UAS有效载荷在更小的封装中获得更智能的传感器

对智能传感器的需求是能够更远地看到并在小型、低重量的封装中生成高质量图像，这推动了无人机系统（UAS）有效载荷的发展。这些系统的设计人员还面临着各种挑战，例如在提高性能的同时平衡减小的尺寸、重量和功率（SWaP）要求、不确定的国防部资金优先级以及数据链路带宽限制。

美国军队从部署无人机系统（UAS）中获得的优势是毋庸置疑的。从“全球鹰”的情报、监视和侦察（ISR）能力到武装的“捕食者”B飞机的杀伤力，这些平台一直是美国在伊拉克、阿富汗和全球追捕恐怖分子的力量倍增器。

虽然这些战争正在逐渐平息，但对无人机的需求保持稳定，但它们的任务正在发生变化。在不久的将来，在没有爆发另一场战争的情况下，它们将被重新用于各种ISR，信号情报（SIGINT）和通信情报（COMINT）任务，但用于交付武器的用途较少。然而，由于国防部预算的封存和其他削减，这些任务将如何以及这些有效载荷设计将如何获得资金仍然不确定。可以肯定的是，这些有效载荷设计人员将生产出更智能、性能更好的传感器，以绕过低空对地数据链路。他们还将围绕他们主要自行开发的系统中的减小尺寸，重量和功率（SWaP）要求进行设计，因为国防部减少了技术开发支出。

“在购买之前，有一种飞行的动力，”马萨诸塞州切姆斯福德水星系统公司业务发展副总裁Christy Doyle说。“过去，政府在有效载荷开发方面进行了大量投资，但今天该行业必须在政府购买系统之前进行投资。政府还参与了飞行演示，以鉴定每个平台的有效载荷。它正在走向一种商业商业模式，要求承包商在我们开发系统时与客户保持同步。对多任务ISR有效载荷的需求很大，可以在多个平台上使用。在这种不确定的预算环境中，国防部客户正在评估优先任务，要求承包商保持接近评估过程。

有效负载要求

“对”捕食者“有效载荷的要求正趋向于用于窄视场侦察的更高分辨率的光学和红外相机，”圣地亚哥通用原子公司战略发展总监Chris Pehrson说。“雷达和其他传感器用于观测大面积行动，覆盖数十甚至数百平方公里。这在太平洋海域的海盗和反恐应用方面尤其重要。这些任务不仅需要狭窄的视野进行详细观察，还需要广域监视，以实现持续的态势感知。例如，在海域，我们的Lynx雷达能够探测到大面积上的小型船只和半潜式潜水器，并与高分辨率相机交叉提示以进行近距离观察。这有助于确定是否存在非法贩运或潜在的盗版活动。

“广域监控也通过广域运动图像（WAMI）等传感器完成，这些传感器可以提供对多个城市街区或其他大型地理区域的持续观察，”他继续说道。“多光谱和高光谱传感器，以及信号智能（SIGINT）传感器，能够观察大面积区域。这些传感器可以搜索唯一的特征码，或检测无线电和其他潜在威胁或对手的发射。其中许多是模块化的，安装在吊舱上，因此可以根据任务要求将它们安装在MQ-9收割者或新的捕食者C复仇者上。

GA-ASI还在开发激光雷达传感器，这是一种有源成像系统，它使用激光提供全视场瞄准，地理校正以获得准确的GPS坐标以及树叶穿透能力。该传感器可以与现有的光电/红外传感器集成，以大大提高其性能。当激光雷达用于树叶穿透时，任何几何形状都会跳出来。

“军用传感器市场正在推动我们走向高清和激光指定，但每个人都希望以更轻的重量和更紧凑的系统进一步看到 - 特别是在UAS和直升机社区，”俄勒冈州威尔逊维尔FLIR政府系统营销副总裁David Strong说。

更小的有效负载，更高的性能

“关于有效载荷万向节的大小一直存在二分法，”斯特朗说。“如果你想看远距离，你需要一个16或15英寸，重约100磅的万向节。权衡是你不能承受那么多的负担。标准操作程序是使用40或50磅的较小万向节重量。这是你必须做出的选择。这只是一个物理学问题，关于你可以在一个系统中装多少光学元件。

