無人機(jī)（UAV）和無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）正在證明阿諾德將軍的遠(yuǎn)見卓識(shí)，因?yàn)樗鼈兂蔀楫?dāng)今適應(yīng)性最強(qiáng)，需求量最大的兩種軍事技術(shù)。這些計(jì)劃提供耐力、效率、靈活的任務(wù)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(nèi)在優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、模塊化、全球互聯(lián)和可持續(xù)的多任務(wù)目的，從而最大限度地提高部隊(duì)利用率。美國空軍的UAS飛行計(jì)劃預(yù)測(cè)，一支更精簡、適應(yīng)性更強(qiáng)、效率更高的空軍將包括一個(gè)廣泛的無人駕駛飛機(jī)家族，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最早的嚴(yán)格基于監(jiān)視的前輩。

隨著新的UAS應(yīng)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(jī)尺寸”車輛，大型“加油機(jī)大小”車輛以及具有獨(dú)特功能的特種車輛，因此迫切需要擴(kuò)展控制它們的嵌入式計(jì)算技術(shù)。UAS應(yīng)用和功能多樣性的提高支持了美國國防部對(duì)復(fù)雜、技術(shù)支持的戰(zhàn)爭(zhēng)的長期承諾。實(shí)現(xiàn)這一承諾將挑戰(zhàn)未來的UAS設(shè)計(jì)，以結(jié)合多任務(wù)，超堅(jiān)固，以網(wǎng)絡(luò)為中心，模塊化，開放式架構(gòu)功能，能夠在其給定的性能范圍內(nèi)承載任何標(biāo)準(zhǔn)有效載荷。

嵌入式技術(shù)進(jìn)步和廣泛的 COTS 外形已成為新型模塊化 UAS/UAV 平臺(tái)的關(guān)鍵推動(dòng)因素。好消息是，UAS設(shè)計(jì)人員擁有廣泛的開放式架構(gòu)COTS外形尺寸，可以滿足不斷發(fā)展的SWaP、性能、空間限制、擴(kuò)展溫度和復(fù)雜的信號(hào)處理要求。確定特定UAS/UAV設(shè)計(jì)的最佳外形尺寸需要深厚的專業(yè)知識(shí)，并了解嵌入式計(jì)算替代方案提供的優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)權(quán)衡。

開放式架構(gòu) COTS 外形規(guī)格選項(xiàng)

在這種嵌入式設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的迷宮中，為所有UAV/UAS設(shè)計(jì)堅(jiān)持使用單一計(jì)算外形并不是一種真正相關(guān)的方法。相反，設(shè)計(jì)人員必須利用和評(píng)估各種基于標(biāo)準(zhǔn)的選項(xiàng)。最佳的嵌入式計(jì)算選擇通過匹配機(jī)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(duì)的全球信息網(wǎng)絡(luò)集成，滿足所需的程序和UAS / UAV平臺(tái)目標(biāo)。這包括添加有效負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)和有效的數(shù)據(jù)處理、分析和傳播等功能。對(duì)以網(wǎng)絡(luò)為中心的實(shí)施的需求正在增加，這些實(shí)施使士兵、軍事系統(tǒng)和設(shè)備能夠以更高的帶寬和更高的計(jì)算性能共享實(shí)時(shí)信息。因此，需要升級(jí)現(xiàn)有部署單元中的嵌入式計(jì)算機(jī)。

從超堅(jiān)固耐用的 VPX 到小型計(jì)算機(jī)模塊 （COM）、高帶寬微型 TCA 和久經(jīng)考驗(yàn)的 CompactPCI，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在擁有更豐富、更廣泛的成熟 COTS 嵌入式計(jì)算外形選項(xiàng)。設(shè)計(jì)人員還可以利用對(duì)基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)的不斷進(jìn)步來實(shí)現(xiàn)其多樣化和不斷發(fā)展的UAS / UAV平臺(tái)目標(biāo)。由于可用的開放式架構(gòu)外形規(guī)格涵蓋了廣泛的技術(shù)，因此明智的做法是評(píng)估每種技術(shù)在特定應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

用于高速信號(hào)處理的 VPX

UAS有效載荷（短程，中程或遠(yuǎn)程機(jī)身）可能包括通信，信號(hào)情報(bào)，高分辨率合成孔徑雷達(dá)（SAR），成像系統(tǒng)，甚至武器。提高態(tài)勢(shì)感知能力是首要目標(biāo)，將壓縮視頻、實(shí)時(shí)視頻或其他信息下載到地面上的便攜式設(shè)備。因此，圖像壓縮和帶寬需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的很多關(guān)注。堅(jiān)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(jī)應(yīng)用的理想平臺(tái)。

