● 文|北京空間科技信息研究所 張召才
市場分析 Market Analysis
國外商用現(xiàn)貨技術(shù)在空間任務(wù)中的發(fā)展與應(yīng)用
● 文|北京空間科技信息研究所 張召才
隨著微電子、微機械和新材料等技術(shù)的飛速發(fā)展以及空間任務(wù)對高性能、低成本、短研制周期需求的日益增強,現(xiàn)有宇航級技術(shù)和產(chǎn)品逐漸無法適應(yīng)上述變化,使得在空間任務(wù)中發(fā)展與應(yīng)用商用現(xiàn)貨(COTS)技術(shù)成為可能。美國、日本、歐洲等航天發(fā)達國家和地區(qū)率先開展了COTS技術(shù)研究與應(yīng)用實踐,積累了豐富經(jīng)驗,值得其他航天國家學(xué)習(xí)與借鑒。
COTS技術(shù)包括COTS標準、COTS產(chǎn)品及其在武器裝備或宇航系統(tǒng)上的應(yīng)用。美國國防部將COTS產(chǎn)品定義為市場上銷售的產(chǎn)品,并在制造商的產(chǎn)品目錄中以確定的價格出現(xiàn),而且可直接由制造商或通過制造商的銷售網(wǎng)提供給任何公司或個人使用。就航天領(lǐng)域常用到的電子元器件而言,COTS產(chǎn)品一般包括質(zhì)量等級為工業(yè)級和商業(yè)級的民用產(chǎn)品。
隨著微電子、微機械和新材料等技術(shù)的不斷發(fā)展,微電子產(chǎn)品在商業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛,商業(yè)領(lǐng)域?qū)ξ㈦娮赢a(chǎn)品的投資也越來越大,使得半導(dǎo)體工業(yè)的技術(shù)進步越來越集中于商用器件領(lǐng)域。而且,由于軍用和宇航級器件市場占比過低,元器件生產(chǎn)商不愿意放棄大額市場利潤而滿足利潤偏低的宇航市場需求,因此大幅減少了對抗輻射加固元器件的研發(fā)投入和生產(chǎn)。21世紀初,美國一度僅剩霍尼韋爾和洛馬兩大廠商生產(chǎn)宇航級電子元器件。這導(dǎo)致的結(jié)果是,航天器廣泛應(yīng)用的宇航級器件價格比COTS器件高數(shù)倍,而性能落后2~3代(見圖1)。
圖1 COTS器件與宇航級器件能力發(fā)展趨勢比對
近幾年小衛(wèi)星技術(shù)迅猛發(fā)展和大批量進入空間,增加了COTS技術(shù)在軌驗證機會,加速了COTS技術(shù)在空間任務(wù)中的發(fā)展與應(yīng)用進程。小衛(wèi)星設(shè)計的關(guān)鍵是低成本、高靈活、可重構(gòu)以及快速響應(yīng),使用COTS技術(shù)和開發(fā)工具可以更好地支撐該理念。通過大量采用COTS技術(shù),以及對COTS器件的抗輻射加固和產(chǎn)品保證,小衛(wèi)星的研制周期大幅度縮短、研制成本降低。
自COTS技術(shù)在空間領(lǐng)域應(yīng)用之初起,其低成本、高性能優(yōu)勢就廣受青睞,美國、歐洲、日本等相繼開展了COTS技術(shù)研究與應(yīng)用實踐,并取得大量成果。
1.美國COTS技術(shù)在軍民商衛(wèi)星領(lǐng)域同步發(fā)展,已實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用
(1)早期以探索試驗為主,重點關(guān)注COTS器件空間環(huán)境適應(yīng)性
20世紀90年代,美國政府研究機構(gòu)和大學(xué)率先開展了COTS技術(shù)研究和應(yīng)用,重點探索驗證COTS器件對空間環(huán)境的適應(yīng)性。
作為較早從事COTS技術(shù)研究的政府機構(gòu),NASA在20世紀90年代制定了一系列專項計劃推進COTS技術(shù)在空間系統(tǒng)中的應(yīng)用。NASA在發(fā)現(xiàn)宇航級器件性能無法滿足日益復(fù)雜的空間科學(xué)任務(wù)需求后,開始著手研究和驗證在空間探測中使用COTS器件來制造空間計算機的可行性。為此,NASA噴氣推進實驗室啟動了“遠程探索試驗”(REE)計劃,其目標是將商用超級計算技術(shù)引入空間任務(wù)。最終,REE計劃研制了一個由COTS微處理器和COTS通訊網(wǎng)絡(luò)硬件組成的原型系統(tǒng),并進行了多種驗證工作。
