商业宇航中的COTS元器件选用:优势、挑战与应对策略

近年来,商业宇航领域迅猛发展,COTS(Commercial Off-The-Shelf)元器件因其成本低、技术先进和市场供应充足,逐渐在该领域获得广泛应用。然而,由于空间环境的极端性和任务的高可靠性要求,COTS元器件面临着环境适应性、质量和可靠性以及法规和标准等多方面的挑战。本文探讨了在商业宇航中选用COTS元器件的优势及其所面临的主要挑战,并提出了通过严格的测试和筛选、抗辐射加固技术、冗余设计和供应链管理等策略来应对这些挑战,并展望了COTS元器件应用的未来发展趋势。

面向航天器型号的COTS元器件选用策略

为了实现COTS元器件在航天器中低成本高效应用,文章调研了商用塑封器件的工业基础、应用风险以及国内外各航天机构对COTS元器件的应用策略;针对COTS元器件的选用策略,系统性提出了元器件需求分析、选择、供应、应用结合的选用程序,并在此基础上设计了元器件供应方选择、执行标准选择和产品选择的选用要素。最后结合元器件应用实践需求,提出了面向航天器型号的COTS元器件选用控制建议。

基于FPGA的COTS器件辐射效应测试系统

为了满足航天商业现货(COTS)器件辐射效应评估的高效率、低成本、批量测试需求,通过分析典型COTS器件不同辐射效应测试的异同,设计了COTS器件通用辐射效应测试系统。测试系统由面向仪器系统的外围组件互连(PCI)扩展(PXI)系统和基于现场可编程门阵列(FPGA)的监测主板组成,适用于FPGA、模数转换器(ADC)、静态随机存储器(SRAM)、运算放大器、电源芯片等典型COTS器件单粒子和总剂量效应地面模拟试验,能够在线实时测量被测器件的功耗电流、逻辑功能、输出信号等参数,可对被测器件的输入电压、输入电流、输出电压等需要高精度测量的功能性能参数进行离线测量。通过典型器件的单粒子与总剂量效应试验,对测试系统的在线与离线测试功能进行了验证,结果表明该测试系统能够满足测试需求。

COTS软构件评估研究综述

对COTS(Commercial O ff-The-Shelf)软构件评估进行综述,包括COTS软构件评估在整个CBS活动框架中的定位、COTS软构件评估的过程和方法及与其密切相关的其他CBS活动领域简介等,并对COTS软构件评估的未来发展方向进行了展望。

几种COTS元器件单粒子试验研究

针对COTS元器件没有考虑空间辐射环境的影响导致的高风险,特别是单粒子效应,使用重离子对空间科学用的数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)和模数转换器(ADC)开展了单粒子效应试验研究,分析了这几种COTS元器件单粒子效应发生时的现象。结果表明:TMS570LS20216型DSP的单粒子闩锁阈值低于12.6 MeV·cm^2/mg,A3PE3000L型FPGA的单粒子翻转阈值在个位数量级,ADS7883S型ADC的单粒子效应阈值大于36.8 MeV·cm^2/mg。试验结果可用于COTS元器件空间应用的系统级单粒子效应防护设计和风险评估。

COTS软构件选择决策模型研究

提出了COTS软构件选择的两阶段决策模型:第1阶段通过案例检索方法进行构件初选;第2阶段利用(0-1)整数目标规划,选出最优构件组合。先进行案例检索,再进行目标规划求解的两阶段方法,减少了计算的复杂度,提高了决策的合理性。

COTS Switch工业以太网实时调度算法

针对基于商用现成组件技术(Commercial Off-The-Shelf,COTS)的交换式以太网不能满足工业数据通信的实时性要求问题,给出了改进的FTT(Flexible Time-Triggered communication paradigm)网络调度模型,提出了新的周期性实时消息链路可调度性优化判定方法,在此基础上设计了一种基于EDF(Earliest Deadline First)的实时调度算法。算法通过对网络消息流量进行有效控制防止交换机缓冲区溢出,同时充分发挥网络在同一时间存在多个并行传输链路的优势,提高了网络实时性。仿真实验表明该算法在提高网络的聚合带宽、减小消息的平均等待延时和丢失率方面均有明显的优势。

一种基于COTS硬件的安全苛求计算平台研究

为解决安全关键领域传统容错计算平台支持费用高、技术局限性大的问题,提出并实现了一种基于商用货架产品(COTS)的高安全容错计算平台(VIS),给出了平台的构造方法,分析了VIS平台的2 oo2×2体系结构和容错同步原理.遵循IEC 61508标准对平台进行了安全完整性等级确认.结果表明,VIS平台的硬件安全完整性达到SIL4级,能够满足安全苛求领域的需求.

