小型UAS有效載荷帶來SWaP和帶寬挑戰(zhàn)

軍用無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）的有效載荷不斷發(fā)展 - 使用更智能的傳感器和更小的整體占地面積 - 但必須克服尺寸，重量和功率（SWaP）設(shè)計(jì)障礙，以及比理想速度慢的傳感器處理，下行鏈路帶寬不足和安全挑戰(zhàn)。

隨著軍用無人機(jī)的不斷發(fā)展和尺寸的縮?。ㄏ胂氤扇旱男⌒蜔o人機(jī)），它們產(chǎn)生的有效載荷足跡帶來了許多嚴(yán)格的SWaP設(shè)計(jì)空間限制和權(quán)衡，以及傳感器處理、數(shù)據(jù)鏈帶寬和安全問題。

“有一種趨勢是越來越小的［有效載荷］，部分原因是更小的［UAS平臺(tái)］趨勢，”阿拉巴馬州亨茨維爾的Abaco Systems圖形和GPGPU產(chǎn)品產(chǎn)品經(jīng)理Stuart Heptonstall說。“這些較小的［平臺(tái)］必須更輕，更靈活，更快，并且具有更長的范圍，這都會(huì)影響內(nèi)部的電子系統(tǒng)。每一平方英寸都很重要。

大多數(shù)應(yīng)用程序要求在保持 SWaP 包絡(luò)的同時(shí)增加功能，這意味著每個(gè)插槽的性能更高。“這意味著我們的卡上采用了領(lǐng)先的片上系統(tǒng)（SoC）技術(shù)，”Heptonstall指出。

Heptonstall指出，其他系統(tǒng)需要顯著降低SWaP，這“可能意味著［有效載荷］內(nèi)的電路板外形更小，具有優(yōu)化的應(yīng)用特定功能?！斑@種情況的挑戰(zhàn)？交易一定程度的靈活性，以滿足具有挑戰(zhàn)性的SWaP減少。

然后是重量問題：向更?。ㄓ行лd荷）的趨勢意味著“小型分布式系統(tǒng)的潛力趨勢”，Heptonstall繼續(xù)說道?！斑@些系統(tǒng)可以放置在較小的［UAS平臺(tái)］中的較小空間中，并且還具有更好地平衡［UAS］重量分布的潛力。剝離重量始終是一個(gè)挑戰(zhàn)，直接影響內(nèi)部卡片的設(shè)計(jì)。在電路板層面，與尺寸一樣，減輕重量意味著“在需要維護(hù)SWaP包絡(luò)的應(yīng)用中，每個(gè)插槽的性能顯著提高，”Heptonstall說?！跋喾矗偌词嵌嗟脑O(shè)計(jì)方法可以部署在顯著減少SWaP的應(yīng)用中。對于這些場景，對于更廣泛的 COTS（商用現(xiàn)貨）應(yīng)用和歸位于特定于應(yīng)用的重量優(yōu)化設(shè)計(jì)，可能需要進(jìn)行某些權(quán)衡。這有時(shí)是必要的。

在功率方面，性能密切相關(guān)?！霸谛〕叽绾屯鈿ぶ衅胶庑阅芘c熱功耗始終是主要挑戰(zhàn)，”Heptonstall 解釋道?！霸诠芾砩岚j(luò)的同時(shí)賦予系統(tǒng)行業(yè)領(lǐng)先的性能會(huì)讓工程師頭疼。同樣，類似的原則也適用，例如通過為應(yīng)用選擇合適的SoC來優(yōu)化板級設(shè)計(jì)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)和PCB以提高熱效率。板級設(shè)計(jì)和機(jī)械外殼設(shè)計(jì)必須緊密對齊，以便電子設(shè)計(jì)人員認(rèn)識到熱和機(jī)械挑戰(zhàn)，反之亦然。

ISR 有效負(fù)載的傳感器處理

降低SWaP還意味著將更高的性能封裝到不斷縮小的設(shè)計(jì)尺寸中，以滿足對更多傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)滿足需求。

美國軍方“對融合數(shù)據(jù)并更接近實(shí)時(shí)地訪問數(shù)據(jù)越來越感興趣，”通用原子航空系統(tǒng)公司任務(wù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)部門電子有效載荷總監(jiān)羅賓·斯奈德說?！叭绻阍陲w機(jī)上近乎實(shí)時(shí)地進(jìn)行處理，然后通過鏈接獲取數(shù)據(jù)，你可以更快地獲得信息。

