国外商用现货技术在空间任务中的发展与应用

● 文|北京空间科技信息研究所 张召才

市场分析 Market Analysis

国外商用现货技术在空间任务中的发展与应用

● 文|北京空间科技信息研究所 张召才

随着微电子、微机械和新材料等技术的飞速发展以及空间任务对高性能、低成本、短研制周期需求的日益增强，现有宇航级技术和产品逐渐无法适应上述变化，使得在空间任务中发展与应用商用现货（COTS）技术成为可能。美国、日本、欧洲等航天发达国家和地区率先开展了COTS技术研究与应用实践，积累了丰富经验，值得其他航天国家学习与借鉴。

一、引言

COTS技术包括COTS标准、COTS产品及其在武器装备或宇航系统上的应用。美国国防部将COTS产品定义为市场上销售的产品，并在制造商的产品目录中以确定的价格出现，而且可直接由制造商或通过制造商的销售网提供给任何公司或个人使用。就航天领域常用到的电子元器件而言，COTS产品一般包括质量等级为工业级和商业级的民用产品。

随着微电子、微机械和新材料等技术的不断发展，微电子产品在商业领域中的应用越来越广泛，商业领域对微电子产品的投资也越来越大，使得半导体工业的技术进步越来越集中于商用器件领域。而且，由于军用和宇航级器件市场占比过低，元器件生产商不愿意放弃大额市场利润而满足利润偏低的宇航市场需求，因此大幅减少了对抗辐射加固元器件的研发投入和生产。21世纪初，美国一度仅剩霍尼韦尔和洛马两大厂商生产宇航级电子元器件。这导致的结果是，航天器广泛应用的宇航级器件价格比COTS器件高数倍，而性能落后2～3代（见图1）。

图1 COTS器件与宇航级器件能力发展趋势比对

近几年小卫星技术迅猛发展和大批量进入空间，增加了COTS技术在轨验证机会，加速了COTS技术在空间任务中的发展与应用进程。小卫星设计的关键是低成本、高灵活、可重构以及快速响应，使用COTS技术和开发工具可以更好地支撑该理念。通过大量采用COTS技术，以及对COTS器件的抗辐射加固和产品保证，小卫星的研制周期大幅度缩短、研制成本降低。

二、国外商用现货技术发展与应用

自COTS技术在空间领域应用之初起，其低成本、高性能优势就广受青睐，美国、欧洲、日本等相继开展了COTS技术研究与应用实践，并取得大量成果。

1.美国COTS技术在军民商卫星领域同步发展，已实现业务应用

（1）早期以探索试验为主，重点关注COTS器件空间环境适应性

20世纪90年代，美国政府研究机构和大学率先开展了COTS技术研究和应用，重点探索验证COTS器件对空间环境的适应性。

作为较早从事COTS技术研究的政府机构，NASA在20世纪90年代制定了一系列专项计划推进COTS技术在空间系统中的应用。NASA在发现宇航级器件性能无法满足日益复杂的空间科学任务需求后，开始着手研究和验证在空间探测中使用COTS器件来制造空间计算机的可行性。为此，NASA喷气推进实验室启动了“远程探索试验”（REE）计划，其目标是将商用超级计算技术引入空间任务。最终，REE计划研制了一个由COTS微处理器和COTS通讯网络硬件组成的原型系统，并进行了多种验证工作。

此外，NASA还推出了“NASA电子器件及封装”（NEPP）计划，研究器件和封装技术，其目标是评价新上市的商用器件、新型电子和光电子器件及封装技术的可靠性和辐射敏感度，降低NASA未来空间任务采用新型电子器件的风险。NASA于2002年2月发布了空间任务使用商用塑封器件的白皮书，指出：倘若对特定应用的器件在热、机械、辐照方面进行彻底评估，确认可以满足任务需求的话，NASA哥达德航天中心（GSFC）允许在航天器中使用塑封微电子器件。目前，NASA已经有多个项目应用了商用塑封器件，包括日地关系观测台（STEREO）、伽马射线大区域空间望远镜（GLAST）等。

大学历来是美国航天技术创新的主要发源地之一，在COTS技术研究和发展中也起到重要推动作用。1992 年8月，约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（JH/ APL）为弗雷加（Freja）卫星开发了一个磁强计，其控制器采用了由JH/APL 设计并经过防辐射处理的商用处理器；2000年，美国犹他州立大学、华盛顿大学和维吉尼亚理工学院联合研制了美国空军电离层观测纳卫星-编队（ION-F）小卫星，对COTS器件防辐射问题进行了较全面的研究和设计；1999年，NASA发射了由斯坦福大学可靠计算中心参与研制的高级研究和全球观测卫星（ARGOS），目的是在轨测试并对比宇航级和COTS器件在可靠性方面的差别。经过多年运行和试验，ARGOS任务表明：对COTS器件使用容错技术加固所实现的性能，可以比基于抗辐照器件的空间计算机高一个数量级，且成本比使用抗辐照器件的空间计算机要低一个数量级。

