开放式架构COTS外形：无人机/无人机应用的最佳方法

无人机（UAV）和无人机系统（UAS）正在证明阿诺德将军的远见卓识，因为它们成为当今适应性最强，需求量最大的两种军事技术。这些计划提供耐力、效率、灵活的任务管理、攻击能力、信息收集和连接性：使军事指挥能够有效、安全地增加力量的宝贵属性。这些无人系统的愿景是利用其内在优势实现自动化、模块化、全球互联和可持续的多任务目的，从而最大限度地提高部队利用率。美国空军的UAS飞行计划预测，一支更精简、适应性更强、效率更高的空军将包括一个广泛的无人驾驶飞机家族，远远超过最早的严格基于监视的前辈。

随着新的UAS应用超越单纯的监控，包括小型便携式车辆（甚至微型和纳米尺寸），中型“战斗机尺寸”车辆，大型“加油机大小”车辆以及具有独特功能的特种车辆，因此迫切需要扩展控制它们的嵌入式计算技术。UAS应用和功能多样性的提高支持了美国国防部对复杂、技术支持的战争的长期承诺。实现这一承诺将挑战未来的UAS设计，以结合多任务，超坚固，以网络为中心，模块化，开放式架构功能，能够在其给定的性能范围内承载任何标准有效载荷。

嵌入式技术进步和广泛的 COTS 外形已成为新型模块化 UAS/UAV 平台的关键推动因素。好消息是，UAS设计人员拥有广泛的开放式架构COTS外形尺寸，可以满足不断发展的SWaP、性能、空间限制、扩展温度和复杂的信号处理要求。确定特定UAS/UAV设计的最佳外形尺寸需要深厚的专业知识，并了解嵌入式计算替代方案提供的优势和设计权衡。

开放式架构 COTS 外形规格选项

在这种嵌入式设计挑战的迷宫中，为所有UAV/UAS设计坚持使用单一计算外形并不是一种真正相关的方法。相反，设计人员必须利用和评估各种基于标准的选项。最佳的嵌入式计算选择通过匹配机身要求并创建可互操作的基于COTS的系统，与联合部队的全球信息网络集成，满足所需的程序和UAS / UAV平台目标。这包括添加有效负载、网络和有效的数据处理、分析和传播等功能。对以网络为中心的实施的需求正在增加，这些实施使士兵、军事系统和设备能够以更高的带宽和更高的计算性能共享实时信息。因此，需要升级现有部署单元中的嵌入式计算机。

从超坚固耐用的 VPX 到小型计算机模块 （COM）、高带宽微型 TCA 和久经考验的 CompactPCI，设计人员现在拥有更丰富、更广泛的成熟 COTS 嵌入式计算外形选项。设计人员还可以利用对基于标准的技术的不断进步来实现其多样化和不断发展的UAS / UAV平台目标。由于可用的开放式架构外形规格涵盖了广泛的技术，因此明智的做法是评估每种技术在特定应用中的优势。

用于高速信号处理的 VPX

UAS有效载荷（短程，中程或远程机身）可能包括通信，信号情报，高分辨率合成孔径雷达（SAR），成像系统，甚至武器。提高态势感知能力是首要目标，将压缩视频、实时视频或其他信息下载到地面上的便携式设备。因此，图像压缩和带宽需要系统设计人员的很多关注。坚固耐用的 VPX 主要基于其提供高频处理的能力以及可靠的织物解决方案，正在成为这些数据密集型无人机应用的理想平台。

VPX 支持每个插槽的更高性能处理，还可以使用 PCIe、10 GbE 或串行快速 IO 在处理和 I/O 元素之间建立更高速的互连。这些互连在元素之间提供 10 Gbps 或聚合数百 GBps，具体取决于系统实现。VPX 系统使用多种不同的串行结构技术，处理高带宽、高性能 UAS 应用所特有的信号速率增加，可实现大于 5 GBps 的速率。VMEbus 系统中不可用的全网状架构可实现大于 100 GBps 的系统聚合带宽。

VPX 平台以 VME 的处理能力为基础，将鲁棒性和出色的 EMC（VMEbus 架构的基本优势）与新的高带宽串行互连相结合，用于在背板上实现高速差分信号。VPX 利用每个插槽的更多 I/O（例如，以 10 GbE 的快速数据速率获取数据，并将其分派到多个并行管理工作负载的处理器），并最大限度地提高可用处理器和芯片组的计算密度。这与主要使用并行总线技术的VMEbus平台形成鲜明对比，这些并行总线技术多年来提供了连续的带宽改进，从40 MBps开始，发展到今天的320 MBps。

作为 VPX 适用于需要视频流功能的应用的一个例子，VPX 可以与 ITU-T H.263、H.264（MPEG-4 第 10 部分）和 JPEG2000 等编解码器集成，以提供非常高效的图像压缩。H.264 编解码器专门针对流式处理进行了优化，并通过提供在可用带宽变化时权衡图像质量或压缩的能力来提供极其高效的压缩。这种灵活性使得将 VPX 与此编解码器结合使用成为支持 UAS 视频有效负载应用的可行选项，这些应用可能需要在许多数据链路选项和操作方案上运行。

微型 TCA 满足坚固耐用的高带宽需求

范围和高度可能是选择嵌入式计算外形尺寸的决定性因素。需要在远程任务中执行的UAS平台通常也需要在更高的高度运行。此外，扩展的徘徊能力的范围和高度要求也同样高，这都转化为在功率、重量和热管理方面对坚固可靠的外形尺寸的需求。

一个恰当的例子是，较大的机身可能有一个包含强制空气冷却的航空电子舱，其中许多较小的机身不提供这种容量。坚固耐用的风冷式微花烧 （MTCA.1）、硬化型微花型微花烧 （MTCA.2） 和传导冷却型微花烧 （MTCA.3） 利用 ANSI/VITA 47 规范来定义这些类型的环境要求。

