Встроенные вычислительные системы для аэрокосмической и авиационной отраслей

Аэрокосмические и авиационные платформы Mini-ITX для надежных систем специального назначения

Настраиваемые платформы формата Mini-ITX для наземных испытаний, бортового обеспечения миссий, обработки данных полезной нагрузки, связи, диагностики и авиационных периферийных систем, в которых необходимо комплексно определить требования к вычислительной мощности, вводу-выводу, предельным условиям эксплуатации, сертификации и управлению жизненным циклом.

Надежные платформы Цитата из области аэрокосмической промышленности
Специализированная платформа Mini-ITX для систем аэрокосмической и авиационной отраслей

Вычисления в рамках миссии начинаются с границы обеспечения безопасности

Определить, на что способна платформа Mini-ITX

Программы в области аэрокосмической и авиационной промышленности могут предъявлять требования к детерминированной обработке данных, контролируемым версиям аппаратного обеспечения, длительному сроку службы, экологической аттестации и отслеживаемой верификации. Коммерческая материнская плата формата Mini-ITX может использоваться для наземного оборудования, обработки данных полезной нагрузки, мониторинга, связи, диагностики или выполнения других определённых вычислительных задач, однако её не следует представлять как автоматически подходящую для основного управления полётом или других функций, критичных с точки зрения безопасности.

Квалификация зависит от установленной функции

Требования, такие как экологическая аттестация по стандарту RTCA DO-160, обеспечение качества бортового электронного оборудования по стандарту DO-254, обеспечение качества бортового программного обеспечения по стандарту DO-178C или документация FAA и EASA, относящаяся к конкретной программе, зависят от назначения оборудования и оснований для сертификации. Материнская плата не получает эти разрешения исключительно на основании своего форм-фактора.

Необходимо определить экологические ограничения

Температура, вибрация, удары, высота над уровнем моря или давление, влажность, электромагнитные помехи/электромагнитная совместимость, перепады напряжения, надежность крепления разъемов и, при необходимости, радиационное воздействие должны соответствовать реальным условиям эксплуатации. Стандартное промышленное оборудование не является автоматически радиационно-стойким или сертифицированным для использования в авиации.

Производительность в режиме реального времени является свойством системы

Задержка и детерминированность зависят от архитектуры процессора, микропрограммы, операционной системы, драйверов, поведения прерываний, систем хранения данных, сетевого трафика, аппаратного обеспечения интерфейсов и архитектуры приложения. Одна только частота процессора не определяет поведение системы в режиме реального времени.

Инженерная валидация → Сертификаты и стандарты качества →

Наземные испытания · Полезная нагрузка · Мониторинг · Связь

Применение в аэрокосмической и авиационной отраслях, требующее использования компактных встроенных вычислительных систем

Наиболее подходящим вариантом является четко ограниченная вычислительная задача, в рамках которой платформа Mini-ITX может быть протестирована с полной конфигурацией, включающей питание, интерфейсы, систему охлаждения, корпус, программное обеспечение и жизненный цикл.

Наземные испытания и мониторинг воздушных судов

Сбор и регистрация данных испытаний, координация работы измерительного оборудования, запуск инженерного программного обеспечения, управление хранением данных и подключение к испытательным сетям. Характеристики синхронизации интерфейсов, изоляции, количества каналов, целостности данных и стабильности регистрации данных должны быть проверены на реальном оборудовании.

Обработка данных полезной нагрузки и датчиков БПЛА

Обрабатывайте данные с камер, датчиков, данные навигационной поддержки, локальные задачи искусственного интеллекта или данные полезной нагрузки миссии, не рассматривая коммерческую вычислительную плату в качестве сертифицированного автопилота или компьютера управления полётом. Топология камер, нагрузка на систему вывода, тепловые ограничения, хранение данных, восстановление и версия программного обеспечения должны быть синхронизированы.

Бортовая диагностика и мониторинг работоспособности

Сбор данных о состоянии оборудования, журналов событий, данных подсистем, информации о техническом обслуживании и записей о неисправностях для целей обслуживания или мониторинга работоспособности. Границы интерфейса и поведение при сбоях должны оставаться отделенными от критически важных для безопасности траекторий управления, за исключением случаев, когда вся архитектура прошла аттестацию на соответствие этой роли.

