對(duì)智能傳感器的需求是能夠更遠(yuǎn)地看到并在小型、低重量的封裝中生成高質(zhì)量圖像，這推動(dòng)了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UAS）有效載荷的發(fā)展。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員還面臨著各種挑戰(zhàn)，例如在提高性能的同時(shí)平衡減小的尺寸、重量和功率（SWaP）要求、不確定的國(guó)防部資金優(yōu)先級(jí)以及數(shù)據(jù)鏈路帶寬限制。

美國(guó)軍隊(duì)從部署無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UAS）中獲得的優(yōu)勢(shì)是毋庸置疑的。從“全球鷹”的情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）能力到武裝的“捕食者”B飛機(jī)的殺傷力，這些平臺(tái)一直是美國(guó)在伊拉克、阿富汗和全球追捕恐怖分子的力量倍增器。

雖然這些戰(zhàn)爭(zhēng)正在逐漸平息，但對(duì)無(wú)人機(jī)的需求保持穩(wěn)定，但它們的任務(wù)正在發(fā)生變化。在不久的將來(lái)，在沒(méi)有爆發(fā)另一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)的情況下，它們將被重新用于各種ISR，信號(hào)情報(bào)（SIGINT）和通信情報(bào)（COMINT）任務(wù)，但用于交付武器的用途較少。然而，由于國(guó)防部預(yù)算的封存和其他削減，這些任務(wù)將如何以及這些有效載荷設(shè)計(jì)將如何獲得資金仍然不確定。可以肯定的是，這些有效載荷設(shè)計(jì)人員將生產(chǎn)出更智能、性能更好的傳感器，以繞過(guò)低空對(duì)地?cái)?shù)據(jù)鏈路。他們還將圍繞他們主要自行開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中的減小尺寸，重量和功率（SWaP）要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)閲?guó)防部減少了技術(shù)開(kāi)發(fā)支出。

“在購(gòu)買之前，有一種飛行的動(dòng)力，”馬薩諸塞州切姆斯福德水星系統(tǒng)公司業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Christy Doyle說(shuō)。“過(guò)去，政府在有效載荷開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了大量投資，但今天該行業(yè)必須在政府購(gòu)買系統(tǒng)之前進(jìn)行投資。政府還參與了飛行演示，以鑒定每個(gè)平臺(tái)的有效載荷。它正在走向一種商業(yè)商業(yè)模式，要求承包商在我們開(kāi)發(fā)系統(tǒng)時(shí)與客戶保持同步。對(duì)多任務(wù)ISR有效載荷的需求很大，可以在多個(gè)平臺(tái)上使用。在這種不確定的預(yù)算環(huán)境中，國(guó)防部客戶正在評(píng)估優(yōu)先任務(wù)，要求承包商保持接近評(píng)估過(guò)程。

有效負(fù)載要求

“對(duì)”捕食者“有效載荷的要求正趨向于用于窄視場(chǎng)偵察的更高分辨率的光學(xué)和紅外相機(jī)，”圣地亞哥通用原子公司戰(zhàn)略發(fā)展總監(jiān)Chris Pehrson說(shuō)。“雷達(dá)和其他傳感器用于觀測(cè)大面積行動(dòng)，覆蓋數(shù)十甚至數(shù)百平方公里。這在太平洋海域的海盜和反恐應(yīng)用方面尤其重要。這些任務(wù)不僅需要狹窄的視野進(jìn)行詳細(xì)觀察，還需要廣域監(jiān)視，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的態(tài)勢(shì)感知。例如，在海域，我們的Lynx雷達(dá)能夠探測(cè)到大面積上的小型船只和半潛式潛水器，并與高分辨率相機(jī)交叉提示以進(jìn)行近距離觀察。這有助于確定是否存在非法販運(yùn)或潛在的盜版活動(dòng)。

“廣域監(jiān)控也通過(guò)廣域運(yùn)動(dòng)圖像（WAMI）等傳感器完成，這些傳感器可以提供對(duì)多個(gè)城市街區(qū)或其他大型地理區(qū)域的持續(xù)觀察，”他繼續(xù)說(shuō)道。“多光譜和高光譜傳感器，以及信號(hào)智能（SIGINT）傳感器，能夠觀察大面積區(qū)域。這些傳感器可以搜索唯一的特征碼，或檢測(cè)無(wú)線電和其他潛在威脅或?qū)κ值陌l(fā)射。其中許多是模塊化的，安裝在吊艙上，因此可以根據(jù)任務(wù)要求將它們安裝在MQ-9收割者或新的捕食者C復(fù)仇者上。