VPX 支持每個(gè)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(shí)現(xiàn)。VPX 系統(tǒng)使用多種不同的串行結(jié)構(gòu)技術(shù)，處理高帶寬、高性能 UAS 應(yīng)用所特有的信號(hào)速率增加，可實(shí)現(xiàn)大于 5 GBps 的速率。VMEbus 系統(tǒng)中不可用的全網(wǎng)狀架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大于 100 GBps 的系統(tǒng)聚合帶寬。

VPX 平臺(tái)以 VME 的處理能力為基礎(chǔ)，將魯棒性和出色的 EMC（VMEbus 架構(gòu)的基本優(yōu)勢(shì)）與新的高帶寬串行互連相結(jié)合，用于在背板上實(shí)現(xiàn)高速差分信號(hào)。VPX 利用每個(gè)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(gè)并行管理工作負(fù)載的處理器），并最大限度地提高可用處理器和芯片組的計(jì)算密度。這與主要使用并行總線技術(shù)的VMEbus平臺(tái)形成鮮明對(duì)比，這些并行總線技術(shù)多年來提供了連續(xù)的帶寬改進(jìn)，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(yīng)用的一個(gè)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(duì)流式處理進(jìn)行了優(yōu)化，并通過提供在可用帶寬變化時(shí)權(quán)衡圖像質(zhì)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(jié)合使用成為支持 UAS 視頻有效負(fù)載應(yīng)用的可行選項(xiàng)，這些應(yīng)用可能需要在許多數(shù)據(jù)鏈路選項(xiàng)和操作方案上運(yùn)行。

微型 TCA 滿足堅(jiān)固耐用的高帶寬需求

范圍和高度可能是選擇嵌入式計(jì)算外形尺寸的決定性因素。需要在遠(yuǎn)程任務(wù)中執(zhí)行的UAS平臺(tái)通常也需要在更高的高度運(yùn)行。此外，擴(kuò)展的徘徊能力的范圍和高度要求也同樣高，這都轉(zhuǎn)化為在功率、重量和熱管理方面對(duì)堅(jiān)固可靠的外形尺寸的需求。

一個(gè)恰當(dāng)?shù)睦邮牵^大的機(jī)身可能有一個(gè)包含強(qiáng)制空氣冷卻的航空電子艙，其中許多較小的機(jī)身不提供這種容量。堅(jiān)固耐用的風(fēng)冷式微花燒 （MTCA.1）、硬化型微花型微花燒 （MTCA.2） 和傳導(dǎo)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(kuò)展到更惡劣的軍事環(huán)境中，如 ANSI/VITA 47 的 EAC6 環(huán)境等級(jí)和 V2 振動(dòng)等級(jí)所定義。新的MTCA.3規(guī)范目前正在與PICMG一起進(jìn)行，預(yù)計(jì)將定義一個(gè)傳導(dǎo)冷卻接口，以滿足ANSI / VITA 47中定義的最極端的熱，沖擊和振動(dòng)曲線（即，在密封環(huán)境中沒有氣流的傳導(dǎo)冷卻系統(tǒng)中運(yùn)行，這是空間受限的UAS應(yīng)用所共有的）。

這些選項(xiàng)凸顯了微型TCA作為超堅(jiān)固VPX的具有成本效益的替代品;MicroTCA的特點(diǎn)是高處理能力，極高的通信帶寬和高可用性設(shè)計(jì)成小尺寸。3U 或 4U 系統(tǒng)，在單個(gè)背板上挖掘多達(dá) 12 個(gè)計(jì)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(nèi)與多達(dá) 24 個(gè)內(nèi)核集成。使用MicroTCA的設(shè)計(jì)人員還可以在背板上利用多達(dá)21個(gè)高速串行連接，每個(gè)連接提供2.5 Gbps的帶寬，根據(jù)機(jī)身或其地面控制系統(tǒng)以及每個(gè)系統(tǒng)的實(shí)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(shè)計(jì)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(xiàng)。

緊湊型PCI：久經(jīng)考驗(yàn)的堅(jiān)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(xiàng)。它作為主流UAS平臺(tái)的地位基于其固有的堅(jiān)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(shì)。隨著英特爾的 32 納米、基于凌動(dòng)的低功耗處理器和多核架構(gòu)等技術(shù)進(jìn)步在空間和節(jié)能方面的改進(jìn)，許多設(shè)計(jì)人員認(rèn)為 CompactPCI 非常適合于在單個(gè)背板中管理通過 GbE 進(jìn)行通信的自包含式網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(jī)制，因此可以輕松適應(yīng)相同的惡劣環(huán)境。