Обеспечение воздушной и спутниковой связи

Обеспечить локальную обработку, маршрутизацию, хранение, обработку протоколов или операторские интерфейсы в рамках сертифицированного коммуникационного оборудования. Радиочастотные входные блоки, аппаратное обеспечение L-диапазона или X-диапазона, криптографические модули, антенные системы и сертификацию каналов связи следует рассматривать как отдельные проверенные подсистемы, а не как встроенные функции материнской платы.

ИИ и граничные вычисления →

Квалификация · Окружающая среда · Энергопотребление · Жизненный цикл

Технические требования, которые необходимо уточнить до выбора платформы

В рамках аэрокосмических программ необходимо определить назначение оборудования и границы квалификационных требований до выбора процессора, модулей ввода-вывода или корпуса. Выбор подходящей платы зависит от того, какие функции разрешено выполнять системе, а также от применимых требований к условиям эксплуатации и обеспечению надежности.

Требование Технические аспекты Проверьте перед выбором
Сфера применения аудита и сертификации К системам первичного управления полётом, авиационному оборудованию, критичному с точки зрения безопасности, системам поддержки выполнения задач, наземным испытаниям, обработке полезной нагрузки и системам салона могут предъявляться совершенно разные требования к обеспечению качества. Установленная функция, класс безопасности, основания для сертификации, необходимые подтверждающие документы, орган, ответственный за проектирование, а также информация о том, допускается ли использование коммерческого оборудования.
Экологические рамки Температура, высота над уровнем моря, удары, вибрация, влажность, электромагнитные помехи (EMI)/электромагнитная совместимость (EMC), воздействие жидкостей, песка или пыли, а также другие условия зависят от места установки и требований программы. Предельные значения при запуске и в процессе работы, спектр вибраций, ударные нагрузки, давление или высота над уровнем моря, корпус, схема охлаждения, разъёмы, условия хранения, объём памяти и технические характеристики периферийных устройств.
Сила и восстановление Источники питания для самолетов, транспортных средств, наземного оборудования и полезной нагрузки могут иметь различные номинальные напряжения, переходные процессы, требования к автономному питанию, последовательность включения, заземление и поведение при неисправностях. Напряжение источника, профиль переходных процессов, изоляция, защита, поведение при понижении напряжения, пусковой ток, восстановление, сторожевой таймер, отключение и допустимая нагрузка.
Путь передачи данных и поведение в режиме реального времени Обработка данных с датчиков, поддержка систем управления, навигационные данные, связь, хранение данных и сетевой трафик могут конкурировать за ресурсы процессора, памяти, интерфейсов PCIe, USB и Ethernet. Скорость передачи данных, допустимая задержка, целевое значение джиттера, синхронизация, буферизация, запись в хранилище, нагрузка от прерываний, операционная система, стек драйверов и реакция на сбои.
Настройка и управление жизненным циклом Версия процессора, ревизия платы, BIOS, устройства хранения данных, оперативная память, сетевые контроллеры, драйверы и замена компонентов могут повлиять на результаты сертификационных испытаний. Утвержденная спецификация, ревизия, прошивка, образ программного обеспечения, процесс PCN/EOL, политика замены, прослеживаемость, сервисный запас и условия повторной валидации.

Широкий диапазон температур → Калькулятор теплового сопротивления →

Архитектура системы

Разделяйте функции, критически важные для безопасности, и коммерческие вычисления

Платформа Mini-ITX может использоваться в аэрокосмической системе в качестве компьютера для обеспечения выполнения миссии, управления полезной нагрузкой, мониторинга, визуализации, регистрации данных, связи или наземных испытаний. Архитектура должна четко разделять все функции, критически важные с точки зрения безопасности или полёта, которые требуют определённых гарантий аппаратного обеспечения, резервирования, квалификации или подтверждения сертификации.

