כלים ומערכות בלתי מאוישים (UAV/UAS) הוכיחו את עצמם זה מכבר ככלי נשק חדשניים, חיוניים ואסטרטגיים במאגרי נשק צבאיים, כאשר סיפקו את היכולות הדרושות והקריטיות הכוללות מודיעין, תצפית וסיור (ISR), בצד היכולת להכות בכוחות האויב. המורכבות והרבגוניות, שמאפיינות את יישומי כלי הטייס הבלתי מאוישים (כטב”מ – UAV) ומערכות המחשוב הנמצאות ביסודם, מציגים כמה מאתגרי התכנון הקשים ביותר, שעומדים בפני מפתחים. מתכננים בתחום הצבאי נאלצים להתמודד עם שורה ארוכה ורבת ממדים של דרישות המציבות אתגר בפני הגבולות של טכנולוגיות המחשוב המשובצות (ECT). לדוגמה, מערכות כטב”מ צריכות להיות בעלות יכולות מחשוב ברמה הגבוהה ביותר לצורך עיבוד אותות חיישנים, עיבוד של איסוף ופיזור נתונים ועיבוד תמונה, אשר חייבים להתאים למגבלות מחמירות של גודל, משקל והספק (SWaP). ובנוסף, מערכות אלו חייבות גם להיות מוקשחות במידה רבה מאוד, על מנת שיוכלו לשרוד ולבצע את פעולותיהן באופן אמין, בסביבות פעולה שבהן שוררים התנאים הדורשניים והקשים ביותר.
יישומי כטב”מ של הדור הבא התרחבו הרבה מעבר לדרישות שעמדו בפני המזל”טים המקוריים ששימשו לתצפית, וכיום הם כוללים 14 סוגים שונים של כלי טייס, שנמצאים בשירות משרד ההגנה האמריקני (DOD).
מאמר זה נכתב מתוך ניסיון לפתור כמה מהאתגרים העומדים בפני מתכנני כטב”מ, ולכן ידגיש את דרישות התכנון המורכבות הניצבות בפני מגוון תוכניות כטב”מ, וידריך את אנשי הפיתוח דרך טווח מידות גודל פיסי ופלטפורמות ברמת מערכת של מחשוב משובץ, במטרה לסייע בידיהם בבחירת הפתרון האופטימלי ליעד הנתון של יישום כטב”מ. כמו כן המאמר יתייחס לשיקולי תכנון חשובים שיותאמו באופן אישי, כמו למשל כניסות ויציאות (I/O), ניהול חום, עיבוד וידיאו ותמונה ותקני ההקשחה המתקדמים ביותר הקיימים.
טכנולוגיה שעונה על דרישות תכנון מורכבות
לכל כלי טייס מסוג כטב”מ יש מערך מוגדר של דרישות, שהן מיוחדות לכל אחד מהסוגים של יעדי הפעולה הייחודים. אך עם זאת, דרישות אלו מהוות קבוצה של דרישות מפתח עבור פלטפורמות מחשוב משובצות, משותפות לכולם, למען אבטחת הפריסה המוצלחת של התוכניות של מערכות כטב”מ.
יכולת פעולה ביינית מבוססת תקנים
ההרשאה לקבלת יכולת פעולה ביינית (interoperability) וקישוריות דורשת מיצרני ציוד המקור (OEM) הצבאיים לתכנן סביב מערך משותף של כלי טייס מבוססי ממשקים תקניים ועל מטע”דים מסוג “תקע והפעל” שמאפשרים פעולה ביינית, וזאת בניגוד לפיתוח של מערכות מרובות שהן ייעודיות למשימות נפרדות. דרישה זו מזמינה יכולות מוגברות של מחשוב ותקשורת ויכולת רבה יותר של בקרת פעולה בזמן אמת. אנשי התכנון צריכים גם לקחת במערך השיקולים שלהם. את העובדה שמערכות כטב”מ הופכות להיות מורכבות יותר, וכעת הן חייבות גם לתמוך בתחנות קרקעיות ובמערכות אחרות, בנוסף לתמיכה בכלי טייס ממשיים, לכן, פלטפורמות משובצות חייבות להיות מסוגלות לתמוך במשימות מרובות. לדוגמה, תוכניות כטב”מ רבות חייבות לכלול פונקציות וחיישנים מרובים במטע”דים שלהם, כגון מערכות ראייה ומערכות מכ”ם, במקביל לחיישני חום, חיישנים ביולוגיים, חיישנים אלקטרו-מגנטיים וחיישנים כימיים.