此外,NASA還推出了“NASA電子器件及封裝”(NEPP)計劃,研究器件和封裝技術(shù),其目標是評價新上市的商用器件、新型電子和光電子器件及封裝技術(shù)的可靠性和輻射敏感度,降低NASA未來空間任務(wù)采用新型電子器件的風(fēng)險。NASA于2002年2月發(fā)布了空間任務(wù)使用商用塑封器件的白皮書,指出:倘若對特定應(yīng)用的器件在熱、機械、輻照方面進行徹底評估,確認可以滿足任務(wù)需求的話,NASA哥達德航天中心(GSFC)允許在航天器中使用塑封微電子器件。目前,NASA已經(jīng)有多個項目應(yīng)用了商用塑封器件,包括日地關(guān)系觀測臺(STEREO)、伽馬射線大區(qū)域空間望遠鏡(GLAST)等。
大學(xué)歷來是美國航天技術(shù)創(chuàng)新的主要發(fā)源地之一,在COTS技術(shù)研究和發(fā)展中也起到重要推動作用。1992 年8月,約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室(JH/ APL)為弗雷加(Freja)衛(wèi)星開發(fā)了一個磁強計,其控制器采用了由JH/APL 設(shè)計并經(jīng)過防輻射處理的商用處理器;2000年,美國猶他州立大學(xué)、華盛頓大學(xué)和維吉尼亞理工學(xué)院聯(lián)合研制了美國空軍電離層觀測納衛(wèi)星-編隊(ION-F)小衛(wèi)星,對COTS器件防輻射問題進行了較全面的研究和設(shè)計;1999年,NASA發(fā)射了由斯坦福大學(xué)可靠計算中心參與研制的高級研究和全球觀測衛(wèi)星(ARGOS),目的是在軌測試并對比宇航級和COTS器件在可靠性方面的差別。經(jīng)過多年運行和試驗,ARGOS任務(wù)表明:對COTS器件使用容錯技術(shù)加固所實現(xiàn)的性能,可以比基于抗輻照器件的空間計算機高一個數(shù)量級,且成本比使用抗輻照器件的空間計算機要低一個數(shù)量級。
(2)現(xiàn)期聚焦發(fā)展業(yè)務(wù)應(yīng)用,在“好使夠用”基礎(chǔ)上大量引入COTS技術(shù)
美國國防部為改善“大空間”(Big Space)系統(tǒng)研制固有的“拖進度、漲成本、降能力”問題,滿足“軍事用天”需求,提出發(fā)展作戰(zhàn)響應(yīng)空間(ORS)能力。ORS計劃以“好使夠用”為基本理念,在空間系統(tǒng)和地面系統(tǒng)中引入了大量COTS技術(shù)。
基于ORS計劃對系統(tǒng)成本和研制周期的嚴格限制,美軍戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-2(TacSat-2)采用了基于航空COTS產(chǎn)品的天基通用數(shù)據(jù)鏈(Space CDL)系統(tǒng)。其原型為F-16戰(zhàn)斗機戰(zhàn)術(shù)航空偵察系統(tǒng)(TARS)的274Mbit/s寬帶CDL系統(tǒng),核心部件是微波調(diào)制解調(diào)器(MMA)。TacSat-2衛(wèi)星MMA由L3通信公司在其TARS MMA產(chǎn)品的基礎(chǔ)上研制而成。TARS MMA是為航空平臺研制的輕量化、模塊化數(shù)據(jù)鏈部件,尺寸為41.9cm×25.1cm×34.3cm,重量為26.3kg,支持BPSK、QPSK等模式,數(shù)據(jù)率最高可達到274Mbit/s(反向鏈路)和10.71Mbit/s(指令鏈路)。TacSat-2 MMA采用了與TARS MMA完全相同的板卡模塊、內(nèi)部底盤結(jié)構(gòu)和美國軍標連接件,僅對其進行了最低限度的修改(見圖2)。最終,通過天基CDL系統(tǒng),TacSat-2衛(wèi)星成功在90分鐘內(nèi)完成了從任務(wù)下達到獲得處理后數(shù)據(jù)的完整任務(wù)流程。
圖2 TacSat-2衛(wèi)星MMA部件(左)和TARS MMA部件(右)對比
