Хотим выразить огромную благодарность за предоставленный документ и фото в высоком разрешении подписчику!

Storm Shadow держит корреляционную обработку кадра на двух сигнальных процессорах по 40 МГц

Шестая часть по «Storm Shadow / SCALP EG». Часть 3 закрыла оптический тракт инфракрасной ГСН - зеркало, объектив, охлаждаемое МФПУ, охлаждение по разомкнутому циклу Джоуля-Томсона. Часть 5 - БИНС детально. Сегодня - последний электронный узел ракеты: цифровой автомат, который превращает кадр МФПУ в команду на привод опорно-поворотного механизма и решение «цель / промах». Это телевизионный автомат (ТА), модуль управления камерой и вторичный источник питания (ВИП).

Архитектура телевизионного автомата
Габариты блока - около двухсот миллиметров в диаметре, толщина сорок миллиметров. Внутри две печатные платы: модуль ввода-вывода видеосигналов и модуль вычисления.

Плата ввода-вывода и стабилизация зеркала
Ключевая деталь - четыре четырнадцатиразрядных цифро-аналоговых преобразователя и четырнадцать ультрапрецизионных операционных усилителей с дрейфом нуля менее трёх сотых микровольта на градус. Это обвязка замкнутого контура стабилизации линии визирования: четыре ЦАП - по два на каждый из двух моментных двигателей опорно-поворотного механизма (горизонтальный и вертикальный канал). Четырнадцать бит на ±30° углов наведения дают разрешение около 0,6 миллирадиана на полный ход - на порядок грубее, чем 4 микрорадиана оптических энкодеров на обратной связи, и это намеренно: избыток точности энкодера компенсирует люфт привода.

Дополнительно - четыре приёмопередатчика стандарта RS-485 для связи с бортовым вычислителем и БИНС, силовой N-канальный полевой ключ на 75 А и 55 В для одного из приводов опорно-поворотного механизма, четыре линейных регулятора отрицательных напряжений и двенадцатиразрядный АЦП для вспомогательных аналоговых каналов. Опорные напряжения - три прецизионных источника по 2,5 и 3 В с точностью лучше 0,04%.

Плата вычислителя

Здесь мозг ГСН: два сигнальных процессора с плавающей точкой, частота 40 МГц, 32-разрядное представление чисел, по 4 Мбит (512 КБ) внутренней двухпортовой памяти на каждый кристалл. Четыре ПЛИС (около 128 макроячеек каждая, задержка прохождения сигнала примерно 10 нс) - адресная логика и пред-обработка.
Внешняя память: два чипа флеш-памяти по 4 Мбит (всего 1 МБ - под программное обеспечение и эталонные образы цели), статическая память на 4 Мбит (рабочая для процессоров), буфер очереди глубиной 8192 слова по 18 бит.
Высокоскоростной обмен между платами и с модулем управления камерой - через малоамплитудные дифференциальные каналы: 100 Мбит/сек на приём кадров с МФПУ и 227 Мбит/сек на обратный канал данных и трассировки. Семь приёмопередатчиков 3,3-вольтовой шинной логики разводят сигналы между процессорами и периферией.
Оцифровка самого видеосигнала идёт в отдельном модуле управления камерой (примерно 140 на 80 миллиметров) - четырнадцатиразрядный АЦП до десяти миллионов отсчётов в секунду, три ПЛИС, четыре высокоскоростных мультиплексора 2 в 1 для переключения каналов считывания массива МФПУ. Десять линейных регуляторов разносят питание аналоговой и цифровой частей.

Что эта база делает с корреляцией

По заявленной производительности один процессор даёт пик 120 миллионов операций с плавающей точкой в секунду, в установившемся режиме около 80. Пара - около 240 пик и 160 в режиме устойчивой работы.
Кадр МФПУ - 320 на 256 элементов, 81920 точек. Корреляционный захват цели - это сопоставление кадра с эталонным образом, загруженным до пуска.
⚙️ Прямая корреляция (по схеме «сдвиг и сравнение») кадра с шаблоном 64 на 64 - около 400 миллионов операций на один кадр. На 160 миллионах в секунду - около двух с половиной секунд, медленно.
⚙️ Корреляция через быстрое преобразование Фурье (БПФ) - обычный приём, когда задача сводится к поэлементному умножению образов в частотной области. По контрольному тесту изготовителя 1024-точечное комплексное БПФ занимает 18221 такт (около 0,46 мс при 40 МГц). Двумерное БПФ 256 на 256 - порядка 1,9 миллиона тактов, или 47 мс на одном процессоре. На паре с распараллеливанием - около 24 мс. Полная корреляция (два прямых БПФ, поэлементное умножение, обратное БПФ) - около 50 мс на паре, то есть примерно 20 кадров в секунду.

