在特殊用途开发中使用COTS技术是减少时间和财务成本的一种行之有效的手段。 本文讨论了使用COTS创建航天器上使用的计算机的经验。
COTS （
现成的商用产品，即“即用型”）-该技术意味着，对于特殊用途系统的构建，将采用一种特殊的方法，根据该方法，使用工业计算模块，并以特殊的设计制造机架，机架，开关模块和电缆。提供所需的操作条件（例如，抵抗气候，振动，声学和其他影响）。 COTS技术使用现成的开放源代码硬件和软件技术，这些技术先前已在一般工业民用市场中经过广泛测试和/或标准化。
从历史上看，COTS概念是美国国防部和其他几个西方国家的国防部门提出的，它们希望通过减少昂贵的独特解决方案和技术的份额来降低成本。 对于俄罗斯开发商来说，目前，在经济形势恶化和实行制裁的情况下，这种制裁阻碍了进入国防和双重用途的基础，这种节省成本的方法在制造具有高技术特征的设备时尤为重要。
基于标准化COTS组件的建筑系统的总体趋势已渗透到航天工业。 空间探索的极快速度，要解决的任务的复杂性，缩短系统的开发和现代化以及提高其速度和可靠性的要求，为这一工作提供了便利。 当前，在太空中，总是有大量的有人居住和无人居住的飞机。 这个行业已经成为与研究，新材料生产，国防等相关任务相关的强大行业[1]。
辐射如何影响微电路
在“粒子碎片”中，宇宙辐射由90％的质子（即氢离子），7％的氦核（α粒子），〜1％的重原子和〜1％的电子组成。 好吧，恒星（包括太阳），银河系原子核，银河系-不仅可以用可见光，而且还可以用X射线和伽马射线照亮一切。 在太阳暴发期间-太阳辐射增加了1000-1'000'000倍，这可能是一个严重的问题（对于未来的人们以及当前地球磁层以外的航天器而言都是如此）。
地球周围有2条带电粒子带-所谓的Van Allen辐射带：距质子约4000 km，离电子约17 000 km。 那里的粒子在封闭的轨道中运动，被地球的磁场捕获。 还有一个巴西的磁异常-内部辐射带更靠近地面，最高可达200公里。
当伽马射线和X射线辐射（包括由于电子与设备主体的碰撞而获得的二次辐射）通过微电路时，电荷开始逐渐积累在晶体管的栅极电介质中，因此晶体管的参数开始缓慢变化-晶体管的阈值电压和泄漏电流。 普通的民用数字微电路可能已经在5000拉德后停止正常工作（但是，一个人可能在500-1000拉德后停止工作）。
在300-500 km的低轨道（人们飞行的地方），年剂量分别可以为100 rad或更小，甚至长达10年，民用微电路可以容忍所收集的剂量。 但是在> 1000 km的高轨道上，年剂量可以达到10'000-20'000 rad，而传统的微电路将在几个月内获得致命剂量。
太空电子设备中最大的问题是质子，α粒子和高能离子与重电荷粒子（TZP）的碰撞。 TZCh的能量如此之高，以至于它们“刺穿”了微电路（连同卫星的身体），并在其后留下了一个“电荷回路”。 在最佳情况下，这可能导致软件错误（0变为1，反之亦然），在最坏情况下，这可能导致晶闸管锁存。 在闩锁的芯片中，电源会短路接地，电流会变得非常大，并导致芯片烧毁。 如果您设法关闭电源并在燃烧前连接电源，则一切将照常进行。
作用在集成电路（IC）上的重空间带电粒子（TZZ）可能会导致单个数据位或程序失真。 失败的强度取决于所用记忆的类型，轨道的参数和太阳的活动。
有几种处理快照的方法：
1）监视消耗的电流，并迅速使电源失真。
2）在蓝宝石衬底上使用芯片（蓝宝石上的硅，SOS，更一般的形式是绝缘体上的硅，SOI）-这样就消除了双极寄生晶体管的形成，从而消除了瞬态现象。 但是，仍然可能存在软件错误。 蓝宝石硅晶片价格昂贵，难以加工，并且在民用领域的使用受到限制-因此，生产成本很高。
3）使用所谓的三阱工艺-由于通过pn结额外隔离了晶体管，因此还大大减少了卡住微电路的可能性，但不需要任何特殊的板或设备，因此，其生产本身比蓝宝石上的硅便宜。