  1. Источники информации о воздушных судах, полезной нагрузке и испытанияхДатчики, камеры, данные для поддержки навигации, испытательное оборудование, интерфейсы для технического обслуживания, оборудование связи и другие внешние подсистемы
  2. Уровень квалифицированного интерфейсаИзоляция, обработка сигналов, интерфейсы протоколов, дискретные входы/выходы, аппаратное обеспечение шин ARINC или MIL, приемопередатчики, средства защиты и разъемы, специфичные для конкретного оборудования
  3. Миссия Mini-ITX / Поддержка вычислительных системОбработка приложений, визуализация, ведение журналов, искусственный интеллект для обработки полезных данных, локальная база данных, диагностика, хранение данных, сетевые службы и функции миссии, не имеющие критического значения для полёта
  4. Интерфейсы оператора и передачи данныхДисплеи, сервисные порты, съемные носители, Ethernet, беспроводные соединения, интерфейсы наземной станции, инструменты для технического обслуживания и каналы контролируемого обновления
  5. Программные системы и доказательная базаНаземные сети, системы технического обслуживания, приложения для выполнения задач, протоколы проверки, управление конфигурацией, данные об аттестации и меры контроля на протяжении жизненного цикла

ARINC · MIL Bus · Последовательный интерфейс · Ethernet · USB · PCIe

Перед выбором материнской платы определите границы интерфейса

В аэрокосмическом оборудовании часто сочетаются коммерческие вычислительные интерфейсы с шинами, специфичными для авиации. Стандартные порты Mini-ITX следует рассматривать как интерфейсы хоста; протоколы авионики, как правило, требуют использования соответствующего приемопередатчика, интерфейсной платы, средств изоляции, драйвера, модели синхронизации, разъема и подтверждающих документов об аттестации.

ARINC 429 / ARINC 664
При необходимости используйте специальное, утвержденное для данной программы интерфейсное оборудование. Порт Ethernet на материнской плате не обеспечивает автоматически работу в режиме AFDX, детерминированное планирование, управление резервированием или соответствие требованиям к авиационной электронике.
MIL-STD-1553 и дискретные входы/выходы
Подтвердите соответствие аппаратного обеспечения шинного контроллера или удаленного терминала, изоляцию, трансформаторную связь, стек драйверов, временные параметры, систему разъемов и план аттестации. Обычные последовательные порты или порты GPIO не могут служить заменителями.
Интерфейсы CAN и последовательные интерфейсы
Подходит для испытательного оборудования, технического обслуживания, подсистем полезной нагрузки или устройств, не критичных для полёта, когда определены тип приемопередатчика, степень изоляции, оконечные сопротивления, электрические уровни, принадлежность протокола и поведение программного обеспечения.
Ethernet и высокоскоростная передача данных
Проверьте правильность выбора контроллера, скорость связи, резервирование, архитектуру коммутатора, тип кабеля, электромагнитные помехи (EMI) и электромагнитную совместимость (EMC), нагрузку пакетов, задержку и поведение драйверов с учетом реальных условий эксплуатации приложения, а не исходя из предположения о производительности на уровне скорости линии.
USB / PCIe / Каналы подключения камер
Сравните камеры, устройства сбора данных, ускорители, системы хранения и карты расширения с учетом количества полос движения, топологии концентратора, питания, совместного использования пропускной способности, механической надежности, срока службы разъемов и программной поддержки.
Подсистемы питания, GNSS и РЧ
Системы преобразования электроэнергии на борту воздушного судна, приемники GNSS, радиочастотные модемы, спутниковые приемопередатчики, модули шифрования и антенные системы должны быть определены как отдельные подсистемы со своими собственными требованиями к электропитанию, электромагнитной совместимости, аттестации и интеграции.

Несколько последовательных портов → Несколько входов питания →

Руководство по выбору платформы

Выберите «Вычислительные ресурсы» в разделе «Объем рабочей нагрузки и квалификации»

Выбор семейства процессоров осуществляется после того, как становятся известны требуемые функции, конфигурация канала передачи данных, операционная система, возможности расширения, ограничения по энергопотреблению и тепловым характеристикам, а также границы гарантий. Плата на базе архитектуры x86, встраиваемая платформа с низким энергопотреблением или несущая плата с GPU-ускорением могут быть подходящими для выполнения различных вспомогательных задач в аэрокосмической отрасли.

