國外商用現貨技術在空間任務中的發展與應用

● 文|北京空間科技信息研究所 張召才

市場分析 Market Analysis

國外商用現貨技術在空間任務中的發展與應用

● 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的飛速發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，現有宇航級技術和產品逐漸無法適應上述變化，使得在空間任務中發展與應用商用現貨（COTS）技術成為可能。美國、日本、歐洲等航天發達國家和地區率先開展了COTS技術研究與應用實踐，積累了豐富經驗，值得其他航天國家學習與借鑒。

一、引言

COTS技術包括COTS標準、COTS產品及其在武器裝備或宇航系統上的應用。美國國防部將COTS產品定義為市場上銷售的產品，并在制造商的產品目錄中以確定的價格出現，而且可直接由制造商或通過制造商的銷售網提供給任何公司或個人使用。就航天領域常用到的電子元器件而言，COTS產品一般包括質量等級為工業級和商業級的民用產品。

隨著微電子、微機械和新材料等技術的不斷發展，微電子產品在商業領域中的應用越來越廣泛，商業領域對微電子產品的投資也越來越大，使得半導體工業的技術進步越來越集中于商用器件領域。而且，由于軍用和宇航級器件市場占比過低，元器件生產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投入和生產。21世紀初，美國一度僅剩霍尼韋爾和洛馬兩大廠商生產宇航級電子元器件。這導致的結果是，航天器廣泛應用的宇航級器件價格比COTS器件高數倍，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展趨勢比對

近幾年小衛星技術迅猛發展和大批量進入空間，增加了COTS技術在軌驗證機會，加速了COTS技術在空間任務中的發展與應用進程。小衛星設計的關鍵是低成本、高靈活、可重構以及快速響應，使用COTS技術和開發工具可以更好地支撐該理念。通過大量采用COTS技術，以及對COTS器件的抗輻射加固和產品保證，小衛星的研制周期大幅度縮短、研制成本降低。

二、國外商用現貨技術發展與應用

自COTS技術在空間領域應用之初起，其低成本、高性能優勢就廣受青睞，美國、歐洲、日本等相繼開展了COTS技術研究與應用實踐，并取得大量成果。

1.美國COTS技術在軍民商衛星領域同步發展，已實現業務應用

（1）早期以探索試驗為主，重點關注COTS器件空間環境適應性

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

作為較早從事COTS技術研究的政府機構，NASA在20世紀90年代制定了一系列專項計劃推進COTS技術在空間系統中的應用。NASA在發現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通訊網絡硬件組成的原型系統，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，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已經有多個項目應用了商用塑封器件，包括日地關系觀測臺（STEREO）、伽馬射線大區域空間望遠鏡（GLAST）等。

大學歷來是美國航天技術創新的主要發源地之一，在COTS技術研究和發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）衛星開發了一個磁強計，其控制器采用了由JH/APL 設計并經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合研制了美國空軍電離層觀測納衛星-編隊（ION-F）小衛星，對COTS器件防輻射問題進行了較全面的研究和設計；1999年，NASA發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。經過多年運行和試驗，ARGOS任務表明：對COTS器件使用容錯技術加固所實現的性能，可以比基于抗輻照器件的空間計算機高一個數量級，且成本比使用抗輻照器件的空間計算機要低一個數量級。

（2）現期聚焦發展業務應用，在“好使夠用”基礎上大量引入COTS技術

美國國防部為改善“大空間”（Big Space）系統研制固有的“拖進度、漲成本、降能力”問題，滿足“軍事用天”需求，提出發展作戰響應空間（ORS）能力。ORS計劃以“好使夠用”為基本理念，在空間系統和地面系統中引入了大量COTS技術。

基于ORS計劃對系統成本和研制周期的嚴格限制，美軍戰術衛星-2（TacSat-2）采用了基于航空COTS產品的天基通用數據鏈（Space CDL）系統。其原型為F-16戰斗機戰術航空偵察系統（TARS）的274Mbit/s寬帶CDL系統，核心部件是微波調制解調器（MMA）。TacSat-2衛星MMA由L3通信公司在其TARS MMA產品的基礎上研制而成。TARS MMA是為航空平臺研制的輕量化、模塊化數據鏈部件，尺寸為41.9cm×25.1cm×34.3cm，重量為26.3kg，支持BPSK、QPSK等模式，數據率最高可達到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、內部底盤結構和美國軍標連接件，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，TacSat-2衛星成功在90分鐘內完成了從任務下達到獲得處理后數據的完整任務流程。

圖2 TacSat-2衛星MMA部件（左）和TARS MMA部件（右）對比

美國商業對地觀測衛星也廣泛采用COTS技術，天空盒子（Skybox）、行星實驗室（Planet Labs）等新興初創公司是踐行主力。Skybox公司執行副總裁兼首席技術官博肯斯托克（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器件設計的。”實際上，Skybox公司自成立之初便具備了應用COTS技術的“基因”。作為公司首席技術官的Berkenstock在參與創立Skybox公司之前，就曾以COTS器件為基礎設計研制了微型成像航天器（MISC）。MISC是3U立方體衛星，能提供商業級對地觀測圖像。衛星相機、姿態測量與控制系統（ADCS）、電源系統（EPS）、VHF/UHF收發機等均為COTS部件。

