高分七号卫星产品保证工作探索与实践

刘付强 王祥 张新伟 刘澜涛 赵霄洋 张春柳

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094) (2 北京卫星环境工程研究所，北京 100094)

高分七号卫星是我国首颗亚米级高分辨率立体测绘卫星，为在太空中高效能的实现对地球表面的1∶10 000比例尺测绘任务，研制团队攻克了多项关键技术，开发研制出了一系列高性能产品。卫星提出了主被动载荷联合工作的复合测绘体制，确保了在少控制点、无控制点条件下的测绘任务可靠实现；研制出新型高稳定性、无畸变的亚米级双线阵相机，实现了高分辨率的立体测绘；研制出国内首套星载长寿命对地全波形激光测高仪，实现了亚米级的对地距离测量精度；研制出具有可变编码调制(VCM)模式的X频段高速对地数传设备，在世界上同期在轨飞行的采用X频段进行数据传输的遥感卫星中，数据传输速率最高，有效提高了卫星使用效能。为满足大比例尺立体测绘任务对卫星平台外方位元素的指标要求，卫星研制了高精度姿态测量与控制的关键产品，实现了亚角秒级的姿态确定精度和优于0.000 2(°)/s的姿态稳定度控制；研制了高稳定性支撑结构与精密温控装置，实现了亚角秒级的卫星结构热稳定性控制。同时，为确保卫星长期在轨的好用性和易用性，卫星设计了星上自主任务规划和自主健康处置的软件功能。高分七号卫星提出并设计实现了多项国内首创、国际先进的技术和产品，任务难度大，对卫星研制过程中的质量控制工作提出了很高要求。

近年来，随着宇航产品任务的不断增多和产品研制过程的日益复杂，中国航天的型号质量管理理念已由传统的生产管理概念转变为以技术风险识别和控制为核心的工程技术概念[1]，2012年发布的航天器产品保证要求将传统对航天产品质量和可靠性的管理控制工作，扩展为体系结构和内容要素更加完备的产品保证工作[2]。在后续的几年中，针对暴露出的生产过程控制风险和软件产品规模、复杂度均不断升高带来的新问题，中国航天又相继发布了设计研制风险控制[3-5]、软件研制质量保证等重要要求和相关支撑体系文件，这些凝结了多年航天产品研制经验的产品保证标准、规范、要求、设计指南等文件的推出，使得中国航天产品保证体系不断完善[6-8]。

高分七号卫星于2014年开始研制，2019年11月发射入轨，其研制过程正值中国航天全面推进特色产品保证工作之时。卫星在研制过程中，各承研单位对相关标准、规范的解读和实践方案也通过逐步摸索并积累了成熟的执行经验，这些外围环境为高分七号卫星研制过程中产品保证工作的规范开展、卫星产品高质量的有效控制提供了有力保障。

1 研制任务特点对产品保证工作需求分析

不同于大部分主要以高分辨率为目标的对地成像卫星，作为实现大比例尺测绘任务的高分七号卫星，在实现高分辨率的同时，还需要实现有效载荷和平台产品的多项高精度、高稳定度指标，研制团队为此完成了多个新型产品开发，并对成熟平台产品开展了多项的适应性改造，这些新状态对卫星研制质量控制提出了很高要求。同时，在卫星承研单位遍布全国，其质量管理标准各不相同，这也加大了产品保证工作的落实难度。为此，明确了以产品设计和研制过程的风险识别与控制为中心的系统级产品保证工作开展思路，并在该思路指引下，完成了产品保证重点工作需求分析，具体如下。

(1)作为卫星载荷部分的两线阵相机、激光测高仪和对地数传分系统，涉及到多个新型产品的设计和研制，相关性能指标在国际同类产品中达到了领先水平。两线阵相机为满足低畸变、高光学系统稳定性的内方位元素指标要求，设计了低敏感三反离轴远心光学系统，并选用了碳-碳化硅材料设计了大型框架结构和大型主镜的微应力支撑结构，相应产品研制周期长，系统测试验证时机少，存在设计缺陷难于暴露的风险。激光测高仪设计了国内首个长寿命大功率空间全固态激光器；为实现激光回波的高精度测量，国内首次设计了新型激光与足印相机复合测量系统和全波形测量系统，设计难度极大，内部软、硬件调试环节多且与总体需求联系密切，对于产品质量控制提出了很高要求。卫星载荷原始数据率极高，为此卫星设计了X频段VCM对地传输模式，最高码速率可达2×1.2 Gbit/s，是目前世界最高的指标，这对其基带产品的时序设计提出了极高要求；同时，VCM模式数传链路对应的地面测试设备与星上产品处于同步研发阶段，系统测试验证手段不完善，在产品设计验证方面存在及时性、充分性难以保证的风险。

