開放式架構COTS外形：無人機/無人機應用的最佳方法

無人機（UAV）和無人機系統(tǒng)（UAS）正在證明阿諾德將軍的遠見卓識，因為它們成為當今適應性最強，需求量最大的兩種軍事技術。這些計劃提供耐力、效率、靈活的任務管理、攻擊能力、信息收集和連接性：使軍事指揮能夠有效、安全地增加力量的寶貴屬性。這些無人系統(tǒng)的愿景是利用其內在優(yōu)勢實現(xiàn)自動化、模塊化、全球互聯(lián)和可持續(xù)的多任務目的，從而最大限度地提高部隊利用率。美國空軍的UAS飛行計劃預測，一支更精簡、適應性更強、效率更高的空軍將包括一個廣泛的無人駕駛飛機家族，遠遠超過最早的嚴格基于監(jiān)視的前輩。

隨著新的UAS應用超越單純的監(jiān)控，包括小型便攜式車輛（甚至微型和納米尺寸），中型“戰(zhàn)斗機尺寸”車輛，大型“加油機大小”車輛以及具有獨特功能的特種車輛，因此迫切需要擴展控制它們的嵌入式計算技術。UAS應用和功能多樣性的提高支持了美國國防部對復雜、技術支持的戰(zhàn)爭的長期承諾。實現(xiàn)這一承諾將挑戰(zhàn)未來的UAS設計，以結合多任務，超堅固，以網(wǎng)絡為中心，模塊化，開放式架構功能，能夠在其給定的性能范圍內承載任何標準有效載荷。

嵌入式技術進步和廣泛的 COTS 外形已成為新型模塊化 UAS/UAV 平臺的關鍵推動因素。好消息是，UAS設計人員擁有廣泛的開放式架構COTS外形尺寸，可以滿足不斷發(fā)展的SWaP、性能、空間限制、擴展溫度和復雜的信號處理要求。確定特定UAS/UAV設計的最佳外形尺寸需要深厚的專業(yè)知識，并了解嵌入式計算替代方案提供的優(yōu)勢和設計權衡。

開放式架構 COTS 外形規(guī)格選項

在這種嵌入式設計挑戰(zhàn)的迷宮中，為所有UAV/UAS設計堅持使用單一計算外形并不是一種真正相關的方法。相反，設計人員必須利用和評估各種基于標準的選項。最佳的嵌入式計算選擇通過匹配機身要求并創(chuàng)建可互操作的基于COTS的系統(tǒng)，與聯(lián)合部隊的全球信息網(wǎng)絡集成，滿足所需的程序和UAS / UAV平臺目標。這包括添加有效負載、網(wǎng)絡和有效的數(shù)據(jù)處理、分析和傳播等功能。對以網(wǎng)絡為中心的實施的需求正在增加，這些實施使士兵、軍事系統(tǒng)和設備能夠以更高的帶寬和更高的計算性能共享實時信息。因此，需要升級現(xiàn)有部署單元中的嵌入式計算機。

從超堅固耐用的 VPX 到小型計算機模塊 （COM）、高帶寬微型 TCA 和久經(jīng)考驗的 CompactPCI，設計人員現(xiàn)在擁有更豐富、更廣泛的成熟 COTS 嵌入式計算外形選項。設計人員還可以利用對基于標準的技術的不斷進步來實現(xiàn)其多樣化和不斷發(fā)展的UAS / UAV平臺目標。由于可用的開放式架構外形規(guī)格涵蓋了廣泛的技術，因此明智的做法是評估每種技術在特定應用中的優(yōu)勢。

用于高速信號處理的 VPX

UAS有效載荷（短程，中程或遠程機身）可能包括通信，信號情報，高分辨率合成孔徑雷達（SAR），成像系統(tǒng)，甚至武器。提高態(tài)勢感知能力是首要目標，將壓縮視頻、實時視頻或其他信息下載到地面上的便攜式設備。因此，圖像壓縮和帶寬需要系統(tǒng)設計人員的很多關注。堅固耐用的 VPX 主要基于其提供高頻處理的能力以及可靠的織物解決方案，正在成為這些數(shù)據(jù)密集型無人機應用的理想平臺。

VPX 支持每個插槽的更高性能處理，還可以使用 PCIe、10 GbE 或串行快速 IO 在處理和 I/O 元素之間建立更高速的互連。這些互連在元素之間提供 10 Gbps 或聚合數(shù)百 GBps，具體取決于系統(tǒng)實現(xiàn)。VPX 系統(tǒng)使用多種不同的串行結構技術，處理高帶寬、高性能 UAS 應用所特有的信號速率增加，可實現(xiàn)大于 5 GBps 的速率。VMEbus 系統(tǒng)中不可用的全網(wǎng)狀架構可實現(xiàn)大于 100 GBps 的系統(tǒng)聚合帶寬。

