宇航产品集成开发模式与方法

**章概论 　　**章概论 　　产品，是指一组将输入转化为输出的相互关联或相互作用活动的结果，关联着企业开发和生产以及用户选购和消费。因此，产品的本质涵盖了开发、生产、应用等全周期环节。宇航产品是指宇航系统（如航天器系统）中通过开发、研制和生产过程形成的硬件/软件，按照组成的复杂程度分为系统、分系统和单机三个层次［1］。 　　1.1宇航产品简述 　　1.1.1航天器系统及其特点 　　航天器是按照天体力学的规律在太空中运行，作为开展太空探索、开发和在特殊的宇宙空间环境中执行特定任务的飞行器。 　　1. 航天器分类 　　航天器包括卫星、深空探测器、空间站和飞船。 　　卫星又称人造地球卫星，是目前数量*多的航天器，占航天器总数90%以上。卫星按照用途可以分为应用卫星、科学卫星和技术试验卫星。应用卫星是直接为国民经济或军事服务的卫星，如通信卫星、侦察卫星、气象卫星、导航卫星等。科学卫星主要用于科学探测和研究。 　　深空探测器是脱离地球引力场、对地球以外的天体开展空间探测活动的航天器，按照对象可以分为月球探测器、行星和行星际探测器等。例如，2020年7月，我国首*自主火星探测器“天问一号”在文昌航天发射场升空，并于2021年5月成功着陆于火星乌托邦平原。 　　空间站又称太空站，作为大型载人航天器，在地球近地轨道长时间运行，可供多名航天员巡访、长期工作和生活。飞船是一种运送航天员、货物到达太空并安全返回的航天器，按照用途可以分为载人飞船和货运飞船。中国空间站是一个多模块在轨组装的空间实验平台，是规模较大、长期有人参与的国家*太空实验室，可支持航天员长期在轨生活和工作。在轨运行期间，由载人飞船往返运送航天员，完成航天员乘组轮换，由货运飞船完成物资补给和废弃物下行。 　　2. 航天器组成 　　航天器由不同功能的若干分系统组成。以人造地球卫星为例，一般由有效载荷（专用系统）和平台（保障系统）两大部分组成。其中，有效载荷是航天器上直接完成特定任务的仪器、设备等；平台是支持有效载荷工作的组合体，为有效载荷的正常工作提供控制、支持和保障等服务［2］。 　　航天器根据任务不同需安装不同的有效载荷，例如，天文卫星安装天文望远镜、光谱仪和粒子探测器等有效载荷，侦察卫星安装可见光或红外相机、合成孔径雷达、微波装置等有效载荷，通信卫星安装大量的转发器和通信天线等有效载荷。 　　平台是由保障系统组成、可支持有效载荷的组合体。航天器平台一般包括结构与机构分系统、热控分系统、数据管理分系统、测控分系统、控制分系统、推进分系统、供配电分系统等。其中，结构与机构分系统是用于支撑、固定仪器设备，使它们构成一个整体，以承受地面运输、发射和在轨应用时的各种力学工况和空间环境，保证航天器完成各种功能的分系统；热控分系统是用于控制航天器内部环境与外部环境之间的热交换过程，使航天器上装载的仪器设备和功能部件的温度处于允许的温度范围内的分系统；数据管理分系统是用于存储各种程序，采集处理航天器上各分系统数据，协调管理航天器各分系统工作的分系统；测控分系统是执行航天器遥测、遥控、跟踪和测轨功能的分系统；控制分系统是航天器在轨运行姿态控制和轨道控制的分系统；推进分系统是按照火箭推进原理，同控制分系统协同完成姿态控制和轨道控制功能的分系统；供配电分系统是产生、存储、变换、配置电能的分系统。 　　3. 航天器特点 　　航天器要被发射到地球大气层之外进行航行活动，需要处于苛刻的运行环境中正常工作几年甚至十几年，有的航天器还要返回地球或在其他天体上着陆；同时，航天器研制涉及众多的技术、复杂的过程、众多的参研单位，航天器高质量、高可靠的任务要求与小子样、一次成功的研制特点形成了鲜明的对比。综上所述，航天器具有以下特点。 　　（1） 应用环境恶劣。航天器首先要经历发射过程中运载器（例如火箭）恶劣振动环境的考验。