资源一号02D卫星技术风险管理与实践

秦素然 郝志华 朱华斌 王啸虎 仲维昆 张明磊 王强 苏峰

(1 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)(2 北京卫星环境工程研究所，北京 100094)(3 西安空间无线电技术研究所，西安 710071)

近年来，由于航天技术水平的快速提升和产品化工作的大力推动，通过“一步正样”模式研制的业务卫星越来越多。为满足用户对业务卫星的新要求，卫星研制中普遍采用了新老技术相融合的新产品，而不是前序卫星技术上的简单重复。资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)是国内首颗民用高光谱业务卫星，于2019年9月12日在太原卫星发射中心成功发射，目前在轨稳定运行。该卫星研制周期相对较短，采用从方案设计直接到正样投产的“一步正样”研制模式，其目标是接替资源一号02C卫星任务，满足新时期国土监测与调查、地矿勘探、地质环境监测等需求，开展山、水、林、田、湖、草等自然资源要素定量遥感监测业务的探索。在充分进行任务需求分析的基础上，资源一号02D卫星光学载荷由原来的4谱段全色多光谱相机升级为9谱段可见近红外相机，并增加1台带大气校正装置166谱段的高光谱相机，卫星具有成像幅宽大、谱段配置丰富、辐射精度高等特点。与资源一号02C卫星相比，资源一号02D卫星在几何分辨率、幅宽、光谱分辨率方面的性能大幅提升。

资源一号02D卫星被定义为“一步正样”业务卫星，不经历初样阶段，不投产电性模型星、结构热控模型星、辐射模型(RM)星产品，仅投产正样产品。由于卫星性能指标大幅提升，卫星平台和有效载荷产品技术状态变化大，缺少初样阶段的验证无疑会给卫星研制带来较大风险。具体风险主要体现在：①可见近红外相机是国内首次采用分光反射镜设计和双通道拼接技术，以及高集成度视频电路技术，首次采用国内研制并首飞的GL2170K型4色TDI CCD器件，存在新技术、新器件设计验证风险；②高光谱相机在继承“高分”专项技术的基础上，增加大气校正辐射计组件，首次通过像元合并减弱标准具(Etalon)效应，提升信噪比，对定标方案、关键指标、硬件电路和软件设计均进行了优化提升，该产品国内相关研制经验少，光学系统装调难度大，软件规模大，时序紧张，软件时效性要求高，且首次与“资源”卫星平台对接，存在产品实现和分系统间接口不匹配风险；③卫星平台与新有效载荷之间存在大量未验证接口，系统集成也存在较大风险。

为此，资源一号02D卫星在整个卫星研制期间要更加注重技术风险管理工作。通过预先对技术风险系统性地识别、评估、跟踪等一系列活动，将技术风险降低到一个可接受的水平[1]。本文总结提炼了资源一号02D卫星技术风险管理的思路和实践情况，可为后续“一步正样”卫星的技术风险管理提供参考。

1 业务卫星技术风险管理思路

技术风险管理是卫星项目风险管理的重要组成部分。技术风险影响卫星系统技术性能指标的实现，是在设计、生产和试验过程中必须关注的风险。相比科研卫星经历方案、初样和正样3个完整的研制阶段，资源一号02D卫星从方案设计阶段直接进入正样研制阶段，对方案阶段技术风险管理提出了更高的要求，即技术风险识别的全面性和提前实施应对措施的必要性。卫星技术风险管理的思路是：针对“一步正样”特点，将技术风险管理工作中心前移，方案阶段在任务特点、方案正确性、继承性、“十新”(新技术、新状态、新单位、新设备、新人员、新环境、新工艺、新材料、新岗位、新流程)、曾经发生过影响成败问题的产品、关键特性识别和设计裕度量化、环境适应性等技术风险分析要素的基础上，将常规初样阶段的接口匹配性和试验验证全面性2个技术风险分析要素纳入方案阶段进行识别和分析，并针对这2个要素识别的风险在方案阶段提前采取应对措施，从而达到规避正样阶段研制风险的目的。资源一号02D卫星方案阶段及正样阶段技术风险管理基本过程如图1所示。

