商业航天的系统工程方法初探 | 产业观察
一
引言
随着人类在科学技术、社会、政治、军事和经济等各个方向的组织越来越复杂，出现了很多综合性很高的相互联系和相互制约的系统，而它们又是一个更大的系统的组成部分。系统工程就是组织管理这种系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的方法。钱学森同志在回国初期即指导航天科研工作者运用系统工程的观点与方法，树立总体概念、制定研制程序图、建立两条指挥线和强化总体设计等等。
传统航天工程的大系统是一个由不同功能而又相互联系、相互制约的多个系统组成的庞大而复杂的系统，每个系统又有若干分系统组成，涉及到众多单位和多种专业工程。研制这样的大系统往往有如下特点或约束因素：
1）要科技、政治、军事和经济等诸多问题统筹考虑；
2）要全国不同地方、不同领域、不同行业的几百甚至上千家部门和单位支持参与；
3）研制周期长，从概念研究、方案论证、关键技术攻关、地面验证、飞行验证、初步设计、正样设计，要长达数年之久；
4）对质量要求很严苛，强调“质量就是生命”和“零缺陷”等观念。
从2014年11月国务院60号文件出台以来，明确鼓励和引导民间资本参与到商业遥感卫星的设计、研制、发射与运营，时至今日国内已有数十家民营商业航天公司成立并运营，包含卫星制造、火箭制造、卫星测控和卫星运营等领域。两大航天集团内部和中科院系统也纷纷成立了商业航天公司，比如四维商遥公司、长光卫星公司、科工火箭公司等。商业航天与传统航天有着显著的不同点，本文主要分析研究商业航天的特点，初步探讨采取什么样的系统工程方法更有利于商业航天范畴内的工程实施与运营。
二
商业航天的特点分析
1、商业航天概念
本文定义的商业航天是商业公司以服务市场需求为手段并最大可能地赢取市场利润为目标的航天实践活动。这个定义适用于卫星制造、火箭制造、卫星运营和卫星测控等公司，也适用于为这些公司提供产品或服务配套的其它商业公司。
以低轨宽带星座运营公司为例，它首先要是一家商业公司，通过提供全球范围内的宽带服务和各种增值服务，获取最大商业利润。该公司需要具备足够的资本，自行研制或购买卫星、火箭和测控服务等；该公司运营星座并提供商业服务，在卫星寿命末期到来之前，从各类用户市场上拿到足够的资金，覆盖之前的投入，还有能力回报投资人。
2、商业航天目的
在市场经济比较发达的欧美国家，商业航天是一个相对普遍的现象，很多航天公司都是商业航天公司。我国之前长期处在计划经济氛围中，尤其是包含航天在内的国防军工领域，一般航天任务都由指定的军工国企承担。
但是随着我国市场经济的日趋成熟和武器装备采购制度的改革，近年来逐步在放开国防装备领域的准入门槛，尤其是2017年军民融合战略的相关文件出台，明确了“寓军于民”的大战略。非军工类的国企和各类民营企业以前不允许现在均可以参与到航天相关的任务中来，将逐步取消“军口”与“民口”的界限。商业航天公司作为商业公司，它的产品或服务，可以销售给政府和军队，也可以销售给其它商业公司、研究所或国企，甚至是广大民众。
鼓励更多商业航天公司的设立，对政府而言可以有更多的选择，还可以提高装备或服务的经费使用效率；对军工国企而言，可以提高自身技术水平参与到广泛竞争中，也是一次改革自身体制机制为国家做出更大贡献的机会；对商业航天公司自身来说，在充分市场化的机制下，才有可能代表中国参与到国际航天大舞台的竞争中；对民众来说，会享受到国家在航天领域的多年投入带来的“红利”，会深刻感受到“卫星不再遥远”。
3、商业航天特点
按照商业航天的定义，实施商业航天的主体必须是商业公司，无论是国企还是民企。一般国企还有其它的业务，但可以成立子公司专门从事商业航天活动。
