Wojskowe ze sklepowej półki, cz. 1

Istnienie trendu potwierdzają również statystyki, zgodnie z którymi coraz więcej wyrobów, np. układów scalonych, które było pierwotnie produkowane jedynie na potrzeby wojska, jest wypieranych przez odpowiednio adaptowane produkty cywilne.

Postęp w elektronice komercyjnej jest w istocie na tyle szybki, że coraz więcej podzespołów tego typu spełnia normy wojskowe lub może spełniać je po niewielkich modyfikacjach. Z tego powodu w miejsce projektowanych na potrzeby wojska wersji specjalnych używane mogą być coraz częściej wyroby „ze sklepowej półki".

Patrząc na zachodzące zmiany z perspektywy dostawcy systemów elektronicznych dla armii, sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana. COTS, które są produktami cywilnymi, nie są bowiem projektowane oraz wytwarzane z przeznaczeniem do stosowania w trudnych warunkach charakterystycznych dla wojska. Z tego powodu takie ich parametry, jak temperaturowy zakres pracy oraz wytrzymałość mechaniczna, nie są w większości wygórowane, gdyż podzespoły te byłyby drogie, co jest, jak wiadomo, ostatnim życzeniem producentów działających na rynku elektroniki cywilnej.

Dostosowanie tych podzespołów do zastosowań militarnych wymagać może długiej i często kosztownej procedury, czego przykładem jest produkcja wojskowych paneli LCD na bazie modułów cywilnych opisywana w drugiej części artykułu. Kwestia rachunku ekonomicznego poruszona jest nieprzypadkowo, gdyż leży on u podstaw wykorzystania produktów COTS. Pomimo niższych kosztów tego typu podzespołów, zysk producenta wykorzystującego je w miejsce produktów wojskowych może wcale nie być tak duży.

Powodem tego są nakłady na integrację tych podzespołów w istniejącym systemie oraz ich testowania i certyfikacji. Dodając do tego konieczność zapewnienia wieloletniego serwisu oraz możliwość wystąpienia problemów z częściami zamiennymi, które w przypadku podzespołów cywilnych mogą wychodzić z użycia znacznie szybciej niż wojskowych, zadanie stojące przed dostawcą systemów COTS, choć biznesowo atrakcyjne, może być w praktyce niełatwe.   

Duże spektrum zastosowań

Na grupę wojskowych systemów elektronicznych składa się bardzo szeroka gama urządzeń – od modułów komunikacyjnych montowanych w hełmach żołnierzy, poprzez urządzenia sterujące pracą silników pojazdów opancerzonych, po rozległe systemy sterowania stosowane w dużych jednostkach pływających, samolotach i centrach dowodzenia.

W związku z tym liczba aplikacji, w których stosowane mogą być podzespoły COTS, jest również niemała. Przykładami ich zastosowań są moduły, które komunikują się w standardach VMEbus oraz CompactPCI – tego typu urządzenia trafiają np. do systemów sterowania jednostek pływających, jak też mogą stanowić element awioniki samolotów i śmigłowców. Innym przykładem są systemy przetwarzania sygnałów stosowane np. w radarach i sonarach. Mogą one zawierać dużą liczbę układów DSP, którymi są coraz częściej podzespoły pochodzenia cywilnego.

Szereg systemów bazujących na komputerach do zastosowań wbudowanych znanych z rynku automatyki przemysłowej jest również z powodzeniem stosowanych w systemach celowniczych, sterowania ogniem, nawigacyjnych, wizualizacji, komunikacyjnych i podobnych.

Do produktów COTS, które zrobiły w wojsku dużą karierę, można zaliczyć wreszcie sprzęt komputerowy oraz oprogramowanie. Zależnie od aplikacji, podobieństwa między systemami komercyjnymi a wojskowymi mogą być w tym przypadku duże – systemy znane z rynku cywilnego trafiać mogą na wyposażenie wojsk walki elektronicznej, do wojskowych sieci komputerowych i systemów łączności.

Dowodem zaufania, jakim cieszą się podzespoły COTS jest fakt, że w ramach standardu STANAG, który został opracowany przez NATO Standardization Agency dla systemów komunikacyjnych i przesyłania danych, zalecono stosowanie w tego typu systemach podzespołów COTS. Według przedstawicieli NATO podejście takie może pozwolić na obniżenie nawet o 40% kosztów modernizacji urządzeń i sieci teleinformatycznych, które stosowane są przez wojska sojuszu.

