● 文|北京空間科技信息研究所 張召才

市場(chǎng)分析 Market Analysis

國(guó)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(jī)械和新材料等技術(shù)的飛速發(fā)展以及空間任務(wù)對(duì)高性能、低成本、短研制周期需求的日益增強(qiáng)，現(xiàn)有宇航級(jí)技術(shù)和產(chǎn)品逐漸無(wú)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(guó)、日本、歐洲等航天發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)率先開(kāi)展了COTS技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，值得其他航天國(guó)家學(xué)習(xí)與借鑒。

一、引言

COTS技術(shù)包括COTS標(biāo)準(zhǔn)、COTS產(chǎn)品及其在武器裝備或宇航系統(tǒng)上的應(yīng)用。美國(guó)國(guó)防部將COTS產(chǎn)品定義為市場(chǎng)上銷售的產(chǎn)品，并在制造商的產(chǎn)品目錄中以確定的價(jià)格出現(xiàn)，而且可直接由制造商或通過(guò)制造商的銷售網(wǎng)提供給任何公司或個(gè)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(jí)為工業(yè)級(jí)和商業(yè)級(jí)的民用產(chǎn)品。

隨著微電子、微機(jī)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(lái)越廣泛，商業(yè)領(lǐng)域?qū)ξ㈦娮赢a(chǎn)品的投資也越來(lái)越大，使得半導(dǎo)體工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步越來(lái)越集中于商用器件領(lǐng)域。而且，由于軍用和宇航級(jí)器件市場(chǎng)占比過(guò)低，元器件生產(chǎn)商不愿意放棄大額市場(chǎng)利潤(rùn)而滿足利潤(rùn)偏低的宇航市場(chǎng)需求，因此大幅減少了對(duì)抗輻射加固元器件的研發(fā)投入和生產(chǎn)。21世紀(jì)初，美國(guó)一度僅?；裟犴f爾和洛馬兩大廠商生產(chǎn)宇航級(jí)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(jí)器件價(jià)格比COTS器件高數(shù)倍，而性能落后2～3代（見(jiàn)圖1）。

圖1 COTS器件與宇航級(jí)器件能力發(fā)展趨勢(shì)比對(duì)

近幾年小衛(wèi)星技術(shù)迅猛發(fā)展和大批量進(jìn)入空間，增加了COTS技術(shù)在軌驗(yàn)證機(jī)會(huì)，加速了COTS技術(shù)在空間任務(wù)中的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)程。小衛(wèi)星設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)工具可以更好地支撐該理念。通過(guò)大量采用COTS技術(shù)，以及對(duì)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(guó)外商用現(xiàn)貨技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

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(shì)就廣受青睞，美國(guó)、歐洲、日本等相繼開(kāi)展了COTS技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐，并取得大量成果。

1.美國(guó)COTS技術(shù)在軍民商衛(wèi)星領(lǐng)域同步發(fā)展，已實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用

（1）早期以探索試驗(yàn)為主，重點(diǎn)關(guān)注COTS器件空間環(huán)境適應(yīng)性

20世紀(jì)90年代，美國(guó)政府研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)率先開(kāi)展了COTS技術(shù)研究和應(yīng)用，重點(diǎn)探索驗(yàn)證COTS器件對(duì)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(jī)構(gòu)，NASA在20世紀(jì)90年代制定了一系列專項(xiàng)計(jì)劃推進(jìn)COTS技術(shù)在空間系統(tǒng)中的應(yīng)用。NASA在發(fā)現(xiàn)宇航級(jí)器件性能無(wú)法滿足日益復(fù)雜的空間科學(xué)任務(wù)需求后，開(kāi)始著手研究和驗(yàn)證在空間探測(cè)中使用COTS器件來(lái)制造空間計(jì)算機(jī)的可行性。為此，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了“遠(yuǎn)程探索試驗(yàn)”（REE）計(jì)劃，其目標(biāo)是將商用超級(jí)計(jì)算技術(shù)引入空間任務(wù)。最終，REE計(jì)劃研制了一個(gè)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(jìn)行了多種驗(yàn)證工作。

此外，NASA還推出了“NASA電子器件及封裝”（NEPP）計(jì)劃，研究器件和封裝技術(shù)，其目標(biāo)是評(píng)價(jià)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(lái)空間任務(wù)采用新型電子器件的風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)特定應(yīng)用的器件在熱、機(jī)械、輻照方面進(jìn)行徹底評(píng)估，確認(rèn)可以滿足任務(wù)需求的話，NASA哥達(dá)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(gè)項(xiàng)目應(yīng)用了商用塑封器件，包括日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)（STEREO）、伽馬射線大區(qū)域空間望遠(yuǎn)鏡（GLAST）等。