MTCA.1 将微型 TCA 扩展到更恶劣的军事环境中，如 ANSI/VITA 47 的 EAC6 环境等级和 V2 振动等级所定义。新的MTCA.3规范目前正在与PICMG一起进行，预计将定义一个传导冷却接口，以满足ANSI / VITA 47中定义的最极端的热，冲击和振动曲线（即，在密封环境中没有气流的传导冷却系统中运行，这是空间受限的UAS应用所共有的）。

这些选项凸显了微型TCA作为超坚固VPX的具有成本效益的替代品;MicroTCA的特点是高处理能力，极高的通信带宽和高可用性设计成小尺寸。3U 或 4U 系统，在单个背板上挖掘多达 12 个计算刀片，所有这些刀片都可能使用多核处理器，可以在非常小的占用空间内与多达 24 个内核集成。使用MicroTCA的设计人员还可以在背板上利用多达21个高速串行连接，每个连接提供2.5 Gbps的带宽，根据机身或其地面控制系统以及每个系统的实现方式，可以使用广泛的基于MicroTCA的通信带宽容量，范围从40 Gbps到》1 Tbps。与 VPX 的 80 GBps 聚合带宽相比，设计人员还需要了解 VPX 还定义了大量 MicroTCA 规范中未定义的用户 I/O 选项。

紧凑型PCI：久经考验的坚固耐用的长期可靠性

CompactPCI 还提供了显著的带宽、性能和冷却选项。它作为主流UAS平台的地位基于其固有的坚固性，后部I / O，支持全系列高速接口以及广泛的PCI兼容软件等优势。随着英特尔的 32 纳米、基于凌动的低功耗处理器和多核架构等技术进步在空间和节能方面的改进，许多设计人员认为 CompactPCI 非常适合于在单个背板中管理通过 GbE 进行通信的自包含式网络实施。尽管 CompactPCI 在很大程度上被限制在 1 GB 的速度和并行 PCI（与 VPX 背板相比，带宽显著降低），但它使用相同的 3U/6U 机制，因此可以轻松适应相同的恶劣环境。

集成的 32 nm 处理器技术以及多核性能优势意味着 CompactPCI 系统可以支持新的、计算密集型的应用，如 UAV 和 UAS，其特点是极端条件、全天候性能和高速处理。多核处理器技术和功耗感知型设计在相同或更低的散热和功耗范围内实现更高的整体性能，从根本上延长了现有外形标准（如 CompactPCI）的使用寿命，并为升级和延长当前部署系统的使用寿命提供了选项。现有系统可以将 10 个 CompactPCI 2.16 单核板修剪为仅两个双核或四核板。当UAS常见的数据密集型应用需要超高性能时，可以实现多个四核板。低功耗 CompactPCI 板可针对对流冷却和强制气流应用实现基于被动冷却的合适性能功率比（表 1）。

表 1：即使在过去五年中，性能与功率的比率也有所改善。在相同的散热设计功耗 （TDP） 封装下，设计人员现在可以使用能够在扩展温度环境中运行的处理器将性能提高 24 倍。

计算机模块：受限空间的电源和性能

小型UAS级机身代表了空战的深刻技术进步，在伊拉克自由行动的最初阶段具有经过验证的实用性和能力。全动态视频不仅为指挥官而且为每个服务人员提供救生的态势感知，也许是这些小型但必不可少的无人机设备最重要的任务。

这些 COM 基于紧凑型英特尔凌动解决方案，在性能与满足这些小型且极其节能的 UAS 设备至关重要的 SWaP 要求的能力之间取得了平衡。例如，45 纳米英特尔凌动处理器架构可在亚 W 级热功率范围内实现快速性能（时钟速度在 1.1 GHz 至 1.6 GHz 之间）。它具有高达533 MHz的功耗优化前端总线，可实现更快的数据传输。这反过来又使节能的高端图形设备（如无人机或UAS中的图形设备）的开发成为可能，而不会将COM的安全且经过验证的开发路径作为既定且面向未来的行业标准。集成英特尔酷睿 i7 先进技术的 COM 现已上市，在性能和板载功能方面提供了更大的设计灵活性。每瓦性能一如既往的好，通过增强的 I/O 功能几乎没有任何性能折衷。

总体而言，基于Core i7的平台采用了更高效的双芯片解决方案，可实现更好的信号完整性和最小的电路板空间，从而在更小的、功率受限的便携式设计中实现更高的性能。对于视觉要求苛刻的UAV/UAS应用，如计算和图形密集型成像或持久监控应用，该技术还提供了显著增强的集成图形功能和数据流性能。

提前规划

美国空军的飞行计划指出，“标准和互操作性是联合部队在当今网络环境中获得信息优势的关键。［2］这些目标要求在一系列系统内安装一套通用的机身，所有这些都基于标准接口和可互操作的即插即用有效载荷，这些有效载荷是为支持联合部队的一个或多个优先事项而量身定制的。这一策略代表了一个重大转变，对军事嵌入式设计人员来说意义重大。不再是以平台为中心的模型，取得成功意味着设计人员不仅要解决系统的工作原理，还要解决它如何与联合部队的全球信息网络集成的问题。

随着各种广泛的应用需求不断发展，无人机/无人机的设计人员明智地采用开放式架构 COTS 外形尺寸方法，如 VPX、微型 TCA、紧凑型PCI 或 COM。这些可以在更高的计算密度、低功耗、小尺寸、增强的热管理、增加的I/O带宽和优化的处理架构方面取得进展。结果：设计人员拥有丰富的模块化系统选择，以满足其设计和平台目标。

审核编辑：郭婷