美國商業(yè)對地觀測衛(wèi)星也廣泛采用COTS技術(shù),天空盒子(Skybox)、行星實驗室(Planet Labs)等新興初創(chuàng)公司是踐行主力。Skybox公司執(zhí)行副總裁兼首席技術(shù)官博肯斯托克(Berkenstock)表示:“我們尋找能買得到的最好、最可靠、性能最高的器件。SkySat所有的電路板都是基于COTS器件設(shè)計的?!睂嶋H上,Skybox公司自成立之初便具備了應(yīng)用COTS技術(shù)的“基因”。作為公司首席技術(shù)官的Berkenstock在參與創(chuàng)立Skybox公司之前,就曾以COTS器件為基礎(chǔ)設(shè)計研制了微型成像航天器(MISC)。MISC是3U立方體衛(wèi)星,能提供商業(yè)級對地觀測圖像。衛(wèi)星相機、姿態(tài)測量與控制系統(tǒng)(ADCS)、電源系統(tǒng)(EPS)、VHF/UHF收發(fā)機等均為COTS部件。
2.歐洲COTS技術(shù)研究以民用衛(wèi)星為主,英國發(fā)展最為突出
20世紀80年代,英國薩瑞大學(xué)基于COTS技術(shù)研制并發(fā)射了5顆薩瑞大學(xué)衛(wèi)星(UoSAT),開啟了歐洲COTS技術(shù)空間應(yīng)用的序幕。
歐洲對COTS技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中于民用衛(wèi)星項目,英國、法國、德國、荷蘭等均展開了在軌驗證項目。1991年,英國薩瑞大學(xué)對UoSAT采用的COTS芯片進行觀測,分析空間輻射效應(yīng)問題;1992年,法國空間研究中心(CNES)開始在衛(wèi)星上使用COTS微處理器和同步動態(tài)隨機處理器(SDRAM);1999年,薩瑞衛(wèi)星公司發(fā)射的UoSAT-12衛(wèi)星使用了以COTS技術(shù)為基礎(chǔ)的推進系統(tǒng)和GPS接收機,取得了大量關(guān)于COTS器件應(yīng)用的數(shù)據(jù),為研制基于COTS器件的星載計算機研制奠定了基礎(chǔ);1999年,薩瑞衛(wèi)星公司發(fā)射了完全由COTS技術(shù)和器件構(gòu)成的快照-1(SNAP-1)衛(wèi)星(見圖3);2008年,荷蘭代爾夫特大學(xué)發(fā)射了代爾夫特-C3 (Delfi-C3)衛(wèi)星,完成了商用藍牙和ZigBee技術(shù)作為星內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的演示驗證。
圖3 薩瑞公司SNAP-1衛(wèi)星使用的COTS器件
英國空間COTS技術(shù)研究和發(fā)展處于歐洲領(lǐng)先地位,薩瑞公司是其核心力量。薩瑞公司利用初期研制的幾顆小衛(wèi)星持續(xù)測量空間軌道環(huán)境,并逐步將經(jīng)地面驗證的先進器件進行在軌試驗,具備了豐富的基于COTS技術(shù)研制衛(wèi)星的能力,實現(xiàn)了低成本、高可靠、短研制周期的目標。目前,通過持續(xù)的研究積累,薩瑞公司已經(jīng)形成了全套的基于COTS技術(shù)的模塊化小衛(wèi)星產(chǎn)品,成為全球小衛(wèi)星研制領(lǐng)先力量。
ESA作為歐洲航天一體化組織,也在促進COTS技術(shù)研究與應(yīng)用發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。國際空間站采用了大量的COTS技術(shù),其中最典型的應(yīng)用是ESA研制的“標準化有效載荷計算機”(SPLC)。ESA為SPLC設(shè)計了一種可由有效載荷開發(fā)者擴展的開放式系統(tǒng)標準,提供了可由有效載荷開發(fā)者訂購的COTS器件采購清單。SPLC盡可能采用公開標準和COTS產(chǎn)品,比如采用工業(yè)標準底板總線、商用VxWorks內(nèi)核等,大大降低了開發(fā)成本。
3.日本頻繁發(fā)射專用技術(shù)驗證衛(wèi)星,構(gòu)建COTS“技術(shù)知識庫”
日本依托其堅實的工業(yè)基礎(chǔ)以及世界領(lǐng)先的電子、精密機械制造、光學(xué)等技術(shù),在COTS技術(shù)研究和應(yīng)用方面成績顯著,摸索出了兼顧效費比和高技術(shù)的航天發(fā)展之路。