一种构建COTS中间件的自适应Web服务方法

自适应Web服务运行在COTS中间件平台具有特别的挑战性。通过引入业务Web服务与自适应组件之间的管理代理,给出一种构建COTS中间件的自适应Web服务的解决方案。管理代理可以定制并利用现有的中间件机制无缝地集成到一个COTS平台。通过一个基于.Net WCF的Web服务应用来论证此架构。结果表明,该方案在性能和灵活性方面是有效的。

基于COTS的系统综述

近年来在软件开发过程中出现了一种新的趋势 ,由于使用商业货架构件 (COTS)有潜在的节省系统开发资金与时间的优点 ,软件开发人员开始更多地使用COTS构件来构建系统。针对基于COTS的系统进行综述 ,包括它的含义、分类、生命周期 ,以及一个我们认为对CBS的实践大有帮助的过程框架。

空间站环境COTS器件容错技术综述

由于空间站环境的总辐照剂量影响较小,采用商用现货(COTS)器件替代传统高等级抗辐照器件来降低成本是有效的方法,但是随着工艺尺寸的缩小,COTS器件受单粒子效应的影响越来越突出。为抑制单粒子效应,COTS器件通常需要采用多种软硬件容错设计。基于上述应用需求,对国内外采用COTS器件的低轨卫星及其相关容错技术进行了总结和分析,分别对存储器、SRAM型FPGA、DSP、CPU处理器进行了容错技术的研究和分析,总结了各类容错技术的现状及发展趋势。并针对上述四类COTS器件,分别给出在空间站环境下的容错设计建议。

COTS技术应用对军用ATE的影响

COTS (commercialoff-the -shelf)作为 2 0世纪 80年代欧美主要军事大国提出的称为“商用现成技术”这一概念 ,是相对于军用技术产品开发研制而言的。主要讨论COTS技术应用对军用ATE技术开发的影响 ,及为军用ATE带来的经济效益 。

基于COTS器件的高费效比商业卫星计算机研究

对国内外基于COTS (commercial off-the-shelf)器件的商业卫星计算机进行了研究;针对商业卫星公司对卫星可靠性、运算性能、成本控制、研发周期等要求和实际空间运行环境,分析了目前国内外商用卫星的设计模式和特点,提出一种基于汽车级COTS器件的商业卫星单板计算机系统;在可靠性设计上采用了EDAC、双核Lock-Step等技术,选用单粒子免疫的器件的MRAM和反熔丝FPGA,在保证计算机系统安全性、可靠性、成本控制和运算性能的同时,避免了多核或多处理器冗余加固方案导致的额外软件开发成本,缩短产品研发周期;研究对基于COTS器件的商业卫星计算机的可靠性设计有一定参考价值。

基于COTS的宇航计算单元冗余架构可靠性研究

随着商业航天的发展,为了能以更低成本使宇航计算单元得到应用,需要结合设计成本、预期寿命、实时性和系统复杂度等因素,对不同计算单元冗余架构的可靠性进行评估;目前在基于高性能商用货架(COTS,commercial off-the-shelf)器件的宇航计算单元研究多满足于工程应用,缺乏关于对不同架构可靠性的对比;首先,针对几种不同冗余计算单元冗余架构,简单介绍具体的拓扑结构和工作方式;其次,根据工作方式给出了他们的故障状态转移图;最后,根据上述几种架构,运用马尔可夫模型理论,对这些计算单元结构进行可靠性建模,在考虑失效率和维修率两个参数对系统可靠性影响的情况下,并以一个虚拟的长时期任务为背景对各结构的可靠性指标进行了评价;仿真结果为更低成本基于COTS器件制造宇航计算单元提供了设计支撑。

