از اولین روز‌های آغاز پرواز در ابتدای قرن بیستم، هواپیماها از واحدهای حسگر آنالوگ و مجزا برای تامین اطلاعات مورد نیاز خلبانان استفاده می‌کردند. در سال‌های اول دستیابی انسان به حمل‌و‌نقل هوایی، داده‌های خروجی این واحدهای حسگر هر کدام به‌صورت جداگانه روی نمایشگرهای خلبان قرار می‌گرفت. اما با پیشرفت و تکامل الکترونیک و به دنبال آن پردازش دیجیتال، قابلیت سامانه‌های حسگر و امکانات استفاده از داده‌های خروجی آن‌ها بیشتر شده است.
امروزه به لطف سامانه‌های حسگر الکترونیکی، در کنار اطلاعاتی از قبیل سرعت هوایی، ارتفاع، جهت حرکت و دما، خلبان به طیف وسیعی از داده‌های کمکی دسترسی دارد که می‌توانند او را در آگاهی محیطی، شناسایی تهدیدات، نظارت و غیره کمک کنند. اما این پایان راه نیست، چرا که با وجود هوشمند شدن این سامانه‌های حسگر، همچنان هر یک از آن‌ها محدود به استفاده برای یک تهدید یا یک فناوری خاص بوده و در نتیجه یک گزاره مستقل محسوب می‌شوند.
فقدان یک معماری جامع، مقیاس‌پذیر، قابل ارتقاء و با امکان اشتراک‌گذاری منابع در بیشتر پلتفرم‌های هوایی امروزی به این معناست که هر سامانه حسگر به‌طور مستقل نیازمند زنجیره پردازش اختصاصی خود شامل توابع جمع‌آوری داده‌ها، دیجیتال‌سازی، پردازش، استخراج و انتشار است. این شرایط منجر به حجم و وزن زیاد و همچنین هزینه بالای تولید و تعمیر و نگهداری چنین پلتفرم‌هایی می‌شود.
زنجیره پردازش حسگرها
در بیشتر پلتفرم‌های کنونی، تلفیق الکترونیکی سامانه‌های حسگر از طریق گذرگاه‌های داده همچون MIL-STD-1553 و ARINC-429 اجرا می‌شود. نتیجه این پیاده‌سازی ایجاد یک توپولوژی پردازش ad-hoc است که باعث پدید آمدن یک معماری وابسته (Federated Arch.) در محیطی توزیع‌شده شامل مجموعه‌ای از گذرگاه‌های داده برای اتصال سامانه‌های حسگر مستقل می‌شود. این نوع از معماری هر چند گامی به سوی تلفیق بیشتر سیستم‌ها است، اما هنوز معایبی همچون عدم استفاده از منابع مشترک را دارد.
شکل 1- در معماری وابسته هر سامانه حسگر از منابع اختصاصی خود استفاده می‌کند.
همگام با افزایش نیاز سیستم‌ها به اجرای توابع پیشرفته‌تر، سیستم‌های الکترونیکی و کامپیوترها نیز وارد میدان شده‌اند و بخش زیادی از مسئولیت عملیات‌های محاسباتی را به خود اختصاص داده‌اند. کامپیوترهای ماموریت و پرواز به خلبان در اجرای توابع بحرانی اویونیک، تسلیحات و مقابله با حملات الکترونیک کمک می‌کنند.
در همین حال شرکت‌های تجاری با سرمایه‌گذاری چند میلیارد دلاری به دنبال دستیابی به پلتفرم‌هایی با معماری پردازش دیجیتال برای ساخت خودروهای بدون راننده و حوزه‌های مرتبط هستند. این شرکت‌ها با اطلاع از نیازمندی‌های سیستم خود هرگز از رویکرد معماری وابسته استفاده نخواهند کرد. در واقع آن‌ها به دنبال دستیابی به مفهومی تحت عنوان همگرایی دیجیتال (digital convergence) در معماری سیستم‌های خود هستند. مثالی از همگرایی دیجیتال، تلفن‌های همراه هوشمند است که قابلیت‌های مختلفی همچون دوربین فیلم‌برداری، تلویزیون، اینترنت و نقشه‌های مسیریابی را در خود گنجانده‌اند.
