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耐久性を追求
今日の UAV サブシステムでは、低 SWaP を実現しつつ、高周波帯域幅を広く取る必要があります。VPX 技術は、これらの要求を満たす性能と堅牢性を提供します。Matthew R. McAlonis、製品開発エンジニアリング、航空宇宙、防衛、艦船部門担当シニアマネージャ
無人航空機 (UAV) には持続性や耐久性がますます求められ、滞空時間は時間単位でなく日単位で測られるようになっています。 監視や攻撃任務のためのひまどる飛行能力を確保するためには、システム全体でのスペースと重量を削減する設計が重視されています。ここで数十グラム、あそこで数十グラムといった加重が、全体では何キログラムの重量増加になります。同時に、UAV が備える精巧な監視能力の高度化が進んでいます。大量のデータ収集が可能な複数のカメラとセンサが、極めて高い解像度と視野で、可視光から赤外線まで広い周波数スペクトルをカバーし、温度も検知します。 たとえば、ARGUS 画像処理システムでは、上空 20,000 フィートから 10 平方マイルの視野内の 6 インチの対象物を発見することができます。ARGUS システムでは 368 台のカメラを使い、1 日に 100 万テラバイトのデータを取得して処理し、ダウンロードできます。複数のカメラからの映像の合成やさまざまな信号処理を行うには、高速で処理できる埋め込み型コンピュータと高度なソフトウェアが必要です。センサから得られるデータが膨大なため、重要なデータのみをオンボード処理で取捨選択して衛星や地上施設に送信するのが、さらなる課題となります。ARGUS システムが 1 日に 100 万テラバイトを処理できても、諜報、監視、偵察用途の大規模インフラでそれだけの負荷に対応するのは、強力なデータ圧縮技術を使用しても無理があるからです。
組み込み型バランス アクト
拡張性
単一サイズでは全用途に対応しない
埋め込み型コンピュータ システムでは、さまざまな対立要件の平衡を保つ必要があります。それには次のようなものがあります。
- 処理負荷の増加: 高解像度のセンサからデータを読み取り、情報を処理して、地上に結果を送信する必要があります。
- 重量とスペースの節減: 軽量化すれば飛行時間が長くなり、搭載重量を増やせます。スペースの制約は常に重要な問題です。
- 堅牢性: そのシステムは信頼性があり、長い飛行時間を通して過酷な環境に耐える必要があります。
これらの要件のいずれか 1 つを満たすのは容易ですが、すべてを達成しようとすれば妥協が必要となります。たとえば、市販のシステムは処理が高速ですが、必要な堅牢性を備えていません。最も堅牢なシステムには、今日のミリタリおよび航空宇宙で必要なデータ集約の目的から、融通性、拡張性や性能性を兼ね備えていないかも知れません。もしも堅牢と性能が重要な要件でない場合は、小型で軽量なシステム設計は簡単です。
VPX の正しい組み合わせ
3.125 Gbits/s、6.25 Gbits/s、あるいはそれ以上のスピードをサポートする VPX は、従来の VMEbus に代わるの新世代のプラットフォームで、これまで対応できなかったレベルの性能を埋め込み型コンピュータ システムで提供します。VPX システムは、地上、航空宇宙および艦船用途で、10G Ethernet、RapidIO、InfiniBand および HyperTransport 通信規約など、高速規約を必要とする融通性が必要な用途に対応できるように設計されています。
VPX は、市販品を積極的に採用する埋め込み型コンピュータの耐環境性を高めるアプローチで、広範な国際的サプライヤ基盤の整備、市場投入時間の短縮、エコシステムの進化の促進を目指しています。VPX のエコシステムには他の 2 つの規格が重要になります。VITA 65 が定義する OpenVPX では、シャーシ、バックプレーン、スロット、モジュールのレベルでさまざまな構成向けの標準プロファイルが設定されています。この規格の目標は、異なるベンダー製品間の互換性を確立して、オープン アーキテクチャとして利用可能にし、ライン交換可能モジュール (LRM) を現場でユーザが交換可能にすることによって、2 段階レベルでのメンテナンスとシステム アップグレードを可能にすることです。VITA 68 が定義する VPX 準拠チャネルには、一連の定義済みデータ速度で複数の構造タイプをサポートするために必要な共通バックプレーン電気特性の基準が含まれています。