从历史上看，在苏联和俄罗斯，他们更多地使用蓝宝石上的硅，而在西方，他们尝试尽可能多地使用具有三阱的常规硅（以与商业产品结合并降低成本），但他们也根据需要进行SOS / SOI。
在这种情况下，由于航天器中的SLC导致存储器内容失真或逻辑工作不正确。 要解决此问题，只能以体系结构的方式进行，例如：
-按照多数逻辑（当我们将每个块相互连接3个副本时，彼此之间相距一定距离-那么2个正确的答案将使用更多的抗错误存储单元（10个晶体管中的晶体管，而不是通常的6个）“压倒”一个错误的答案，
-在存储器，高速缓存和寄存器中使用纠错码。
但是，不可能完全消除错误，因为SLC（或更确切地说，整个次级粒子风扇）可能恰好沿着芯片发生，并且几乎有5％的芯片会发生故障。 在这里，我们需要一个由几台独立计算机组成的高度可靠的系统，并对其进行适当的编程。
结果，民用微电路在空间中的使用受到捕捉效应的限制，并且可能最好在低轨道上使用。 在高轨道和深空-我们需要特殊的抗辐射微电路，因为 那里我们被剥夺了对地球磁场的保护，一米的铅将无法使我们摆脱宇宙射线的高能粒子[2]。 应该明确定义COTS技术的应用领域，并且非法使用它们可能导致负面结果。
在太空中使用COTS技术的示例
根据CubeSat标准制造的卫星的日益普及，证实了COTS技术和工业电子电池在空间中的使用。
Kubsat，CubeSat-用于太空探索的小型（超小型）人造地球卫星的格式，其体积为1升，质量不超过1.33千克或几倍（数倍）（图1）。
图1 达乌里亚航空航天公司的 CubeSat卫星Kubsat通常使用CubeSat规格的机箱框架并购买标准配件-COTS电子产品和其他组件。 CubeSat规范是由加利福尼亚理工大学和斯坦福大学于1999年开发的，旨在简化超小型卫星的创建。
CubeSat规范包括标准化的尺寸和体系结构。 所有CubeSat分为1个单位（10×10×10 cm），2U（10×10×20 cm），3U（10×10×30 cm）等尺寸。
CubeSat标准不限制开发人员的想象力和建造航天器的工程方法。 Kubsat内部没有公认的组装说明，即描述信息，机械或电气接口的通用标准。 有一些建议，例如使电子板的尺寸与PC / 104外形尺寸相匹配，一些接线端子，信息总线和电源总线的布线方法，但是每个开发人员都可以有一个特定的实现方式[3]。
CubeSat卫星是由工业级电子设备制造的，即 一种是为在地球上开采而设计的，没有为太空做准备。 尽管如此，现代芯片的功能仍允许它们在看似不合适的条件下工作。 它们的寿命很短，但是可以确保设备的可使用性长达一年甚至更多倍[4]。
其他COTS标准
紧凑型PCI基于CompactPCI标准的系统采用机械结构，可让您将处理器和外围模块安装在具有标准互连模块的无源交叉电路板上，以在系统模块之间交换数据。 在PICMG（www.picmg.org）的主持下，由国际公司组成的财团开发的相应标准中充分记录了构造，类型和拓扑，使用的互连的特性（图2）。
图2对接CompactPCI标准模块的原理系统构建在Euromechanics 3U（图3），6U的构造中
CompactPCI标准的主要优点：
-建立多处理器，异构计算系统的能力；
-高抗冲击和抗振性；
-有效的冷却；
-支持热插拔；
-备份支持；
-使用来自不同制造商的标准机箱。
图3带CompactPCI模块的机箱根据CompactPCI标准制造的系统的可靠性的一个重要例子是机会流动站控制系统，该系统由两台基于CompactPCI标准的计算机控制[5]。
机会漫游车于2004年1月24日降落在红色星球上，并且仍在运行。
控制系统的核心是单板计算机RAD6000（制造商BAE Systems），其格式为CompactPCI 6U版本2.0。
RAD6000是IBM发行的基于RISC处理器的抗辐射单板计算机。 该部门后来成为BAE Systems的一部分。
该计算机的最大时钟速度为33 MHz，速度约为35 MIPS。