2.歐洲COTS技術研究以民用衛星為主，英國發展最為突出

20世紀80年代，英國薩瑞大學基于COTS技術研制并發射了5顆薩瑞大學衛星（UoSAT），開啟了歐洲COTS技術空間應用的序幕。

歐洲對COTS技術的研究和應用主要集中于民用衛星項目，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）開始在衛星上使用COTS微處理器和同步動態隨機處理器（SDRAM）；1999年，薩瑞衛星公司發射的UoSAT-12衛星使用了以COTS技術為基礎的推進系統和GPS接收機，取得了大量關于COTS器件應用的數據，為研制基于COTS器件的星載計算機研制奠定了基礎；1999年，薩瑞衛星公司發射了完全由COTS技術和器件構成的快照-1（SNAP-1）衛星（見圖3）；2008年，荷蘭代爾夫特大學發射了代爾夫特-C3 （Delfi-C3）衛星，完成了商用藍牙和ZigBee技術作為星內無線網絡通信協議的演示驗證。

圖3 薩瑞公司SNAP-1衛星使用的COTS器件

英國空間COTS技術研究和發展處于歐洲領先地位，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星持續測量空間軌道環境，并逐步將經地面驗證的先進器件進行在軌試驗，具備了豐富的基于COTS技術研制衛星的能力，實現了低成本、高可靠、短研制周期的目標。目前，通過持續的研究積累，薩瑞公司已經形成了全套的基于COTS技術的模塊化小衛星產品，成為全球小衛星研制領先力量。

ESA作為歐洲航天一體化組織，也在促進COTS技術研究與應用發展中發揮了關鍵作用。國際空間站采用了大量的COTS技術，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設計了一種可由有效載荷開發者擴展的開放式系統標準，提供了可由有效載荷開發者訂購的COTS器件采購清單。SPLC盡可能采用公開標準和COTS產品，比如采用工業標準底板總線、商用VxWorks內核等，大大降低了開發成本。

3.日本頻繁發射專用技術驗證衛星，構建COTS“技術知識庫”

日本依托其堅實的工業基礎以及世界領先的電子、精密機械制造、光學等技術，在COTS技術研究和應用方面成績顯著，摸索出了兼顧效費比和高技術的航天發展之路。

1999年，日本啟動了“空間環境可靠性檢驗集成系統”（SERVIS）項目，目的是促進COTS技術在空間系統的應用，增強日本空間產業在世界市場上的技術競爭力和成本競爭力。SERVIS項目一直持續到2010年，共研制了兩顆技術試驗衛星。SERVIS-1衛星于2003年10月發射，在其兩年的在軌工作時間內，星上所有有效載荷運行正常。根據事先制定的評判標準，SERVIS-1衛星試驗結果滿足“特別成功標準”。SERVIS-2衛星于2010年6月發射，沿承SERVIS-1衛星平臺，并采用了SERVIS-1衛星試驗過的3臺設備。SERVIS項目的最終輸出成果是一組經過廣泛地面評估試驗和在軌驗證測試后獲得的文件，稱為“技術知識庫”，具體包括COTS數據庫、零件評估指南和設備設計指南，用于指導COTS器件的空間應用（見圖4）。

圖4 日本SERVIS任務構成要素

在SERVIS項目開展期間，日本還發射了多顆專用的COTS技術驗證衛星，驗證經大量地面試驗的COTS器件在空間系統的可用性。2002年2月發射任務驗證衛星（MDS），對經地面試驗的民用半導體元器件、太陽電池、半導體數據記錄儀、并行處理計算機、環境測量裝置等進行真實空間環境的飛行驗證；2002年9月發射幾乎完全用COTS器件研制的下一代無人空間試驗回收系統（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月發射小型驗證衛星-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監控相機、GPS接收機、磁強計和磁力矩器。系統，目前已經成為空間系統發展的重要方向之一。

具體來講，COTS技術的優勢在于：有成熟的標準、在產品開發早期易于得到所需的產品；采用通用的、開放的技術標準，兼容性好；技術先進，符合技術發展潮流；具有良好的技術支持，便于擴充和升級，產品更新換代快；可以直接在商品貨架上采購，供貨渠道有保障；批量生產的COTS產品降低了系統成本，采購費用低廉；研制、生產周期短；產品維修和后勤保障較為方便，維修保障費用低；可得到所需的開發工具和開發環境，且僅需有限的專門培訓，無須投入專項科研經費等。

但是，COTS技術也有弊端，其在衛星中應用時普遍面臨空間輻射干擾問題，會降低衛星可靠性和壽命。要使COTS技術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技術適應性

COTS產品有極其出色的性能，可以滿足空間系統的性能需求。但惡劣的太空環境對衛星系統提出了苛刻的環境適應性和物理特性適匹性要求，因此需要加強COTS技術在接口、加固、封裝、組裝、測試等方面的工作。

（2）COTS產品可變性

商用產品以市場需求為導向，以取得最大商業利益為最終目標。這導致同一產品的形式不斷變化，例如封裝形式、功耗需求等。因此COTS技術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、商用現貨技術優勢與存在的問題

COTS技術在空間領域的應用有著良好的前景。與宇航級技術相比，COTS技術在性能和價格上都存在比較大的優勢，從商用器件中篩選出合適的器件并應用于空間