VPX の接続性
VITA 46 は VPX の基礎となる構成仕様です。TE Connectivity 製のデジタル信号に焦点を当てた、MULTIGIG RT 2 バックプレーン コネクタについて明細に述べています。次の図 1 に示すように、コネクタ設計ではピンコンタクトの代わりにプラグイン モジュールのウエファを使用しています。これは民間用途で実績のある方法です。ウエファは差動、シングル エンド、電力使用が可能で、特性インピーダンスや伝達遅延などの電気的パラメータに対するお客様固有のニーズに合わせて、簡単に変更することができます。コネクタの半分をピンなしバックプレーンにすることで、バックプレーンを確実に保護し、その結果、車両や任務システムを維持できます。信号の完全性は、機械の集積度に比例して高まっています。高耐久性の民間用 VPX コネクタは 10 Gbit/s までの速度が可能で、VPX 規格スピードの 3.125 Gbit/s と 6.25 Gbit/s のサポートには大きな余裕があります。高度なモジュール設計により、3U および 6U 構成をサポートします。
VITA 規格に準拠した複数の競合コネクタと TE の MULTIGIG RT 2 コネクタは、特徴での互換性はありますが、相互嵌合性はありません。TE の MULTIGIG RT 2 コネクタは、ウエファ ベースの設計と頑丈な熱可塑性樹脂ハウジングにより、空気を多く含み金属分の少ない、かなり軽量のコネクタとなっています。これらの製品は、VPX 代替を目指している他のコネクタよりおよそ 50% も軽量です。また、高度なモジュール設計になっており、3U および 6U 構成でも柔軟に使用できます。モジュール構成にすることで、RF、光学系、電源の要件に合わせてモジュール単位で交換することができます。また、1.25 インチ ピッチと、スペース削減に役立つ 0.8 インチ ピッチの両方をサポートしています。
VITA 47 を超える堅牢性
VITA 47 の環境規格は、長らく埋め込み型コンピュータ用途の堅牢性の指標でした。 この規格は、極端な振動や温度といった機械ストレスや環境ストレスのレベルと試験方法を定義し、過酷な環境での信頼性を確認するための重要な基準となっています。VPX/VITA 47 は、信頼性の高い高速埋め込み型システム向けの規格として現在使われていますが、設計者は耐環境性をさらに高めるための VPX 規格を望んでいます。UAV では、各部品が振動と広い温度範囲にさらされる一方で、負荷を高度に処理する埋め込みコンピュータが高速で動作し、高温になります。上空 20,000 フィートの大気は空冷には希薄すぎるため、VITA 48 で規定されている伝導冷却や液体冷却が必要になることがあります。堅牢性と信頼性のさらなる要望に応えるため、設計者は性能評価のための新しいテスト手法を必要とします。VITA 72 研究グループが実施しているテストでは、そのような評価を提供しています。TE の MULTIGIG RT 2 コネクタは、VITA 72 のさらに厳しい要件にも応えるよう、"耐環境性"を高めています。当初設計の製品と嵌合可能なため、堅牢コネクタを超堅牢コネクタへと容易に転換できるうえに、再設計により各ビームが 2 接点になっているため、およそ 2 倍の接点領域でウエファと接します (四重冗長と呼ばれます)。この新しいコンタクト システムにより、嵌合力を最大 10% 削減しつつ、極端な振動レベルでのコンタクトの信頼性を維持しています。2 つのビームは非対称で、各ビームが振動に応答する周波数モードが異なります。このため、両方のビームが同時に悪影響を受ける可能性が低くなっています。
豊かな VPX エコシステムの考案
VPX のエコシステムは豊かで、進化し続けます。シングルエンド、差動信号、メザニン、電源、光学、RF 接続という多くの選択肢が設計者に提供されています。VPX の進化とともに、相互接続の幅広い要求に応えるための新しい規格も生まれています。次の図 2 では、VPX システムで利用できる主要な TE の相互接続について要約します。また、シングル カード エッジでの信号、RF、光学接続についての概念的な構成を示します。