شکل2- همگرایی برنامه‌های مختلف در یک تلفن همراه هوشمند
در بخش هوایی نیز شرکت‌های تجاری مختلفی با رویکرد مشابه به دنبال ساخت پلتفرم‌های بدون خلبان برای به واقعیت تبدیل کردن رویای تاکسی‌های هوایی هستند. شرکت‌هایی نظیر گوگل، اپل، آمازون و تسلا با سرمایه‌گذاری زیاد در حال رفع موانع پیش‌روی سفر ایمن با هواگردهای خودران هستند. رهبران این شرکت‌ها می‌دانند برای گذر از این موانع نیاز به یک همگرایی در حسگرها، سیستم‌های تصمیم‌ساز و عملگرهای پرنده است.
محدودیت‌های پردازشی در یک پلتفرم وابسته در محیط توزیع‌شده
رویکرد معماری وابسته در پلتفرم‌های امروزی نمی‌تواند پاسخگوی نیاز‌های پردازشی و نیازمندی‌های SWaP باشد. این مسئله در مورد پرنده‌های بدون سرنشین (UAV) به دلیل محدودیت‌های وزن و فضا بیشتر به چشم می‌آید. همچین این نوع معماری به لحاظ ذاتی پیچیده و ریسک‌پذیر بوده که روند توسعه آن آهسته و رعایت نکات ایمنی و امنیتی در آن دشوار است. به‌طور کلی می‌توان 5 محدودیت کلیدی برای معماری وابسته در نظر گرفت:
- حسگرها: در این معماری حسگرها اغلب به‌صورت مستقل عمل می‌کنند و استفاده از آن‌ها در پلتفرم‌های مختلف نیاز به سفارشی‌سازی دارد. تعداد استانداردهای محدود برای رابط‌ها، پروتکل‌ها و ارتباطات دوجانبه محدودیت دیگر استفاده از حسگرها در معماری وابسته است.
- تکرار: حسگرهای مستقل در این معماری دارای منابع مختص به خود هستند که بین سایر حسگرها تکرار می‌شود. از جمله این منابع می‌توان به تغذیه، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال و بخش پردازشی اشاره کرد.
- امنیت: در معماری وابسته امنیت باید با درجه‌های مختلفی در هر یک از زیر سیستم‌های پردازشی پلتفرم اجرا شود. در بیشتر موارد امنیت باید با فناوری‌های گوناگون و برای سیستم‌های تولید شده توسط شرکت‌های مختلف ایجاد شود. این مسئله خود باعث ایجاد نقاط آسیب‌پذیر در سطح سیستم و شبکه آن می‌شود.
- ایمنی: دریافت گواهی‌نامه برای کامپیوترهای پرواز و ماموریت نیازمند اثبات رعایت ایمنی و قابلیت اطمینان در سطوح مختلف هواپیما است. با چند حسگر مجزا و بخش‌های پردازش اختصاصی، دریافت گواهی‌نامه‌های ایمنی دشوار خواهد بود.
- عملکرد: ارسال داده حسگرها روی گذرگاه داده بدون انجام پردازش‌های نهایی، باعث اشغال شدن بخش زیادی از پهنای باند موجود در این شبکه‌ها می‌شود.
شکل 3- روند تغییر معماری در اویونیک
یک هواپیمای معمولی در حال حاضر بیش از 15 سامانه حسگری با زیر سیستم‌های پردازشی مجزا دارد. برای افزایش قابلیت اطمینان و دریافت گواهی ایمنی، هر یک از این زیر سیستم‌های پردازشی ممکن است دارای یک یا تعداد بیشتری از واحدهای پشتیبان باشند. بنابراین هواپیماهای امروزی بیش از 30 زیرسیستم پردازشی را در خود جای داده‌اند.
مفهوم همگرایی دیجیتال نظامی
تحول دیجیتال، مفهومی جدید در دنیای صنایع دفاعی و نظامی نیست. این عبارت ریشه در دیجیتال‌سازی فناوری‌های حسگرها دارد. ادامه مسیر این تغییرات نیازمند نسل جدیدی از معماری است که داده‌های C4ISR (دستور، کنترل، ارتباطات، کامپیوتر، هوش، نظارت و شناسایی) را روی پلتفرم‌های نظامی همگرا خواهد کرد. تئوری اصلی در همگرایی دیجیتال، متمرکزسازی منابع محاسباتی تمام حسگرهای اویونیک داخل یک کامپیوتر ترکیبی، پرواز و ماموریت است. نتیجه یک معماری نرم‌افزار-گرا (Software-defined) خواهد بود که مستقل از سخت‌افزار عمل می‌کند. این پلتفرم پردازشی متمرکز می‌تواند به‌طور مداوم از طریق روش‌های پردازش نرم‌افزاری اطلاعات، ارتقاء یابد. در واقع نرم‌افزار اجرا شده روی این منابع پردازشی متمرکز مشابه با اپلیکیشن‌های یک تلفن همراه هوشمند است. معماری سخت‌افزار این پلتفرم نیز شامل افزونگی مورد نیاز برای گواهی‌نامه‌های ایمنی پرواز است. چنین سیستمی به بخش‌های مختلفی تقسیم می‌شود که هر کدام از آن‌ها می‌توانند دارای سطح متفاوتی از ایمنی و امنیت باشند.