(2)高分七号卫星为满足测绘任务需求，设计开发了多台新型平台产品，同时还选择了新一代遥感平台的部分产品和以往遥感卫星的成熟产品。为满足整星高精度姿态测量与高稳定度控制需求，研制开发了测量精度优于1″的高精度星敏感器和高稳定度太阳翼驱动机构，并设计了抑制星上不同频率扰动的姿态稳定控制方法；为保证卫星成像与姿态测量基准的高稳定性，开发了大型复材载荷支撑结构，设计了高精度温度控制方案；这些高精度外方位元素支撑产品的指标要求极高，且在整星阶段难以验证，为系统指标的实现带来风险。同时，卫星电源、测控产品虽然为新一代遥感平台产品，但此类产品的鉴定和正样产品与高分七号研制进度同步进行，且产品的原设计与高分七号卫星需求存在部分差异，使得此类产品的设计验证均存在风险。

(3)高分七号卫星产品由中国空间技术研究院和航天系统内、外部多个单位负责研制，各单位在管理模式和宇航工程研制理念上均存在差异，由此在对产品保证工作要求的理解和落实上难免会发生偏差，产生质量控制的薄弱环节。外部单位承研了平台、载荷中的部分关键产品，如上海航天技术研究院承研的电源控制器、太阳电池电路、中国航天电子技术研究院承研的测控产品和固态存储器，中科院承研的激光测高仪产品等，这为卫星的高质量控制与实现带来了难度。

(4)在产品的顶层设计确定后，元器件、原材料、实施工艺等方面的合理选取也将直接决定产品的最终质量，而航天产品在太空中的特殊使用环境，使得上述因素对产品在轨性能的影响更为显著。这些专项设计涉及到广泛的基础理论知识和操作方法经验，其相关因素遍布于卫星众多新型产品的设计过程，如激光测高仪的特殊元器件、数传产品用的高速数据处理与存储芯片、两线阵相机和激光测高仪中的多个复合材料结构模块、高功率产品内部热传导材料、高压电源密封工艺、新设备和器件的电装工艺等，而各单机设计师在相关专项知识储备和设计经验上难免存在欠缺，这使得对于新、老元器件、材料、工艺的合理使用存在风险。

2 产品保证工作主要措施

2.1 充分识别新研载荷产品设计风险，试验验证充分

1)长周期光学载荷设计验证风险的有效控制

高分七号卫星的激光测高仪、两线阵相机分系统产品中均包含研制周期极长的光机结构，为确保设计可靠，在研制初期充分论证的基础上，研制团队依照产品研制试验管理规定，组织研制单位对于关键部件投产了先行验证件和结构件，并对产品性能边界开展了充分测试验证，提前暴露光、机系统方案的设计不足，为正样件的设计改善提供了有力支撑。特别是针对两线阵相机选用碳碳化硅材料的主体框架结构，该大型设计在国内尚无研制先例，且需要多道加工工序和近一年的时间完成生产，研制团队依据要求开展了专项产品保证策划，明确了各阶段的试验要求，设置强制检验点，开展跟产测试，及时开展数据分析及联合审查，确保了产品的质量。

2)载荷鉴定研制拖延与验证充分性矛盾的控制措施

在两线阵相机、激光测高仪的鉴定产品研制过程中，随着具体设计验证工作的不断深入，出现了针对相机主镜支撑结构设计、激光全波形采样有效识别、激光回波稳定采集设计等方面的优化需求，使得鉴定件研制进度延迟，出现了载荷鉴定验证与部分正样产品研制并行开展的状态。为此，研制团队依照要求开展了充分的生产准备评审，针对正样研制流程进行深入的研制技术风险分析，制定了载荷分阶段、分模块的鉴定验证与正样投产计划。特别对于关键的设计风险模块，组织各方专家制定多方案设计验证计划，设置关键项目并明确控制措施，对过程状态持续跟踪，确保各载荷模块的正样设计经过充分的鉴定验证，在有效规避设计风险的同时，保证了正样产品的顺利研制。