כמו כן, הצבא הכניס לפעולה תוכניות כטב”מ חדשות שמאופיינות באינטליגנציה מובנית שיכולה לבצע כוונונים בזמן אמת לפרמטרים מוגדרים למשימה, למען קבלת טיסה אוטונומית באמת. עובדה זו מדגישה את התהליך שבמהלכו מערכות כטב”מ הפכו למתוחכמות יותר, ומעודדת את השימוש בחידושים האחרונים ביותר בתחום המחשוב המשובץ, על מנת לספק רמות גבוהות של קישוריות לפלטפורמות מבוססות תקנים, בעלות יכולת פעולה ביינית ברמה גבוהה. היכולת להשיג את נקודת ההתכנסות של יכולות אלו מאפשרת למזג באופן הדוק את המשימות של כטב”מ עם נכסי יבשה-ים-אוויר אחרים, במקביל לכלים יבשתיים בלתי מאוישים, והיא אחד מבין הפיתוחים החדשניים ביותר בעידן החדש הזה של יישומים משולבים עבור שדה הקרב.
מתכננים של מערכות צבאיות חוזרים באופן קבוע לפלטפורמות מוכחות מבוססות תקנים, כדוגמת VPX, MicroTCA ומחשב-על-מודולים (COM), על מנת להגיע ליעדים של תוכנית יכולת פעולה ביינית. ואולם, ראוי לשקול כל אחת מהפלטפורמות האלו ולבחון את יכולתה לעמוד בדרישות ניהול SAaP וניהול חום של כלי הטייס והמשימה שלו.
תמיכה בנתוני הדמיה ונתוני חיישנים
עד לפני אך כמה שנים ספורות, היכולת לתמוך בכמות המסיבית של נתוני תוכן חזותי ובנתונים אחרים, אשר נאספים בקביעות על ידי מערכות הכטב”מ של היום, הייתה נראית בלתי אפשרית. יכולת זו, עם הצורך בניטור מרחוק בזמן אמת ובזרימת וידיאו בזמן אמת יחד, בצד אינטגרציה של יכולות תקיפה, דורשת רמה גבוהה יותר בהרבה של ביצועי מחשוב. אם אנשי התכנון אמורים להסתמך על פלטפורמות מחשוב משובצות לצורך תמיכה בצרכים תפעוליים חדשים של כטב”ב, פלטפורמות אלו חייבות לספק ביצועי מחשוב יוצאי דופן. למזלנו, אפשר לקבל כבר עתה את פתרונות המחשוב המשובצים, המיועדים לבצועים גבוהים ולפס רחב, בעלי התכונות המתקדמות ביותר, בשילוב עם יכולת אחסון בצפיפות גבוהה, המיועדים למשימה הכרוכה בטיפול בדרישות של יכולת מחשוב נרחבת ובשימוש בחיישנים – שנמצא כל הזמן בגידול – בקרב תכנונים של כטב”מ.
אמינות וזמינות ברמה גבוהה בסביבות קשות
פעולה רציפה ואמינה של כל חלקי המערכת בסביבה מסוימת, היא תכונה קריטית להצלחה במשך כל חיי יישום כטב”מ כלשהו. אי לכך, חשוב שפתרון המחשוב המשובץ שנבחר יהיה מוצב בתוך תושבת או מארז שמיוצרים מתוך מטרה לעמוד בדרישות התקן MIL-STD-810 לתנאי סביבה של הלמים ורעידות. המארזים שעומדים בתקנים האלו, מבטיחים שהמערכת עם רכיבי האלקטרוניקה והמחשוב שלה, תהיה מסוגלת לעמוד בחשיפה לתנאים קיצוניים של טמפרטורה, רעידות, הלמים, ריסוס במי מלח, וכן בחשיפה לחול ולחומרים כימיים, במארז אטום ומבוקר טמפרטורה.