“大多數(shù)大型平臺(tái)都提供多種模式，因此將這些孔徑與機(jī)載處理相結(jié)合以提高態(tài)勢感知的能力是非常可取的，”Abaco Systems業(yè)務(wù)開發(fā)和技術(shù)總監(jiān)Peter Thompson說。

軍事UAS用戶“正在從他們的傳感器實(shí)時(shí)尋求可操作的情報(bào) - 無論傳感器是雷達(dá)，電子戰(zhàn)還是ISR（情報(bào)，監(jiān)視和偵察）傳感器鏈的一部分，”馬薩諸塞州切姆斯福德Mercury Systems嵌入式產(chǎn)品集團(tuán)產(chǎn)品管理總監(jiān)Shaun McQuaid說?！叭缓?，這種情報(bào)需要作為整個(gè)態(tài)勢感知包的一部分緊密結(jié)合地呈現(xiàn)。這些功能源自強(qiáng)大的數(shù)字、射頻和微波處理資源，這些資源越來越多地直接安裝在平臺(tái)本身上。問題在于，這些傳感器的功能越來越強(qiáng)大，并且流動(dòng)的數(shù)據(jù)越來越多;將所有這些數(shù)據(jù)發(fā)送給當(dāng)?shù)氐姆治鰩熂炔幻髦牵矌缀跏遣豢赡艿摹?/p>

傳感器的更多處理

有哪些選項(xiàng)可以使處理更接近傳感器？UAS集成商“正在以兩種方式之一來解決這個(gè)問題，”McQuaid說。“一個(gè)是盡可能高的處理性能應(yīng)該駐留在UAS上，但執(zhí)行此操作所需的SWaP可能是限制性的 - 它取決于平臺(tái)。在某些情況下，我們看到我們的客戶將六個(gè)或八個(gè) 3U 模塊堆疊到平臺(tái)或 Pod 上?；蛘?，在機(jī)箱級別，完全有可能使用相同的SWaP占用空間從一個(gè)或兩個(gè)6U模塊中獲得類似的功能。在風(fēng)險(xiǎn)、可靠性、成本、預(yù)集成工作等方面存在許多權(quán)衡。

McQuaid說，Mercury Systems也看到了對直接數(shù)字化的興趣 - 直接從傳感器獲取RF并在傳感器本身后面進(jìn)行數(shù)字化，以避免調(diào)諧和下變頻?！癠AS需要寬頻譜帶寬和動(dòng)態(tài)數(shù)字化的能力。這樣，您就可以直接從傳感器中彈出極其寬帶的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。這是通過直接連接到傳感器的FPGA處理和高效的后端處理來實(shí)現(xiàn)的。

因此，［我們看到］正在推動(dòng)“高密度的服務(wù)器類型架構(gòu)，旨在復(fù)制你在亞馬遜或谷歌數(shù)據(jù)中心找到的服務(wù)器架構(gòu)，”McQuaid繼續(xù)說道。“他們使用相同的英特爾處理器和類似的通用處理架構(gòu)。我們的客戶將這些處理能力放在傳感器后面，以執(zhí)行服務(wù)器級的大數(shù)據(jù)分析。歸根結(jié)底，我們真正使用這些高端傳感器所做的是解決大數(shù)據(jù)問題 - 它必須在平臺(tái)上解決，因?yàn)槲覀儧]有數(shù)據(jù)鏈路帶寬或時(shí)間來處理它在傳統(tǒng)的地面場景中。

帶寬挑戰(zhàn)

嵌入式計(jì)算和信號處理方面的創(chuàng)新減少了SWaP和傳感器的融合，但從有效載荷中獲得可操作情報(bào)的下行鏈路仍然頑固地受到瓶頸。為了解決這個(gè)問題，嵌入式計(jì)算公司和系統(tǒng)集成商正在推動(dòng)處理器更接近傳感器，以便在下行鏈路之前解析生成的大量傳感器數(shù)據(jù)。

