Введение
Армия США поставила цель, предусмотренную конгрессом, к 2015 году сделать одну треть её военной техники беспилотной. Однако не только армия столь требовательна в продвижении, которое некоторые обозреватели называют «очередной волной военной эволюции». Повышенное требование необходимости сохранения жизни бойцов, с одной стороны, соединенное с необходимостью контроля расходов, с другой, направляется в равной степени существенными инвестициями со стороны Воздушных Сил и Военно-морского флота.
Беспилотные аппараты требуют больше расходов, чем их пилотируемые эквиваленты, поскольку они справляются с миссиями, которые ранее казались невозможными. Если добавить к их очевидным преимуществам тот факт, что они не требуют остановки на отдых и сон, а также справляются с миссией продолжительностью, выходящей за рамки человеческой выносливости, то они становятся прекрасной альтернативой.
Беспилотные аппараты используются прежде всего, но не исключительно, в разведке, сборе информации о местности, передвижении врага и т.д. Беспилотный авиатранспорт ВВС США, прошедший службу в Афганистане, Пакистане, Боснии, Сербии, Ираке и Йемене летал в диапазоне 2000 морских миль. Его выносливость рассчитана на то, что пролетев 400 морских миль к цели, он поскитается 14 часов и вернется на базу. Подобно многим аналогичным беспилотным аппаратам, он оснащен рядом датчиков, включая оптические, инфракрасные и лазерные.
Независимо от типа беспилотного аппарата, будь то наземный, морской или воздушный, его назначение, как правило, содержит три ключевых элемента:
- Сбор данных
- Их обработка
- Их передача
Немногие, если таковые имеются, компании предлагают широкий спектр решений в этих ключевых областях. Например GE Intelligent Platforms.
Захват и обработка видео
Заостренный конец беспилотного аппарата, как правило, содержит узел сбора информации в форме радара, эхолота или камеры. GE Intelligent Platforms имеет большой опыт захвата и обработки видео, как уже ранее было показано, когда GE представили оптическую технологию, которая позволила продемонстрировать дозаправку самолета в воздухе с помощью автономного летательного аппарата (при финансовой поддержке DARPA). В программе демонстрации автономной воздушно-десантной дозаправки (AARD) воспользовались разработкой GE. Это был процессор обработки изображения, принадлежащий COTS (Коммерческая орбитальная транспортная служба), чтобы обеспечить почти безупречное обнаружение, устранение помех и строгое отслеживание дозаправочного, плавающего якоря в трех измерениях. Беспилотный летательный аппарат Fire Scout, принадлежащий ВМФ США, содержит аналогичную технологию захвата и обработки изображения, полученную от GE.
Помехи
Сегодня системы видеонаблюдения сталкиваются с тремя значительными трудностями. Первая из них – помехи. В широком смысле термин «помехи» означает нецелевые сигналы, которые появляются и накладываются в процессе обнаружения. Это вызывает большое количество ложных обнаружений в рамках системы, которая полностью подлежит анализу и обработке. В пространстве с высоким уровнем помех, что встречается при воздушно-наземном целевом применении, возможность отслеживать цель становится непременной.
Множественные цели
Не менее трудоемкой, чем отслеживание в пространстве с высоким уровнем помех, является способность эффективного отслеживать множественные цели – способность, которая приобретает возрастающее значение в условиях реальной опасности от направленной атаки множественных, быстро движущихся угроз. Отслеживание множественной цели включает систему для наилучшего понимания общей картины происходящего, чтобы иметь возможность, относительно каждой отдельной цели, принять наиболее верное решение. Следует учесть, что взаимоотношения между множественными целями должны быть проанализированными, а их возможные намерения сделать более очевидными.
Затемнения и ложные цели
Третья проблема в современной войне, с которой вынуждено бороться видеоотслеживание – это затемнения и ложными целями. Многие воздушные платформы разворачивают ложные цели как средства привлечения отслеживающих систем, использующие как термические так и ТВ-датчики. Для проведения успешного работы необходимо, чтобы отслеживающая система была крепка в противостоянии подобным приманкам.
В наземном применении и в городском пространстве существует много участков, где движущаяся цель будет затемнена от отслеживающей системы. Поэтому жизненно важно, чтобы система могла распознавать подобные участки и успешно восстанавливать путь при повторном появлении цели.
Датчик сбора данных
Беспилотные аппараты способны также содержать ряд датчиков, разработанных для получения аналоговых данных. Прежде чем они будут обработаны и переданы есть необходимость преобразовать их в цифровой вид. В идеале преобразователь данных должен размещаться максимально близко к датчику для того, чтобы устранить последствия задержки – как в случае с испытанием ядерного оружия, когда необходима почти мгновенная запись данных до наступления детонации.