VPX 平臺以 VME 的處理能力為基礎，將魯棒性和出色的 EMC（VMEbus 架構的基本優(yōu)勢）與新的高帶寬串行互連相結合，用于在背板上實現(xiàn)高速差分信號。VPX 利用每個插槽的更多 I/O（例如，以 10 GbE 的快速數(shù)據(jù)速率獲取數(shù)據(jù)，并將其分派到多個并行管理工作負載的處理器），并最大限度地提高可用處理器和芯片組的計算密度。這與主要使用并行總線技術的VMEbus平臺形成鮮明對比，這些并行總線技術多年來提供了連續(xù)的帶寬改進，從40 MBps開始，發(fā)展到今天的320 MBps。

作為 VPX 適用于需要視頻流功能的應用的一個例子，VPX 可以與 ITU-T H.263、H.264（MPEG-4 第 10 部分）和 JPEG2000 等編解碼器集成，以提供非常高效的圖像壓縮。H.264 編解碼器專門針對流式處理進行了優(yōu)化，并通過提供在可用帶寬變化時權衡圖像質量或壓縮的能力來提供極其高效的壓縮。這種靈活性使得將 VPX 與此編解碼器結合使用成為支持 UAS 視頻有效負載應用的可行選項，這些應用可能需要在許多數(shù)據(jù)鏈路選項和操作方案上運行。

微型 TCA 滿足堅固耐用的高帶寬需求

范圍和高度可能是選擇嵌入式計算外形尺寸的決定性因素。需要在遠程任務中執(zhí)行的UAS平臺通常也需要在更高的高度運行。此外，擴展的徘徊能力的范圍和高度要求也同樣高，這都轉化為在功率、重量和熱管理方面對堅固可靠的外形尺寸的需求。

一個恰當?shù)睦邮?，較大的機身可能有一個包含強制空氣冷卻的航空電子艙，其中許多較小的機身不提供這種容量。堅固耐用的風冷式微花燒 （MTCA.1）、硬化型微花型微花燒 （MTCA.2） 和傳導冷卻型微花燒 （MTCA.3） 利用 ANSI/VITA 47 規(guī)范來定義這些類型的環(huán)境要求。

MTCA.1 將微型 TCA 擴展到更惡劣的軍事環(huán)境中，如 ANSI/VITA 47 的 EAC6 環(huán)境等級和 V2 振動等級所定義。新的MTCA.3規(guī)范目前正在與PICMG一起進行，預計將定義一個傳導冷卻接口，以滿足ANSI / VITA 47中定義的最極端的熱，沖擊和振動曲線（即，在密封環(huán)境中沒有氣流的傳導冷卻系統(tǒng)中運行，這是空間受限的UAS應用所共有的）。

這些選項凸顯了微型TCA作為超堅固VPX的具有成本效益的替代品;MicroTCA的特點是高處理能力，極高的通信帶寬和高可用性設計成小尺寸。3U 或 4U 系統(tǒng)，在單個背板上挖掘多達 12 個計算刀片，所有這些刀片都可能使用多核處理器，可以在非常小的占用空間內與多達 24 個內核集成。使用MicroTCA的設計人員還可以在背板上利用多達21個高速串行連接，每個連接提供2.5 Gbps的帶寬，根據(jù)機身或其地面控制系統(tǒng)以及每個系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，可以使用廣泛的基于MicroTCA的通信帶寬容量，范圍從40 Gbps到》1 Tbps。與 VPX 的 80 GBps 聚合帶寬相比，設計人員還需要了解 VPX 還定義了大量 MicroTCA 規(guī)范中未定義的用戶 I/O 選項。

緊湊型PCI：久經(jīng)考驗的堅固耐用的長期可靠性

CompactPCI 還提供了顯著的帶寬、性能和冷卻選項。它作為主流UAS平臺的地位基于其固有的堅固性，后部I / O，支持全系列高速接口以及廣泛的PCI兼容軟件等優(yōu)勢。隨著英特爾的 32 納米、基于凌動的低功耗處理器和多核架構等技術進步在空間和節(jié)能方面的改進，許多設計人員認為 CompactPCI 非常適合于在單個背板中管理通過 GbE 進行通信的自包含式網(wǎng)絡實施。盡管 CompactPCI 在很大程度上被限制在 1 GB 的速度和并行 PCI（與 VPX 背板相比，帶寬顯著降低），但它使用相同的 3U/6U 機制，因此可以輕松適應相同的惡劣環(huán)境。