商业航天只需要考虑技术与经济，不需要考虑复杂的政治、军事和外交等问题。当然遵纪守法是底线的，还要遵守频率与轨道申报等国际规则。
相对于传统航天活动动辄几百甚至上千家部门和单位支持参与，商业航天活动通常由一家商业公司主导，相关配套产品或服务可以直接采购。
商业航天存在商业竞争，研制周期必须要短，从开始做，到打卫星，甚至不能超过半年的时间。
商业航天对星座系统的服务质量要求更高，但允许单星失败，星座的冗余会带来单星可靠性要求的降低，从而带来星座成本的下降。
商业航天必须是天地一体化综合考虑的系统，成本分摊到每个系统要统筹考虑，星座系统的运行维护要统筹考虑，用户终端与卫星载荷要统筹考虑。
因此，商业航天的这些特点决定了它有不同于传统航天的系统工程方法论。
4、商业航天组织模式
商业航天也是航天，传统航天的高技术复杂度、高风险和高成本，与其它行业相比商业航天也都具有。如何组织一个公司开展商业航天降低这“三高”就是一个非常重要的问题。
一般有三种模式：1）中央国企全资子公司模式；2）全民营模式；3）地方国企与民间资本混合模式。
第一种模式优点是具有大量的航天技术人才、长期技术积累和配套资源积累，缺点是机制不灵活、技术陈旧、管理缺乏创新。需要在管理机制上做大的调整，比如核心骨干持股、选择职业经理人、招聘新的技术人员等。
第二种模式优点是体制可以特别灵活，缺点是缺少资金和核心技术人员。对这类企业来说，“活下来”、维持必要的技术团队是首先要解决的问题，，如果缺乏资金，就无法吸引足够的技术人才。或者创业团队本身就是由核心技术骨干组成，只需要确保解决资金问题，可以通过项目计划的完善进行社会融资。
第三种模式优点是有技术人才和有体制创新的可能性，缺点是国企母公司决策周期长。应减少国企在混合公司的股份比例，尽可能避免或减少国企对新公司的行政干预。
三
商业航天系统工程方法
我们从工程实施的组织架构、管理流程和技术流程来探讨商业航天的系统工程方法。
1、商业航天的组织架构
传统航天工程采用矩阵式结构：型号一条线、行政一条线；并且型号实施采用两总模式：总指挥与总设计师。矩阵结构的优点是型号项目的立项与完成不影响单位的组织架构，项目成员是临时抽调来自各个部门的人员，组织关系依然在原部门。两总模式的优点是保证计划/经费和设计/质量相对独立，但目前很多型号已经两者合一，即总指挥与总师由同一人担任。
传统航天这种方式也存在天然的缺点，尤其不适合商业航天。矩阵结构会导致基层设计师为型号项目干活，但由行政处室进行考核，虽然每月或每周写工作汇报交给处室，但处室领导并不在型号项目中，无法给出客观公正的考核。两总模式会导致总指挥与总设计师之间因进度与设计质量而产生矛盾，一般指挥线相对强势，最终往往导致产品质量无法保证，这也是很多传统航天型号开始实施两者合一的原因。
图1商业航天公司的组织架构示意图
商业航天存在人力成本核算问题，要用尽可能少的人完成尽可能多的任务，因此还要采用扁平化组织架构模式，尽可能减少中间传话筒角色的人员数量。
图1给出了一种建议的商业航天组织架构，该组织架构中公司管理层即是各个项目的负责人，除了必要的财务、人力、综合办等综合管理层外，没有其它中间层，全部是项目制，对于复杂的项目还可以分解成几个子项目。每个项目或子项目的成员接受来自项目或子项目负责人的任务要求并对其唯一负责，项目或子项目负责人对其项目内的成员进行考核。子项目负责人由项目负责人挑选，并对其唯一负责子项目完成情况，子项目负责人接受项目负责人的考核。项目负责人一般由副总经理直接承担或总经理指定的人员承担。特殊情况，项目负责人也可以由总经理直接承担。