项目办公室组织开展项目全生命周期的风险管理工作策划，明确项目风险管理的范围、职责与管理过程。落实技术风险管理各项要求，以用户关注为焦点，系统策划，统筹管理，深入开展全系统、全过程、全要素技术风险识别、分析与控制[2]。遵循“系统策划，识别全面，分析准确，措施有效，风险受控”原则，以研制阶段和研制流程为主线，针对“一步正样”业务卫星特点，开展覆盖产品级、分系统级、整星级和设计、生产、测试、试验、总装集成测试(AIT)、发射场的全系统、全过程的技术风险分析，按照器件、部组件、单机、子系统、分系统、系统的研制程序，纳入方案、正样和发射场各阶段产品保证计划和产品保证流程进行实施和管控，从而覆盖卫星研制全过程。从系统设计、产品实现、试验验证等方面抓起，强化风险识别和过程管控，通过卫星研制工作不断深入迭代，将风险消除或降低到可接受水平，从而确保卫星任务圆满成功[3]。

注：FMEA为故障模式与影响分析；FTA为故障树分析。

2 技术风险管理实践

2.1 系统策划，明确目标

在卫星研制初期成立了卫星两总领导、总体主任设计师和各分系统主任设计师负责、各主管设计师参与的风险控制责任体系[4]，遵循“两总抓总、分级策划、逐级落实”的原则，开展单机、分系统、整星各级技术风险分析与控制工作策划，并纳入研制生产计划进行管理。充分考虑卫星“一步正样”、没有初样验证阶段的研制特点，将常规初样阶段的技术风险分析项目分别融入到方案阶段和正样阶段开展，结合卫星特点确定方案阶段与传统初样验证阶段相结合，正样阶段在整星AIT前充分验证的研制策略。在该研制策略的指导下，充分识别技术风险，制定应对措施并加以实施，从而确保风险识别准确全面、控制措施有效，实现研制过程风险可控的工作目标。

2.2 全面识别，关注重点

从卫星“一步正样”研制特点入手，分析系统需求，采取FMEA、特性分析、测试性分析、技术成熟度分析等多种方法，从“全系统、全过程、全要素”3个维度识别风险，筛选出重点风险项目，优先配置资源并进行应对[5]。方案阶段以技术状态基线确立和产品选用为依据，逐个分系统、逐台单机分析技术状态变化，重点围绕卫星性能指标提升、光学载荷技术状态变化大的产品，共识别技术风险29项。其中：可见近红外相机10项，高光谱相机8项，主要涉及新技术、新器件、新工艺、新接口、产品重要技术指标实现等方面，是方案阶段需要重点关注的风险项目。方案阶段在全面识别技术风险的基础上，评价风险发生的可能性和严重性等级，形成按等级排序的风险项目清单，并逐项制定应对措施。针对需要在方案阶段提前开展的器件级、部组件级、单机级、分系统级、系统级设计验证项目，纳入各级产品研制技术流程、计划流程和产品保证流程进行管控，从而确保卫星方案正确，降低固有风险。

正样阶段围绕分系统间接口、光学载荷硬件产品实现、软件研制、AIT等方面，重点针对过程控制、技术状态更改、产品最终使用状态、质量问题和“举一反三”等要素，共识别技术风险42项。其中：可见近红外相机和高光谱相机研制过程控制、分系统间接口正确性、软件研制，需要重点关注。正样阶段在全面识别技术风险的基础上，根据质量问题归零和“举一反三”、技术状态更改等项目，不断动态更新技术风险项目清单，制定控制措施并严格落实，确保正样阶段研制过程风险控制到位。

2.3 加强方案阶段试验验证

资源一号02D卫星“一步正样”，方案阶段不仅需要开展卫星的方案设计，还要结合识别的技术风险项目提前开展必要的试验验证，从而规避正样阶段研制风险。方案阶段通过投产部分验证件，开展可见近红外相机和高光谱相机新器件、新技术、新接口的试验验证，考核产品可靠性和接口匹配性，降低因光学载荷状态比较新造成的设计验证不充分、与其他分系统间接口不匹配的风险。

1)充分识别有效载荷产品设计风险，确保设计验证充分

可见近红外相机是国内首次采用分光反射镜设计和双通道拼接、高集成度视频电路技术，首次选用国产GL2170K型4色TDI CCD器件，因此，在方案阶段充分识别可见近红外相机新技术和新器件风险，针对首次选用元器件制定单粒子效应辐照试验方案、电离总剂量辐照试验方案和专用质保方案，开展器件性能摸底试验，组织专家对试验结果进行确认和验收；针对新技术风险，投产分光镜调焦验证件和视频电路鉴定件，开展力热试验考核，验证调焦机构稳定性和抗振性，视频电路匹配性、可靠性、环境适应性。针对高光谱相机这一新载荷，在方案阶段投产大气校正辐射计鉴定件、接口验证件和结构热控件，开展振动、冲击、加速度、热真空、热循环和老炼等鉴定试验，验证分系统内接口匹配性和产品可靠性。通过上述措施，确保新载荷关键环节验证充分，设计正确。

