提下，任何疏忽都可能对研制工作造成颠覆性影响，规范产品的可靠性设计、分析、试验和验证过程成为重中之重[6]。可靠性工作围绕软件工程化、输入条件梳理及接口复查、分系统软件测试的覆盖性检查3个方面展开。严格按照软件工程化流程[7]，首先形成设计文档，在文档经过评审、仔细推敲、覆盖所有需求及故障响应后，方进行代码升级或实现，避免由于分析不深入导致重复开发。对输入条件进行清理，对星内、星地、星间数据流进行清理并进行专家把关审查，形成准确的技术状态基线。提前策划及投产测试设备，专人负责清理测试细则，并通过评审确定用例的测试覆盖性；大力推进自动化测试设备研制，以期在缩短软件产品测试周期的同时保证交付质量。

4 启示

通过研制过程的合理管控，综合电子软件在各研制阶段技术状态严格受控，并按计划交付用户。在各阶段测试及试验过程中，软件可靠性指标、数据存储余量、总线负载余量、处理器机时裕度均满足指标要求，软件落焊后故障率为0%，星间-星地信息流等专项复查项目都无隐患，软件出厂后无质量问题发生。试验卫星综合电子软件研制工作管理实践为组网星的批量生产积累了经验，也为其他卫星的软件研制提供了借鉴，并得到如下启示。

1)以GJB 5000A理论指导过程管理

过程管理是保证软件产品质量稳定的重要手段，GJB 5000A及软件能力成熟度模型(CMM)理论已是国内外军、民公认的管理理论基础，并在综合电子软件研制中起到了重要作用。组网星软件产品研制有试验卫星软件研制的基础，但也面临着批量大、研制人员少和进度紧张等新风险。在组网星软件研制中，首先要坚持以先进的GJB 5000A来进行项目管理，确定软件管理的理论基础。只有这样，才能确保软件研制的各个方面都得到有效管理，指导资源的分配和保证项目各个阶段的状态得到控制，才能最终保证软件产品研制的效率和质量。

2)以瀑布模型为基础开展敏捷开发

传统软件开发采用瀑布模型，强制开发人员采用规范的方法，严格规定每个阶段必须提交的文档，要求每个阶段交出的所有产品都必须经过质量保证小组的仔细验证，以保证软件的质量。但是瀑布模型存在缺点：在软件正式交付之前，总体仅能通过文档了解产品状态，而且由于卫星软件研制周期较长[8]、技术状态新，期间软件的需求必然会发生变化。试验卫星综合电子软件在以瀑布模型基础上融合敏捷开发模式，使软件研制进度快速推进，在保证控制技术状态的基础上为卫星提供了最优的功能解决方案。组网星研制时间更加紧张，综合电子软件的敏捷迭代开发的优势将更加明显。敏捷开发与瀑布模型结合的关键是：迭代过程应尽量避免更动已经完成的模块，否则会导致重复测试，反而使进度拖延。

3)以主体与变体配置管理严控技术状态

综合电子软件经历开发及回归测试等多阶段版本升级，软件技术状态严格受控，主线及多星分支演进层次清晰，主体及变体之间差异明确，主体确定后变体研制速度提升80%，充分证明基于主体和变体的配置管理模式对全球卫星导航系统卫星的组网建设有效适用。在配置管理操作方法上，由于变体需求的提出来源于主体基础上的修改，而其研制及演进历程分支与主体独立存在，因而在制定主体需求时，应全面覆盖且明确变体修改部分，简化流程并提高研制效率。

5 结束语

试验卫星综合电子软件研制工作的管理经验，为后续组网卫星的批量化生产奠定了技术、生产与组织管理等方面的坚实基础。研制团队在规定的时间内，以严格受控的技术状态，安全可靠的软件质量，紧密匹配的整星技术流程，圆满完成了研制任务，实现了软件在轨稳定运行。其在软件过程管理、质量保证、风险控制、流程优化、配置管理等方面的探索与实践的经验，对导航卫星及其他后续卫星软件研制有重要参考价值。

References)

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Zhang Xiaolong. Modern software engineering[M]. Beijing: Tsinghua University Press,2001 (in Chinese)

[8]杨松，潘腾，罗继强，等.高分二号卫星研制工作管理实践与思考[J].航天器工程，2015,24(z2)：13-18

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(编辑：张小琳)

Practice and Inspiration in Development of Integrated Electronic Subsystem Software for Test Satellite of Beidou Navigation Satellite System

CHANG Kewu1JIA Weisong2

(1 China Satellite Navigation Office，Beijing 100054，China) (2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

New technologies, such as complex information flow, cooperation of department and concurrent development of multi-satellite, bring about great challenge to the management of integrated electronic subsystem software.This paper summarizes the main measures of management in six respects: GJB 5000A, technological process, communication mechanism, development model, configuration management and product quality, verifies effectiveness of the measures by the development achievements and outlines the inspiration for the management of software deve-lopment in the construction of Beidou global navigation satellite system and other satellites.

test satellite of Beidou global navigation satellite system; integrated electronic subsystem software; management; inspiration

2016-06-30；

2016-07-12

国家重大科技专项工程

常克武，男，硕士研究生，工程师，从事导航卫星总体设计与研制管理工作。Email：changkewu@163.com。

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.04.017