Budujemy komputer pokładowy

Przykładem systemu, który obrazuje możliwy stopień integracji podzespołów COTS z modułami typowo wojskowymi, jest system komputerowy jednomiejscowego samolotu lub śmigłowca bojowego. W jego skład, oprócz komputera misji, wchodzą sterowniki wyświetlaczy, interfejsy czujników i inne podsystemy. Komputer odpowiada za przetwarzanie i wizualizację danych nawigacyjnych, lokalizację celów i innych obiektów, sterowanie ogniem i zadania bojowe. Większość danych potrzebnych do wykonania przez pilota zadania wczytywanych jest z systemów naziemnych przed lub podczas trwania misji.

Aby zapewnić możliwość ich przetwarzania stosuje się typowo układ dwóch sprzężonych ze sobą komputerów, które połączone są z innymi systemami samolotu bezpośrednio lub za pomocą koncentratora (w istocie jest to odpowiedni interfejs komunikacyjny), co zostało pokazane na rys. 1. Zaznaczony innym kolorem koncentrator zapewnia komunikację w standardach, takich jak Infiniband, Fibre Channel czy RapidIO (opis standardów w drugiej części artykułu).

Obydwa pokazane na rysunku komputery są identyczne, lecz montowane są oddzielnie, przy czym każdy zawiera w sobie zwykle szereg komputerów jednopłytkowych, które komunikują się ze sobą poprzez odpowiedni interfejs i pełnią różne funkcje systemowe – np. sterowania wyświetlaczem HUD, przeliczaniem danych, itp. Jeżeli system ma być wbudowany do już istniejącego samolotu, np. w ramach jego modernizacji, konieczne może być podłączenie do niego wielu istniejących podsystemów, jak choćby komputera sterującego uzbrojeniem, co jest realizowane zwykle za pomocą interfejsów zgodnych ze standardami MIL-STD-1553B, ARINC-429 i podobnych.

Budowa blokowa komputera, o którym mowa powyżej, nie ujawnia cech nietypowych dla sprzętu wojskowego. Biorąc jednak pod uwagę warunki środowiskowe, w których ma być docelowo użytkowany system, kluczowa staje się budowa samego układu i zapewnienie podzespołom w nim użytym bezpieczeństwa. Istnieją firmy, które dostarczają rozwiązania pozwalające na spełnienie tych wymogów bez projektowania całej konstrukcji od zera. Jako przykład można wskazać na produkty SBS Technologies, która oferuje rodzinę komputerów AMC-cPCI 3000 (patrz rys. 2).

Są to w istocie platformy obliczeniowe COTS mogące być w dużym stopniu konfigurowalne na potrzeby danej aplikacji. Ich obudowy wykonane są ze stopu aluminium i wzmacniane do zastosowań w trudnych warunkach środowiskowych, których typowym rozmiarem jest 3U. Zastosowano w nich fizyczny podział na trzy przedziały, każdy z których chroniony przed zaburzeniami elektromagnetycznymi. W pierwszym przedziale umieszczane mogą być karty rozszerzeń CompactPCI, drugi zawiera układ zasilający, natomiast ostatni porty pozwalające na podłączenie sygnałów zewnętrznych.

Wszystkie połączenia sygnałów, zarówno do modułów wewnętrznych, jak i podłączenia wewnętrzne, realizowane są z wykorzystaniem płytek z obwodami drukowanymi, co w opinii producenta jest znacznie korzystniejszym rozwiązaniem, niż stosowanie połączeń kablowych. Budowa komputera pokładowego z wykorzystaniem AMC-cPCI 3000 polega na rozbudowie tej platformy o odpowiednie karty CompactPCI, realizujące np. funkcje przetwarzania danych (np. wideo), i ich integrację z już istniejącym w platformie systemem.

