航天COTS 产品标准化发展的透视与浅析

姜盛鑫 韩天龙 施帆 陆宏伟 陈阳

（中国航天标准化与产品保证研究院， 北京， 100071）

对于当今航天领域而言， LEO （低地球轨道）卫星星座无疑是最为火热的关键词之一。 大型LEO 卫星星座的概念最早可以追溯到90 年代， 当时几家公司试图提供全球连接， Globalstar、Iridium、 Odyssey 和Teledesic 制定了庞大宏伟的计划， 但由于成本过高以及需求有限的原因， 除了Iridium 公司以外， 其他所有公司都缩减了规模或取消了其星座计划。 随着OneWeb 消亡， SpaceX在LEO 卫星星座部署方面取得了绝对领先地位，并在去年声称可以开始提供商业服务。 2021 年1 月20 日， SpaceX 成功发射了第17 批星链卫星，已经累计将多达1000 颗卫星送入太空。 此外，Amazon 已经申请在其Kuiper 星座中发射3236 颗航天器， 并计划将其不断壮大的团队迁入新设施，以全力应对星座建设中遇到的挑战。 卫星技术的进步、 新业务模式的出现、 更强大的资本储备以及对于低延迟带宽的猛增需求， 使LEO 卫星星座发展迎来了 “第二春”。

尽管有诸多强大力量牵引着LEO 卫星星座的快速发展， 但为确保长期的生存能力与竞争力，满足快速化、 批量化、 小型化的行业需求， 规划大型LEO 卫星星座的设计者仍需要大幅降低研发成本与时间是不争的事实。 如今美国军方和一些公司纷纷把目光投到商业货架 （Commercial-Off-The-Shelf， COTS） 产品， 选择在卫星研制过程中采用COTS 产品， 这为有效压缩研发成本与时间提供了行之有效的解决策略。 由于COTS 产品在航天领域中的使用频率越来越高， 投入应用的系统越来越广泛， 出现的问题越来越复杂， 实施开展标准化工作以促进COTS 产品在航天领域中的规范化应用具有重要的意义。

1 航天COTS 产品标准化的实质内涵

1.1 航天COTS 产品的概念分析

COTS 产品首次作为宇航产品替换方案的官方化文件可追溯到1994 年， 当时的美军国防秘书长发表了 “派瑞备忘录”， 该备忘录指出在可能的情况下要将COTS 产品投入到军事应用中，从而取代专门定制方案， 其初衷是避免军事规范产品的全面使用会限制竞争、 扼杀创新以及增加部署新系统的成本和时间。 在COTS 产品成功应用于军事装备数十年之后， COTS 在航天装备上的使用才成为现实。 根据国外相关报道， 国防后勤局 （DLA） 认证或军事规范 （MS） 认证的某类产品技术要比用于下一代航天装备及相关仪器的最先进、 高性能产品落后数代， 这也加速了COTS 在航天装备中的使用进程。

商业货架产品 （COTS） 指的是经过更新迭代、 在商业市场出售、 通过政府合同使用或获得的非研发项目 （NDI）。 很多人会将NDI 与COTS划等号， 实际上并非如此。 因为从严格意义上讲， COTS 应该属于NDI 的一个子集， 而并非它的全部。 非研发项目 （NDI） 是出于政府目的，但不限于特定工程的任何项目， 可以是由联邦机构、 国家或州政府， 以及与政府签署了国防战略协议的其他政府等任何形式主导。 COTS 与NDI 的关系如图1 所示。

图1 非研发项目的分类示意图

1.2 COTS

航天产品标准化的内涵分析

标准化减少了在不同设计中使用的组件种类数量， 对于具有类似需求的特定设计/产品， 可以从不同级别上实施标准化。 标准化的级别分为： 国际、 国家、 企业、 工厂以及项目， 其最终目标都是在设计/产品中实现组件通用性并且在此过程中有所收益。 随着COTS 产品在航天领域占据的份额越来越重， 面对商业市场上种类繁杂的COTS 产品， 需要开展航天COTS 产品标准化工作。