ליישומי כטב”מ יש דרישות SWaP מחמירות ביותר והם גם חייבים לעמוד בצרכים המתרחבים והולכים כל הזמן, שכוללים רוחב פס לתקשורת, ביצועי מחשוב ואיסוף נתונים. אפשר להתאים תושבות מסחריות מן המדף (COTS) מבוססות תקנים על מנת לענות על צורכי יישום מסוימים, כמו למשל דרישות מוגדרות לניהול חום. בשל מגבלות SWaP ומגבלות אחרות של סידור מערכת, מתכנני כטב”מ רבים בוחרים בדרך כלל במתודולוגיה של קירור בהולכה (בעזרת מניפה או בלעדיה).
ראוי אם כן שאנשי התכנון יבחרו בפתרון לניהול חום והתקנה, כבר בשלב ההתחלה. היכולת הזו – של שיפור פלטפורמות מסחריות מהמדף עוד בטרם קיבלו הרשאה, שאותן אפשר גם להתאים באופטימיזציה או בהתאמה אישית כדי שיתאימו לצרכים הייחודיים של השוואת חום של כל אחד מבין כלי הטייס מסוג כטב”מ – היא היוצרת בסיס יציב בשלב ההתחלתי של התכנון.
איתור הפתרון הנכון
לדאבוננו, אין מערכת מחשוב יחידה שהיא ישימה לכל תכנוני הכטב”מ. פירושו של דבר שעל אנשי הפיתוח לשקול קבוצה נבחרת של אפשרויות מבוססות תקנים, ולהתאים אותה למטרות המתוארות של יכולות נדרשות בתכנון כטב”מ, כגון מטע”ד, רישות, וכן העיבוד, הניתוח וההפצה של נתונים במערכת עם יכולת מחשוב מרובה. מאחר שממשיכה להתקיים הדרישה הגוברת למערכות כטב”מ ממוקדות רשת, תכנונים אלו צריכים להיות נתמכים על ידי פלטפורמות שמספקות רוחב פס וביצועי מחשוב גבוהים יותר.
VPX – עיבוד אותות במהירות גבוהה
לטווח המטענים הייעודיים מסוג כטב”מ, בלי קשר לגודל או ליעד המשימה של כלי הטייס, נדרש שילוב של תקשורת, חיישנים סביבתיים, מכשירי מכ”ם ברזולוציה גבוהה, מערכות להדמיית וידיאו בזרימה וכלי נשק. ניתוח מודיעיני של הסביבה נמצא בחשיבות עליונה, לכן היכולת להוריד וידיאו “חי” או מידע אחר במצב דחוס אל ציוד יבשתי נייד או נישא, מהווה יעד תכנוני ראשון במעלה. פלטפורמת VPX הפכה להיות הפלטפורמה האידיאלית לסוג זה של מערכת רבת נתונים, אשר לה יש צורך בדחיסת תמונה ורוחב פס במקביל לדרישה לעיבוד בתדירות גבוהה במסגרת פתרון בעל מארג אמין באופן מיוחד.
