UAS有效載荷在更小的封裝中獲得更智能的傳感器

對智能傳感器的需求是能夠更遠地看到并在小型、低重量的封裝中生成高質(zhì)量圖像，這推動了無人機系統(tǒng)（UAS）有效載荷的發(fā)展。這些系統(tǒng)的設(shè)計人員還面臨著各種挑戰(zhàn)，例如在提高性能的同時平衡減小的尺寸、重量和功率（SWaP）要求、不確定的國防部資金優(yōu)先級以及數(shù)據(jù)鏈路帶寬限制。

美國軍隊從部署無人機系統(tǒng)（UAS）中獲得的優(yōu)勢是毋庸置疑的。從“全球鷹”的情報、監(jiān)視和偵察（ISR）能力到武裝的“捕食者”B飛機的殺傷力，這些平臺一直是美國在伊拉克、阿富汗和全球追捕恐怖分子的力量倍增器。

雖然這些戰(zhàn)爭正在逐漸平息，但對無人機的需求保持穩(wěn)定，但它們的任務(wù)正在發(fā)生變化。在不久的將來，在沒有爆發(fā)另一場戰(zhàn)爭的情況下，它們將被重新用于各種ISR，信號情報（SIGINT）和通信情報（COMINT）任務(wù)，但用于交付武器的用途較少。然而，由于國防部預(yù)算的封存和其他削減，這些任務(wù)將如何以及這些有效載荷設(shè)計將如何獲得資金仍然不確定?？梢钥隙ǖ氖?，這些有效載荷設(shè)計人員將生產(chǎn)出更智能、性能更好的傳感器，以繞過低空對地數(shù)據(jù)鏈路。他們還將圍繞他們主要自行開發(fā)的系統(tǒng)中的減小尺寸，重量和功率（SWaP）要求進行設(shè)計，因為國防部減少了技術(shù)開發(fā)支出。

“在購買之前，有一種飛行的動力，”馬薩諸塞州切姆斯福德水星系統(tǒng)公司業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Christy Doyle說。“過去，政府在有效載荷開發(fā)方面進行了大量投資，但今天該行業(yè)必須在政府購買系統(tǒng)之前進行投資。政府還參與了飛行演示，以鑒定每個平臺的有效載荷。它正在走向一種商業(yè)商業(yè)模式，要求承包商在我們開發(fā)系統(tǒng)時與客戶保持同步。對多任務(wù)ISR有效載荷的需求很大，可以在多個平臺上使用。在這種不確定的預(yù)算環(huán)境中，國防部客戶正在評估優(yōu)先任務(wù)，要求承包商保持接近評估過程。

有效負載要求

“對”捕食者“有效載荷的要求正趨向于用于窄視場偵察的更高分辨率的光學(xué)和紅外相機，”圣地亞哥通用原子公司戰(zhàn)略發(fā)展總監(jiān)Chris Pehrson說?！袄走_和其他傳感器用于觀測大面積行動，覆蓋數(shù)十甚至數(shù)百平方公里。這在太平洋海域的海盜和反恐應(yīng)用方面尤其重要。這些任務(wù)不僅需要狹窄的視野進行詳細觀察，還需要廣域監(jiān)視，以實現(xiàn)持續(xù)的態(tài)勢感知。例如，在海域，我們的Lynx雷達能夠探測到大面積上的小型船只和半潛式潛水器，并與高分辨率相機交叉提示以進行近距離觀察。這有助于確定是否存在非法販運或潛在的盜版活動。

“廣域監(jiān)控也通過廣域運動圖像（WAMI）等傳感器完成，這些傳感器可以提供對多個城市街區(qū)或其他大型地理區(qū)域的持續(xù)觀察，”他繼續(xù)說道。“多光譜和高光譜傳感器，以及信號智能（SIGINT）傳感器，能夠觀察大面積區(qū)域。這些傳感器可以搜索唯一的特征碼，或檢測無線電和其他潛在威脅或?qū)κ值陌l(fā)射。其中許多是模塊化的，安裝在吊艙上，因此可以根據(jù)任務(wù)要求將它們安裝在MQ-9收割者或新的捕食者C復(fù)仇者上。

GA-ASI還在開發(fā)激光雷達傳感器，這是一種有源成像系統(tǒng)，它使用激光提供全視場瞄準，地理校正以獲得準確的GPS坐標以及樹葉穿透能力。該傳感器可以與現(xiàn)有的光電/紅外傳感器集成，以大大提高其性能。當激光雷達用于樹葉穿透時，任何幾何形狀都會跳出來。

“軍用傳感器市場正在推動我們走向高清和激光指定，但每個人都希望以更輕的重量和更緊湊的系統(tǒng)進一步看到 - 特別是在UAS和直升機社區(qū)，”俄勒岡州威爾遜維爾FLIR政府系統(tǒng)營銷副總裁David Strong說。

更小的有效負載，更高的性能

“關(guān)于有效載荷萬向節(jié)的大小一直存在二分法，”斯特朗說?！叭绻阆肟催h距離，你需要一個16或15英寸，重約100磅的萬向節(jié)。權(quán)衡是你不能承受那么多的負擔。標準操作程序是使用40或50磅的較小萬向節(jié)重量。這是你必須做出的選擇。這只是一個物理學(xué)問題，關(guān)于你可以在一個系統(tǒng)中裝多少光學(xué)元件。

