מחשוב משובץ מונע על ידי שלדות כטב”מים ומשימותיהם

David French, Kontron

לכל זרוע צבאית נדרשות היכולות המסופקות על ידי פלטפורמות כטב”ם (כלי טיס בלתי מאוישים). כלי רכב בלתי מאוישים אלו חיוניים לשיפור הערנות במצבי ביון ואיסוף נתונים, בתקשורת בזמן אמת ואפילו בפריסה של כוחות צבא. כתוצאה מהגישה הטכנולוגית של צבאות, המעניקה חשיבות בשדה הקרב המודרני, הרעיונות החדשים לגבי השימוש במערכות כטב”ם ולגבי הפריסה שלהן, מדרבנים את הפיתוח המורחב שלהן כבעלי עדיפות. מערכות משופרות נדרשות כדי לאפשר פונקציונליות מתוחכמת יותר, חימוש וזמני טיסה ממושכים יותר ולגבהים גבוהים יותר. על המערכות להיות גם רב תכליתיות, על מנת לתמוך בטווח גדלים גדול יותר של מערכות כטב”ם, החל בכלים בגודל מכלית ועד לציוד בגודל מיקרו. דרישות מגוונות אלו בהחלט מעמידות אתגרים בפני המתכננים שחייבים להבטיח אמינות גבוהה בעת ההפעלה בתנאי הסביבה הקשוחים של שדה הקרב.
מתוך דוח של צבא ארה”ב שפורסם לאחרונה, עולה ש”תקנים ויכולת תפעוליות חשובים ביותר ליכולתם של הכוחות המאוחדים, למען השגת עליונות בנוגע למידע בסביבה המודרנית של יכולות תקשורת”. התוצאה היא שמטרות הפיתוח של כטב”מים מחייבות מערך משותף של מסגרות כלי הטיס. כל פלטפורמת כטב”ם צריכה להיות מתוכננת כדי להתאים לתמיכה בעדיפות אחת או יותר של הכוחות המאוחדים, אשר מבוססות על משפחת מערכות המשתמשות בממשקים ובמטע”דים (payload) סטנדרטיים מסוג “תקע והפעל”, בעלי יכולת תפעוליות.
המשמעות של יכולת תפעוליות מחויבת זו היא שמתכנני מערכות צבאיות משובצות חייבים לנקוט בגישה המשתמשת בארכיטקטורה פתוחה של מארזי מערכות COTS שיאפשרו להם להתמקד בעמידה במטרות של פלטפורמת הכטב”ם, תוך שילוב ברשת המידע העולמית של הכוחות המאוחדים. בנוסף, יש לשקול את מגוון שלדות המטוסים כדוגמת Predator, Global Hawk, Fire Scout, Raven ורבים אחרים, ואת מערכות הפיקוד והבקרה הקרקעיות הנלוות שלהם, לאור תפקידם להגן על החיילים ולשתף מידע חיוני. על מנת לעמוד במשימה זו, על המתכננים לפתח הבנה מעמיקה של האפשרויות העומדות בפניהם עבור המערכות רחבות הפס, בעלות הביצועים הגבוהים ומבוססות התקנים, שמספקות לא רק יישומים עמוסי מחשוב אלא גם יכולות שדרוג ותפעוליות חיוניות.

אפשרויות גורם הצורה במחשוב משובץ
מימוש גישה שאינה תלויה בצורה דורש מהמתכננים להבין את היתרונות והפשרות בכל גורמי הצורה במחשוב משובץ. גורמי הצורה מבוססי התקנים של ימינו כוללים מחשבי COM, VPX, NicroTCA, CompactPCI ו–AdvancedTCA ולכל אחד תכונות מסוימות, שאותן יש לשקול לעומת הדרישות.
לדוגמה, יישומים מוגבלים במקום, שדורשים ביצועים גבוהים, מתאימים לפתרונות מבוססי מחשבי COM. עם זאת, התכנון חייב לטפל בפתרונות בשני מעגלים ולאפשר התאמה אישית באמצעות מעגל הבסיס של המודול. MicroTCA מספק פתרון מוקשח עם ביצועי רוחב פס גבוהים ומותאם היטב למערכות בקרה קרקעיות המעבדות נתונים ללא הפסקה. MicroTCA מבוסס התקנים, ששופר ממפרט ANSI /VITA 47, ואשר מגדיר את אופן הפעולה בסוגים אלו של תנאי סביבה, מספק אפשרויות מרובות אשר כוללות מעגל MicroTCA מוקשח מקורר באוויר (MTCA.1), מעגל MicroTCA מוקשח (MTCA.2) ומעגל MicroTCA מקורר בהולכה (MTCA.3). לעומתו, גורם הצורה VPX תוכנן לקשיחות מעל הקרקע והוא תומך היטב ביישומים שלהם נדרשים מארגי מיתוג טוריים ועיבוד אותות מהיר בסביבה פיסית קיצונית. לדוגמה, מערכות בקרה קרקעיות ומוטסות מבוססות VME, שנפרסו בשטח לפני שנים, משודרגות ל–VPX במטרה לעמוד בדרישות היישומים העכשוויים הממורכזים בנתונים.