一种基于COTS的SAR分布式目标模拟方法

针对目前合成孔径雷达(SAR)目标模拟器通常只能模拟点目标,且通用化程度和实时性较低的问题,提出了一种基于商用现成品或技术(COTS)的SAR分布式目标模拟方法。利用NI PXI平台构建了一个基于电磁仿真的SAR分布式目标模拟器,由电磁仿真软件模拟获取目标散射特性,并通过高速网口输入硬件设备进行采样及卷积操作得到仿真SAR回波数字信号,经数模转换模块完成对SAR数字信号的调制并输出模拟回波,可以直接用于SAR系统的数据验证。模拟器采用数字式一体化硬件设备,由NI PXIe-5646R和PXIe-5840进行信号的接收和发送,PXIe-7902作为系统核心进行高速实时数据运算。系统以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,通过LabVIEW RT(Real Time)和FPGA模块直接进行访问,能实时、高速地采集和处理数据。经过测试,该目标模拟器可以生成分布式目标的射频回波信号,环路验证结果证明了本文提出方法的有效性。另外,本文提出的方法适用于多种雷达信号的模拟,通过设置不同的信号体制或接收外部信号输入,可以实现灵活的SAR目标模拟。

基于COTS器件的异构冗余星载计算机加固设计

当前基于宇航级抗辐照电子元器件的卫星平台计算机存在价格昂贵、批量小、制造周期长、性能升级慢、体积大的缺点,逐渐无法满足日益增长空间任务系统的需求。商业现货器件(COTS)因其技术先进、性能相对优越、集成度高、价格便宜等特点,受到有小型化、高性能电子设备需求的宇航型号的青睐。如何能更高效地利用商用元器件相关技术,逐渐成为研究热点。但是,普通的工业级器件直接用于航天领域存在较大的风险,其可靠性难以得到保证。为此,提出了一种基于COTS器件的异构冗余星载计算机核心系统加固设计方法。该方法在芯片选型上,选用相对低的质量等级、性能较高的元器件,在硬件设计上,采取了多模异构冗余备份的容错方式,软件配合硬件设计,采取"三模表决"等策略。通过计算分析该方案可靠性提升显著,已应用于某型号商业卫星,在轨运行稳定,表现良好。

基于COTS的客户管理系统的设计与实现

CRM(Customer relationship management)是一种十分重要而复杂的商业过程,由于CRM本身的复杂性,开发这种系统变得异常复杂,COTS(Commercial Off-The-Shelf)因为其优势被应用于诸多领域。本文以一个公司的客户关系管理为例,说明如何组织COTS软件组件以开发CRM系统,详细介绍了其设计和实现过程,并给出了运行界面。

COTS在民用飞机软件设计中的使用和取证分析

本文主要目的在于分析COTS在民用飞机软件中的使用和取证。通过分析国际上绝大多数适航管理部门认可的软件合格审定指南RTCA DO-178B《机载系统和设备合格审定中的软件考虑》,理解只有满足RTCA DO-178B中的全部软件生命周期数据的COTS软件才是可以通过合格审定的,以及飞机的主制造商应该从COTS供应商那里获取到的符合RTCA DO-178B中所有目标的信息用来取证。如果COTS供应商不能够提供足够的取证信息,那么也可以考虑一些方法供飞机的主制造商来采用,最终能够实现COTS的适航取证。

航天电子系统中电子元器件选用的途径分析

针对航天电子系统中的电子元器件选用的途径———采用抗辐射加固器件和采用高性能商用器件进行了比较分析;阐述了空间飞行器采用抗辐射加固器件的优点和存在的问题,探讨了采用高性能商用器件的几种途径,抗辐射加固、冗余设计、筛选测试,以及存在的问题和面临的风险;以神舟四号飞船中商用器件的使用作为筛选测试的空间应用实例,给出了其在轨飞行的试验结果;并提出了商用器件的筛选测试必将成为商用器件空间应用的一个新的发展趋势。

基于商用现成器件设计星载计算机关键模块的研究

针对空间机器人星载计算机的高性能、高可靠、小质量、低功耗和低成本的要求,采用商用的现成产品(COTS)设计了一个星载计算机系统。该系统以 ARM 处理器为数据处理核心,采用双机容错结构,实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)的硬件检错纠错技术,以及基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的 ARM 与 CAN 控制器之间的总线转换桥技术、多级看门狗技术和具有闩锁处理的电源等关键技术。实验结果表明该系统可满足空间机器人的需求。