2)加强分系统间接口验证，规避系统集成风险

资源一号02D卫星作为业务卫星，最大限度选用卫星平台成熟产品，系统集成的风险主要集中在新载荷与成熟产品的接口匹配性上。在方案阶段通过新载荷与相关分系统间接口联试试验验证，确保正样接口设计的合理性和正确性，规避正样系统集成风险。针对高光谱相机，重点开展制冷机与一次电源联试，验证高光谱相机对电源分系统的干扰特性，以及高光谱相机分系统和电源分系统间的接口正确性；与数管、GPS间接口联试，验证高光谱相机和数管分系统、测控分系统之间1553B接口、秒脉冲接口和总线通信协议的匹配性、正确性；与数传分系统接口联试，验证高光谱相机与数传分系统间电缆设计的正确性和信号匹配性。针对可见近红外相机，重点开展与数传分系统间接口联试，验证可见近红外相机与数传分系统间2711接口匹配性、数据处理格式正确性和对数据源的适应性；与数管分系统、GPS秒脉冲接口联试，验证1553B接口、GPS秒脉冲接口和协议的匹配性，以及秒脉冲对应时间数据传输、处理的正确性。

2.4 加强正样阶段有效载荷研制过程监督

中国科学院上海技术物理研究所首次承担中国空间技术研究院抓总的高光谱相机研制，存在新单位风险。为此，项目办公室全面梳理各级产品保证要求，整合细化各类文件模板，全部传递给上海技术物理研究所，明确产品保证活动开展和文件编写要求。通过加强产品保证要求培训、工艺培训、技术交流等一系列措施，提高外协单位产品保证意识和能力[6]。

在可见近红外相机和高光谱相机研制过程中，项目办公室加强研制过程跟产监督，及时了解情况并解决问题。结合有效载荷转阶段评审，邀请领域专家开展正样设计正确性、元器件、材料和工艺、空间环境适应性、可靠性安全性把关确认[7]。在正样阶段，对可见近红外相机和高光谱相机设置2个关键项目、7个关重件、11个强制检验点，总体设计师参与信噪比、调制传递函数(MTF)、内方位元素、探测器重要指标精度、光谱偏差、定标精度等重要指标的测试，亲自见证指标满足情况。利用生产准备评审、合盖前工艺检查、强制检验点检查、产品验收等关键节点，对有效载荷过程控制和试验验证情况进行严格把关、阶段清理确认。对部组件、单机、分系统测试结果进行现场逐步逐项确认；对分配指标实现情况进行严格控制；落实关键检验和强制检验；关注洁净、污染、多余物和防静电控制情况；在产品验收前对产品研制和数据包进行全面审查，确认关键项目控制措施落实情况，以及设计、工艺和过程3类关键特性控制情况和不可测试项目控制措施落实的有效性，避免事后复查。通过上述措施，实现了卫星有效载荷研制过程风险可控，各项指标满足规范要求。

2.5 加强软件研制风险管控

项目办公室成立软件产品保证组，制定卫星软件和FPGA产品保证要求，详细规定软件研制流程、配置管理、测试、验收及软件沿用，清理各软件配置项技术状态。加强整星数据流设计，明确各软件需求和接口关系。在方案和正样阶段初期，从卫星任务分析和资源分析角度出发，开展信息流、控制流、资源分配、关键指标、软件运行维护与功能升级等软件系统设计，设计结果作为后续软件系统级研制工作(包括遥测遥控体制与格式设计、总线通信协议设计、软件配置项定义等)的输入，以及分系统技术要求、分系统设计报告及相关软件用户需求的输入。开展软件和FPGA共计8大类36项产品保证技术要素确认，对双频GPS通道板软件等重要配置项开展通用产品保证要素确认，对数管中央处理单元应用软件、控制中心控制单元应用软件等重要配置项开展专用产保要素确认，确保卫星软件研制满足要求。

