航天型号全国产化控制系统研制实践

王晓东 /中国运载火箭技术研究院

叶绍凯、刘江、禹春梅 /北京航天自动控制研究所

国防科技是国防力量的重要支撑，服务于国家的战略安全需求。作为国防科技工业技术密集型的典型代表，航天科技工业主要承担空间飞行器、航天运输系统、空间装备与基础设施、导弹武器装备的研制和生产任务。航天产业是强国竞争的战略产业，其自主可控水平是衡量一个国家综合国力的重要标志，航天科技工业的发展、航天产业的健全、航天产品的研制必须坚定走自主可控的发展路线。因此，2008 年我国启动了以某型号研制为代表的航天型号国产化研制序幕，推进航天型号的自主可控发展。

一、现状与差距

图1 航天型号控制系统组成与产品生态关系

控制系统是航天型号的神经中枢，是航天型号至关重要的组成部分，所以要实现航天技术自主可控，控制系统的国产化首当其冲。航天型号控制系统一般由飞行控制系统和地面测发控系统2 个部分组成。以飞行控制系统为例，一般由敏感器、控制器、执行器和算法软件组成，其组成与产品生态关系如图1 所示。

航天型号控制系统由复杂多样的系统应用软件与电气设备组成，元器件、数字集成电路、模拟集成电路、计算机主板、网络交换、总线应用及测试、图形界面软件、操作系统、IDE 集成开发环境是航天型号研制的重要通用基础。尤其是核心电子元器件、基础软件和高端通用芯片等，其自主可控的程度体现了航天科技工业发展水平和一个国家的综合科技实力。美国特别重视元器件及基础软件技术的自主研发，数十年来一直处于世界最前沿。欧洲宇航工业走的是区域合作的道路，能够充分应用各成员国的航天元器件资源，其自主可控能力很强。

我国元器件总体水平较低，尤其是2008 年前后，国产元器件品种较少，航天用关键元器件，如通用处理器及其配套芯片组、高性能A/D 、DA 等主要依赖进口，已使用的国产元器件也经常出现质量问题。软件方面，控制系统各配套单位可以实现交付的应用软件完全自主，但安全关键等级A 级的软件开发环境仍然采用的是国外商用产品，存在软件基础平台技术不透明和未知安全隐患等问题。从整个控制系统配套产品生态看，我国航天型号控制系统自主可控的难点主要集中在基础层，表现在2 个方面：一是高端国产通用芯片、核心电子元器件品种少且成熟度不高；二是基础软件，如软件集成开发环境、操作系统、数据处理平台等奇缺，完全依靠进口。

二、解决方案

针对航天型号控制系统自主可控的难点（高端核心器件、基础软件），主要从技术和管理2个方面推进控制系统国产化配套产品生态建设，以有限的国产化生态资源实现复杂的航天型号控制系统功能。

1.技术方面

一是进行系统顶层优化设计。采用“自顶向下+自底向上” 双向迭代的系统设计方法，把控设计源头，从系统顶层优化设计出发——自顶向下梳理出系统各产品的共性功能需求，进行适当的电路定制开发，自底向上基于现有国产元器件货架开展选用分析，不断寻找系统优化设计的平衡点，抓住核心关键，将国产器件的研制能力与既有国产器件货架资源有效整合，可以有效实现控制系统国产化设计，并不断提升自主可控的研制能力。

二是借力“核高基”成果及开源资源。基础软件开发技术难度大，研制周期长，国际主流基础软件市场大部分份额已被美国、欧洲霸占，且处理器厂商和操作系统厂商联手，形成了垄断的全球基础软硬件生态系统，如微软公司和Intel 公司的WinTel 生态系统。我国在“十一五” “十二五” 期间，通过“核高基” 项目牵引，已经形成了部分基础软件，在此基础上可以借助开源社区资源，先全面掌握操作系统、软件开发环境等部分关键基础软件的设计技术，再定制开发出适应国产化控制系统研制的自主产品，实现弯道超车，以降低基础软件对国外的依赖。

航天型号从过去的跟踪仿制发展到今天的自主可控是由其内在发展规律驱动前行的，过去在计划体制下形成了一套研制体系，在新形势下需要建立更顶层的组织机构进行统一领导，充分调动市场资源，加大自主可控发展战略研究，制定自主可控建设路线图，鼓励和引导优势市场资源进行自主可控发展。同时，各级参研组织在统一的质量管理体系下必须强有力地推动落实，加强资源的保障、监管，并形成一整套完善的管理规范。