همگرایی دیجیتال در پلتفرم‌های نظامی
وزارت دفاع ایالات متحده معماری سیستم باز ماژولار (MOSA) را برای نسل آینده کامپیوترهای ماموریت خود در نظر گرفته است. این رویکرد با قابلیت‌هایی همچون مقیاس‌پذیری و قابلیت اطمینان بالا، مسیر انتقال از یک پلتفرم وابسته به پلتفرم پردازشی همگرای دیجیتال خواهد بود. در دنیای پلتفرم‌های نظامی، همگرایی دیجیتال را می‌توان یک مجموعه از توابع بحرانی در نظر گرفت که از منابع مشترک استفاده می‌کنند. در چنین سیستمی نقش تلفیق منابع مورد نیاز در سامانه‌های حسگر، اهمیت زیادی دارد. تا چند سال گذشته استاندارد خاصی برای تلفیق سامانه‌های حسگر وجود نداشت. اما اخیرا متخصصان سیستم‌های هوایی به دنبال تهیه چارچوب‌هایی برای تایید و تصدیق این سامانه‌ها هستند.
کنسرسیوم «معماری سیستم‌های باز حسگر» یا SOSA[1] به دنبال تعریف جنبه‌هایی همچون معماری، الکتریکی، مکانیکی، سخت‌افزار، نرم‌افزار و همچنین رابط‌ها برای بخش پردازشی در سامانه‌های حسگر است. از مهم‌ترین این سامانه‌های حسگر می‌توان به رادار، جاسوسی سیگنال (SIGINT)، حسگرهای الکترونوری/مادون قرمز و جنگ الکترونیک اشاره کرد. کنسرسیوم SOSA به دنبال ایجاد یک معماری مرجع سیستم باز برای استفاده در سیستم‌های حسگر تجاری و نظامی است. کاهش زمان توسعه سیستم و هزینه‌های آن از جمله اهداف اصلی طرح SOSA است. در این معماری که از طراحی ماژولار استفاده می‌کند، بخش حسگر و پردازش در هر سامانه حسگر از هم جدا می‌شوند. در این معماری حسگرها از حالت مستقل و مجزا خارج می‌شوند. هر حسگر به صورت یک LRU تولید می‌شود که امکان ارتقاء یا جایگزینی در سیستم را دارد. با توجه به اینکه سرعت رشد و تحول در منابع پردازشی بسیار بیشتر از چرخه عمر حسگرها است، این نوع معماری امکان ارتقاء راحت منابع پردازشی بدون نیاز به تغییر در بخش حسگر را فراهم می‌کند.
هزینه‌های بالای توسعه یک پلتفرم نظامی همچون یک جنگنده یا UAVهای سنگین، اهمیت قابلیت استفاده یک سامانه در چند پلتفرم را دو چندان کرده است. استانداردهایی همچون SOSA و FACE[2] به دنبال ارائه راهکارها و قالب‌هایی برای دستیابی به این هدف هستند. هر چند در حال حاضر این استانداردها در ابتدای راه هستند و تجهیزات زیادی سازگار با آن‌ها تولید نشده است، اما انتظار می‌رود با نهایی شدن اسناد فنی آن‌ها، شاهد عرضه محصولات سخت‌افزاری و نرم‌افزاری متنوعی باشیم که منجر به تلفیق بیشتر سیستم‌ها و به خصوص سامانه‌های حسگری در پلتفرم‌های نظامی می‌شوند.
منابع: www.mrcy.com, www.mil-embedded.com
https://www.mrcy.com
[1] Sensor Open System Architecture
[2] Future Airborne Capability Environment
ثبت ديدگاه
You must be logged in to post a comment.