Tym ostatnim jest zastosowany w AMC-cPCI 3000 układ z procesorem PowerPC taktowanym zegarem 500MHz i systemem operacyjnym czasu rzeczywistego, którym może być np. VxWorks czy Integrity. Firma SBS Technologies oferuje również, co jest warte podkreślenia, usługi integracyjne polegające na projektowaniu systemów w oparciu o AMC-cPCI 3000, jak też testowanie całościowych urządzeń w zakresie wytrzymałości na wibrację, zmiany temperaturowe i w zakresie innych testów wymaganych dla produktów wojskowych.

W przypadku, gdy w aplikacji może być zastosowana obudowa typu 6U, w SBS Technologies znaleźć można również rozwiązania pozwalające na budowę komputera pokładowego, tym razem o większej mocy obliczeniowej. Ich zastosowanie pozwala na użycie bardziej zaawansowanych interfejsów komunikacyjnych pomiędzy płytkami oraz modułami, takich jak np. Infiniband.

Pozwala to na integrację w systemie np. modułów przetwarzających sygnały cyfrowe wideo typu VXS1 SBC (rys. 3). Moduł zawiera procesor COTS PowerPC MPC7447A firmy Freescale Semiconductor oraz po dwa porty Infiniband i Gigabit Ethernet, pozwalając na jednoczesną obsługę kilku gigabitowych potoków danych multimedialnych.

COTS to wymagania

Czy produkty cywilne mogą sprostać wymaganiom wojskowym i być stosowane z trudnych warunkach środowiskowych? Chociaż przykład budowy komputera pokładowego dowodzi, że jest to możliwe, odpowiedź na pytanie nie jest wcale oczywista. Powodem jest fakt, że producenci większości podzespołów cywilnych trafiających jako COTS do urządzeń wojskowych nie projektowali i wytwarzali swoich produktów z myślą ich zastosowaniu w wyrobach wojskowych.

Te ostatnie musi bowiem cechować wysoka niezawodność i wytrzymałość, a nie tylko cena, która jest często głównym czynnikiem branym pod uwagę na rynku urządzeń konsumenckich. Można także zapytać, czy producent sprzętu COTS jest w stanie tak dobrać dostępne na rynku produkty, aby posiadały one funkcjonalność wymaganą przez odbiorcę wojskowego.O COTS należy myśleć jednak nie jako o rozwiązaniach całościowych, systemowych, lecz w kategoriach elementów lub podzespołów, które nie są unikalne jeżeli chodzi o dane projekty urządzeń wojskowych.

Podzespoły te stosowane są z uwzględnieniem wymagań nakładanych przez środowisko, w którym mają pracować, i łączone w system, który dopiero jako całość podlega wymogom wojskowym. Istotną rolę odgrywa tutaj zwykle obudowa takiego urządzenia, w tym w szczególności jej wytrzymałość i mocowanie wewnątrz niej modułów, co bezpośrednio przekłada się na tolerowanie wibracji i wstrząsów.

Równie ważnym zagadnieniem, co kwestie mechaniczne, są ograniczenia temperaturowe podzespołów, będące zwykle największym problemem dla producentów stosujących COTS. Z tego powodu w urządzeniach wojskowych stosowane są zwykle podzespoły cywilne o rozszerzonym zakresie temperaturowym lub takie, które zostały poddane testom przez firmę je integrującą w swoich produktach. W drugim z przypadków, pomimo że komponenty mogą często bezawaryjnie działać w warunkach spoza ich nominalnego zakresu temperatur pracy, przestają wtedy być objęte gwarancją producenta.

Niektóre firmy dostarczające podzespoły elektroniczne na rynek wręcz ostrzegają przed tego typu praktykami. Ponadto, o ile dużo produktów COTS może być stosowanych w aplikacjach, gdzie temperatury wynoszą przykładowo od -20ºC do 65ºC, a poziom wibracji jest duży, ich parametry mogą już nie być wystarczające do zastosowań np. w samolotach bojowych. W tym przypadku zmiany temperatur, jak też poziomy wibracji, mogą być znacznie większe.

W tych aplikacjach rozwiązaniem może być zastosowanie dedykowanego systemu grzania/chłodzenia wybranych podzespołów COTS, co w praktyce umożliwia rozszerzenie zakresu ich pracy na temperatury od -40º do 85ºC. Niemniej jednak w skrajnych przypadkach, którymi są zakresy temperatur poniżej -60ºC i powyżej 120ºC, duże wibracje i promieniowanie, jedynym rozwiązaniem pozostaje zastosowanie tradycyjnych podzespołów zgodnych z normą MIL-STD. 