Терминальный участок 2-3 км на 0,95 М (290 м/с) - это 7-10 секунд активной работы ГСН. На 20 кадрах в секунду - до 200 итераций корреляционного захвата при том, что реально достаточно 5-10 для уточнения точки прицеливания. Согласуется с описанием из источника: распознавание повторяется со всё более высоким разрешением по мере сближения.

Для сравнения - простая свёрточная нейросеть для классификации образов требует порядка 100 миллионов операций с плавающей точкой на один кадр и десятков мегабайт памяти под весовые коэффициенты. На 2,5 МБ суммарной памяти системы и 160 миллионах операций в секунду это в лучшем случае один кадр в секунду, причём без места под серьёзную модель. Архитектура процессоров - расширенная гарвардская, без аппаратных векторных команд для свёрток. В Storm Shadow физически негде разместить нейросеть - только классическая корреляция эталонного образа с тем, что видит ГСН.

Вторичный источник питания ГСН

Решение классическое: микросхем сверхвысокой интеграции (микроконтроллеров, процессоров, ПЛИС) в составе ВИП нет - силовая часть и логика управления не делят один кристалл. ШИМ-контроллер фиксирован на 500 кГц, полевые ключи рассчитаны на тепловой шок (заявленный изготовителем диапазон от -55 до +175°C), импульсные регуляторы выдают токи от 0,8 до 5 А, схема преобразования - ключевая понижающая.

Гальваническая развязка - две серии оптопар, в том числе быстродействующая на 10 Мбод (этого хватает на обратные связи ШИМ-преобразователей до частот около 1 МГц). Танталовые конденсаторы, суммарная ёмкость по одной линии питания свыше 386 микрофарад - запас под импульсные нагрузки моментных приводов опорно-поворотного механизма.
Платы многослойные, не менее четырёх медных слоёв, с одной стороны - алюминиевая подложка для отвода тепла. Тонкость, которой нет в гражданских ИП: теплопроводящих составов или плёнок между подложкой и корпусом не применено вообще. Контакт «голым» алюминием - нестандартное решение, объяснимое одноразовостью изделия и краткостью работы.

Заявленный рабочий диапазон ВИП - от -40 до +105°C. Это индустриальный класс, не аэрокосмический. Поэтому ВИП включается только перед сбросом обтекателя, синхронно с захолаживанием МФПУ - на 60-90 секунд активной фазы. Питание идёт от электрогенератора на роторе ТРД через выпрямитель: двигатель работает, бортовая сеть работает, ВИП ГСН будят командой по таймеру. Об энергобюджете подробнее в следующей части про двигательную установку.

Электромагнитная совместимость и контрольный разъём

На входах и выходах преобразователей - синфазные дроссели. Между управляющими цепями и силовыми ключами - опторазвязка. Внешний контрольный разъём содержит всего два проводника, скорее всего дифференциальную пару, и синфазные дроссели с фильтрами низкой частоты для него вынесены в отдельный экранированный объём. Внешние соединители ГСН - два штуки, герметичные, назначение - загрузка программного обеспечения телевизионного автомата и образа цели до пуска

Вывод

В цифровом автомате нет специально разработанной под ракету компонентной базы: пара сигнальных процессоров, дюжина ПЛИС, прецизионная аналоговая обвязка, индустриальный ВИП. Серийная электроника конца 1990-х. Главное - не в железе, а в архитектуре связки: корреляционный алгоритм, опорно-поворотный механизм, МФПУ и ВИП синхронизированы по времени работы. 60-90 секунд активной фазы на захолаживание и захват, 6-10 секунд терминальной корреляции - и обнуление дрейфа БИНС по эталонному образу. Эта база не оставляет физического места для нейросетевого распознавания, и это видно уже на уровне счёта тактов и мегабайт.

⭐️ Полезная Нагрузка