ПРЕСС-ЦЕНТР

Внедрение высоконадёжных платформ для применения в бортовой аппаратуре БПЛА

МКА:ВКС, 6/2011

Давид О’Мара (David O’Mara), Kontron

Статья посвящена новым встраиваемым компьютерным технологиям типа COTS и решениям по управлению температурными режимами БРЭО современных БПЛА/БПЛС. Рассматриваются также жизненно важные опции COTS­компонентов и особенности разработки на их основе высокоинтегрированных систем для задач ISR (разведка, наблюдение и перехват информации), способных работать в единой сетевой среде армейского взаимодействия.

Единственным видом вооружений, развитие которых фундаментальным образом повлияло на смену «правил игры» при осуществлении военных действий, оказались беспилотные летательные аппараты и системы (БПЛА/БПЛС). Они могут применяться для разведки, наблюдения и перехвата информации (intelligence, surveillance and reconnaissance – ISR). Поскольку в настоящее время беспилотные ЛА способны функционировать на больших расстояниях, перед их разработчиками стоят наиболее трудные инженерные задачи. Эти трудности обусловлены тем, что бортовое радиоэлектронное оборудование (БРЭО) БПЛА должно удовлетворять совокупности следующих требований – высокопроизводительные компьютерные элементы, выполняющие сбор, распределение и обработку информации, должны быть сосредоточены в минимальном объёме, быть максимально лёгкими, иметь минимальное энергопотребление и в то же время сохранять работоспособность в очень жёстких условиях эксплуатации. Следует учитывать и то, что возможности современных БПЛА продвинулись значительно дальше возможностей и задач первоначальных «дронов», – теперь они снабжены высоким уровнем бортового интеллекта, способны к длительным автономным полётам и адаптивны к смене заданий в реальном времени. Подобная сложность новых систем на базе БПЛА/БПЛС требует высокопроизводительных широкополосных компьютерных решений. И в результате к перечисленному выше списку стоящих перед конструкторами БРЭО задач добавляется требование эффективного управления температурными характеристиками его работы.

Согласно открытому программному документу США United States Air Force Unmanned Aircraft Systems Flight Plan 2009–2047 (План развития беспилотных летательных аппаратов ВВС США на период с 2009 по 2047 гг.), «ключевыми элементами современной сетевой среды, от которых зависит информационное превосходство сил объединённого командования ВВС США, являются стандарты и возможность совместного функционирования программных и аппаратных изделий от разных поставщиков» («standards and interoperability are keys to the Joint Forces gaining informational superiority in today’s network­enabled environment»). Таким образом, перед разработчиками БПЛА поставлена задача создания базового набора планёров, оснащённых БРЭО на основе стандартных интерфейсов и совместимых автоконфигурируемых («plug and play») компонентов бортового оборудования. Упомянутое требование программной и аппаратной совместимости компонентов БРЭО диктует необходимость применения открытых архитектур и методологии COTS (Commercial Off The Shelf), то есть компоновки прикладных систем с использованием готовых, «коробочных», модулей. Однако в настоящее время на вооружении уже находится целый спектр действующих БПЛА и сопровождающих их наземных систем командования и управления. Поэтому необходимо, чтобы разработчики БРЭО хорошо разбирались во всех опциях встроенных в этот вид вооружений компьютеров и их системном взаимодействии.

Данная статья посвящена новым встраиваемым компьютерным технологиям типа COTS и соответствующим решениям по управлению температурными режимами БРЭО современных БПЛА/БПЛС. Рассматриваются также жизненно необходимые опции COTS­компонентов и важные особенности разработки высокоинтегрированных систем на их основе, отвечающих задачам ISR и способных работать в единой сетевой среде военного взаимодействия.