Co z częściami zamiennymi?

Jedną z istotniejszych różnic pomiędzy światem elektroniki cywilnej i wojskowej jest okres po którym pojawiają się na rynku nowe generacje urządzeń. Pół roku dla telefonu komórkowego, dwa lata dla komputera osobistego – te rekordy znane z rynku elektroniki konsumenckiej są dla świata urządzeń do zastosowań militarnych obce. W wojsku cykl zmian trwa średnio kilka lub kilkanaście, a często nawet kilkadziesiąt, lat. Dodatkowo, podczas gdy w przypadku rynku elektroniki cywilnej, szczególnie konsumenckiej, przestarzały sprzęt jest zwykle wyrzucany do śmietnika, urządzenia wojskowe podlegają typowo modernizacji.

W takim przypadku COTS może stać się synonimem problemów. Przykładem jest historia centrum szkoleniowego z dużym systemem symulującym warunki pola walki, które w pierwszej połowie lat 90. zeszłego wieku uruchomione zostało w Kanadzie na potrzeby tamtejszej armii. Choć stosowanie produktów COTS w sprzęcie specjalnym nie było wtedy jeszcze tak popularne, do budowy ośrodka wykorzystano tego typu podzespoły. Po kilku latach, gdy konieczna była modernizacja, okazało się, że części produktów elektronicznych na rynku już nie ma.

Skutkiem tego wiele z umieszczonego w ośrodku sprzętu stało się w praktyce bezużyteczne, gdyż brakowało oryginalnych części zamiennych, a nowe, które dostępne były w handlu, nie były kompatybilne ze starymi. Przypadek ten przeszedł do historii i jest dla przeciwników stosowania COTS dowodem, że producenci działający na rynku cywilnym nie zawsze są w stanie zapewnić wojsku wymaganej trwałości podzespołów czy odpowiedniego serwisu technicznego.

Jedną z istotniejszych różnic pomiędzy światem elektroniki cywilnej i wojskowej jest okres po którym pojawiają się na rynku nowe generacje urządzeń. Pół roku dla telefonu komórkowego, dwa lata dla komputera osobistego – te rekordy znane z rynku elektroniki konsumenckiej są dla świata urządzeń do zastosowań militarnych obce. W wojsku cykl zmian trwa średnio kilka lub kilkanaście, a często nawet kilkadziesiąt, lat.

Dodatkowo, podczas gdy w przypadku rynku elektroniki cywilnej, szczególnie konsumenckiej, przestarzały sprzęt jest zwykle wyrzucany do śmietnika, urządzenia wojskowe podlegają typowo modernizacji. W takim przypadku COTS może stać się synonimem problemów. Przykładem jest

historia centrum szkoleniowego z dużym systemem symulującym warunki pola walki, które w pierwszej połowie lat 90. zeszłego wieku uruchomione zostało w Kanadzie na potrzeby tamtejszej armii. Choć stosowanie produktów COTS w sprzęcie specjalnym nie było wtedy jeszcze tak popularne, do budowy ośrodka wykorzystano tego typu podzespoły.

Po kilku latach, gdy konieczna była modernizacja, okazało się, że części produktów elektronicznych na rynku już nie ma. Skutkiem tego wiele z umieszczonego w ośrodku sprzętu stało się w praktyce bezużyteczne, gdyż brakowało oryginalnych części zamiennych, a nowe, które dostępne były w handlu, nie były kompatybilne ze starymi.

Przypadek ten przeszedł do historii i jest dla przeciwników stosowania COTS dowodem, że producenci działający na rynku cywilnym nie zawsze są w stanie zapewnić wojsku wymaganej trwałości podzespołów czy odpowiedniego serwisu technicznego.

Główna rola w zapełnieniu tej luki przypada, jak się wydaje, integratorowi, na którego spada w praktyce odpowiedzialność za serwis gwarancyjny i pogwarancyjny. Można ponadto przyjąć zasadę, że przy wyborze podzespołów COTS do danego projektu, najlepszy wybór pod względem technologicznym nie wcale oznaczać najkorzystniejszego rozwiązania pod względem niezawodnościowym i przyszłego serwisu.