大學(xué)歷來(lái)是美國(guó)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(dòng)作用。1992 年8月，約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（JH/ APL）為弗雷加（Freja）衛(wèi)星開(kāi)發(fā)了一個(gè)磁強(qiáng)計(jì)，其控制器采用了由JH/APL 設(shè)計(jì)并經(jīng)過(guò)防輻射處理的商用處理器；2000年，美國(guó)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(guó)空軍電離層觀測(cè)納衛(wèi)星-編隊(duì)（ION-F）小衛(wèi)星，對(duì)COTS器件防輻射問(wèn)題進(jìn)行了較全面的研究和設(shè)計(jì)；1999年，NASA發(fā)射了由斯坦福大學(xué)可靠計(jì)算中心參與研制的高級(jí)研究和全球觀測(cè)衛(wèi)星（ARGOS），目的是在軌測(cè)試并對(duì)比宇航級(jí)和COTS器件在可靠性方面的差別。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行和試驗(yàn)，ARGOS任務(wù)表明：對(duì)COTS器件使用容錯(cuò)技術(shù)加固所實(shí)現(xiàn)的性能，可以比基于抗輻照器件的空間計(jì)算機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，且成本比使用抗輻照器件的空間計(jì)算機(jī)要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

（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(guó)國(guó)防部為改善“大空間”（Big Space）系統(tǒng)研制固有的“拖進(jìn)度、漲成本、降能力”問(wèn)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(jì)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(jì)劃對(duì)系統(tǒng)成本和研制周期的嚴(yán)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(jī)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(tái)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(dá)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(guó)軍標(biāo)連接件，僅對(duì)其進(jìn)行了最低限度的修改（見(jiàn)圖2）。最終，通過(guò)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(dá)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(duì)比

美國(guó)商業(yè)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星也廣泛采用COTS技術(shù)，天空盒子（Skybox）、行星實(shí)驗(yàn)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(jì)的?！睂?shí)際上，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(jì)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(jí)對(duì)地觀測(cè)圖像。衛(wèi)星相機(jī)、姿態(tài)測(cè)量與控制系統(tǒng)（ADCS）、電源系統(tǒng)（EPS）、VHF/UHF收發(fā)機(jī)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(guó)發(fā)展最為突出

20世紀(jì)80年代，英國(guó)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(kāi)啟了歐洲COTS技術(shù)空間應(yīng)用的序幕。

歐洲對(duì)COTS技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中于民用衛(wèi)星項(xiàng)目，英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、荷蘭等均展開(kāi)了在軌驗(yàn)證項(xiàng)目。1991年，英國(guó)薩瑞大學(xué)對(duì)UoSAT采用的COTS芯片進(jìn)行觀測(cè)，分析空間輻射效應(yīng)問(wèn)題；1992年，法國(guó)空間研究中心（CNES）開(kāi)始在衛(wèi)星上使用COTS微處理器和同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)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(jìn)系統(tǒng)和GPS接收機(jī)，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(jì)算機(jī)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(jiàn)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(lán)牙和ZigBee技術(shù)作為星內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的演示驗(yàn)證。

圖3 薩瑞公司SNAP-1衛(wèi)星使用的COTS器件

英國(guó)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(cè)量空間軌道環(huán)境，并逐步將經(jīng)地面驗(yàn)證的先進(jìn)器件進(jìn)行在軌試驗(yàn)，具備了豐富的基于COTS技術(shù)研制衛(wèi)星的能力，實(shí)現(xiàn)了低成本、高可靠、短研制周期的目標(biāo)。目前，通過(guò)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(jìn)COTS技術(shù)研究與應(yīng)用發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。國(guó)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(biāo)準(zhǔn)化有效載荷計(jì)算機(jī)”（SPLC）。ESA為SPLC設(shè)計(jì)了一種可由有效載荷開(kāi)發(fā)者擴(kuò)展的開(kāi)放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，提供了可由有效載荷開(kāi)發(fā)者訂購(gòu)的COTS器件采購(gòu)清單。SPLC盡可能采用公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)和COTS產(chǎn)品，比如采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)底板總線、商用VxWorks內(nèi)核等，大大降低了開(kāi)發(fā)成本。

3.日本頻繁發(fā)射專用技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星，構(gòu)建COTS“技術(shù)知識(shí)庫(kù)”

日本依托其堅(jiān)實(shí)的工業(yè)基礎(chǔ)以及世界領(lǐng)先的電子、精密機(jī)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(jī)顯著，摸索出了兼顧效費(fèi)比和高技術(shù)的航天發(fā)展之路。

