无人机系统架构：下一次演变

以网络为中心和高速串行结构技术的最新进展，以及传统的设备桥接方法，使高度灵活的无人机系统架构能够满足21世纪战场快速变化的需求，同时缩短上市时间并降低风险。

无人机（UAV）的作用，随着无人机的战略和战术任务能力的不断扩展，对高度可靠、高性能的电子系统的需求不断增加，这些系统可以支持平台内以及从平台到指挥和控制基础设施的高带宽网络连接。无人机正日益成为网络化系统;它们是整个无人机系统（UAS）的一个元素，可与其他元素（如地面控制站和地面/远程终端）通信并共享关键任务有效载荷和传感器信息，以提供通用的操作画面。

从以平台为中心的系统方法到以网络为中心的系统方法的迁移带来了新的挑战，使用开放式架构可以应对这些挑战。以前，无人机采用以平台为中心的架构，依赖于专有接口。现在，许多设计问题都可以通过加固商业电子产品来克服，使子系统技术能够包含COTS组件，并加快上市时间。结果是在战场上快速部署了最新技术。

开放标准性能（如 VPX 高速串行结构）的进步，以及桥接传统设备的能力，使得以显著降低开发和物流风险开发可扩展且可互操作的以网络为中心的子系统成为可能。

以网络为中心，简化接口

以网络为中心的架构使无人机系统设计人员能够标准化计算元素和界面元素之间的接口。例如，COTS SBC 可能没有板载所需的 ADC/DAC，但可以在车辆的传感器和执行器上或附近提供具有 ADC/DAC 功能的网络连接远程接口单元 （RIU）。（有关以网络为中心的参考设计，请参见图 2。在这种情况下，RIU将数字化输入，通过标准网络接口（如GbE）与SBC通信，并生成模拟输出，从而在处理器和I/ O之间创建标准化接口。同样的方法也适用于网络连接存储 （NAS）。NAS 通过网络文件系统 （NFS） 协议提高了数据可访问性，同时使以后能够无缝地增加网络上的存储容量。只要新设备符合相同的 GbE 和文件共享协议，系统的其余部分就不会受到影响。

传统上，来自平台特定传感器的输入要么直接硬连线到处理器，要么通过MIL-STD-1553或ARINC-429总线传输，处理器板必须设计有专用信号，如离散的模拟I/O MIL-STD-1553/ARINC-429总线接口来处理该通信。这带来了过时的风险，因为对这些特殊信号的支持没有被业界标准化。换句话说，必须制造定制产品，其价格是陡峭的非经常性和经常性价格。为了消除这些问题，采用RIU方法，网络连接的传感器和效应器可以使用GbE通过网络交换机进行通信，从而使处理器卡不需要任何特殊的板载I / O。这允许传感器保持在原位，而处理器卡或电子系统可以单独更换或升级，并具有减少主线束组件中电线数量的额外好处。结合确定性以太网，如用于航空电子设备的ARINC-664 / AFDX，可以满足飞行控制需求。

VPX 和高速串行结构

在无人机上采用新的开放架构的另一个优势是它们对分布式计算的支持。在当今的系统中，通常每个SBC都被分配特定的功能。SBC的密度限制，目前传导冷却3U卡的密度限制约为18 GFLOPS，这意味着这些要求通常无法在单个插槽中解决。另一方面，分布式或集群环境使任务能够在SBC之间共享，从而有效地将CPU功率增加到视频处理和智能算法所需的100多个GFLOPS。与RIU协同工作，处理器现在可以物理地重新定位到机身内的几乎任何地方，在那里可以更有效地管理CPU功率，电子封装，电源和冷却能力以及空间可用的地方。图3显示了一个坚固的电子外壳，它支持高速接口，可以根据VITA 48.x以不同的方式进行冷却。

这种类型的处理器到处理器协作基本上将对称多处理（SMP）和多核模型从插槽级别扩展到机箱级别及以后。这种协作需要高速互连，通常以每秒数千兆字节的速度进行，现在可以通过VPX（VITA 46）等开放标准及其对串行结构（如串行RapidIO和PCIe）的支持来实现。较新的开放式VPX（VITA 65）进一步完善了互操作性的引脚排列定义。机箱外部的外部通信可通过 GbE 和 10 GbE 实现。满足对更多处理日益增长的需求的一种方法是对支持分布式计算的通信协议进行标准化。

与传统设备桥接

随着无人机平台迁移到以网络为中心的方法，1553、RS-232和CANbus等传统总线将需要通过桥接设备与较新的基于GbE的接口进行通信。这种方法允许与当今现有预算限制相匹配的增量升级，因为不太可能同时替换所有较旧的LRU。在一段时间内，新的电子系统和基于传统接口的旧电子系统必须共存。

Curtiss-Wright Controls电子系统的网络桥接技术用于传感器管理和有效载荷管理计算机，除了通过将通信协议从一侧转换为另一侧来执行数据融合之外，还可以集成传统，专有和新兴接口。例如，当需要从 1553 网络升级远程终端 （RT） 并将其放到 GbE 端时，网桥可以透明地模拟 RT 的 I/O，就好像它仍然在 1553 端一样。无人机上的其他LRU甚至不会检测到RT已经转移到GbE端。总线监视器 （BM） 和总线控制器 （BC） 也可以实现相同的目的。

超前思维

战术和战略无人机对具有先进多处理器计算技术的电子系统的需求带来了许多挑战。VPX （VITA 46）、开放 VPX （VITA 65） 和 VPX-REDI （VITA 48） 等开放接口标准，以及采用 GbE 和 PCIe 等标准化高速互连，使设计人员能够克服这些挑战。对等式来说，桥接传统设备的能力也是至关重要的。因此，现在是设计人员使用以网络为中心的开放式架构方法优化其电子系统的时候了，以实现更高水平的处理效率和性能。

审核编辑：郭婷