ההתקדמות בתחום ההספקים והביצועים
החיסכון במשאבים עומד בראש, ומטע”דים כדוגמת וידיאו, מכ”ם, מערכות אלקטרו–אופטיות/ אינפרה–אדומות ואמצעי נגד אלקטרוניים מציבים אתגר בפני המתכננים הבאים לאזן בין הביצועים לבין החיסכון. מטע”דים אלו דורשים עיבוד בביצועים גבוהים של אותות הפרשיים. טכנולוגיית המעבדים ב–32 ננו–מטר של Intel מתאימה לכך, מאחר שהיא מפחיתה את מעטפת ההספק ומספקת אורך חיים גדול, פעולה בטמפרטורות מורחבות וביצועים באופן כללי. בדיקות ביצועים הראו שארכיטקטורת ליבה ב–32 ננו–מטר עומדת בביצועים ואף עולה עליהם, בהשוואה לטכנולוגיות מעבדים אחרות, כתוצאה משיפורים ביכולות עיבוד וקטורים, בביצועים לכל וואט, צריכת הספק קטנה ופיזור חום.
גורמי צורה מבוססי Core i7 כוללים פתרון יעיל יותר בשני שבבים המספק שלמות אותות טובה יותר וצורך מקום קטן ביותר במעגל. כך מתאפשרים ביצועים טובים יותר בתכנונים ניידים קטנים יותר וזוללי הספק. כמו כן מתאפשרות יכולות גרפיקה משולבות מורחבות וביצועים משופרים בזרימת נתונים דרך ערכת השבבים המשולבת QM57 Express של Intel וממשקי תצוגה מתקדמים, שהם פריצת דרך משמעותית ביישומי כטב”מים של הדמיה או של ביון מרובי מחשוב וגרפיקה. בנוסף היישומים יכולים מעתה לתמוך בריבוי פונקציות של גרפיקה ומולטימדיה כולל חיבורי port נפרדים ל–SDVO ול–PEG. בקר משולב לזיכרון ECC מתאים לדרישות גבוהות של שלמות נתונים, ואפשרויות נוספות בקונפיגורציה של חיבורי I/O וממשק PCI Express מתאימים באופטימיזציה את הגמישות עבור תכנוני מערכות קרקעיות וגם מוטסות.

שלדות כטב”מים מכתיבות את בחירת המערכות והפלטפורמה
המגוון הגדול של שלדות כטב”מים ומטרות יישומים עבור כטב”מים מתאר באופן הטוב ביותר את הצדדים החזקים (כלומר, רוחב פס גבוה) ואת החשיבות של תכנון שאינו תלוי בפלטפורמה. המשימות לטווחים קצרים בינוניים או ארוכים של כטב”מים יכולות להשתנות במידה רבה , אולם ערנות משופרת למצב היא המטרה העליונה.
ייתכן ששלדות כטב”מים גדולות יותר כגון RQ–4 Global Hawk יסתמכו על VPX להעברת יכולות מכ”ם ווידיאו בתנועה מלאה של הדור הבא. וידיאו חי דחוס או מידע אחר מורד באופן שוטף להתקנים קרקעיים ניידים ולכך נדרשים דחיסת תמונה ורוחב פס. VPX, המציע עיבוד בתדירות גבוהה וכן פתרון מארג תקשורת אמין, מתאים במיוחד ליישומי כטב”מים אלו. גורם הצורה של VPX והארכיטקטורה שלו מאפשרים עיבוד בביצועים גבוהים יותר לכל חריץ התקנה וכן חיבורים פנימיים במהירות גבוהה יותר בין נקודת עיבוד לבין יחידות I/O באמצעות חיבורי PCIe, 10GbE או sRIO. חיבורים פנימיים אלו מספקים קצב של 10 ג’יגה–סיביות בשנייה בין היחידות או כמה מאות ג’יגה–ביית בשנייה בחיבור מצורף בתלות במימוש המערכת. יתרון נוסף של VPX הוא שאפשר לשלב אותו בתקני CODEC כמו H.263, H.264 (MPEG–4 חלק 10) ו–JPEG 2000 על מנת לספק דחיסת תמונה יעילה ביותר. VPX נתמך גם על ידי פיתוח מערכות משולבות מוקשחות. מערכות COTS כדוגמת השלדה ATR בגודל ½ עם קירור בהולכה המתוכננת עבור תוכניות כטב”מים לטווח הארוך, תומכות בגורם הצורה של VPX ועומדות בתקן MIL–E–5400 למצבים קיצוניים של טמפרטורה, רעידות, הלמים, תרסיס מלח, חול וחשיפה לחומרים כימיים תוך שהיא שומרת על סביבה אטומה.
שלדות כטב”מים בטווח הבינוני מאופיינות על ידי MQ–1 Predator ו–MQ–9 Reaper. Predator הוא כטב”ם חמוש לריבוי תפקידים לעמידות ארוכת טווח הנושא מטע”דים כדוגמת מערכות אלקטרו–אופטיות/ אינפרה–אדומות, מציין מטרות בלייזר, מאיר לייזר (illuminator) ומודיעין אותות. הכטב”ם וצוותו, המשמשים בעיקר למשימות מודיעין, מעקב ואיסוף מידע (ISR), יכולים להתכוון במהירות לטיפול במשימות מגוונות מתמיכה אווירית ועד בקרת אוויר.
שתי אפשרויות של קישור נתונים מאפשרות לכטב”ם לטוס בשליטה בתחום קו הראיה של כ– 160 ק”מ מבסיס השיגור והנחיתה, או להיות מוטס בשליטה מעבר לתחום הראיה דרך קישור נתונים מלווין. מערכות של הטסה ידנית, טיסה מנוטרת אוטונומית למחצה ומערכת טיסה בתכנות מראש דורשות רוחב פס גבוה ומוקשח ומייצגים דוגמה טובה למימוש MicroTCA כחלופה ל–VPX. MTCA.3, דגם MicroTCA מקורר בהולכה, מציע גורם צורה קטן במקצת מ–VPX עם קישוריות במהירות גבוהה דומה, ההופכת אותו למתאים במיוחד לסוגי יישומים אלו.