1999年，日本啟動(dòng)了“空間環(huán)境可靠性檢驗(yàn)集成系統(tǒng)”（SERVIS）項(xiàng)目，目的是促進(jìn)COTS技術(shù)在空間系統(tǒng)的應(yīng)用，增強(qiáng)日本空間產(chǎn)業(yè)在世界市場(chǎng)上的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力和成本競(jìng)爭(zhēng)力。SERVIS項(xiàng)目一直持續(xù)到2010年，共研制了兩顆技術(shù)試驗(yàn)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(shí)間內(nèi)，星上所有有效載荷運(yùn)行正常。根據(jù)事先制定的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，SERVIS-1衛(wèi)星試驗(yàn)結(jié)果滿足“特別成功標(biāo)準(zhǔn)”。SERVIS-2衛(wèi)星于2010年6月發(fā)射，沿承SERVIS-1衛(wèi)星平臺(tái)，并采用了SERVIS-1衛(wèi)星試驗(yàn)過(guò)的3臺(tái)設(shè)備。SERVIS項(xiàng)目的最終輸出成果是一組經(jīng)過(guò)廣泛地面評(píng)估試驗(yàn)和在軌驗(yàn)證測(cè)試后獲得的文件，稱為“技術(shù)知識(shí)庫(kù)”，具體包括COTS數(shù)據(jù)庫(kù)、零件評(píng)估指南和設(shè)備設(shè)計(jì)指南，用于指導(dǎo)COTS器件的空間應(yīng)用（見(jiàn)圖4）。

圖4 日本SERVIS任務(wù)構(gòu)成要素

在SERVIS項(xiàng)目開(kāi)展期間，日本還發(fā)射了多顆專用的COTS技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星，驗(yàn)證經(jīng)大量地面試驗(yàn)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(yàn)證衛(wèi)星（MDS），對(duì)經(jīng)地面試驗(yàn)的民用半導(dǎo)體元器件、太陽(yáng)電池、半導(dǎo)體數(shù)據(jù)記錄儀、并行處理計(jì)算機(jī)、環(huán)境測(cè)量裝置等進(jìn)行真實(shí)空間環(huán)境的飛行驗(yàn)證；2002年9月發(fā)射幾乎完全用COTS器件研制的下一代無(wú)人空間試驗(yàn)回收系統(tǒng)（USERS），重點(diǎn)驗(yàn)證用COTS器件制造的星載計(jì)算機(jī)、星敏感器等在航天器上的應(yīng)用；2009年1月發(fā)射小型驗(yàn)證衛(wèi)星-1（SDS-1），搭載驗(yàn)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(jī)、GPS接收機(jī)、磁強(qiáng)計(jì)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(lái)講，COTS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：有成熟的標(biāo)準(zhǔn)、在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期易于得到所需的產(chǎn)品；采用通用的、開(kāi)放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，兼容性好；技術(shù)先進(jìn)，符合技術(shù)發(fā)展潮流；具有良好的技術(shù)支持，便于擴(kuò)充和升級(jí)，產(chǎn)品更新?lián)Q代快；可以直接在商品貨架上采購(gòu)，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(gòu)費(fèi)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(fèi)用低；可得到所需的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境，且僅需有限的專門培訓(xùn)，無(wú)須投入專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)等。

但是，COTS技術(shù)也有弊端，其在衛(wèi)星中應(yīng)用時(shí)普遍面臨空間輻射干擾問(wèn)題，會(huì)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(diǎn)解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)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(duì)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(qiáng)COTS技術(shù)在接口、加固、封裝、組裝、測(cè)試等方面的工作。

（2）COTS產(chǎn)品可變性

商用產(chǎn)品以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以取得最大商業(yè)利益為最終目標(biāo)。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(shí)，必須有一套科學(xué)可行的管理辦法。如在器件采購(gòu)時(shí)需批量采購(gòu)和儲(chǔ)備COTS器件，有效保證各型號(hào)器件批次的一致性，減小批次更改引起的風(fēng)險(xiǎn)，降低元器件保證的費(fèi)用。

（3）COTS標(biāo)準(zhǔn)符合性

商用標(biāo)準(zhǔn)如接口標(biāo)準(zhǔn)或工具標(biāo)準(zhǔn)，若以嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要做必要的修改或偏移，以增強(qiáng)其應(yīng)用功能和適應(yīng)能力。

三、商用現(xiàn)貨技術(shù)優(yōu)勢(shì)與存在的問(wèn)題

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(jí)技術(shù)相比，COTS技術(shù)在性能和價(jià)格上都存在比較大的優(yōu)勢(shì)，從商用器件中篩選出合適的器件并應(yīng)用于空間