פלטפורמת VPX מאפשרת עיבוד בביצועים גבוהים לכל חריץ התקנה, אך גם חיבורים פנימיים הפועלים במהירות גבוהה בין רכיבי העיבוד לבין רכיבי הכניסות והיציאות שמשתמשים בממשקי PCIe, 10GbE או sRIO. חיבורים פנימיים אלו מספקים רמת ביצועים של עד 10 ג’יגה סיביות בשנייה, ומערכותVPX יכולות להגיע אף ליותר מאשר 5 ג’יגה סיביות בשנייה, כשהן משתמשות במספר טכנולוגיות מארג טוריות שונות. דוגמה למידת ההתאמה האידיאלית של פלטפורמת VPX ליישומים בזרימת וידיאו, אפשר לראות בעובדה שניתן לשלב אותה באינטגרציה עם מערכות CODEC מסוג (ITU-T H.263, H.264 (MPEG-4 חלק 10 ו-JPEG2000, על מנת להגיע לדחיסת תמונה יעילה מאוד. מערכת CODEC בתקן H.264 עברה באופן מיוחד שיפור באופטימיזציה לזרימת וידיאו והיא מציעה את היכולת להתפשר על איכות התמונה או על הדחיסה, עם השתנותו של רוחב הפס הזמין. גמישות זו הופכת את השימוש ב- VPX עם מערכת CODEC זו למתאים מאוד עבור מטענים ייעודיים של וידיאו עבור כטב”מ שחייב לתמוך במספר אפשרויות של קישור לנתונים ותרחישי פעולות.
MicroTCA – דרישות לרוחב פס גבוה וקשיח
המשמעות של מערכות כטב”מ שמשמשות במשימות לטווחים ארוכים יותר היא שבאופן אופייני הן יפעלו בגבהים גבוהים יותר, וייתכן שבפני אותן מערכות כטב”מ יעמדו דרישות של יכולות סיור ארוך יותר, שיהפכו את מידת הקשחתן ואמינותן, במונחים של ניהול הספק, משקל וחום, לשיקול תכנוני ממדרגה ראשונה. MicroTCA המוקשח מקורר באוויר MTCA.1), MicroTCA) מוקשח (MTCA.2) ו-MicroTCA שמקורר בהולכה (MTCA.3) מקדמים את המפרט הטכני בתקןANSI/ VITA 47 כדי שיעמוד בדרישות הסביבתיות המורחבות של משימות מערכות כטב”מ לטווחים ארוכים.
היכולת למחזר ולהקשיח את הצורה הפיסית הקטנה של כרטיסי AMC הפופולריים, על מנת ליצור מערכת MicroTCA מוקשחת, סיפקה למתכננים פתח לפתרון כדאי מבחינה כלכלית, עם יישומים מרובים על אותה פלטפורמה. בעזרת התאמה של מספר גבוה של כרטיסי AMC בריבוי ליבות ואפשור צימוד הדוק של מעבדים על פני קישורי תקשורת בלוח אם במהירות גבוהה, הופך סוג זה של מימוש MicroTCA להיות מתאים במיוחד עבור עיבוד נתוני מכ”ם ותמונה בזמן אמת או עבור יישומי קול, נתונים ווידיאו בארכיטקטורה של ערוץ יחיד או בארכיטקטורות של ערוץ כפול. עם הדגשת יכולות רוחב הפס של MicroTCA, הוא מציע את היכולת לשפר עד כדי 21 חיבורים טוריים במהירות גבוהה על לוח אם, כל אחד מהם מספק רוחב פס של 3.125 ג’יגה סיביות בשנייה. בתלות בכלי הטייס או במערכת הבקרה הקרקעית שלו, אנו מקבלים טווח רחב מאוד של יכולות רוחב פס בתקשורת מבוססת MicroTCA, המשתרע מ-40 ג’יגה סיביות בשנייה עד ליותר מ-1 טרה סיביות בשנייה. אם סביבת הביצוע של עיבוד הנתונים מתקרבת לדרישות של 10 Gigabit Ethernet, מערכת MicroTCA יכולה להיות בחירה אופטימלית.
מחשב על מודול – דרישות SWaP עבור חללים ממצומצמים
לכלי טייס מסוג כטב”מ של הרמות הקטנות יש דרישות מגוונות עבור מטענים ייעודיים ויכולות שיכולות לספק מודעות סביבתית מצילת חיים. מחשבים על מודולים (COM) מסוג COM Express הם פתרונות מצוינים בשל גודלם הפיסי ואפשרויות הכניסות והיציאות שלהם הניתנות להתאמה. מהיותם זמינים באופן נרחב, פתרון מבוסס תקנים, מחשבים על מודול מסוג COM Express מהווים בלוקי בנייה כדאיים מאוד מבחינה כלכלית, והם פתרונות מצוינים עבור תת המגזר הצבאי הנייד המתפתח. לדוגמה, ה-COBALT (של ) Kontron מדגימה גישת תכנון רב תכליתית מבוססת מחשבי COM.