GA-ASI還在開(kāi)發(fā)激光雷達(dá)傳感器，這是一種有源成像系統(tǒng)，它使用激光提供全視場(chǎng)瞄準(zhǔn)，地理校正以獲得準(zhǔn)確的GPS坐標(biāo)以及樹(shù)葉穿透能力。該傳感器可以與現(xiàn)有的光電/紅外傳感器集成，以大大提高其性能。當(dāng)激光雷達(dá)用于樹(shù)葉穿透時(shí)，任何幾何形狀都會(huì)跳出來(lái)。

“軍用傳感器市場(chǎng)正在推動(dòng)我們走向高清和激光指定，但每個(gè)人都希望以更輕的重量和更緊湊的系統(tǒng)進(jìn)一步看到 - 特別是在UAS和直升機(jī)社區(qū)，”俄勒岡州威爾遜維爾FLIR政府系統(tǒng)營(yíng)銷副總裁David Strong說(shuō)。

更小的有效負(fù)載，更高的性能

“關(guān)于有效載荷萬(wàn)向節(jié)的大小一直存在二分法，”斯特朗說(shuō)。“如果你想看遠(yuǎn)距離，你需要一個(gè)16或15英寸，重約100磅的萬(wàn)向節(jié)。權(quán)衡是你不能承受那么多的負(fù)擔(dān)。標(biāo)準(zhǔn)操作程序是使用40或50磅的較小萬(wàn)向節(jié)重量。這是你必須做出的選擇。這只是一個(gè)物理學(xué)問(wèn)題，關(guān)于你可以在一個(gè)系統(tǒng)中裝多少光學(xué)元件。

“因此，我們所做的是扭轉(zhuǎn)這種權(quán)衡，并改變了我們?nèi)绾谓M合有效載荷的幾何形狀 - 因?yàn)槲覀兿Ｍ哂写笕f(wàn)向節(jié)的性能，但在10英寸萬(wàn)向節(jié)中重量只有一半或更好，”他解釋說(shuō)。“這是一個(gè)幾何形狀的問(wèn)題，但你必須重新設(shè)計(jì)里面的一切。我們可以做到這一點(diǎn)，因?yàn)槲覀冎圃炝怂械慕M件。結(jié)果是星形薩菲爾HDc - C代表緊湊。它具有重量一半的大萬(wàn)向節(jié)的性能。它是一個(gè)直徑為15英寸的萬(wàn)向節(jié)，而典型的大萬(wàn)向節(jié)的高度在18到20英寸或更多英寸之間。我們將其高度降低到不到14英寸。這減少了一半的重量，但封裝仍然具有相同數(shù)量的多個(gè)傳感器，長(zhǎng)焦距，大光圈等。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)、FPGA 管理 SWaP、成本

并非每個(gè)小型系統(tǒng)都需要定制設(shè)計(jì)，許多集成商將轉(zhuǎn)向VPX等標(biāo)準(zhǔn)作為其有效載荷設(shè)計(jì)。更大的UAS平臺(tái)，如捕食者將使用3U和6U VPX系統(tǒng)，但較小的UAS沒(méi)有足夠的空間，這就是小型（SFF）設(shè)計(jì)適合的地方，亞利桑那州噴泉山VITA標(biāo)準(zhǔn)組織執(zhí)行主任Ray Alderman說(shuō)。

“在UAS有效載荷中總是存在SWaP挑戰(zhàn)。許多人使用定制的SFF設(shè)計(jì)來(lái)解決這些問(wèn)題，但這不僅在前期成本很高，而且在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)都是昂貴的，“加利福尼亞州弗里蒙特Themis Computer業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監(jiān)Bill Ripley說(shuō)，”利用VITA 74 SFF等標(biāo)準(zhǔn)，集成商能夠采購(gòu)?fù)ǔr(jià)格比類似的6U產(chǎn)品或定制設(shè)計(jì)低50%的設(shè)計(jì)， 同時(shí)保持軍事環(huán)境規(guī)范。我們看到業(yè)界越來(lái)越希望保持標(biāo)準(zhǔn)，而不是定制外形尺寸。一些定制外形尺寸可以具有較低的初始成本和初始價(jià)格，但為了在項(xiàng)目的整個(gè)生命周期內(nèi)節(jié)省成本，基于標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)仍然是最佳選擇。對(duì)于傳統(tǒng)尺寸的UAS應(yīng)用，泰米斯提供納米ATR VITA 74產(chǎn)品。對(duì)于大型應(yīng)用，我們提供 3U VPX 系統(tǒng)。