Технологии расширяют возможности БПЛА/БПЛС

В первую очередь следует понять, каков спектр новых платформ и решений системного уровня, которые могут обеспечивать потребности современных приложений БПЛА/БПЛС в увеличении вычислительных и коммуникационных возможностей, а также возможностей оперативного управления в реальном времени. Системы БПЛА/БПЛС – это сложные системы, куда, кроме собственно летательного аппарата, входят наземные станции и другие элементы. Поэтому, в отличие от большого количества специализированных военных систем, нацеленных на выполнение какой­либо отдельной задачи, платформы для встраиваемых систем БПЛА/БПЛС должны поддерживать множество разных задач. Так, например, полезная нагрузка БПЛС разведывательного назначения должна включать системы, ориентированные на выполнение таких функций, как обработка видеоданных, сбор и обработка информации с тепловых сенсоров, датчиков электромагнитного спектра, биотелеметрической информации, химических датчиков. Возможны встраиваемые компьютерные решения, обладающие высокой производительностью, большой пропускной способностью, богатой функциональностью и высокоёмкими запоминающими устройствами с большой плотностью записи информации, вплоть до тех, которые ориентированы на задачи интенсивной обработки огромных массивов данных, поступающих с многочисленных датчиков. В поисках решений для достижения интероперабельности программ ISR разработчики систем военного назначения неизменно обращают внимание на испытанные временем стандартизованные платформы, такие как «компьютеры­на­модуле» (Computer­on­Module, COM), CompactPCI и VPX. Однако при конкретном выборе всегда необходимо учитывать, насколько эти платформы соответствуют требованиям по ограничению размеров, веса, потребляемой энергии (SWaP) и режиму терморегулирования, предъявляемым к БПЛА в рамках его миссии.

Так, для создания высокопроизводительных БРЭО БПЛА малых размеров идеально подходят решения на основе COM­модулей. На рынке есть целый спектр COM­модулей на базе новых процессоров Intel Core i7, которые отличаются повышенной эффективностью процессоров, обеспечивают лучшую целостность сигналов и повышенную производительность, умещаясь при этом в ограниченном пространстве БПЛА. Благодаря новому интегрированному чипсету и развитым интерфейсам с устройствами отображения видеоинформации, эти новые COM­модули обладают прорывными компьютерными и графическими характеристиками и выдающимися возможностями для создания приложений БПЛА/БПЛС, нацеленных на сбор видеоинформации и наблюдение и требующих интенсивной обработки и передачи огромных массивов данных.

Основные прикладные требования

К каждому БПЛА определённого назначения предъявляются конкретные требования, связанные с его уникальными задачами, однако есть набор ключевых требований, которые обладают критической важностью для успешного внедрения встроенных компьютерных систем в программы ISR.

Живучесть и надёжность в жёстких условиях эксплуатации

Все новые изощрённые возможности, которыми обладают ISR­приложения современных БПЛА, – это замечательно. Но если в целевой обстановке они не смогут работать надёжно и бесперебойно – грош им цена. Поэтому встроенную компьютерную систему лучше всего поместить в шасси или кожух, которые изготовлены в соответствии со стандартами MIL­E­5400 Class 1 (температурные требования), MIL­901D (требования по ударопрочности) и MIL­167­1 (требования по вибростойкости). В этом случае разработчик может гарантировать, что при поддержании компьютерных и электронных компонентов в герметичной и температурно контролируемой среде его система сможет выдержать в заданных пределах температурные, вибрационные и ударные нагрузки, а также воздействие солевого тумана, песка и вредных химических веществ. Данное решение успешно испытано временем и показало свою надёжность.

Стандартизованные COTS­шасси могут адаптироваться для соответствия конкретным требованиям, таким как необходимость охлаждения или противоударного крепления в мобильных прикладных системах. Учитывая ограничения на вес, объём и потребляемую мощность прикладных систем или наличие допустимых пределов климатических характеристик, многие разработчики БПЛА предпочитают использовать технологии кондуктивного охлаждения (с использованием или без использования вентиляторов). Поэтому очень приветствуется умение с самого начала выбрать из различных возможностей охлаждения и вариантов крепления наиболее подходящий, а затем на основе испытанной платформы сконструировать оптимизированную систему. При выборе оптимального управления климатическими характеристиками создаваемой системы в помощь разработчику даётся целый набор руководств (см. табл.). В них указано, сколько ватт на дюйм (watt per inch of pitch) рассеивается при каждом методе охлаждения. Поскольку каждой прикладной системе соответствует своё уникальное термическое уравнение, большое значение придаётся умению использовать базовые COTS­платформы, предварительно квалифицированные по тепловым характеристикам в соответствии со спецификацией MIL­E­5400, с последующей подгонкой к условиям и требованиям конкретного приложения БПЛА.