שלדות כטב”מים קטנות יותר כדוגמת Wasp III, RQ–11 Raven ו–Scan Eagle גדלו אולי עד לממדים המרביים שלהם, במונחים של שימושיות. קבוצת התקנים קטנים ממונעים או משוגרים ביד זו נחשבת כיום ליעילה ביותר בתמיכה במשימות משולבות מאוישות ובלתי מאוישות מעבר ליכולות של MQ 1/9 ו–RQ–4, כולל מטע”דים מודולריים כגון מצלמות אלקטרו–אופטיות ומערכות אינפרה–אדומות עם יכולות צפייה רציפה ואבחנה בכלי רכב קטנים ממרחק של עד 8 ק”מ. שיפורים משובצים בקיבולת החשמל, בתכנון מנועים, במזעור, ובטכניקות תכנון ואופטימיזציה הובילו להתפתחות נמשכת של שלדות אלו בתוספת לניווט אוטונומי מבוסס GPS ומאפשרת להם לבצע משימות מעקב ואיסוף מידע ביום ובלילה בגובה נמוך. מחשבי COM לטמפרטורה מורחבת משפרים לא רק את שיקולי השימוש במשאבים תוך הרחבת רזולוציית התמונה וטיפול בתקשורת קריטית למשימה ובתפוקת הרשת, הם מספקים לתכנונים אלו גם יכולות שדרוג ותפעוליות לטווח הארוך בתוך הכוחות המשולבים.
הערך הצבאי לטווח הארוך
הערך של כל שלדת כטב”ם גדל באופן משמעותי עם היכולות הגדלות התמידות של מטע”דים, במיוחד בתחומים של ערנות למצב ושל מערכות מכ”ם ומעקב בביצועים גבוהים. מאחר שכל פלטפורמות הכטב”מים חייבות להתמודד עם חסרונות של קישורי נתונים, מושקעים מאמצים בטכנולוגיית חיישנים, בקישורי נתונים ובתחנות בסיס לתמיכה בדרישות עתידיות. התוצאה של מטרות המשימה המורחבות המוצבות על ידי הכוחות המאוחדים של צבא ארה”ב היא שמופעל לחץ גדול על גורמי צורה של מערכות מחשוב משובצות כדי לעמוד בדרישות המטע”דים במונחים של מספר הקישורים ורוחב הפס שלהם, וגם של רזולוציה וקידוד גבוהים יותר במערכות התצפית. כל פלטפורמה מוטסת נדרשת מעתה לארח כמה מטע”דים כך שזמינות רוחב הפס והעיבוד בזמן אמת חייבים גם לתמוך בדחיסה, איזון וסינון ספרתי מורחבים. מנקודת המבט של המתכנן המגוון של יישומי כטב”מים מחייב הערכה מעמיקה של גורמי הצורה המשובצים, טכנולוגיות העיבוד ושל הפלטפורמות כדי לקבוע את הפתרון האופטימלי שיכול לסייע בידו לתת בהצלחה מענה לצורכי המשימה ולספק ערך מודולרי ממוקד רשת.