1999年,日本啟動了“空間環(huán)境可靠性檢驗集成系統(tǒng)”(SERVIS)項目,目的是促進COTS技術(shù)在空間系統(tǒng)的應(yīng)用,增強日本空間產(chǎn)業(yè)在世界市場上的技術(shù)競爭力和成本競爭力。SERVIS項目一直持續(xù)到2010年,共研制了兩顆技術(shù)試驗衛(wèi)星。SERVIS-1衛(wèi)星于2003年10月發(fā)射,在其兩年的在軌工作時間內(nèi),星上所有有效載荷運行正常。根據(jù)事先制定的評判標準,SERVIS-1衛(wèi)星試驗結(jié)果滿足“特別成功標準”。SERVIS-2衛(wèi)星于2010年6月發(fā)射,沿承SERVIS-1衛(wèi)星平臺,并采用了SERVIS-1衛(wèi)星試驗過的3臺設(shè)備。SERVIS項目的最終輸出成果是一組經(jīng)過廣泛地面評估試驗和在軌驗證測試后獲得的文件,稱為“技術(shù)知識庫”,具體包括COTS數(shù)據(jù)庫、零件評估指南和設(shè)備設(shè)計指南,用于指導(dǎo)COTS器件的空間應(yīng)用(見圖4)。
圖4 日本SERVIS任務(wù)構(gòu)成要素
在SERVIS項目開展期間,日本還發(fā)射了多顆專用的COTS技術(shù)驗證衛(wèi)星,驗證經(jīng)大量地面試驗的COTS器件在空間系統(tǒng)的可用性。2002年2月發(fā)射任務(wù)驗證衛(wèi)星(MDS),對經(jīng)地面試驗的民用半導(dǎo)體元器件、太陽電池、半導(dǎo)體數(shù)據(jù)記錄儀、并行處理計算機、環(huán)境測量裝置等進行真實空間環(huán)境的飛行驗證;2002年9月發(fā)射幾乎完全用COTS器件研制的下一代無人空間試驗回收系統(tǒng)(USERS),重點驗證用COTS器件制造的星載計算機、星敏感器等在航天器上的應(yīng)用;2009年1月發(fā)射小型驗證衛(wèi)星-1(SDS-1),搭載驗證由輕型COTS器件制造的低成本星載部件,包括CMOS監(jiān)控相機、GPS接收機、磁強計和磁力矩器。系統(tǒng),目前已經(jīng)成為空間系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。
具體來講,COTS技術(shù)的優(yōu)勢在于:有成熟的標準、在產(chǎn)品開發(fā)早期易于得到所需的產(chǎn)品;采用通用的、開放的技術(shù)標準,兼容性好;技術(shù)先進,符合技術(shù)發(fā)展潮流;具有良好的技術(shù)支持,便于擴充和升級,產(chǎn)品更新?lián)Q代快;可以直接在商品貨架上采購,供貨渠道有保障;批量生產(chǎn)的COTS產(chǎn)品降低了系統(tǒng)成本,采購費用低廉;研制、生產(chǎn)周期短;產(chǎn)品維修和后勤保障較為方便,維修保障費用低;可得到所需的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境,且僅需有限的專門培訓(xùn),無須投入專項科研經(jīng)費等。
但是,COTS技術(shù)也有弊端,其在衛(wèi)星中應(yīng)用時普遍面臨空間輻射干擾問題,會降低衛(wèi)星可靠性和壽命。要使COTS技術(shù)成功應(yīng)用到空間任務(wù)中,需要重點解決以下幾個方面的問題:
(1)COTS技術(shù)適應(yīng)性
COTS產(chǎn)品有極其出色的性能,可以滿足空間系統(tǒng)的性能需求。但惡劣的太空環(huán)境對衛(wèi)星系統(tǒng)提出了苛刻的環(huán)境適應(yīng)性和物理特性適匹性要求,因此需要加強COTS技術(shù)在接口、加固、封裝、組裝、測試等方面的工作。
(2)COTS產(chǎn)品可變性
商用產(chǎn)品以市場需求為導(dǎo)向,以取得最大商業(yè)利益為最終目標。這導(dǎo)致同一產(chǎn)品的形式不斷變化,例如封裝形式、功耗需求等。因此COTS技術(shù)在應(yīng)用到空間任務(wù)時,必須有一套科學(xué)可行的管理辦法。如在器件采購時需批量采購和儲備COTS器件,有效保證各型號器件批次的一致性,減小批次更改引起的風(fēng)險,降低元器件保證的費用。
(3)COTS標準符合性
商用標準如接口標準或工具標準,若以嚴格符合的形式“移植”應(yīng)用到空間系統(tǒng)中,在很多情況下是行不通的。在使用COTS標準時,需要做必要的修改或偏移,以增強其應(yīng)用功能和適應(yīng)能力。
COTS技術(shù)在空間領(lǐng)域的應(yīng)用有著良好的前景。與宇航級技術(shù)相比,COTS技術(shù)在性能和價格上都存在比較大的優(yōu)勢,從商用器件中篩選出合適的器件并應(yīng)用于空間