“當(dāng)我們第一次開(kāi)始研究VITA 74時(shí)，明顯的市場(chǎng)利基是UASs，大約在同一時(shí)間，有一個(gè)很大的推動(dòng)力，對(duì)地面車輛進(jìn)行資本重組，并建造新的先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)地面車輛，”Ripley繼續(xù)說(shuō)道。“這升溫了，因?yàn)榕c他們相關(guān)的數(shù)字很大。有一段時(shí)間，地面車輛比在自己的領(lǐng)域更能促進(jìn)UAS市場(chǎng)的發(fā)展。大量的開(kāi)發(fā)成本都花在了UAS平臺(tái)中使用的硬件上。UAS市場(chǎng)有需求，但當(dāng)時(shí)沒(méi)有資產(chǎn)數(shù)量。現(xiàn)在，當(dāng)UAS市場(chǎng)可能升溫時(shí)，地面車輛市場(chǎng)正在平靜下來(lái)。

水星系統(tǒng)工程師利用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能，并在其較小的有效載荷設(shè)計(jì)中減少了電子占用空間。“我們的COMINT有效載荷是一個(gè)基于FPGA的系統(tǒng)，具有天線陣列設(shè)計(jì)和電子系統(tǒng)，獨(dú)立在一個(gè)小吊艙中，”Doyle說(shuō)。“這個(gè)小吊艙是專門(mén)為方便現(xiàn)場(chǎng)改造而設(shè)計(jì)的，因此可以快速安裝在機(jī)翼下或完全集成到機(jī)身中。

“FPGA的使用使我們能夠在相同的重量和直流功率足跡下提供巨大的信號(hào)處理能力，”水星系統(tǒng)公司ISR系統(tǒng)技術(shù)總監(jiān)Chris Michalski說(shuō)。“在以前的系統(tǒng)中，大多數(shù)處理都是在通用CPU中執(zhí)行的。前端處理中涉及的FPGA并不多。今天，我們提供采用加固型嵌入式板的系統(tǒng)，這些板卡利用 FPGA。這使我們能夠以比運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn) PowerPC 器件低得多的直流功耗水平將處理卸載到 FPGA 上。像 Xilinx Virtex-6 這樣的 FPGA 不僅在性能方面，而且在降低功耗方面都相當(dāng)不錯(cuò)，因?yàn)槠涔δ艹叽绾苄　?/p>

數(shù)據(jù)鏈路帶寬問(wèn)題

設(shè)計(jì)人員在傳感器旁邊封裝如此多信號(hào)處理馬力的另一個(gè)原因是繞過(guò)空對(duì)地?cái)?shù)據(jù)鏈路的帶寬限制。“他們必須將處理器移近傳感器，并在將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，”Alderman說(shuō)。“它類似于衛(wèi)星有效載荷，它們具有攝像機(jī)并使用圖像采集卡將圖像發(fā)送到地面。好吧，如果什么都沒(méi)發(fā)生，您將發(fā)送相同的幀三到四次。需要壓縮數(shù)據(jù)，以便僅發(fā)送與上一個(gè)圖像不同的圖像。這需要大型處理系統(tǒng)，如VPX。

“讓作戰(zhàn)人員獲得可操作的情報(bào)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵赨AS平臺(tái)上生成的大量數(shù)據(jù)，”Doyle說(shuō)。“確定哪些數(shù)據(jù)是真正可操作的可能需要很長(zhǎng)時(shí)間，因此，如果您可以在有效載荷級(jí)別自動(dòng)執(zhí)行建議，則可以使作戰(zhàn)人員騰出時(shí)間專注于其他任務(wù)。

“對(duì)于小型有效載荷，到地面的數(shù)據(jù)鏈路帶寬甚至比大型系統(tǒng)差，”Michalski說(shuō)。“許多這些平臺(tái)甚至沒(méi)有地面鏈接或圖像鏈接。有時(shí)，飛機(jī)上的鏈路帶寬小于 SIGINT 有效負(fù)載提供商使用的帶寬。這也是一個(gè)資產(chǎn)管理問(wèn)題，因?yàn)檐姺讲幌朐黾痈嗟馁Y產(chǎn)或地面人員來(lái)操作新的有效載荷，同時(shí)仍然操作舊的有效載荷。

審核編輯：郭婷