“因此，我們所做的是扭轉(zhuǎn)這種權(quán)衡，并改變了我們?nèi)绾谓M合有效載荷的幾何形狀 - 因為我們希望具有大萬向節(jié)的性能，但在10英寸萬向節(jié)中重量只有一半或更好，”他解釋說?！斑@是一個幾何形狀的問題，但你必須重新設(shè)計里面的一切。我們可以做到這一點，因為我們制造了所有的組件。結(jié)果是星形薩菲爾HDc - C代表緊湊。它具有重量一半的大萬向節(jié)的性能。它是一個直徑為15英寸的萬向節(jié)，而典型的大萬向節(jié)的高度在18到20英寸或更多英寸之間。我們將其高度降低到不到14英寸。這減少了一半的重量，但封裝仍然具有相同數(shù)量的多個傳感器，長焦距，大光圈等。

通過標準、FPGA 管理 SWaP、成本

并非每個小型系統(tǒng)都需要定制設(shè)計，許多集成商將轉(zhuǎn)向VPX等標準作為其有效載荷設(shè)計。更大的UAS平臺，如捕食者將使用3U和6U VPX系統(tǒng)，但較小的UAS沒有足夠的空間，這就是小型（SFF）設(shè)計適合的地方，亞利桑那州噴泉山VITA標準組織執(zhí)行主任Ray Alderman說。

“在UAS有效載荷中總是存在SWaP挑戰(zhàn)。許多人使用定制的SFF設(shè)計來解決這些問題，但這不僅在前期成本很高，而且在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)都是昂貴的，“加利福尼亞州弗里蒙特Themis Computer業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Bill Ripley說，”利用VITA 74 SFF等標準，集成商能夠采購?fù)ǔr格比類似的6U產(chǎn)品或定制設(shè)計低50%的設(shè)計， 同時保持軍事環(huán)境規(guī)范。我們看到業(yè)界越來越希望保持標準，而不是定制外形尺寸。一些定制外形尺寸可以具有較低的初始成本和初始價格，但為了在項目的整個生命周期內(nèi)節(jié)省成本，基于標準的系統(tǒng)仍然是最佳選擇。對于傳統(tǒng)尺寸的UAS應(yīng)用，泰米斯提供納米ATR VITA 74產(chǎn)品。對于大型應(yīng)用，我們提供 3U VPX 系統(tǒng)。

“當我們第一次開始研究VITA 74時，明顯的市場利基是UASs，大約在同一時間，有一個很大的推動力，對地面車輛進行資本重組，并建造新的先進戰(zhàn)術(shù)地面車輛，”Ripley繼續(xù)說道?！斑@升溫了，因為與他們相關(guān)的數(shù)字很大。有一段時間，地面車輛比在自己的領(lǐng)域更能促進UAS市場的發(fā)展。大量的開發(fā)成本都花在了UAS平臺中使用的硬件上。UAS市場有需求，但當時沒有資產(chǎn)數(shù)量?，F(xiàn)在，當UAS市場可能升溫時，地面車輛市場正在平靜下來。

水星系統(tǒng)工程師利用FPGA技術(shù)實現(xiàn)信號處理功能，并在其較小的有效載荷設(shè)計中減少了電子占用空間?！拔覀兊腃OMINT有效載荷是一個基于FPGA的系統(tǒng)，具有天線陣列設(shè)計和電子系統(tǒng)，獨立在一個小吊艙中，”Doyle說?！斑@個小吊艙是專門為方便現(xiàn)場改造而設(shè)計的，因此可以快速安裝在機翼下或完全集成到機身中。

“FPGA的使用使我們能夠在相同的重量和直流功率足跡下提供巨大的信號處理能力，”水星系統(tǒng)公司ISR系統(tǒng)技術(shù)總監(jiān)Chris Michalski說。“在以前的系統(tǒng)中，大多數(shù)處理都是在通用CPU中執(zhí)行的。前端處理中涉及的FPGA并不多。今天，我們提供采用加固型嵌入式板的系統(tǒng)，這些板卡利用 FPGA。這使我們能夠以比運行標準 PowerPC 器件低得多的直流功耗水平將處理卸載到 FPGA 上。像 Xilinx Virtex-6 這樣的 FPGA 不僅在性能方面，而且在降低功耗方面都相當不錯，因為其功能尺寸很小。

數(shù)據(jù)鏈路帶寬問題

設(shè)計人員在傳感器旁邊封裝如此多信號處理馬力的另一個原因是繞過空對地數(shù)據(jù)鏈路的帶寬限制?！八麄儽仨殞?a target="_blank">處理器移近傳感器，并在將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面之前對其進行預(yù)處理，”Alderman說?！八愃朴谛l(wèi)星有效載荷，它們具有攝像機并使用圖像采集卡將圖像發(fā)送到地面。好吧，如果什么都沒發(fā)生，您將發(fā)送相同的幀三到四次。需要壓縮數(shù)據(jù)，以便僅發(fā)送與上一個圖像不同的圖像。這需要大型處理系統(tǒng)，如VPX。

“讓作戰(zhàn)人員獲得可操作的情報是一項挑戰(zhàn)，因為在UAS平臺上生成的大量數(shù)據(jù)，”Doyle說?！按_定哪些數(shù)據(jù)是真正可操作的可能需要很長時間，因此，如果您可以在有效載荷級別自動執(zhí)行建議，則可以使作戰(zhàn)人員騰出時間專注于其他任務(wù)。

“對于小型有效載荷，到地面的數(shù)據(jù)鏈路帶寬甚至比大型系統(tǒng)差，”Michalski說?！霸S多這些平臺甚至沒有地面鏈接或圖像鏈接。有時，飛機上的鏈路帶寬小于 SIGINT 有效負載提供商使用的帶寬。這也是一個資產(chǎn)管理問題，因為軍方不想增加更多的資產(chǎn)或地面人員來操作新的有效載荷，同時仍然操作舊的有效載荷。

審核編輯：郭婷