三是强化国产化应用验证。应用验证是国产化产品走向工程化应用的关键环节，通过应用验证，及早发现国产元器件、基础软件、系统单机产品在控制系统应用中存在的问题，并及时进行故障分析和改进，不断提高国产化产品的工程应用成熟度。国产化设计应用验证一般包括芯片级应用验证、板级应用验证、整机级应用验证和系统级应用验证4个层次。

2.管理方面

一是建立强有力的管理体系。航天型号从过去的跟踪仿制发展到今天的自主可控是由其内在发展规律驱动前行的，过去在计划体制下形成了一套研制体系，在新形势下需要建立更顶层的组织机构进行统一领导，充分调动市场资源，加大自主可控发展战略研究，制定自主可控建设路线图，鼓励和引导优势市场资源进行自主可控发展。同时，各级参研组织在统一的质量管理体系下必须强有力地推动落实，加强资源的保障、监管，并形成一整套完善的管理规范。

二是探索国产化产业生态建设。

控制系统针对国产器件种类和数量双高占比的要求，以型号研制牵引为抓手，微处理器、SoC、FPGA研制为核心，同时构建一整套软件应用环境来支撑，开展了数十项新品元器件的研制，初步构建了器件级、单机产品级、系统级的产业生态，特别是SoC 及外围电路的成功研制及应用，同步牵引管壳封装、元器件、数字集成电路、模拟集成电路、计算机主板、网络交换、总线应用及测试、图形界面软件、操作系统、IDE集成开发环境等领域数十家高科技公司、科研院所发展，带动了整个航天自主可控产业的发展，进而推动国产化产业生态建设。

三是压缩品种、重点突破。

以控制系统专业发展的需求为导向，系统梳理出航天型号的研制短线，同时兼顾未来5～10年的使用需求，牵引国内元器件研发优势资源，压缩品种、重点突破，降低产品成熟度带来的风险，优化多维度选型指标体系，做好需求统筹，使各航天产品的需求最小化，同时引领各个参研单位共同得到技术进步。某航天型号控制系统最终确定了元器件新品研制项目20 余项、“核高基” 项目SoC 项目3 项，牵引了多项进口元器件国产化替代项目及多项可靠性增长项目。

四是构建新型供应商管理体系。为了确保控制系统国产化设计可靠落地，不断强化供应商管理，严格质量管控。通过系统使用方和核心器件研制方共同确定产品规范的方法，制定顶层质量管理文件，重新调整供应商关系。针对航天型号多品种、小批量、高可靠的特点，加强用户对最终产品在研制过程的参与度，提前识别元器件研制的风险，对质量问题多发的参研单位进行专项治理，对重大核心器件如SoC 的研制采用竞争择优，确保产品可靠性和关键计划节点满足航天型号需求，构建新兴供应商管理体系。

五是推动航天产品工程建设。

在实践中不断总结、积累经验，加强标准体系建设，对研发、选用过程进行标准化、规范化建设，包括芯片研制、基础软件和系统/产品研制多个方面。在芯片研制方面，结合应用验证过程中暴露的问题，修订、完善、补充相关元器件标准，包括设计规范、产品规范、生产规范、测试规范、试验规范、产品手册及芯片应用指南等；对于SoC核心器件，构建了相应的航天用元器件标准体系。在系统及产品研制方面，重点加强国产元器件选用、系统/产品设计、应用验证等经验的梳理和总结，形成了相应标准规范。

三、应用实践

以2008 年某航天项目控制系统研制为例，用户对控制系统国产化率提出了很高的要求，且系统性能指标要求相对于传统型号大幅提升。由于是国家重大工程，所以项目的国产化研制过程获得了国家及下属各级单位的高度关注和关照，为项目的推进提供了有力的资源保障、经费保障及严格的研制过程监督，最终旗开得胜，硕果累累。

1.技术成果

系统方案设计过程中，通过反复多次的系统需求梳理、国内元器件应用基础调研，将系统顶层优化设计与现有国产元器件选用分析相结合，最终确立了以某RISC 架构为核心的SoC 技术，进行控制系统集成化、国产化整体解决方案设计，支撑用户对于系统性能和国产化率的要求。最终形成2 款SoC，分别面向飞行控制和飞行测试应用场景。该项目的元器件种类相对于传统项目减少了50%以上，且获得了显著的系统性能提升（见图2）。最终使得该项目飞行控制系统电气设备核心器件100%实现国产化，有效提高了我国航天型号的自主保障能力。

