● 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)在空間任務中的發(fā)展與應用

● 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)品逐漸無法適應上述變化，使得在空間任務中發(fā)展與應用商用現(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)研究與應用實踐，積累了豐富經(jīng)驗，值得其他航天國家學習與借鑒。

一、引言

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?；裟犴f爾和洛馬兩大廠商生產(chǎn)宇航級電子元器件。這導致的結(jié)果是，航天器廣泛應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)在空間任務中的發(fā)展與應用進程。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，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。

二、國外商用現(xiàn)貨技術(shù)發(fā)展與應用

自COTS技術(shù)在空間領(lǐng)域應用之初起，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)務應用

（1）早期以探索試驗為主，重點關(guān)注COTS器件空間環(huán)境適應性

20世紀90年代，美國政府研究機構(gòu)和大學率先開展了COTS技術(shù)研究和應用，重點探索驗證COTS器件對空間環(huán)境的適應性。

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)中的應用。NASA在發(fā)現(xiàn)宇航級器件性能無法滿足日益復雜的空間科學任務需求后，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。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未來空間任務采用新型電子器件的風險。NASA于2002年2月發(fā)布了空間任務使用商用塑封器件的白皮書，指出：倘若對特定應用的器件在熱、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·霍普金斯大學應用物理實驗室（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、華盛頓大學和維吉尼亞理工學院聯(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)務應用，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)完成了從任務下達到獲得處理后數(shù)據(jù)的完整任務流程。

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。”實際上，Skybox公司自成立之初便具備了應用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，英國薩瑞大學基于COTS技術(shù)研制并發(fā)射了5顆薩瑞大學衛(wèi)星（UoSAT），開啟了歐洲COTS技術(shù)空間應用的序幕。

歐洲對COTS技術(shù)的研究和應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，英國薩瑞大學對UoSAT采用的COTS芯片進行觀測，分析空間輻射效應問題；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、光學等技術(shù)，在COTS技術(shù)研究和應用方面成績顯著，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COTS器件的空間應用（見圖4）。

圖4 日本SERVIS任務構(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)射任務驗證衛(wèi)星（MDS），對經(jīng)地面試驗的民用半導體元器件、太陽電池、半導體數(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，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)成功應用到空間任務中，需要重點解決以下幾個方面的問題:

（1）COTS技術(shù)適應性

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)品以市場需求為導向，以取得最大商業(yè)利益為最終目標。這導致同一產(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)在應用到空間任務時，必須有一套科學可行的管理辦法。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，以增強其應用功能和適應能力。

三、商用現(xiàn)貨技術(shù)優(yōu)勢與存在的問題

COTS技術(shù)在空間領(lǐng)域的應用有著良好的前景。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用于空間