Сжатие видеосигнала
Нагрузка на каналы связи всегда была приоритетной между беспилотными летательными аппаратами и наземной станцией. Передача, например, свежеполученного видео, в лучшем случае, может привести к недопустимым задержкам. Как правило, бортовая система должна быть производительной для локальной обработки данных с целью выявления ценной информации и игнорирования той, которая не представляет ценности для передачи. Беспилотные аппараты становятся все более автономными, не требуют управления наземными станциями и способны адаптироваться к задачам, которые нужно выполнять в режиме реального времени. В связи с этим все большее значение приобретает бортовая обработка данных.
Вслед за этим, для уменьшения использования пропускной способности и в дальнейшем возникает необходимость сжатия передаваемого видео с помощью кодеков, которые минимизируют поток данных, одновременно усиливая достоверность изображения. Выбранным кодеком на сегодня является H.264, известный также как MPEG4, который использует около половины битрейта (или даже меньше) в сравнении с предыдущими. H.264 популярен не только благодаря своей эффективности, но также и своему широкому применению, включая телевидение. Следствием этого является то, что существует значительная инфраструктура поддержки и опыт применения. Таким образом на базе H.264 можно сделать систему одновременно быстрее и дешевле.
Ограничение размера, веса и мощности
Беспилотные аппараты обладают рядом общих характеристик. Прежде всего, это физические ограничения, в соответствии с которыми вынуждены работать многие из них. Все они строго ограничены в плане доступности для развертывания всторенных компьютерных подсистем, веса (особенно для воздушных аппаратов) и энергопотребления: минимальная мощность должна потребляться не только для увеличения максимальной продолжительности миссии, но и для снижения необходимости охлаждения.
Производительность процессора
Ключевым для многих приложений является узкий профиль процессоров, которые могут обеспечить существенную производительность, но которые потребляют минимум энергии и выделяют минимум тепла. Примером тому служит процессор Freescale’s QorIQ P2020 с двухъядерной архитектурой, но конверт мощности/тепловыделения которого больше напоминает устаревший процессор, который дает в полтора раза больше производительности. Как альтернативой, повышения производительности может выступить усиление мощности процессора, что позволяет системным проектировщикам отыскать оптимальные компромиссы между производительностью и тепловыделением с энергопотреблением.
VPX/OpenVPX
Описываемый ранее фокус на минимизацию размера, веса, мощности (SWaP) привел к появлению многих системных интеграторов беспилотных аппаратов, охватывающих VPX/OpenVPX. Наиболее ценным при попадании на бортовое развертывание является 3U VPX, благодаря формфактору малого размера, сниженного веса и уменьшенной потребляемой мощности.
GPGPU
Общая цель вычисления с помощью графического процессора, в частности, от NVIDIA с поддержкой CUDA GPU представляет существенный интерес потому, что предлагаемый его потенциал для развертывания значительно превосходит компьютерную производительность в ограниченном пространстве.
CUDA от NVIDIA является главной целью архитектуры параллельных вычислений, которая использует преимущества параллельных вычислений в графических процессорах NVIDIA для решения многих вычислительных задач за доли времени, необходимые для выполнения основной цели CPU. Она включает в себя набор инструкций архитектуры CUDA (ISA) и параллельного вычислителя GPU.
CUDA была продемонстрирована для достижения 100-кратного повышения скорости в широком диапазоне применений, которые поддаются параллельному вычислению. Ранние тесты, проводимые GE, показали, что военные применения могут извлечь выгоду из подобного увеличения скорости. Основной генподрядчик в военной аэрокосмической промышленности оценил архитектуру CUDA в радиолокационной сети и обнаружили повышение производительности в 15 раз. И это с минимальными усилиями перепрограммирования. Другие генподрядчики также выражают значительный интерес к этой технологии.
Подсистема интеграции
Еще нечто, к чему генподрядчики проявляют живой интерес, особенно в текущем экономическом климате, где, как никогда раньше, для смягчения программных рисков, стало важным приобретение более чем просто продукции. Если ранее генподрядчик ожидал приобрести лишь источник, содержащий подсистему, а интегрировал и тестировал ее сам, то сейчас все более требовательным становится желание приобрести решение в форме полной, протестированной системы. Например, графической подсистемы, которая освобождает генподрядчика от необходимости тратить время, силы и средства для интеграции продукта в систему на низком уровне.
Вывод
Беспилотные аппараты ставят чрезвычайные задачи перед встроенными вычислителями и являются приоритетными для встроенных технологий. Необходимость сбора, обработки и передачи все время возрастающего объема данных является важным требованием, параллельно с необходимостью бортового управления полетом и системы управления (и, в некоторых случаях, управления оружием). Соответствующие решения должны обеспечивать высокую производительность и исключительную надежность при минимальном воздействии на размер, массу и мощность.