高光谱相机谱段多，图像数据处理量大，对软件时序和时效性要求高。邀请软件领域专家，先后2次对高光谱相机开展软件代码走查。针对图像花屏问题开展FPGA软件时序问题代码走查，提出了时钟降额、时序约束、状态机优化、综合编译选项优化等9项改进措施，消除了时序紧张编译警告问题，保证时序满足余量要求。针对高光谱相机温控等3个软件，重点检查了源代码、单粒子防护设计、数据访问冲突分析与设计、时序设计、健壮性设计、可靠性设计等内容，针对7个FPGA软件重点检查了外围电路设计、状态机设计、跨时钟域设计、接口设计、上电时序、复位时序、初始化时序、模数(AD)接口时序、串并转换时序、CCD控制流程及图像数据传输过程、编程规范性及可靠性设计等内容，提出了27项程序薄弱环节和需要进一步补充测试的问题，最终通过测试验证及仿真分析，23个问题得到了确认，4个问题进行了代码完善。通过上述措施，及时发现并改进软件设计缺陷，确保高光谱相机关键有效载荷软件研制质量。

2.6 发射场突发风险妥善处置

资源一号02D卫星进入发射场开展14天技术区工作后，因运载火箭质量问题，卫星需要紧急停止发射场工作，封存处理。针对发射场突发风险，发射场试验队统一思想，积极协调应对。项目办公室组织制定卫星贮存方案，全面梳理卫星当前状态，明确卫星、未装星产品、地面测试设备的贮存环境要求和测试加电要求；分析各分系统产品贮存条件，针对锂离子蓄电池、红外地球敏感器、太阳翼驱动机构、高光谱相机杜瓦等对环境温湿度要求高的产品进行特殊贮存防护；对卫星拟采取的厂房贮存、包装箱贮存和柔性收集室贮存3种贮存方案进行论证，最终采用柔性收集室贮存方案(见图2)。卫星贮存期间，执行星旁24 h摄像、每日2次联合巡检、每月定期加电健康检查等要求，确保贮存期间卫星产品状态及环境条件满足要求。贮存期结束后，再次开展发射场工作前，组织联合检查组对卫星贮存状态、地面设备和物资封存状态进行联合检查，并开展整星健康状态检查测试，确保贮存后的卫星健康状态良好，各项检查和测试结果正常。在发射场突发问题处置过程中，发射场试验队全面识别风险并快速妥善应对，为卫星成功发射奠定了坚实基础。

图2 整星贮存用柔性收集室Fig.2 Flexible collection room for satellite storage

3 风险评价

技术风险识别与控制是一个反复迭代和不断完善的过程。定期进行系统级技术风险识别、分析、动态评估，以及适应性制定、细化应对措施，通过方案阶段严格的技术状态基线审定、提前开展有效载荷设计验证、分系统间接口设计验证，以及正样阶段有效载荷产品合盖前工艺和强制检验点检查、软件代码走查等重点工作，使卫星技术风险得到有效控制，风险降低到可接受水平。资源一号02D卫星技术风险项目综合评级见表1，采取控制措施前和采取控制措施后的风险发生可能性、严重性统计比见表2和表3。从表2～3中可以看出：采取控制措施后，卫星中风险和高风险项目由40项下降到3项，风险的严重性和发生的可能性显著降低，说明采取控制措施后效果明显，技术风险降低到可接受水平。

表1 资源一号02D卫星正样阶段技术风险综合评级Table 1 Comprehensive technical risk rating of ZY-1-02D satellite for flight model phase

表2 资源一号02D卫星正样阶段风险项目分布情况(控制前)Table 2 Distribution of risk items of ZY-1-02D satellite before control for flight model phase

表3 资源一号02D卫星正样阶段风险项目分布情况(控制后)Table 3 Distribution of risk items of ZY-1-02D satellite after control for flight model phase

4 结束语

技术风险管理贯穿于卫星研制全过程，通过对风险项目的识别、分析、评估和管控[8]，将风险降低到可接受程度。风险管理在卫星研制整个项目全生命周期内连续、反复迭代。资源一号02D卫星结合“一步正样”研制特点，按方案、正样2个研制阶段，从技术方案、产品状态入手，深入识别分析技术风险项目，将识别出的风险项目纳入研制技术流程和产保流程进行管控，通过全面开展设计、生产、测试、试验、AIT、发射场风险控制工作，确保卫星全过程技术风险可控，达到了卫星发射场零缺陷、发射成功、在轨稳定运行的预期效果。