该评估板具有带ECC的128 MB RAM。 通常，VxWorks RTOS在此计算机上运行。 处理器频率可以设置为2.5、5、10或20 MHz。
电脑/ 104为了减少计算机系统的整体尺寸和功耗，1992年采用了PC / 104尺寸。 在不损害硬件和软件与流行计算机标准的兼容性的情况下，实现了每个目标。 PC104规格在3.6“ x3.8”（91.44毫米x 96.52毫米）的紧凑型板上提供了与计算机标准完全兼容的体系结构，硬件和软件。 由于使用位于板底部的104针ISA总线，因此获得了标准名称（图4）。
图4 PC / 104格式模块的堆栈PC / 104标准描述了以相互连接的板列的形式构造紧凑型嵌入式系统的模块化原理。 PC / 104系列的标准在紧凑型车载计算机系统的开发人员中得到了证明。 许多工程师之所以选择PC / 104，是因为其优点是重量轻，尺寸小，连接器的机械可靠性以及整个结构的整体性。
PC / 104系列标准描述了16位，PCI 32位并行ISA总线上的模块之间的数据交换，以及使用串行PCI-Express，USB 2.0和SATA互连的5种规范。 除了最紧凑的90×96 mm尺寸外，EPIC和EBX外形尺寸也是标准系列的一部分。
一个应用示例是使用PC / 104格式模块来构建“终结者”太空实验的设备。 在空间实验的框架内，在上中球层-太阳终结者附近的下热层高度处的可见光和近红外范围内观察到了层状结构的光谱”（图5）。
图 5-ON“终结者”。电子模块的核心是处理器板格式CPC1600（制造商Fastwel）
微型电脑MicroPC是IBM PC兼容（x86）工业计算机在恶劣环境下的外形尺寸。
MicroPC板尺寸124×112毫米。 由于最初的开发理念，MicroPC产品是嵌入式计算机市场上最能抵抗恶劣外部因素的产品。 MicroPC模块使您可以从现成的“砖块”快速构建低成本，高可靠性的嵌入式系统和自动化系统（图6）。
图6具有MicroPC格式模块的机箱设计特点：
•无源主板（背板或电缆）；
•4点安装扩展卡；
•处理器模块上可能还有其他离散和模拟输入/输出端口或PC / 104扩展模块；
•看门狗定时器；
•扩展的温度范围：-40至+85°C；
•低功耗和发热。
在太空中使用MicroRS格式模块的一个引人注目的例子是NEPTUN-ME宇航员的SOYUZ TMA-M载人航天器控制台。
当前，正在使用联盟号TMA-M系列载人飞船将其运送到地球轨道，这是对联盟号TMA航天器的改进。 这些船都配备了由NIIAO开发的新一代宇航员控制台-Neptune-ME（图7）。 遥控器是一个三处理器计算系统，包括两个通道，这些通道用于基于矩阵液晶指示器显示信息，与船上机载系统进行交换的方式以及用于机载综合体的手动控制。
图7遥控海王星-ME太空船联盟号TMA。Neptune-ME宇航员控制台设计用于通过航天器机载系统监视和操作机组人员。
考虑到下降车辆失重和减压条件下的可操作性要求，开发并选择了技术手段，即 考虑到宇航员在太空服中的工作。
计算部分是使用MicroPC模块构建的。 [6]。
结论通过使用COTS，您可以在竞争激烈的环境中快速开发产品。 如示例所示，COTS不仅用于西方开发公司，而且还用于俄罗斯联邦。
COTS使您可以创建竞争性的计算系统。 该技术是长期成功的保证，可确保在现代嵌入式计算机技术领域中应用最新的全球业务趋势和工程成果。
文学作品1. SpaceVPX-主干的空间可靠性–模块化系统，MCA：VKS№2/2016
2.
用于太空和军事的微电子学。 电子资源3.
小心！ 电子资源4.
当立方体变大时。 电子资源5. CompactPCI-建筑空间计算的标准。 CTA第1/2017号。 第30-31页。
6. Soyuz-TMA航天器的集成SOI和ISS俄罗斯分段Alpha的手动控制面板。
电子资源 。