航天COTS 产品标准化的优点是多方面的。对于COTS 产品供应商来说， 标准化能够为企业提供严明的工作准则、 受控的工作文化， 使企业的稀缺资源能够得到最佳的利用； 同时还能够有效降低总体拥有成本 （更高的采购量、 更少的订单、 更少的非经常性项目）； 而最重要的是通过标准化压缩产品类型， 利用单一的开发工作取代功能相似部件上的重复研发， 可以从长远角度上降低成本。 对于卫星研制部门来说， 标准化可以为其选用COTS 产品提供权威指导， 有效降低卫星制造和产品采购成本， 研发一项功能相同的军事规范产品要比选用经过筛选的COTS 产品花费更多的成本与时间， 对于需要特定的开发软件资源的产品尤为明显， 例如微处理器、 FPGA 等。当然， 任何事物都具有两面性， 航天COTS 产品标准化的缺点与已经实施多年的军事标准化大致相似， 那就是对于设计人员个性方面的束缚。 设计人员在进行产品研发时希望拥有充分的设计自由， 但各种级别的标准会将设计人员的设计限制在某个指定的 “空间” 范围。

然而瑕不掩瑜， 对于过去受限于只能选择军事规范产品的设计人员来说， 更先进的COTS产品已经能够为其设计带来更大的创新自由。航天COTS 产品标准化的实施显然是利大于弊的。 正因如此， 开展航天COTS 产品标准化工作势在必行。

2 航天COTS 产品标准化的实施进展

2.1 国际标准层面

ISO 于2020 年发布了航天COTS 产品的国际标准TC20/SC14 Space systems — Evaluation of radiation effects on Commercial -Off -The -Shelf（COTS） parts for use on low-orbit satellite。

该标准是用来描述近地轨道 （LEO） 卫星所用COTS 产品辐射效应的评估方法， 能够对提升COTS 产品的辐射耐受性、 长期任务寿命的置信水平提供指导。

该标准正文包括6 个章节， 分别是范围、 引用参考、 术语和定义、 缩写术语、 抗辐射设计、辐射耐受试验。 附件由12 个资料性附录组成， 分别是抗辐射设计程序、 总剂量预测法、 等高线图测量总剂量的辐射指南、 模型预测值与实测值的比较实例、 电子元器件的辐射劣化、 单事件效应概述、 电子元器件单次事件处理方法、 设备单事件措施、 位移损伤预测方法、 各装置位移损伤抗力、 半导体器件位移损伤试验导则、 激光脉冲试验方法。 其中抗辐射设计程序是该标准的精髓所在， 如图2 所示， 其将环境条件设置、 总剂量预测、 劣化率预测、 耐辐射数据等多方面因素有机结合， 从而使得到的测试结果更具有准确性。

图2 抗辐射设计流程

2.2 国家标准层面

虽然在我国航天领域应用COTS 的时间较短， 但COTS 的显著优势使COTS 的应用频率大大提高。 目前， 我国航天对于COTS 产品的使用正处于 “百花齐放” 的现状， 无论是传统卫星研制单位还是商业航天公司， 都已对COTS 产品开展了针对性研究。 但国内尚无系统性的航天COTS 产品相关标准。

基于这种情况， 2018 年中国空间技术研究院作为主要起草单位申请 《宇航用COTS 器件质量保证要求》 国家标准计划， 计划号为20201647-T-469。 根据全国标准信息公共服务平台的相关信息， 该标准的制定将统一国内宇航领域对于COTS 器件的质量保证要求。 该标准规定宇航用COTS 器件质量保证的组织机构与职责、工作流程、 工作项目和工作要求。

