軍用無人機系統（UAS）的有效載荷不斷發展 - 使用更智能的傳感器和更小的整體占地面積 - 但必須克服尺寸，重量和功率（SWaP）設計障礙，以及比理想速度慢的傳感器處理，下行鏈路帶寬不足和安全挑戰。

隨著軍用無人機的不斷發展和尺寸的縮小（想想成群的小型無人機），它們產生的有效載荷足跡帶來了許多嚴格的SWaP設計空間限制和權衡，以及傳感器處理、數據鏈帶寬和安全問題。

“有一種趨勢是越來越小的［有效載荷］，部分原因是更小的［UAS平臺］趨勢，”阿拉巴馬州亨茨維爾的Abaco Systems圖形和GPGPU產品產品經理Stuart Heptonstall說。“這些較小的［平臺］必須更輕，更靈活，更快，并且具有更長的范圍，這都會影響內部的電子系統。每一平方英寸都很重要。

大多數應用程序要求在保持 SWaP 包絡的同時增加功能，這意味著每個插槽的性能更高。“這意味著我們的卡上采用了領先的片上系統（SoC）技術，”Heptonstall指出。

Heptonstall指出，其他系統需要顯著降低SWaP，這“可能意味著［有效載荷］內的電路板外形更小，具有優化的應用特定功能。“這種情況的挑戰？交易一定程度的靈活性，以滿足具有挑戰性的SWaP減少。

然后是重量問題：向更小（有效載荷）的趨勢意味著“小型分布式系統的潛力趨勢”，Heptonstall繼續說道。“這些系統可以放置在較小的［UAS平臺］中的較小空間中，并且還具有更好地平衡［UAS］重量分布的潛力。剝離重量始終是一個挑戰，直接影響內部卡片的設計。在電路板層面，與尺寸一樣，減輕重量意味著“在需要維護SWaP包絡的應用中，每個插槽的性能顯著提高，”Heptonstall說。“相反，少即是多的設計方法可以部署在顯著減少SWaP的應用中。對于這些場景，對于更廣泛的 COTS（商用現貨）應用和歸位于特定于應用的重量優化設計，可能需要進行某些權衡。這有時是必要的。

在功率方面，性能密切相關。“在小尺寸和外殼中平衡性能與熱功耗始終是主要挑戰，”Heptonstall 解釋道。“在管理散熱包絡的同時賦予系統行業領先的性能會讓工程師頭疼。同樣，類似的原則也適用，例如通過為應用選擇合適的SoC來優化板級設計，并優化設計和PCB以提高熱效率。板級設計和機械外殼設計必須緊密對齊，以便電子設計人員認識到熱和機械挑戰，反之亦然。

ISR 有效負載的傳感器處理

降低SWaP還意味著將更高的性能封裝到不斷縮小的設計尺寸中，以滿足對更多傳感器數據的實時滿足需求。

美國軍方“對融合數據并更接近實時地訪問數據越來越感興趣，”通用原子航空系統公司任務系統業務部門電子有效載荷總監羅賓·斯奈德說。“如果你在飛機上近乎實時地進行處理，然后通過鏈接獲取數據，你可以更快地獲得信息。

“大多數大型平臺都提供多種模式，因此將這些孔徑與機載處理相結合以提高態勢感知的能力是非常可取的，”Abaco Systems業務開發和技術總監Peter Thompson說。

軍事UAS用戶“正在從他們的傳感器實時尋求可操作的情報 - 無論傳感器是雷達，電子戰還是ISR（情報，監視和偵察）傳感器鏈的一部分，”馬薩諸塞州切姆斯福德Mercury Systems嵌入式產品集團產品管理總監Shaun McQuaid說。“然后，這種情報需要作為整個態勢感知包的一部分緊密結合地呈現。這些功能源自強大的數字、射頻和微波處理資源，這些資源越來越多地直接安裝在平臺本身上。問題在于，這些傳感器的功能越來越強大，并且流動的數據越來越多;將所有這些數據發送給當地的分析師既不明智，也幾乎是不可能的。

傳感器的更多處理

有哪些選項可以使處理更接近傳感器？UAS集成商“正在以兩種方式之一來解決這個問題，”McQuaid說。“一個是盡可能高的處理性能應該駐留在UAS上，但執行此操作所需的SWaP可能是限制性的 - 它取決于平臺。在某些情況下，我們看到我們的客戶將六個或八個 3U 模塊堆疊到平臺或 Pod 上。或者，在機箱級別，完全有可能使用相同的SWaP占用空間從一個或兩個6U模塊中獲得類似的功能。在風險、可靠性、成本、預集成工作等方面存在許多權衡。