“因此，我们所做的是扭转这种权衡，并改变了我们如何组合有效载荷的几何形状 - 因为我们希望具有大万向节的性能，但在10英寸万向节中重量只有一半或更好，”他解释说。“这是一个几何形状的问题，但你必须重新设计里面的一切。我们可以做到这一点，因为我们制造了所有的组件。结果是星形萨菲尔HDc - C代表紧凑。它具有重量一半的大万向节的性能。它是一个直径为15英寸的万向节，而典型的大万向节的高度在18到20英寸或更多英寸之间。我们将其高度降低到不到14英寸。这减少了一半的重量，但封装仍然具有相同数量的多个传感器，长焦距，大光圈等。

通过标准、FPGA 管理 SWaP、成本

并非每个小型系统都需要定制设计，许多集成商将转向VPX等标准作为其有效载荷设计。更大的UAS平台，如捕食者将使用3U和6U VPX系统，但较小的UAS没有足够的空间，这就是小型（SFF）设计适合的地方，亚利桑那州喷泉山VITA标准组织执行主任Ray Alderman说。

“在UAS有效载荷中总是存在SWaP挑战。许多人使用定制的SFF设计来解决这些问题，但这不仅在前期成本很高，而且在产品的生命周期内都是昂贵的，“加利福尼亚州弗里蒙特Themis Computer业务开发总监Bill Ripley说，”利用VITA 74 SFF等标准，集成商能够采购通常价格比类似的6U产品或定制设计低50%的设计， 同时保持军事环境规范。我们看到业界越来越希望保持标准，而不是定制外形尺寸。一些定制外形尺寸可以具有较低的初始成本和初始价格，但为了在项目的整个生命周期内节省成本，基于标准的系统仍然是最佳选择。对于传统尺寸的UAS应用，泰米斯提供纳米ATR VITA 74产品。对于大型应用，我们提供 3U VPX 系统。

“当我们第一次开始研究VITA 74时，明显的市场利基是UASs，大约在同一时间，有一个很大的推动力，对地面车辆进行资本重组，并建造新的先进战术地面车辆，”Ripley继续说道。“这升温了，因为与他们相关的数字很大。有一段时间，地面车辆比在自己的领域更能促进UAS市场的发展。大量的开发成本都花在了UAS平台中使用的硬件上。UAS市场有需求，但当时没有资产数量。现在，当UAS市场可能升温时，地面车辆市场正在平静下来。

水星系统工程师利用FPGA技术实现信号处理功能，并在其较小的有效载荷设计中减少了电子占用空间。“我们的COMINT有效载荷是一个基于FPGA的系统，具有天线阵列设计和电子系统，独立在一个小吊舱中，”Doyle说。“这个小吊舱是专门为方便现场改造而设计的，因此可以快速安装在机翼下或完全集成到机身中。

“FPGA的使用使我们能够在相同的重量和直流功率足迹下提供巨大的信号处理能力，”水星系统公司ISR系统技术总监Chris Michalski说。“在以前的系统中，大多数处理都是在通用CPU中执行的。前端处理中涉及的FPGA并不多。今天，我们提供采用加固型嵌入式板的系统，这些板卡利用 FPGA。这使我们能够以比运行标准 PowerPC 器件低得多的直流功耗水平将处理卸载到 FPGA 上。像 Xilinx Virtex-6 这样的 FPGA 不仅在性能方面，而且在降低功耗方面都相当不错，因为其功能尺寸很小。

数据链路带宽问题

设计人员在传感器旁边封装如此多信号处理马力的另一个原因是绕过空对地数据链路的带宽限制。“他们必须将处理器移近传感器，并在将数据发送到地面之前对其进行预处理，”Alderman说。“它类似于卫星有效载荷，它们具有摄像机并使用图像采集卡将图像发送到地面。好吧，如果什么都没发生，您将发送相同的帧三到四次。需要压缩数据，以便仅发送与上一个图像不同的图像。这需要大型处理系统，如VPX。

“让作战人员获得可操作的情报是一项挑战，因为在UAS平台上生成的大量数据，”Doyle说。“确定哪些数据是真正可操作的可能需要很长时间，因此，如果您可以在有效载荷级别自动执行建议，则可以使作战人员腾出时间专注于其他任务。

“对于小型有效载荷，到地面的数据链路带宽甚至比大型系统差，”Michalski说。“许多这些平台甚至没有地面链接或图像链接。有时，飞机上的链路带宽小于 SIGINT 有效负载提供商使用的带宽。这也是一个资产管理问题，因为军方不想增加更多的资产或地面人员来操作新的有效载荷，同时仍然操作旧的有效载荷。

审核编辑：郭婷