החלופה COBALT מספקת למתכנני כטב”מ תכנון בהספק נמוך ובנצילות חום, בעקבת מעגל קטנה, שתומך בפעולה ללא מאוורר בתנאי סביבה קשים. את ביצועי המחשוב שלה אפשר להתאים, בהתבסס על דרישות יישום מסוים – החל במימושים מבוססי המעבד Atom של Intel הפועל בהספק נמוך מאוד, ועד למערכות של המעבד רב העוצמה CoreTM i7 של ®Intel. החלופה COBALT שמטפלת בטמפרטורות פעולה המשתרעות בטווח שבין מינוס 40 מעלות צלזיוס לבין פלוס 71 מעלות צלזיוס, תואמת לטווח רחב של דרישות מערכות קרקעיות ודרישות מערכות כטב”מ.
מערך הפינים במודול ®COM Express מסוג 6 מאפשר להתקדם מאוד בביצועים מהאפשרויות המוקדמות יותר של מערך פינים, ותומך בצרכים של ארכיטקטורות הגרפיקה האחרונות ביותר, עבור וידיאו מתקדם, המשמש במצבי תצפית עבור מודעות סביבתית. תוספת זו של תמיכה מקומית עבור ממשקי התצוגה החדשים ביותר שקיימים, מפשטת את תכנון המעגל הנושא, ותמיכתו הרחבה בתקן PCI Express עוזרת לאנשי התכנון לבצע את ההמרה מממשקים מקביליים מסורתיים אל עבר תכנונים של מערכות משובצות טוריות בלבד עבור רוחב פס גדול יותר וזמן אחזור מופחת. באמצעות מחשבים על מודול מסוג COM Express אפשר להעניק לתכנוני כטב”מ הנתונים בחללים מצומצמים, ביצועים מורחבים של מחשוב, זרימה נתונים והדמיה, טובים יותר מממשקי התצוגה המתקדמים הזולים המשולבים החדשים שנדרשים עבור תוכנות השדרוג של כטב”מ לתצפית.
פתרונות ברמת מערכת
הזמינות הנפוצה של מערכות מחשב מוקשחות לריבוי משימות שעברו תיקוף מראש מאפשרת ביצוע פריסה מהירה של יישומי כטב”מ. לדוגמה, ApexVX של Kontron מציע פתרון מלא ברמת מערכת מבוסס OpenVPX שמשתמש בתוכנה חכמה על מנת לפשט את האינטגרציה של כל הרכיבים הנדרשים, החל בשלב ההערכה המוקדמת ועד הפריסה לטווח הארוך. המערכת ApexVX של kontron שעברה תיקוף, מספקת ליצרני ציוד המקור בסיס מוכח, כאשר עליהם לפתח פתרונות במסגרת אילוצי תקציב חמורים ומגבלות זמן.
על ידי שיפור מערכת קיימת שמוכנה לקבל יישום מוקשח של ApexVX בגודל חצי ATR שעבר קונפיגורציה מראש, אשר אותו מציעה Kontron, עם 5 חריצי התקנה לכרטיסים ייעודיים, אנשי התכנון של מערכת כטב”מ עונים על הדרישות של “יכולת תגובה מהירה”. באופן כזה יצרני ציוד מקור יכולים לפרוש בצורה ישירה את מערכת הפיתוח שלהם, המוכנה לקרב, לבדיקות בשטח כשהיא עונה על יעדי התכנון הקריטיים של זמן הפריסה.