図にはありませんが、VITA 61 XMC 2.0 メザニン コネクタがあります。メザニン ボードを使用すると、プリント基板が拡張機能性とモジュール性を持ち、プラグインにより柔軟なシステムを構成することができます。メザニン カードを追加することで既存のボードを再構成、改良、顧客仕様にできます。一般的な利用方法には、用途固有の高速入出力 (I/O) 規約、グラフィック、メモリ、デジタル信号処理があります。
VITA 67 規格で規定している SMPM シリーズ コネクタは、小型化による実装密度の高い用途で選ばれています。VITA 67 RF モジュール設計では、VITA 46 VPX 信号モジュール 1 つが占めている空間に、8 つの RF 接点を収めることが目標でした。SMPM は、SMP シリーズ コネクタの小型バージョンで、30% 小型でありながら同様の性能があり、コンパクトなプッシュプル式ブラインドメイトのインタフェースを備えています。SMPM コネクタの最大動作周波数は 65 GHz ですが、VITA 67 規格が要件とする周波数範囲は DC から 26.5 GHz です。
高速、高密度の I/O
埋め込み型コンピュータによる高速処理では、通信の渋滞を防ぐためにも入出力の高速化も必要となります。入出力が高速になれば、信号の完全性と電力の割り当てで新たな課題が生まれます。簡単に言えば、高速信号のほうが低速信号より難しい対処が必要となります。相互接続速度が速くなるほど、反射ロス、挿入損失、クロストーキングなどの信号減衰の対処がより難しくなります。配線システムではボックス間の中間接続を持たないことが理想的ですが、実際には製造上の都合や経路上でコネクタのモジュール化が必要となります。
うまく設計されていないコネクタは、インピーダンスの不整合が顕著に現れます。不整合の影響は、周波数に伴って反射ロスとクロストーキングが増加するなど周波数に依存するのため、高速 I/O コネクタの場合は、こうしたことも考慮しながら慎重に設計する必要があります。ケーブルでの減衰やコネクタでの挿入損失もまた周波数に依存し、電力割り当ては高速通信ではもっと難しい課題です。
図 3: 3 つの 10 Gbit/s コネクタ製品は、設計者に選択肢を広げ、設計時に SWaP 目標を達成しやすくなります。
サイズ、重量、電力 (SWaP) は、持続的監視活動やより良い燃料対重量比率を可能にし、UAV の小型化を実現します。小型で軽量のコネクタは SWaP 目標の達成に有効ですが、信号の完全性や確かな堅牢性を犠牲にした小型化には意味がありません。従来型の極小型 & 小型コネクタは既存製品としてありますが、高速信号向けに設計されたものではありません。最近 10 Gb/s のデータをサポートする、極小型から従来の MIL-DTL-38999 シェルまでのパッケージで提供できるコネクタが現れました。図 3 で、この 3 種類のコネクタのサイズ比較をご覧ください。
長距離対応ファイバ
高速データ送信用銅線ベースの接続が進化する中、光ファイバ伝送も使用範囲が拡大しています。 場所に依存しない構成を構築する場合、サブシステム間をつなぐケーブルの長さによる制約が排除されます。光ファイバはよく知られているように、長距離伝送可能、ノイズなし、小型、軽量という特徴があります。さらに光ファイバは敷設が容易で、堅牢であり、広い選択肢があります。VITA 66 規格を例に挙げると、セラミック フェルール (挿入損失と反射ロスに対する最適な性能)、非接触の拡大ビーム端子 (堅牢性の強化)、MT フェルール (各フェルール 12 線や 24 線などの多芯ファイバおよび各モジュールでの複数フェルール) といった選択肢があります。同様の選択肢が、さまざまなミリタリ スタイルの丸型および角形コネクタに用意されています。進化し続ける VPX は、新しいレベルの融通性と機能性を設計者に提供し、UAV での信号処理の高度なニーズに応えます。埋め込み型コンピュータのニーズの拡大に対応するには、民間用の相互接続技術を取り入れて進化させることが最適な方法だということがわかっています。民間技術でもしばしば新しいレベルの速度と密度を達成しています。そこに十分な耐環境性を加えて、高信頼性用途でのより厳しい要件に適合させます。民間技術に耐環境性を加えるのは簡単ではありませんが、多くの場合、一から開発するよりもリスクを低く抑え、最短経路で市場へ投入できます。新技術として再発明するのではなく、広く使用されている既存技術がきわめて過酷な環境でも動作することを実証することになります。