集成的 32 nm 處理器技術(shù)以及多核性能優(yōu)勢(shì)意味著 CompactPCI 系統(tǒng)可以支持新的、計(jì)算密集型的應(yīng)用，如 UAV 和 UAS，其特點(diǎn)是極端條件、全天候性能和高速處理。多核處理器技術(shù)和功耗感知型設(shè)計(jì)在相同或更低的散熱和功耗范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的整體性能，從根本上延長了現(xiàn)有外形標(biāo)準(zhǔn)（如 CompactPCI）的使用壽命，并為升級(jí)和延長當(dāng)前部署系統(tǒng)的使用壽命提供了選項(xiàng)。現(xiàn)有系統(tǒng)可以將 10 個(gè) CompactPCI 2.16 單核板修剪為僅兩個(gè)雙核或四核板。當(dāng)UAS常見的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用需要超高性能時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)四核板。低功耗 CompactPCI 板可針對(duì)對(duì)流冷卻和強(qiáng)制氣流應(yīng)用實(shí)現(xiàn)基于被動(dòng)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(shè)計(jì)功耗 （TDP） 封裝下，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用能夠在擴(kuò)展溫度環(huán)境中運(yùn)行的處理器將性能提高 24 倍。

計(jì)算機(jī)模塊：受限空間的電源和性能

小型UAS級(jí)機(jī)身代表了空戰(zhàn)的深刻技術(shù)進(jìn)步，在伊拉克自由行動(dòng)的最初階段具有經(jīng)過驗(yàn)證的實(shí)用性和能力。全動(dòng)態(tài)視頻不僅為指揮官而且為每個(gè)服務(wù)人員提供救生的態(tài)勢(shì)感知，也許是這些小型但必不可少的無人機(jī)設(shè)備最重要的任務(wù)。

這些 COM 基于緊湊型英特爾凌動(dòng)解決方案，在性能與滿足這些小型且極其節(jié)能的 UAS 設(shè)備至關(guān)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(dòng)處理器架構(gòu)可在亞 W 級(jí)熱功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速性能（時(shí)鐘速度在 1.1 GHz 至 1.6 GHz 之間）。它具有高達(dá)533 MHz的功耗優(yōu)化前端總線，可實(shí)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(shè)備（如無人機(jī)或UAS中的圖形設(shè)備）的開發(fā)成為可能，而不會(huì)將COM的安全且經(jīng)過驗(yàn)證的開發(fā)路徑作為既定且面向未來的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。集成英特爾酷睿 i7 先進(jìn)技術(shù)的 COM 現(xiàn)已上市，在性能和板載功能方面提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。每瓦性能一如既往的好，通過增強(qiáng)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(tái)采用了更高效的雙芯片解決方案，可實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)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(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更高的性能。對(duì)于視覺要求苛刻的UAV/UAS應(yīng)用，如計(jì)算和圖形密集型成像或持久監(jiān)控應(yīng)用，該技術(shù)還提供了顯著增強(qiáng)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(jì)劃指出，“標(biāo)準(zhǔn)和互操作性是聯(lián)合部隊(duì)在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中獲得信息優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。［2］這些目標(biāo)要求在一系列系統(tǒng)內(nèi)安裝一套通用的機(jī)身，所有這些都基于標(biāo)準(zhǔn)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(duì)的一個(gè)或多個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)而量身定制的。這一策略代表了一個(gè)重大轉(zhuǎn)變，對(duì)軍事嵌入式設(shè)計(jì)人員來說意義重大。不再是以平臺(tái)為中心的模型，取得成功意味著設(shè)計(jì)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(duì)的全球信息網(wǎng)絡(luò)集成的問題。

隨著各種廣泛的應(yīng)用需求不斷發(fā)展，無人機(jī)/無人機(jī)的設(shè)計(jì)人員明智地采用開放式架構(gòu) 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(jì)算密度、低功耗、小尺寸、增強(qiáng)的熱管理、增加的I/O帶寬和優(yōu)化的處理架構(gòu)方面取得進(jìn)展。結(jié)果：設(shè)計(jì)人員擁有豐富的模塊化系統(tǒng)選擇，以滿足其設(shè)計(jì)和平臺(tái)目標(biāo)。

審核編輯：郭婷