Направление развития системы Отправная точка Примечание по выбору
Наземные испытания, техническое обслуживание, диагностика, регистрация данных, обеспечение выполнения задач Платформы Intel Полезно в случаях, когда приоритетными являются совместимость с программным обеспечением x86, последовательный ввод-вывод, хранение данных, отображение информации, сетевые функции и поддержка долго работающих приложений. Проверьте поведение системы в режиме реального времени и полную конфигурацию среды.
ИИ полезной нагрузки БПЛА, обработка данных с нескольких камер, компьютерное зрение, локальное вычисление Платформы NVIDIA Следует учитывать, в каких случаях обработка полезных данных требует ускорения с помощью графического процессора (GPU). Необходимо комплексно согласовывать модуль Freeze, топологию камер, систему хранения данных, режим питания, систему теплоотвода, JetPack/BSP, механизмы восстановления и стратегию обновления.
Бортовой или удалённый узел поддержки с низким энергопотреблением Направление «Встроенные системы / низкое энергопотребление» Уделяйте приоритетное внимание энергопотреблению, поведению при запуске, пассивной системе охлаждения, количеству интерфейсов, совместимости программного обеспечения, сроку службы и требуемым квалификационным ограничениям, а не пиковой производительности ЦП.

Техническая поддержка в области авиакосмической инженерии

Зафиксировать границы системы перед выпуском аппаратного обеспечения

Укажите установленную функцию, класс безопасности, назначение (на борту самолета или на земле), нагрузку на процессор, задачи в режиме реального времени, интерфейсы ARINC / MIL / CAN / последовательные интерфейсы, требования к Ethernet и камерам, источник питания на борту воздушного судна или полезной нагрузки, диапазон рабочих условий, требования по ЭМИ/ЭМС, операционная система или BSP, хранилище, корпус, метод охлаждения, объем квалификации, количество и целевой жизненный цикл. В ходе проверки следует определить, что может оставаться коммерческим, что требует внешнего аппаратного обеспечения интерфейса, а что должно проходить отдельную квалификацию.

Объем поддержки

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопросы по платформе Mini-ITX для аэрокосмической и авиационной отраслей

Можно ли использовать стандартную материнскую плату формата Mini-ITX в качестве бортового компьютера?

Не по умолчанию. Системы управления полётом и другие функции, критически важные для безопасности, могут требовать определённой архитектуры, гарантий качества аппаратного и программного обеспечения, резервирования, квалификации по условиям эксплуатации, контроля конфигурации, а также сертификационных документов, которые стандартная коммерческая материнская плата не обеспечивает автоматически.

Считается ли материнская плата соответствующей стандарту DO-160 только потому, что она прошла промышленные испытания на температурные и вибрационные нагрузки?

Нет. Сертификация по стандарту DO-160 привязана к определённым категориям условий эксплуатации, методам испытаний, конфигурации оборудования, условиям установки и задокументированным результатам. Заявления о промышленной устойчивости к температурным воздействиям или вибрации не означают полного соответствия стандарту DO-160.

Можно ли подключить последовательные или Ethernet-порты материнской платы напрямую к интерфейсам ARINC 429, AFDX или MIL-STD-1553?

Как правило, это невозможно без специального аппаратного интерфейса. Необходимо уточнить, какой приемопередатчик авиационной электроники или интерфейсная плата требуется, а также обеспечить изоляцию, синхронизацию, резервирование, драйвер, разъем и стек протоколов. Стандартный Ethernet также не обеспечивает автоматическую поддержку ARINC 664 / AFDX.

Какие условия окружающей среды следует определить для аэрокосмической системы формата Mini-ITX?

Определите температуру запуска и эксплуатации, высоту над уровнем моря или давление, вибрацию, удары, влажность, электромагнитные помехи (EMI) и электромагнитную совместимость (EMC), переходные процессы в питании, тип корпуса, схему охлаждения, надежность крепления разъемов, воздействие загрязнений, а также любые требования к радиации, имеющие отношение к установке.

Как следует осуществлять контроль за аэрокосмическим оборудованием с длительным сроком службы?

Зафиксируйте утвержденную версию платы, процессор, спецификацию (BOM), BIOS, память, устройства хранения данных, сетевые контроллеры, версию операционной системы или BSP, драйверы, интерфейсные карты, заменяющие компоненты, процесс PCN/EOL, сервисный запас, прослеживаемость, а также повторную валидацию, требуемую после каждого утвержденного изменения.

Ресурсы по аэрокосмической и авиационной инженерии

Безопасность - это не только технические характеристики. Речь идет о доверии, времени работы и долгосрочной устойчивости. Эти ресурсы помогут вам встроить все эти три составляющие в вашу следующую плату.