（2）现期聚焦发展业务应用，在“好使够用”基础上大量引入COTS技术

美国国防部为改善“大空间”（Big Space）系统研制固有的“拖进度、涨成本、降能力”问题，满足“军事用天”需求，提出发展作战响应空间（ORS）能力。ORS计划以“好使够用”为基本理念，在空间系统和地面系统中引入了大量COTS技术。

基于ORS计划对系统成本和研制周期的严格限制，美军战术卫星-2（TacSat-2）采用了基于航空COTS产品的天基通用数据链（Space CDL）系统。其原型为F-16战斗机战术航空侦察系统（TARS）的274Mbit/s宽带CDL系统，核心部件是微波调制解调器（MMA）。TacSat-2卫星MMA由L3通信公司在其TARS MMA产品的基础上研制而成。TARS MMA是为航空平台研制的轻量化、模块化数据链部件，尺寸为41.9cm×25.1cm×34.3cm，重量为26.3kg，支持BPSK、QPSK等模式，数据率最高可达到274Mbit/s（反向链路）和10.71Mbit/s（指令链路）。TacSat-2 MMA采用了与TARS MMA完全相同的板卡模块、内部底盘结构和美国军标连接件，仅对其进行了最低限度的修改（见图2）。最终，通过天基CDL系统，TacSat-2卫星成功在90分钟内完成了从任务下达到获得处理后数据的完整任务流程。

图2 TacSat-2卫星MMA部件（左）和TARS MMA部件（右）对比

美国商业对地观测卫星也广泛采用COTS技术，天空盒子（Skybox）、行星实验室（Planet Labs）等新兴初创公司是践行主力。Skybox公司执行副总裁兼首席技术官博肯斯托克（Berkenstock）表示：“我们寻找能买得到的最好、最可靠、性能最高的器件。SkySat所有的电路板都是基于COTS器件设计的。”实际上，Skybox公司自成立之初便具备了应用COTS技术的“基因”。作为公司首席技术官的Berkenstock在参与创立Skybox公司之前，就曾以COTS器件为基础设计研制了微型成像航天器（MISC）。MISC是3U立方体卫星，能提供商业级对地观测图像。卫星相机、姿态测量与控制系统（ADCS）、电源系统（EPS）、VHF/UHF收发机等均为COTS部件。

2.欧洲COTS技术研究以民用卫星为主，英国发展最为突出

20世纪80年代，英国萨瑞大学基于COTS技术研制并发射了5颗萨瑞大学卫星（UoSAT），开启了欧洲COTS技术空间应用的序幕。

欧洲对COTS技术的研究和应用主要集中于民用卫星项目，英国、法国、德国、荷兰等均展开了在轨验证项目。1991年，英国萨瑞大学对UoSAT采用的COTS芯片进行观测，分析空间辐射效应问题；1992年，法国空间研究中心（CNES）开始在卫星上使用COTS微处理器和同步动态随机处理器（SDRAM）；1999年，萨瑞卫星公司发射的UoSAT-12卫星使用了以COTS技术为基础的推进系统和GPS接收机，取得了大量关于COTS器件应用的数据，为研制基于COTS器件的星载计算机研制奠定了基础；1999年，萨瑞卫星公司发射了完全由COTS技术和器件构成的快照-1（SNAP-1）卫星（见图3）；2008年，荷兰代尔夫特大学发射了代尔夫特-C3 （Delfi-C3）卫星，完成了商用蓝牙和ZigBee技术作为星内无线网络通信协议的演示验证。

图3 萨瑞公司SNAP-1卫星使用的COTS器件

英国空间COTS技术研究和发展处于欧洲领先地位，萨瑞公司是其核心力量。萨瑞公司利用初期研制的几颗小卫星持续测量空间轨道环境，并逐步将经地面验证的先进器件进行在轨试验，具备了丰富的基于COTS技术研制卫星的能力，实现了低成本、高可靠、短研制周期的目标。目前，通过持续的研究积累，萨瑞公司已经形成了全套的基于COTS技术的模块化小卫星产品，成为全球小卫星研制领先力量。