在轨运行期间，航天器长期处于高真空、高辐射、温度冷热频繁交变的空间环境中，真空、太阳电磁辐射、高能粒子辐射、等离子体、大气和磁场等复杂并且难以预测的空间环境给航天器的稳定运行带来了极大的风险。 　　（2） 工程复杂度高。航天器研制涵盖了众多基础学科，在研制中应用了大量工程技术和方法，高度融合各种专业和技术，包括力学、热力学、材料学、电子技术、自动控制技术、计算机技术、喷气推进技术和制造工艺技术等，同时众多企业广泛的协作对工程管理提出了很高的要求。这些因素大大增加了航天器研制的复杂程度。 　　（3） 可靠性要求高。在地面，不论是作为战争利器的飞机、舰船，还是出现在百姓之家的汽车、家用电器，如果出现故障，都可以进行维护、维修或者更换。但是，航天器一旦发射入轨后，需要在近乎无维护支持的情况下，以自主运行模式完成任务，并达到高性能、高质量和高可靠性要求。航天器一旦出现在轨故障，除空间站、载人飞船等少数航天器以外，一般不能进行在轨直接维修。同时，航天器的寿命需求不断提升，由原来的数个月提高到十几年甚至更高，航天器一旦出现故障不仅会造成经济上的巨大损失，在政治和军事上也将带来不良影响，因此，航天器*重要的要求是“安全可靠”。 　　1.1.2宇航单机产品及其特点 　　宇航单机产品一般是指能完成规定的功能，同时在被分解和再组装后能保持其功能的设备，或具有独立功能、完整结构和明确机、电、热等接口的构成分系统的产品［3］。 　　以航天器控制分系统和推进分系统为例。控制分系统涉及的宇航单机产品包含机电类、光电类和电子类产品，其中，机电类产品有飞轮、陀螺、太阳帆板驱动机构、控制力矩陀螺等，光电类产品有星敏感器、地球敏感器、太阳敏感器等，电子类产品有控制计算机、驱动控制单元等。推进分系统涉及的产品有推力器、气瓶及贮箱等。图11为航天器控制分系统和推进分系统产品示意图。 　　图1-1航天器宇航单机产品示意图 　　作为航天器的主要组成部分及载荷，宇航单机产品同样具备应用环境恶劣、工程复杂度高、可靠性要求高的特点。此外，宇航单机产品还具有多品种小批量的特点。宇航任务需满足天基通信、导航、遥感、载人航天、深空探测、星表行走等多类型需求，宇航单机产品涉及测控、控制、动力推进、动量提供、逻辑处理等多种用途，使得宇航单机产品种类繁多；同时，宇航型号任务数量有限，而每个型号任务上配置的每种宇航单机产品的数量都不多，客观上具有小批量、小子样的特点。如卫星用星敏感器产品，为了满足不同任务要求，需要研制中等精度、高精度、甚高精度、超高精度等产品，还需针对特殊工况开发定制化产品，每种产品在卫星上的配置数量一般为2～4台，因此生产上难以形成规模化。 　　因此，宇航单机产品开发必须贯彻系统工程思想，在吸收国内外相关实践和研究成果的基础上，不断进行理论和方法创新，对宇航产品开发过程进行持续优化，满足小子样条件下产品高性能、高质量、高可靠性的要求，保证型号任务圆满成功，在轨稳定运行。 　　1.2产品开发模式简述 　　1.2.1常见的产品开发模式 　　随着宇航市场逐步开放以及商业航天的快速发展，用户需求逐渐呈现出多样性和探索性特征，宇航企业必须主动寻求突破以提升自身的应变能力。产品开发作为宇航企业核心的经营活动，更是当务之急。 　　目前，产品开发管理已经成为了一项专门、热门的研究领域，适应时代要求的开发模式不断涌现。常见的产品开发模式有集成产品开发（integrated product development， IPD）、门径管理系统（stagegate system， SGS）、产品价值管理（product value management， PVM）和能力成熟度模型集成（capability maturity model integration， CMMI）等［3］。 　　