3)先进高速数传系统的验证风险控制

(1)高速数传基带传输可靠性验证风险卫星数传系统基带部分需要完成对码速率约为10 Gbit/s的载荷数据的实时接收与处理，极高的速率要求使得产品内部软、硬件各环节的设计余量有限，对电性件和鉴定件的测试验证表明，外部温度、电磁环境均会对数据可靠传输造成影响，为此在初样阶段对于数传基带软件进行了多轮完善。为确保正样产品软、硬件状态匹配和工作稳定，卫星在正样验收大纲文件中提出对开展模拟环境联试的要求，针对初样阶段暴露的设计不足，开展了产品电磁干扰风险影响分析，完成相关产品的联合高低温性能验证。同时，依照软件产品保证要求，对各软件开展了产品保证技术要素确认，确保执行高速数传任务的软、硬件产品状态匹配、测试验证充分。

(2)X频段VCM传输模式验证风险卫星设计实现的X频段VCM模式高码速率对地传输系统属国内首创，而相应地面测试验证设备虽然有多个厂家开发，但都与星上设备处于同步开发状态，且不同厂家设备性能存在差异，对卫星复杂的数传工作模式的适应性各有不同，给数传系统初样乃至正样设计验证带来了极大风险。为此，卫星依照地面设备保证要求，提前完成地面产品保证策划，自初样阶段开始，依托上级机关，组织协调地面系统、卫星系统和相关地检设备开发厂家开展多轮技术协调和对接试验，并协调有限的引进设备资源，分阶段开展比对调试，实现相关数据解调设备对于卫星总装厂测试、发射场测试以及在轨数据接收的不同使用要求的全覆盖，在确保星上产品各模式设计充分、测试有效的同时，促进了地面设备的开发。卫星入轨后的多次传输试验表明，卫星数传VCM传输模式设计正确、产品工作正常。

2.2 加强型号间沟通交流，规避平台产品研制风险

1)识别关键特性，开展专项试验完成测试验证

为实现测绘任务对外放位元素相关指标的要求，卫星研制团队完成新型高精度姿态测量与控制关键单机和结构热稳定性保证相关产品的研制，由于卫星对相应产品指标需求明显高于其他非测绘类遥感卫星，一般的测试流程难以完成验证任务，对此，卫星依照技术风险分析识别与控制相关要求，完成了产品的关键特性识别，明确了量化控制要求，并设计专项试验完成验证。对于高精度星敏感器，开展了专项的温度稳定性测试和观星试验，建立误差模型，对于星敏数据中的长、短周期误差进行了定量识别；对于高稳定度太阳翼驱动机构，针对卫星使用环境，开展了气浮台上的多模式驱动稳定性试验；对于卫星结构热稳定性设计，完成了针对卫星在轨长、短期不同环境的温度场反演和指标预示，并基于数字图像相关测量方法，完成了整星结构热稳定性的专项试验，实现了对亚角秒级结构尺寸稳定性指标的充分验证。卫星入轨后数据表明，卫星外方位元素精度全面满足指标要求。

2)优化资源，平台新型产品共性技术审查充分

在高分七号卫星平台产品中，部分选用了新一代遥感平台产品。一方面，高分七号卫星研制进度与其他选用同型产品的型号进度相当，无产品前期验证经验；另一方面，各型号对于产品具体的使用需求也不尽相同，这使得卫星对于此类产品的直接选用存在风险。为此，在研制初期，项目办依照产品基线管理规定，对原型产品在设计指标和验证环境方面与本卫星需求的具体差异进行全面比对，对于不一致之处，在相应产品初样设计中进行了充分的适应性分析和改进可行性论证。在产品研制过程中，充分发挥型号项目办公室和卫星总体单位的统一管理优势，多次组织不同型号研制团队针对控制、测控、电源分系统的关键新型单机的使用经验及时开展技术交流；同时依照鉴定产品管理规定，依托总体单位专家开展多型号联合的同型产品鉴定设计审查和产品鉴定试验后开盖状态下的设计复查。上述工作不仅有效节约了各研制单位、项目办公室及承研单位的时间成本和人力物力成本，同时加强了不同研制团队间的沟通和经验交流，实现了优质技术资源的高效共享，大大提升了审查效果，确保了产品的设计可靠性。

3)结合新的产保要求在系统层面开展成熟产品设计改进

在不断完善的产品保证体系文件中，供配电安全性设计和在轨容限设计是近年来被反复强调的两项重点工作，已发布了相应的设计指南，提出了详细、明确的工作方案。卫星研制团队在保证新研产品依照相应指南开展设计的同时，在系统层面依据新要求针对成熟平台产品开展了设计优化改进，如为避免“下位机主份故障”且“主份无法正常断电”的双重故障，对1553B总线上的各终端下位机的断电设计安全性开展了复查，对中央处理单元、控温仪、直流-直流变换器等产品进行了完善设计；为避免下级用电产品短路影响上级供电设备安全，对相机电源控制器、固态存储器等产品供电开关的设置进行了更改；为改善CMG、动量轮在轨扰动对图像质量影响，卫星开展了相应的部件转动试验，并在此基础上优化了动量轮的选用配置，为CMG设计配置了减隔振装置。通过上述结合新要求的设计复查与设计完善工作，确保了相应成熟产品能够满足卫星的使用要求。