Snider指出，下行鏈路缺乏帶寬始終是一個(gè)問題，但這是該行業(yè)幾十年來一直存在的問題，并且已經(jīng)掌握了這個(gè)問題?！澳銜?huì)認(rèn)為要獲得更多帶寬會(huì)持續(xù)掙扎，而且在某種程度上是有的，但現(xiàn)實(shí)情況是，我們幾乎可以用相對較小的數(shù)據(jù)鏈路管道做任何事情，”他補(bǔ)充道?！暗怯幸环N新的功能，具有大量像素和數(shù)據(jù)的專用傳感器，小數(shù)據(jù)鏈確實(shí)會(huì)限制它們，所以現(xiàn)在處理它們的方式是記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行后處理。在這些情況下，更寬帶寬的數(shù)據(jù)鏈路具有價(jià)值。

“視頻是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，”Abaco Systems的Thompson說。“與所有傳感器衍生的數(shù)據(jù)一樣，趨勢是分辨率提高以提供更詳細(xì)的信息;對于高清正在迅速成為常態(tài)的視頻來說，這當(dāng)然是正確的。這里的訣竅是壓縮 - JPEG2000或更高，越來越多的H.264（AVC /高級視頻編碼），以及未來的H.265（HEVC /高效視頻編碼）。

保護(hù) UAS 有效載荷數(shù)據(jù)

安全性對 UAS 來說是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谏漕l鏈路的系繩上保護(hù)某些東西非常困難?！拔覀冋谂μ岣甙踩裕?yàn)檫@一領(lǐng)域的威脅正在繼續(xù)惡化，”通用原子公司的Snider說。

今天，所有UAS應(yīng)用程序都在處理網(wǎng)絡(luò)安全或系統(tǒng)完整性問題，并且必須加強(qiáng)安全性，因?yàn)槊褡鍑一蚱渌麗阂庑袨檎呖赡軙?huì)通過訪問其數(shù)據(jù)或通信來接管無人機(jī)的控制權(quán) - 或者更糟糕的是，成群的無人機(jī)。

“許多民族國家都喜歡玩這個(gè)游戲，所以我們需要非常小心我們所暴露的內(nèi)容，”水星系統(tǒng)的麥奎德指出?！鞍踩幚斫^對是通向未來的道路，很快可能不是可選的。

無人機(jī)系統(tǒng)的未來

展望未來，更小，更便宜的UAS是要走的路，根據(jù)Abaco Systems的Thompson的說法。“期望在這些較小的平臺(tái)上看到更多的網(wǎng)絡(luò)和智能，以實(shí)現(xiàn)合作蜂擁，”他說?！皞鞲衅鲗⒏蟾?- 具有更密集的焦平面陣列和新模式，例如建筑物內(nèi)部的穿墻成像。當(dāng)然，這將推動(dòng)數(shù)據(jù)速率和所需的計(jì)算能力越來越高。

毫不奇怪，SWaP將繼續(xù)發(fā)揮核心作用。McQuaid說：“關(guān)注對SWaP減少的持續(xù)關(guān)注，以及利用最佳商業(yè)處理和軟件技術(shù)（尤其是數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域）并將其應(yīng)用于無人駕駛車輛的更大舉措。“因此，戰(zhàn)術(shù)性的、基于移動(dòng)云的架構(gòu)將獲得進(jìn)一步的牽引力。通過使用可用的計(jì)算機(jī)資源池，許多無人平臺(tái)可以利用它來卸載一些傳感器處理。離散平臺(tái)不再需要單獨(dú)處理整個(gè)處理負(fù)擔(dān)。..。..這是一種群體建筑形式，它開始讓人感覺到它的存在。

預(yù)計(jì)UAS的應(yīng)用將繼續(xù)增長?！拔覀冋诳吹叫滦腿蝿?wù)，例如使用無人機(jī)監(jiān)測聲納浮標(biāo)場，這是以前從未做過的，”斯奈德指出。另一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域是“垂直起降的激進(jìn)趨勢”。這是一個(gè)正在積極探索全新一代無人機(jī)的領(lǐng)域。還有對自治的推動(dòng);最初，有人抵制它，但現(xiàn)在我們看到人們對飛機(jī)至少擁有一定程度的自主權(quán)更感興趣。最終，他們需要或多或少地完全自主。

審核編輯：郭婷