ESA作为欧洲航天一体化组织，也在促进COTS技术研究与应用发展中发挥了关键作用。国际空间站采用了大量的COTS技术，其中最典型的应用是ESA研制的“标准化有效载荷计算机”（SPLC）。ESA为SPLC设计了一种可由有效载荷开发者扩展的开放式系统标准，提供了可由有效载荷开发者订购的COTS器件采购清单。SPLC尽可能采用公开标准和COTS产品，比如采用工业标准底板总线、商用VxWorks内核等，大大降低了开发成本。

3.日本频繁发射专用技术验证卫星，构建COTS“技术知识库”

日本依托其坚实的工业基础以及世界领先的电子、精密机械制造、光学等技术，在COTS技术研究和应用方面成绩显著，摸索出了兼顾效费比和高技术的航天发展之路。

1999年，日本启动了“空间环境可靠性检验集成系统”（SERVIS）项目，目的是促进COTS技术在空间系统的应用，增强日本空间产业在世界市场上的技术竞争力和成本竞争力。SERVIS项目一直持续到2010年，共研制了两颗技术试验卫星。SERVIS-1卫星于2003年10月发射，在其两年的在轨工作时间内，星上所有有效载荷运行正常。根据事先制定的评判标准，SERVIS-1卫星试验结果满足“特别成功标准”。SERVIS-2卫星于2010年6月发射，沿承SERVIS-1卫星平台，并采用了SERVIS-1卫星试验过的3台设备。SERVIS项目的最终输出成果是一组经过广泛地面评估试验和在轨验证测试后获得的文件，称为“技术知识库”，具体包括COTS数据库、零件评估指南和设备设计指南，用于指导COTS器件的空间应用（见图4）。

图4 日本SERVIS任务构成要素

在SERVIS项目开展期间，日本还发射了多颗专用的COTS技术验证卫星，验证经大量地面试验的COTS器件在空间系统的可用性。2002年2月发射任务验证卫星（MDS），对经地面试验的民用半导体元器件、太阳电池、半导体数据记录仪、并行处理计算机、环境测量装置等进行真实空间环境的飞行验证；2002年9月发射几乎完全用COTS器件研制的下一代无人空间试验回收系统（USERS），重点验证用COTS器件制造的星载计算机、星敏感器等在航天器上的应用；2009年1月发射小型验证卫星-1（SDS-1），搭载验证由轻型COTS器件制造的低成本星载部件，包括CMOS监控相机、GPS接收机、磁强计和磁力矩器。系统，目前已经成为空间系统发展的重要方向之一。

具体来讲，COTS技术的优势在于：有成熟的标准、在产品开发早期易于得到所需的产品；采用通用的、开放的技术标准，兼容性好；技术先进，符合技术发展潮流；具有良好的技术支持，便于扩充和升级，产品更新换代快；可以直接在商品货架上采购，供货渠道有保障；批量生产的COTS产品降低了系统成本，采购费用低廉；研制、生产周期短；产品维修和后勤保障较为方便，维修保障费用低；可得到所需的开发工具和开发环境，且仅需有限的专门培训，无须投入专项科研经费等。

但是，COTS技术也有弊端，其在卫星中应用时普遍面临空间辐射干扰问题，会降低卫星可靠性和寿命。要使COTS技术成功应用到空间任务中，需要重点解决以下几个方面的问题:

（1）COTS技术适应性

COTS产品有极其出色的性能，可以满足空间系统的性能需求。但恶劣的太空环境对卫星系统提出了苛刻的环境适应性和物理特性适匹性要求，因此需要加强COTS技术在接口、加固、封装、组装、测试等方面的工作。

（2）COTS产品可变性

商用产品以市场需求为导向，以取得最大商业利益为最终目标。这导致同一产品的形式不断变化，例如封装形式、功耗需求等。因此COTS技术在应用到空间任务时，必须有一套科学可行的管理办法。如在器件采购时需批量采购和储备COTS器件，有效保证各型号器件批次的一致性，减小批次更改引起的风险，降低元器件保证的费用。

（3）COTS标准符合性

商用标准如接口标准或工具标准，若以严格符合的形式“移植”应用到空间系统中，在很多情况下是行不通的。在使用COTS标准时，需要做必要的修改或偏移，以增强其应用功能和适应能力。

三、商用现货技术优势与存在的问题

COTS技术在空间领域的应用有着良好的前景。与宇航级技术相比，COTS技术在性能和价格上都存在比较大的优势，从商用器件中筛选出合适的器件并应用于空间