2.3 识别外协单位设计薄弱环节，重点管控

在高分七号卫星产品承制单位中，除中国空间技术研究院内部单位，还有上海航天技术研究院、中国航天电子技术研究院、中国科学院、中国电子科技集团有限公司、中国船舶集团有限公司等多个研制单位。各单位在对航天产品的特殊需求的理解上存在差异，在产品可靠性设计和工艺实现能力方面也存在不同的薄弱环节，这使得相应产品的设计和验证存在一定风险。

1)与外协单位充分互动，针对薄弱环节制定专项产品保证措施

为有效识别外协单位产品设计的薄弱环节，项目办公室依照外协产品管理规定，在初样阶段便制定了针对外协产品的专项产品保证策划，并对航天系统外单位开展了产品保证要求的专题宣贯。在研制过程中邀请院内外各专业方向的专家对相应产品的初样设计、鉴定设计开展了可靠性设计审查；在产品试验后的开盖状态下进行了工艺设计复核；针对较为特殊的高压模块、密封模块、光学模块、高速率模块开展了专项的设计审查；结合其他型号对相应共性产品的使用情况进行及时的设计改进评估；组织卫星总体对产品使用需求进行详细分解，实现产品设计、验证的及时迭代。通过上述措施，实现了对各外协产品设计缺陷的及时暴露、改进和验证。

2)结合整星需求，推进软件保证要求弥补外协单位体系支撑缺陷

卫星载荷在轨的工作模式和地面数据使用需求均极为复杂，对相关软件的设件质量提出了很高要求，而相关外协单位在软件工程化的研制经验上还有所欠缺，对此，卫星结合航天器软件保证要求的推进，组织外协单位开展了全面的软件产品保证技术要素确认，并对发现的问题进了多轮迭代。同时为保证软件验证的充分性，组织卫星总体、外协方产品设计师、外协方软件设计师、软件评测方，针对评测需求开展了两轮的交流和审查，及时发现并改进了设计缺陷，使得作为整星研制短线的载荷软件及时的完成了高质量研制。

2.4 发挥专项保证中心作用，保证产品质量

与卫星产品相关的元器件、原材料、实施工艺的合理选取和对于空间环境的合理防护，将直接影响产品的在轨性能。在高分七号卫星研制初期，面向元器件、工艺、材料选用控制和空间环境防护设计的高级别专项产品保证中心被相继设立。项目办公室依托各专项保证中心，组织开展了相应的产品保证工作。

在卫星初样设计完成后，项目办公室组织开展了针对所有产品的元器件、工艺、材料、空间环境防护的全面设计确认，并依照工作指南完成了元器件、材料、工艺的常见多发问题复查。具体确认工作被分阶段、分专项开展，通过专家预审材料，设计师现场答疑等多种形式，确保了几百份材料表格的有效确认。而后，项目办公室编制了相关审查纪要，对纪要中要求进行了跟踪落实。在卫星产品正样设计前，项目办公室要求各单位首先开展了产品技术状态变化对各专项质量确认的影响分析，在此基础上有针对性的开展了再确认工作，节约了人力资源，有效提高了确认效率。同时，在研制过程中，卫星还结合相关“举一反三”要求，邀请相关专项保证中心专家，对涉及到的元器件、工艺、材料、空间环境防护设计问题进行评审把关。

通过上述控制措施，卫星对进口(MRAM)存储芯片缺陷、激光用高压器件和探测器密封工艺风险、高频锁相环路工艺缺陷、金刚石阔热材料性能改进、高速接插件焊接等研制过程中多项不同等级设计风险进行了及时准确的处置。

3 结束语

本文根据高分七号卫星任务需求和产品特点，在对卫星产品质量控制重点和风险点进行了分析识别，对卫星开展保证重点工作进行了归纳说明。在卫星研制过程中，项目办公室将中国航天对产品保证工作的推进要求与卫星质量风险控制工作相结合，针对新型载荷和平台产品研制、成熟产品适应性改进、外协单位设计能力差异等影响产品质量的薄弱环节，依照相关要求开展了专项产品保证工作，确保了卫星产品的设计可靠性和验证充分性，有效规避了研制风险，实现了卫星高质量研制，为后续卫星在相关产品保证要求的执行方面提供了参考。