McQuaid說，Mercury Systems也看到了對直接數字化的興趣 - 直接從傳感器獲取RF并在傳感器本身后面進行數字化，以避免調諧和下變頻。“UAS需要寬頻譜帶寬和動態數字化的能力。這樣，您就可以直接從傳感器中彈出極其寬帶的數字數據流。這是通過直接連接到傳感器的FPGA處理和高效的后端處理來實現的。

因此，［我們看到］正在推動“高密度的服務器類型架構，旨在復制你在亞馬遜或谷歌數據中心找到的服務器架構，”McQuaid繼續說道。“他們使用相同的英特爾處理器和類似的通用處理架構。我們的客戶將這些處理能力放在傳感器后面，以執行服務器級的大數據分析。歸根結底，我們真正使用這些高端傳感器所做的是解決大數據問題 - 它必須在平臺上解決，因為我們沒有數據鏈路帶寬或時間來處理它在傳統的地面場景中。

帶寬挑戰

嵌入式計算和信號處理方面的創新減少了SWaP和傳感器的融合，但從有效載荷中獲得可操作情報的下行鏈路仍然頑固地受到瓶頸。為了解決這個問題，嵌入式計算公司和系統集成商正在推動處理器更接近傳感器，以便在下行鏈路之前解析生成的大量傳感器數據。

Snider指出，下行鏈路缺乏帶寬始終是一個問題，但這是該行業幾十年來一直存在的問題，并且已經掌握了這個問題。“你會認為要獲得更多帶寬會持續掙扎，而且在某種程度上是有的，但現實情況是，我們幾乎可以用相對較小的數據鏈路管道做任何事情，”他補充道。“但是有一種新的功能，具有大量像素和數據的專用傳感器，小數據鏈確實會限制它們，所以現在處理它們的方式是記錄數據并進行后處理。在這些情況下，更寬帶寬的數據鏈路具有價值。

“視頻是一項重大挑戰，”Abaco Systems的Thompson說。“與所有傳感器衍生的數據一樣，趨勢是分辨率提高以提供更詳細的信息;對于高清正在迅速成為常態的視頻來說，這當然是正確的。這里的訣竅是壓縮 - JPEG2000或更高，越來越多的H.264（AVC /高級視頻編碼），以及未來的H.265（HEVC /高效視頻編碼）。

保護 UAS 有效載荷數據

安全性對 UAS 來說是一個挑戰，因為在射頻鏈路的系繩上保護某些東西非常困難。“我們正在努力提高安全性，因為這一領域的威脅正在繼續惡化，”通用原子公司的Snider說。

今天，所有UAS應用程序都在處理網絡安全或系統完整性問題，并且必須加強安全性，因為民族國家或其他惡意行為者可能會通過訪問其數據或通信來接管無人機的控制權 - 或者更糟糕的是，成群的無人機。

“許多民族國家都喜歡玩這個游戲，所以我們需要非常小心我們所暴露的內容，”水星系統的麥奎德指出。“安全處理絕對是通向未來的道路，很快可能不是可選的。

無人機系統的未來

展望未來，更小，更便宜的UAS是要走的路，根據Abaco Systems的Thompson的說法。“期望在這些較小的平臺上看到更多的網絡和智能，以實現合作蜂擁，”他說。“傳感器將更大更好 - 具有更密集的焦平面陣列和新模式，例如建筑物內部的穿墻成像。當然，這將推動數據速率和所需的計算能力越來越高。

毫不奇怪，SWaP將繼續發揮核心作用。McQuaid說：“關注對SWaP減少的持續關注，以及利用最佳商業處理和軟件技術（尤其是數據中心領域）并將其應用于無人駕駛車輛的更大舉措。“因此，戰術性的、基于移動云的架構將獲得進一步的牽引力。通過使用可用的計算機資源池，許多無人平臺可以利用它來卸載一些傳感器處理。離散平臺不再需要單獨處理整個處理負擔。..。..這是一種群體建筑形式，它開始讓人感覺到它的存在。

預計UAS的應用將繼續增長。“我們正在看到新型任務，例如使用無人機監測聲納浮標場，這是以前從未做過的，”斯奈德指出。另一個值得關注的領域是“垂直起降的激進趨勢”。這是一個正在積極探索全新一代無人機的領域。還有對自治的推動;最初，有人抵制它，但現在我們看到人們對飛機至少擁有一定程度的自主權更感興趣。最終，他們需要或多或少地完全自主。

審核編輯：郭婷