1. IPD 　　IPD思想来源于产品及周期优化法（product and cycletime excellence， PACE），由IBM在实践中创建。IBM在总结IPD时提出，通过市场重组、流程重组和产品重组“三大重组”实现对于产品开发模式的变革［4］。 　　（1） 市场重组： 将产品和技术的实现活动与市场活动有机结合，利用投资的理念和方法来管理产品的开发，实现投资和市场的共同成功。 　　（2） 流程重组： 将原来串行运作、跨部门协调困难的产品开发过程，通过组建跨部门团队和建立结构化并行协同流程，转变为协同、可控、高效的开发过程。 　　（3） 产品重组： 通过技术/平台规划和通用模块管理，实现技术、零组件、模块等产品纵向不同层次的异步开发，减弱各层次之间的依赖关系，实现技术、零组件、模块等在不同产品之间的重用与共享。 　　2. SGS 　　SGS由Robert G. Cooper于20世纪80年代创立，并应用于美国、欧洲、日本的企业，指导新产品开发。SGS是一种把新产品开发项目从概念推进到发布的操作模型，它将产品开发流程划分为一系列预先设定的阶段，每个阶段由一组预先计划的、跨职能的、并行的活动组成，并在通向每一阶段处设置关口，进行决策。 　　SGS重视寻求突破性的新产品构思和产品概念。认为一个良好的新产品创意将有助于企业获得更好的市场表现从而获得竞争优势，在新产品立项前开展仔细的分析和研究，把重心从具体的产品开发层面提升到产品价值层面。 　　SGS关注有效的入口决策和组合化管理。在产品开发的每个阶段都要设置关口进行决策，以杜绝没有价值的产品浪费。此外还需要进行多个产品的优先级排序，发挥企业资源的组合优势。 　　SGS强调投放市场前的营销工作。产品的价值*终通过市场营销来实现，因此从开发的*初阶段就应该考虑如何营销，在开发完成前完善营销方案。 　　SGS建议企业制定产品创新战略。对企业而言，持续的竞争力表现在不断推出成功的新产品，制定有远见的产品创新战略和产品规划将有助于每个新产品的开发和决策。 　　3. PVM 　　PVM的思想是基于盈利模式、D.Lehmann和Crawford的《产品管理》（Product Management）及SGS，于2002年创立的产品开发和管理模式，被许多全球知名品牌企业所采用。PVM详细说明了盈利模式及其设计方法，以顾客、需求和市场为焦点，以竞争和利润为导向，从企业愿景、战略落实到产品规划，围绕产品管理和产品生命周期轴线，规范新产品从概念到商业化的整个过程，强调基于商业模式的价值链和价值流分析，认为合理的战略与严密的评价程序是产品开发的可靠保证。 　　PVM的核心内容： 　　（1） PVM重视盈利模式和价值链分析，认为“成功基于优秀的组织，卓越源于非凡的盈利模式”，强调产品规划和产品管理，把重心从具体的产品开发层面提升到产品价值和战略层面； 　　（2） PVM认为需要有效的产品开发流程入口管理和决策评审，把产品开发流程和市场管理流程有机地融合在一起，以减少没有价值的产品浪费有限的企业资源。 　　（3） PVM突出产品需求分析、产品概念和营销组合的协调，以实现顾客价值，发挥企业资源的组合优势。 　　（4） PVM强调项目管理对于产品开发的核心作用，主张产品管理实行产品经理制。 　　（5） PVM关注技术开发平台建设、核心技术开发和成本价值工程，认为系统化的思维方式是改善开发绩效的正确途径。 　　（6） PVM认为企业就是经营核心竞争力，倡导研发策略联盟，企业间的竞争将转向产品管理的竞争。 　　4. CMMI 　　CMMI在软件能力成熟度模型（capability maturity model for software， CMM）的基础上发展而来［5，6］。CMMI是由美国卡内基梅隆大学软件工程研究所组织开发并推广实施的一种软件能力成熟度评估标准，主要用于指导软