集成的 32 nm 處理器技術以及多核性能優(yōu)勢意味著 CompactPCI 系統(tǒng)可以支持新的、計算密集型的應用，如 UAV 和 UAS，其特點是極端條件、全天候性能和高速處理。多核處理器技術和功耗感知型設計在相同或更低的散熱和功耗范圍內實現(xiàn)更高的整體性能，從根本上延長了現(xiàn)有外形標準（如 CompactPCI）的使用壽命，并為升級和延長當前部署系統(tǒng)的使用壽命提供了選項?，F(xiàn)有系統(tǒng)可以將 10 個 CompactPCI 2.16 單核板修剪為僅兩個雙核或四核板。當UAS常見的數(shù)據(jù)密集型應用需要超高性能時，可以實現(xiàn)多個四核板。低功耗 CompactPCI 板可針對對流冷卻和強制氣流應用實現(xiàn)基于被動冷卻的合適性能功率比（表 1）。

表 1：即使在過去五年中，性能與功率的比率也有所改善。在相同的散熱設計功耗 （TDP） 封裝下，設計人員現(xiàn)在可以使用能夠在擴展溫度環(huán)境中運行的處理器將性能提高 24 倍。

計算機模塊：受限空間的電源和性能

小型UAS級機身代表了空戰(zhàn)的深刻技術進步，在伊拉克自由行動的最初階段具有經(jīng)過驗證的實用性和能力。全動態(tài)視頻不僅為指揮官而且為每個服務人員提供救生的態(tài)勢感知，也許是這些小型但必不可少的無人機設備最重要的任務。

這些 COM 基于緊湊型英特爾凌動解決方案，在性能與滿足這些小型且極其節(jié)能的 UAS 設備至關重要的 SWaP 要求的能力之間取得了平衡。例如，45 納米英特爾凌動處理器架構可在亞 W 級熱功率范圍內實現(xiàn)快速性能（時鐘速度在 1.1 GHz 至 1.6 GHz 之間）。它具有高達533 MHz的功耗優(yōu)化前端總線，可實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。這反過來又使節(jié)能的高端圖形設備（如無人機或UAS中的圖形設備）的開發(fā)成為可能，而不會將COM的安全且經(jīng)過驗證的開發(fā)路徑作為既定且面向未來的行業(yè)標準。集成英特爾酷睿 i7 先進技術的 COM 現(xiàn)已上市，在性能和板載功能方面提供了更大的設計靈活性。每瓦性能一如既往的好，通過增強的 I/O 功能幾乎沒有任何性能折衷。

總體而言，基于Core i7的平臺采用了更高效的雙芯片解決方案，可實現(xiàn)更好的信號完整性和最小的電路板空間，從而在更小的、功率受限的便攜式設計中實現(xiàn)更高的性能。對于視覺要求苛刻的UAV/UAS應用，如計算和圖形密集型成像或持久監(jiān)控應用，該技術還提供了顯著增強的集成圖形功能和數(shù)據(jù)流性能。

提前規(guī)劃

美國空軍的飛行計劃指出，“標準和互操作性是聯(lián)合部隊在當今網(wǎng)絡環(huán)境中獲得信息優(yōu)勢的關鍵。［2］這些目標要求在一系列系統(tǒng)內安裝一套通用的機身，所有這些都基于標準接口和可互操作的即插即用有效載荷，這些有效載荷是為支持聯(lián)合部隊的一個或多個優(yōu)先事項而量身定制的。這一策略代表了一個重大轉變，對軍事嵌入式設計人員來說意義重大。不再是以平臺為中心的模型，取得成功意味著設計人員不僅要解決系統(tǒng)的工作原理，還要解決它如何與聯(lián)合部隊的全球信息網(wǎng)絡集成的問題。

隨著各種廣泛的應用需求不斷發(fā)展，無人機/無人機的設計人員明智地采用開放式架構 COTS 外形尺寸方法，如 VPX、微型 TCA、緊湊型PCI 或 COM。這些可以在更高的計算密度、低功耗、小尺寸、增強的熱管理、增加的I/O帶寬和優(yōu)化的處理架構方面取得進展。結果：設計人員擁有豐富的模塊化系統(tǒng)選擇，以滿足其設計和平臺目標。

審核編輯：郭婷