研制过程中，核心电子器件与型号研制同时开展，产品成熟度不高导致的设计反复严重影响了项目研制计划。但用户、控制系统和芯片研制单位不畏艰难、同舟共济、集智攻关，不断探索SoC 应用验证方法。通过项目纵向牵引和用户横向课题支撑，不断强化应用验证，构建了全维度、全流程应用验证体系，有效提升了系统国产化设计的可靠性。

在基础软件方面，借助国家“核高基” 项目成果及开源社区资源进行定制开发，初步构建出支撑国产核心器件应用的自主基础软件生态，形成了软件开发环境、操作系统、数据平台等一系列基础软件。

2.管理成果

图2 某项目控制计算机采用SoC技术前后对比

图3 管理创新打破传统分工模式

一是建立跨专业、跨领域、跨单位的协同研制模式。控制系统采用基于SoC 的国产化设计方案，促进了管理创新，打破了传统的航天型号研制分工模式（见图3）。在基于SoC 技术的型号研制过程中，坚持系统单位抓总与芯片单位专业优势相结合，建立了系统研制单位、芯片研制单位、基础软件研制单位优势互补、协同设计的研制模式。

将SoC 研制、应用所需的所有专业领域的人员（包括系统总体单位、单机配套单位、芯片设计单位、基础软件设计单位等）集中协同工作，最大程度提高研发效率，实现了系统与芯片、基础软件的研制高度结合，构建了全新的协同研制流程。

二是初步建立国产化产品生态。通过系统牵引，在芯片研制单位、基础软件研制单位、整机配套单位间架起桥梁，有效推进了国产化应用生态的构建和快速发展，形成了基于核心关键器件、软件开发环境、国产“战星” 操作系统、图形界面、军用大数据系统等为代表的、可供借鉴的一整套控制系统国产化解决方案。

图4 航天用SoC标准体系框架

三是初步建立自主可控产品体系。建立元器件保障队伍，立足于控制系统当前及未来发展需求，强化选用控制和优化统型，建立控制系统元器件选用目录，严格质量控制；建立产品化研制队伍，推进构建自主可控产品体系，将该项目研制形成的一系列控制系统核心产品上货架，推进产品驱动战略，有效支撑了多个国家重大项目快速研制和自主可控。

四是建立健全相关标准体系。

完成国产化工程应用经验总结，构建了航天SoC IP 核库，固化SoC 研发过程中取得的成果；建立军用SoC 的规范，促进产业化发展，形成以航天SoC IP 核库为基础的SoC 研发流程及SoC应用和质量管理体系框架。在现有的电子元器件标准体系外，补充建立了航天用SoC 标准体系框架(见图4)，包括详细规范、测试方法、应用指南、设计控制、应用验证等多个方面。

四、后续建议

实现航天型号控制系统的全国产化设计，关键是要有来自国家层面的强有力支撑、保障和监督，要有决心和恒心。具体实施上，重点突破核心关键元器件、基础软件的核心自主，并建立完整的自主产品生态体系。

关键元器件方面，需要丰富高端元器件品种，全面支撑各航天型号的应用，如开展AI 芯片、导引头图像处理电路等新型超大规模集成电路的研制；同时，应该加强元器件最新制造工艺技术的掌控，只有掌握了最先进的制造工艺，才能不受制于人，并实现可持续发展。

基础软件方面，目前仿真测试软件、硬件开发软件、专用集成开发软件等工具平台类软件大多依赖进口产品，且研制难度极大，是控制系统软件领域实现自主可控的夜明珠。后续，还要全面建成、建好国产化产品生态，扩大应用群体，通过不断的应用验证，持续提升国产器件的成熟度和可靠性，从而降低芯片成本、系统成本。控制系统国产化只是第一步，还需进一步推进面向整个航天器箭上、地面电气系统的全国产化设计，实现全面自主可控。

近年来，党中央关于航天型号自主可控发展作出一系列重要批示和指示，要求在已有成绩的基础上强力破解当前受制于人的被动局面，加快实现核心技术自主可控，航天工业部门已经全面掀起自主可控的发展热潮，相信航天工业系统在不久的将来将实现全面自主可控发展，为我国实现强军强国的发展战略奠定基础。▲