该标准拟将COTS 器件的质量保证流程分解为5 个环节， 突出强调了质量保证方案的重要性。 ①选用控制， 规定各级产品承研单位负责所选COTS 器件的论证及验证工作， 各级产品承研单位对COTS 器件应进行专项质量保证； ②质量保证委托， 要求各级产品承研单位应委托元器件质量保证部门进行COTS 器件的质量保证工作，并应根据型号项目进度提前办理质量保证委托；③质量保证方案制定， 在制定方案前首先应进行任务分析， 包括任务来源、 任务需求以及COTS器件基础信息等， 在分析与型号要求差异的基础上制定质量保证方案， 质量保证方案的内容一般包括： 结构分析 （必要时）、 评价试验 （必要时）、 筛选试验、 考核试验、 抗辐射能力评价试验 （必要时）、 DPA、 应用验证 （必要时）； ④质量保证实施， 该标准要求严格按照经评审的质量保证方案进行， 实施过程中应注意对器件的防护、 失效分析、 质量问题处理及归零、 产品交货等相关要求； ⑤质量保证结论确定， 该标准要求根据质量保证工作的方案和试验数据， 形成质量保证结论。

3 有关发展建议

3.1 顶层设计， 破除阻力

目前航天COTS 标准化工作尚且处于初始起步阶段， 实施发展过程中势必会有很多的阻力与困难， 需要有强大的力量来破除， 而这股力量只能源于顶层设计。 在顶层设计上采取 “刚柔并济” 的方式， 从 “柔性” 层面谋划因地制宜的柔性方案， 营造适合航天COTS 产品标准化工作发展的大环境； 从 “刚性” 层面提出以国为重的刚性约束， 制定相关制度条例保障航天COTS 产品标准化工作的规范发展。

高新技术研究发展过程中， 在标准上占有优势， 在一定程度上就掌握了竞争的主动权， 这也是ISO 在航天COTS 产品热度剧增的情况下迅速编制发布ISO 21980： 2020 的主要原因。 因此，应该通过顶层设计将航天COTS 产品标准化提升到国家发展的战略高度， 赋予航天COTS 产品标准化实施的 “正规名分”， 避免航天COTS 产品标准化在起步阶段出现 “加速无力” 的情况。

3.2 上下联动， 发挥合力

航天COTS 产品标准化的发展仅从顶层设计是远远不够的， 还需要借助下游更广大的基础力量。 通过上下联动构建标准化发展平台， 强化航天COTS 产品产业线的上下游贯通融合， 形成一体谋划、 一体部署、 一体推进的发展模式， 以合力的形式推动航天COTS 产品标准化沿着符合双方共同利益的方向前进。

例如， 在轨卫星经常遇到参数退化、 功能异常等问题， 其主要原因是电磁辐射引起的电离总剂量效应、 位移效应和单粒子效应， 这是下游产品研制单位迫切需要解决的头等难题， 也是COTS 产品在航天领域中应用面临的最大挑战。基于此种情况， 来自民间企业的专业人士负责提出需求， 被赋予了 “裁判员” 的真实权利， 在标准制定过程中本着自身利益参与讨论， 标准协会等官方人员负责把握主体方向， 充分考虑行业的发展状况， 多方共同确定首要编制应对航天COTS 产品辐射效应的相关标准。

3.3 中心统筹， 释放活力

如果说电磁辐射是影响COTS 产品在航天领域应用的外在因素， 那么筛选范围较广、 更新换代较快、 批次稳定性存疑、 全程追溯较困难等各类问题则是COTS 产品的内在特点， 而这些内在特点也是航天COTS 产品标准化发展过程中需要重点解决的主要问题。

标准化的建设是一项复杂的系统工程，并不能够简单的一蹴而就。 尽管上下联动能够形成合力， 但合力真正发挥力量还需要有专业机构的组织与串联。 利用专业机构的中心统筹， 对COTS 产品的外在因素、 内在特点开展专题研究，在不断实践和探索中， 寻求灵活高效的管理机制、 沟通机制以及运行机制， 逐步打牢COTS 产品在航天领域应用的基础， 释放航天COTS 产品标准化发展的真正活力。

对于任何标准而言， 获得广泛的行业认可才是最重要的。 而对于未来十年内将奔向LEO 的数万颗卫星来说， COTS 产品的标准化发展是重中之重。 COTS 产品是LEO 卫星追求高性能、 低成本、 短周期的重要保证。