综合管理部门全部为服务部门，对每个项目进行保障并对总经理负责，综合管理部门接受总经理与项目负责人的双重考核。
2、商业航天的管理流程
管理是以人为中心通过计划、组织、指挥、协调、控制及创新等手段，对组织所拥有的人力、物力、财力、信息等资源进行有效的决策、计划、组织、领导、控制，以期高效达到组织目标的过程。
航天项目管理的目标是通过实施一系列过程确保项目的顺利完成，以满足技术、成本、进度和性能等方面的要求，通过计划、组织、进展评估、结果评价及改进措施的采纳实施提供项目执行全过程的框架。
图2是商业航天的项目管理流程，这里人员、成本和需求满足性是项目管理的核心，也是管理需要迭代的地方。
商业航天项目管理要素：1）计划管理；2）技术状态管理；3）成本管理；4）产品保证管理；5）风险管理；6）物资保障管理；7）文件管理；8）人力资源管理。这与传统航天没有本质区别。针对每一个管理要素，要采用信息化手段做到高效、实时与准确，不同的管理要素之间不能割裂开、要强相关，这里我们强调采取先进的信息化管理工具。
图2 商业航天项目管理流程
对商业航天而言，产品质量或系统服务质量比传统航天的要求要高，主要是商业公司难以承受巨额的经济损失。但质量的高要求不能简单依赖于备份等手段带来的产品可靠性的提高，要通过创新设计与创新管理实现，否则成本难以控制。
管理犹如治水，疏堵结合、顺应规律而已。所以，管理就是合理地疏与堵的思维与行为。商业航天的成功要极大依赖于对商业航天规律的认识和管理的创新。
3、商业航天的技术流程
商业航天从技术上来源于传统航天，因此其技术流程也来源于传统航天的技术流程。但又由于商业航天具有低成本、周期短等特点，具体的技术流程又有所区别。
以卫星研制为例，传统航天的技术流程有：背景型号预研阶段方案阶段工作、关键技术攻关工作，型号立项后的需求分析工作、方案阶段工作、关键技术攻关阶段工作、初样阶段工作（含电性星、热控星和结构星以及鉴定件研制）、试验卫星阶段工作（可选）、正样阶段工作等。
图3 商业卫星研制技术流程图
图3给出了商业卫星的研制技术流程，其中M表示主线，A表示辅线。看上去，商业卫星的研制技术流程仅相当于传统卫星正样阶段。但事实并非如此，图中的卫星设计工作与传统航天大大不同，计划、设计、开发与测试均在此处，且要多次迭代确保设计的正确性。这里强调仿真设计验证的重要性，不投入硬件成本。
图4给出了设计阶段仿真验证的V模型，由顶级需求分解成若干次级需求，再由次级需求继续分解成若干再次级需求；模块设计和系统集成后，逐步集成验证各级需求，最终进行综合需求的验证；依据综合集成以后是否满足综合需求，再多次迭代。
图4设计验证V模型
但是美国太空探索公司强调顶级需求和关键设计，他们在第一轮迭代中仅考虑核心需求是否通过关键设计参数调整被满足了，否则调整参数直到核心需求被满足。等核心需求被满足和验证后，再逐步迭代实现次级需求和再次级需求。
我国商业航天发展还处在初期，商业航天设计阶段的仿真验证模式还需要进一步研究，软件和系统上均要参考基于模型的设计。
传统卫星研制技术流程往往需要3年甚至10年时间，显然商业航天要尽可能快地抢占市场，一旦看中目标市场就需要快速实施，从确定项目到卫星上天可能只有1年甚至半年时间。
四
小结
商业航天对先进技术的需求、先进软件工具的需求和先进管理理念的需求都是更高的，国内对如何开展商业航天活动，无论是国企和民企都值得投入更多精力认真研究。
本文初步探讨了商业航天的特点、管理流程与技术流程，希望能起到抛砖引玉之作用，引起更多的研究和实践，促进中国商业航天的发展与繁荣。