Выбор метода охлаждения определяется главным образом совокупным рассеянием мощности; однако значительный вклад могут вносить и другие важные факторы. Например для БРЭО летательных аппаратов важны показатели давления окружающей среды, поскольку основной вклад в эффективность систем принудительного воздушного или пассивно конвективного охлаждения корпусов с аппаратурой вносит плотность воздуха. Жидкостное охлаждение используется только в ситуациях работы оборудования с очень большим уровнем выделяемой мощности или при недоступности воздушного или радиаторного охлаждения. Однако при рассмотрении возможности использования жидкостного охлаждения, по сравнению с более простыми решениями, следует в этом случае учитывать повышение стоимости или снижение совокупного среднего времени безотказной работы (MTBF) прикладной системы.

Внутри шасси компьютерные и коммуникационные элементы системы могут устанавливаться либо по магистрально­модульному принципу, либо по модульному. Если говорить о магистрально­модульных стандартах, то для армейских систем наиболее широко приняты VME 64X, CompactPCI и VPX. Самыми же распространёнными модульными стандартами являются COM Express и PC104. Благодаря присутствию на рынке огромного количества готовых к применению (COTS) модулей, создавать и конфигурировать магистрально­модульные системы несложно. Системы, которые строятся с использованием альтернативного, модульного, подхода, обычно компактнее и требуют меньшего энергопотребления, что идеально подходит для приложений БПЛА. В итоге, окончательный выбор сводится к выбору решения, которое точно соответствует требованиям, предъявляемым к создаваемой прикладной системе по энергопотреблению, характеристикам производительности и возможности её масштабирования.

Проектирование систем сбора и хранения видеоинформации

Те немыслимые объёмы видеоинформации и других данных, которые собирается в настоящее время с помощью БПЛА в дежурном порядке, ещё несколько лет назад считались бы фантастикой. Однако для дистанционного мониторинга в режиме реального времени и обслуживания атакующих действий требуется гораздо бо€льший уровень компьютерной производительности. Бортовые системы должны быть способны не только собирать и хранить данные, но также и пересылать полученную информацию, причём в режиме реальном времени. В результате производительность вычислений, которая необходима для поддержки огромных скоростей передачи этих массивов данных, должна быть исключительной.

Для подобных приложений обработки видеоинформации в реальном времени подходит более высокая пропускная способность технологии VPX, где используется передающая среда с коммутацией пакетов на основе последовательных интерфейсов, позволяющая значительно увеличить производительность прикладных подсистем. Платформы на базе VPX обеспечивают более высокую производительность на слот и более высокоскоростные связи между процессорными компонентами и компонентами ввода­вывода, используя шины PCI Express, 10 GbE или Serial RapidIO. Эти межсоединения обеспечивают передачу данных между элементами со скоростью 10 Гбит/c или агрегированно несколько сотен Гбайт/c, в зависимости от варианта реализации системы. Для обеспечения высокоэффективного сжатия изображений системы VPX могут интегрироваться с кодеками, такими как ITU­T H.263, H.264 (MPEG­4, часть 10) и JPEG2000. Учитывая разнообразие и большую доступность на рынке продуктов типа COTS, многие прикладные системы лучше всего конструировать, не ограничиваясь одной шинной структурой. Например коммутатор CompactPCI может использоваться с модулем VPX на базе гибридной объединительной платы.

