無人機系統(tǒng)架構：下一次演變

以網絡為中心和高速串行結構技術的最新進展，以及傳統(tǒng)的設備橋接方法，使高度靈活的無人機系統(tǒng)架構能夠滿足21世紀戰(zhàn)場快速變化的需求，同時縮短上市時間并降低風險。

無人機（UAV）的作用，隨著無人機的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術任務能力的不斷擴展，對高度可靠、高性能的電子系統(tǒng)的需求不斷增加，這些系統(tǒng)可以支持平臺內以及從平臺到指揮和控制基礎設施的高帶寬網絡連接。無人機正日益成為網絡化系統(tǒng);它們是整個無人機系統(tǒng)（UAS）的一個元素，可與其他元素（如地面控制站和地面/遠程終端）通信并共享關鍵任務有效載荷和傳感器信息，以提供通用的操作畫面。

從以平臺為中心的系統(tǒng)方法到以網絡為中心的系統(tǒng)方法的遷移帶來了新的挑戰(zhàn)，使用開放式架構可以應對這些挑戰(zhàn)。以前，無人機采用以平臺為中心的架構，依賴于專有接口?，F(xiàn)在，許多設計問題都可以通過加固商業(yè)電子產品來克服，使子系統(tǒng)技術能夠包含COTS組件，并加快上市時間。結果是在戰(zhàn)場上快速部署了最新技術。

開放標準性能（如 VPX 高速串行結構）的進步，以及橋接傳統(tǒng)設備的能力，使得以顯著降低開發(fā)和物流風險開發(fā)可擴展且可互操作的以網絡為中心的子系統(tǒng)成為可能。

以網絡為中心，簡化接口

以網絡為中心的架構使無人機系統(tǒng)設計人員能夠標準化計算元素和界面元素之間的接口。例如，COTS SBC 可能沒有板載所需的 ADC/DAC，但可以在車輛的傳感器和執(zhí)行器上或附近提供具有 ADC/DAC 功能的網絡連接遠程接口單元 （RIU）。（有關以網絡為中心的參考設計，請參見圖 2。在這種情況下，RIU將數(shù)字化輸入，通過標準網絡接口（如GbE）與SBC通信，并生成模擬輸出，從而在處理器和I/ O之間創(chuàng)建標準化接口。同樣的方法也適用于網絡連接存儲 （NAS）。NAS 通過網絡文件系統(tǒng) （NFS） 協(xié)議提高了數(shù)據(jù)可訪問性，同時使以后能夠無縫地增加網絡上的存儲容量。只要新設備符合相同的 GbE 和文件共享協(xié)議，系統(tǒng)的其余部分就不會受到影響。

傳統(tǒng)上，來自平臺特定傳感器的輸入要么直接硬連線到處理器，要么通過MIL-STD-1553或ARINC-429總線傳輸，處理器板必須設計有專用信號，如離散的模擬I/O MIL-STD-1553/ARINC-429總線接口來處理該通信。這帶來了過時的風險，因為對這些特殊信號的支持沒有被業(yè)界標準化。換句話說，必須制造定制產品，其價格是陡峭的非經常性和經常性價格。為了消除這些問題，采用RIU方法，網絡連接的傳感器和效應器可以使用GbE通過網絡交換機進行通信，從而使處理器卡不需要任何特殊的板載I / O。這允許傳感器保持在原位，而處理器卡或電子系統(tǒng)可以單獨更換或升級，并具有減少主線束組件中電線數(shù)量的額外好處。結合確定性以太網，如用于航空電子設備的ARINC-664 / AFDX，可以滿足飛行控制需求。

VPX 和高速串行結構

在無人機上采用新的開放架構的另一個優(yōu)勢是它們對分布式計算的支持。在當今的系統(tǒng)中，通常每個SBC都被分配特定的功能。SBC的密度限制，目前傳導冷卻3U卡的密度限制約為18 GFLOPS，這意味著這些要求通常無法在單個插槽中解決。另一方面，分布式或集群環(huán)境使任務能夠在SBC之間共享，從而有效地將CPU功率增加到視頻處理和智能算法所需的100多個GFLOPS。與RIU協(xié)同工作，處理器現(xiàn)在可以物理地重新定位到機身內的幾乎任何地方，在那里可以更有效地管理CPU功率，電子封裝，電源和冷卻能力以及空間可用的地方。圖3顯示了一個堅固的電子外殼，它支持高速接口，可以根據(jù)VITA 48.x以不同的方式進行冷卻。

這種類型的處理器到處理器協(xié)作基本上將對稱多處理（SMP）和多核模型從插槽級別擴展到機箱級別及以后。這種協(xié)作需要高速互連，通常以每秒數(shù)千兆字節(jié)的速度進行，現(xiàn)在可以通過VPX（VITA 46）等開放標準及其對串行結構（如串行RapidIO和PCIe）的支持來實現(xiàn)。較新的開放式VPX（VITA 65）進一步完善了互操作性的引腳排列定義。機箱外部的外部通信可通過 GbE 和 10 GbE 實現(xiàn)。滿足對更多處理日益增長的需求的一種方法是對支持分布式計算的通信協(xié)議進行標準化。

與傳統(tǒng)設備橋接

隨著無人機平臺遷移到以網絡為中心的方法，1553、RS-232和CANbus等傳統(tǒng)總線將需要通過橋接設備與較新的基于GbE的接口進行通信。這種方法允許與當今現(xiàn)有預算限制相匹配的增量升級，因為不太可能同時替換所有較舊的LRU。在一段時間內，新的電子系統(tǒng)和基于傳統(tǒng)接口的舊電子系統(tǒng)必須共存。

Curtiss-Wright Controls電子系統(tǒng)的網絡橋接技術用于傳感器管理和有效載荷管理計算機，除了通過將通信協(xié)議從一側轉換為另一側來執(zhí)行數(shù)據(jù)融合之外，還可以集成傳統(tǒng)，專有和新興接口。例如，當需要從 1553 網絡升級遠程終端 （RT） 并將其放到 GbE 端時，網橋可以透明地模擬 RT 的 I/O，就好像它仍然在 1553 端一樣。無人機上的其他LRU甚至不會檢測到RT已經轉移到GbE端。總線監(jiān)視器 （BM） 和總線控制器 （BC） 也可以實現(xiàn)相同的目的。

超前思維

戰(zhàn)術和戰(zhàn)略無人機對具有先進多處理器計算技術的電子系統(tǒng)的需求帶來了許多挑戰(zhàn)。VPX （VITA 46）、開放 VPX （VITA 65） 和 VPX-REDI （VITA 48） 等開放接口標準，以及采用 GbE 和 PCIe 等標準化高速互連，使設計人員能夠克服這些挑戰(zhàn)。對等式來說，橋接傳統(tǒng)設備的能力也是至關重要的。因此，現(xiàn)在是設計人員使用以網絡為中心的開放式架構方法優(yōu)化其電子系統(tǒng)的時候了，以實現(xiàn)更高水平的處理效率和性能。

審核編輯：郭婷