פריסה מוצלחת
בעת ביצוע קונפיגורציה של פתרון התוכנה עבור תצורות של כטב”ם, בדרך כלל צצות כמה בעיות, ונתקלים בכמה עיכובים. חברת Kontron פתרה את הבעיה הזו, בעזרת סוויטה מוכחת של פתרונות תוכנה אשר כוללת את המערכות ,™VXControl ו-PBIT שלה. המערכת ™VXFabric מציעה חיבור TCP/IP שנעזר בתוכנה על כרטיס PCIe עבור יישומים של זרימת נתונים, על מנת לממש תקשורת יעילה בתוך מעגל במהירות מהירה במיוחד. המערכת ™VXControl משתמשת בבקרים על המעגל, שמחוברים בממשקים דרך אפיק ניהול מערכות (SMB) סטנדרטי של לוח האם של VPX, על מנת להשיג ניהול תקינות מתוחכם בערוץ נפרד (out-of-band). המערכת ™VXControl כוללת ניטור מערכות ובקרה של פרמטרים קריטיים, כמו למשל, טמפרטורה, זרימת אוויר, מאווררים וספק כוח. מערכת PBIT של Kontron (הספקה מובנית על פתרון לבדיקה עצמית) מספקת אבחון מערכת לעומק, לרבות כל הרכיבים ההיקפיים שעל פני לוח האם. אפשר להשתמש בפתרון הבדיקה של המערכת החל בשלב מוקדם של בדיקות מעבדה ועד אשר המערכות פרוסות, על מנת לבדוק אם הגדרת הקונפיגורציה של המחשב תואמת תיעוד שנרשם מראש. מערכת PBIT יכולה גם לזהות שגיאות ארעיות ולתעד אותן במטרה להגדיל את האיכות ואת האמינות.
המשמעות של הדרישות העומדות כיום בפני מתכנני כטב”מ היא שפריסה מוצלחת חייבת לעמוד בדרישות המערכת, במקביל לדרישות המפרט הטכני של מערכת כטב”מ אופיינית, כמו למשל היכולת לעבד, להפיץ ולהגיב לכמות עצומה של נתונים שמגיעים מחיישנים מרובים. מחשבי SBCs החדשים בתקן VPX, אשר משתמשים במעבד Core i7 מהדור השלישי של Intel, עם מתג מתאים ומעגל נושא, מעניקים לאנשי תכנון מערכות פתרון גמיש. בעת שילוב מודולי FMC ייחודיים ליישום, (XMC FMC ו-PMC), אפשר להשתמש בפתרון מסוג זה כדי להתחבר בממשק למערכות משנה אחרות שנמצאות ביחידת כטב”מ, לצורך עיבוד אותות, סטטוס ובקרה. בנוסף, אפשר להשתמש במודול אחסון בתקן SATA למערכת VPX בגודל 3U עבור אחסון לא נדיף. קונפיגורציה זו מציעה גם למפתחי מערכות כטב”מ פתרון להקלטת וידיאו ולעיבוד תמונה (אל תחנה קרקעית מרוחקת) עם דרישות עיבוד בזמן אמת לקבלת החלטות אוטומטית.
כל הפלטפורמות האלו מספקות פתרונות קטני ממדים עם רמת הביצועים הגבוהה ביותר האפשרית בסוגם. בהינתן האישור שהמערכות הפרוסות יישארו גמישות, ניתנות לשדרוג ומסוגלות לשמור על אורך חיים ארוך של תמיכת שירות, יש צורך במערכות שנוצרו על בלוקי בנייה מבוססי תקנים מוכחים. מערכת חדשה או מערכות בשדרוג טכני חייבות לענות על דרישות שנקבעות בלוחות זמנים תקיפים ביותר של יציאה לשוק, בדיקה ופריסה. אפשר להשיג בקלות פתרונות מבוססי OpenVPX ופתרונות אחרים מוגדרים בקונפיגורציה, אשר משתמשים באותה פלטפורמה מוכחת, ולשדרג באמצעותם מערכת קיימת. כך מהנדסי מערכות יכולים לקבל נתיב לשיפור מוצרים בלתי פוסק, אשר תומך בפתרון של הדרישות והציפיות המתרחבות עבור כלי טייס מסוג כטב”מ שעומדים בצרכים של היום ובצורכי המחר.
מאת: Ingrid Einsiedler, Kontron