Для программ БПЛА долговременного назначения предусмотрено использование COTS­систем с кондуктивным охлаждением, например корпусов ATR половинного размера с модулями VPX и соответствием стандарту MIL­E­5400. В тех случаях, когда требуется эффективное управление огромными массивами данных и возможность оперативной замены информационных хранилищ, с целью быстрого разбора полётного задания и/или его смены (вместо ожидания выгрузки собранной информации через подсистемы ввода­вывода), можно использовать модульные подсистемы на базе твердотельных (SSD) накопителей с высокой плотностью записи информации. Важно, однако, отметить, что в некоторых случаях может потребоваться БПЛА специальной конфигурации и необходимость разработки заказной объединительной платы с различными вариантами маршрутизации линий ввода­вывода. Может, например, оказаться так, что с целью поддержания оптимального теплового режима работы БРЭО, критически важно расположить сильно нагреваемые модули VPX и источники питания особым образом. В этом случае может понадобиться разработка специальной системы охлаждения или какой­то необычный монтаж корпуса БРЭО.

Поиск оптимального COTS ­решения

В данной статье уже упоминались различные решения на базе COTS­продуктов для широкого спектра приложений военного назначения, предназначенные для работы в жёстких условиях эксплуатации. Однако некоторые конструкции БПЛА/БПЛС следующего поколения подошли к границам возможностей платформ на базе COTS­продуктов. Одна из эффективных, с точки зрения стоимости, возможностей – выполнение заказных разработок на основе испытанных COTS­платформ. Повторное использование доказавших свою эффективность технологий позволяет осуществлять быструю разработку, обеспечивает высокую надёжность и способствует бо€льшей гибкости при выборе конструкторских решений, сохраняя при этом перпективу будущих инноваций.

Примером платформы, созданной с использованием COTS­идеологии, служит модульная платформа Kontron COBALT (см. рис.). Платформа COBALT позволяет разработчикам приложений масштабировать компьютерную производительность, благодаря применению различных процессоров – от Intel Atom с энергопотрблением 5 Вт до Intel Core 2 Duo, 25 Вт.

Независимо от того, используют ли создатели БРЭО БПЛА готовую COTS­платформу или берут её в качестве основы для специализированной разработки, в обоих случаях обеспечивается будущая масштабируемость создаваемого приложения. А ещё важнее то, что благодаря передовым технологиям, которые реализованы в современных COTS­платформах на основе COM­модулей, систем CompactPCI и VPX, благодаря разнообразию усовершенствованных методов охлаждения и корпусирования, в настоящее время есть все возможности разворачивать ISR­программы на базе БПЛА/БПЛС. Причём созданные в рамках этих программ системы могут работать в жёстких условиях эксплуатации, обмениваться данными в сетевой среде и собирать и обрабатывать видеоинформацию.

Обобщённое руководство по приблизительной оценке теплового рассеяния при использовании различных методов охлаждения. На эти приблизительные оценки могут существенно влиять температура окружающей среды, высота над уровнем моря, выделяемая оборудованием мощность и другие климатические характеристики.

Рассеяние мощности в зависимости от метода охлаждения

Метод терморегулирования

Производительность
(ватты на дюйм расстояния
от охлаждаемой поверхности)*

Кондуктивное охлаждение – пассивная конвекция (без вентилятора)

25

Кондуктивное охлаждение – холодный плоский радиатор

50

Кондуктивное охлаждение – воздушный поток через боковые стенки шасси
(вентилятор или приточная вентиляция)

75

Конвекционное охлаждение – воздушный поток (вентилятор или приточная вентиляция)

100

Кондуктивное охлаждение – жидкостное охлаждение через боковые стенки шасси

125

Кондуктивное охлаждение – поток жидкости через модули

500

Охлаждение разбрызгиванием – непосредственная подача сжатого воздуха на микросхемы

700

*в зависимости от условий окружающей среды

Рисунок. Разработчики БРЭО для различных ISR­приложений БПЛА/БПЛС могут конфигурировать платформу COBALT в расчёте на подачу 28 В постоянного или 115 В переменного входного напряжения