Applications navales de défense : calculateurs durcis, C4ISR, radar, sonar et réseaux embarqués

Radar, sonar, traitement du signal et acoustique embarquée

Radar et sonar nécessitent de traiter des volumes de données importants provenant de capteurs, puis de les exploiter avec des contraintes de débit, de latence, de disponibilité et de dissipation thermique propres au système final.

Pour ces applications, ECRIN Systems propose notamment µTOPAZE, calculateur durci 3U VPX conçu pour les applications radar, sonar, EWR, C4ISR, IA et traitement du signal. Sa conception permet d'associer des ressources CPU Intel®, GPU NVIDIA et FPGA selon la configuration retenue et les besoins de traitement du programme.

La gamme ONYX complète cette approche pour les fonctions de calcul de mission, de C4ISR et de guerre électronique nécessitant un calculateur compact, sans ventilateur, à refroidissement par conduction (Conduction Cooled), avec connectique MIL-DTL-38999, possibilités d’extension et intégration GPU selon configuration.

Ces plateformes peuvent ainsi être intégrées au plus près des chaînes capteurs pour des fonctions de traitement du signal, acquisition, exploitation de données radar ou sonar, traitement graphique, supervision ou calcul de mission.

Dans les chaînes sonar et de guerre acoustique, l’exploitation des signaux repose également sur l’analyse de paramètres tels que la fréquence, l’amplitude, le niveau du signal, l’atténuation ou encore la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans le milieu. Les données issues des hydrophones et des autres capteurs acoustiques sont acquises et conditionnées en amont avant d’être exploitées par les fonctions de traitement numérique, de filtrage, de détection et de classification acoustique.

À bord des sous-marins et de certains bâtiments de surface, ces traitements contribuent à l’identification et à la classification des signatures acoustiques. Ils fournissent notamment les informations exploitées par les spécialistes de la guerre acoustique, communément appelés « oreilles d’or ».

L’audio intervient également dans les communications de bord. Selon le périmètre du système, les plateformes de calcul peuvent intégrer des interfaces audio pour l’acquisition ou la restitution de flux provenant de microphones, casques ou équipements d’interphonie. Les fonctions de traitement, d’acheminement et de diffusion de la voix dépendent ensuite de l’intégration matérielle et logicielle retenue pour le programme.

CMS, Command & Control et postes opérateurs CIC

Les besoins peuvent concerner le Command & Control, le C4ISR, la conduite de tir, le Situational Awareness, la supervision ou la visualisation de données tactiques.

La console navale CRYSTAL-23 est spécifiquement destinée aux postes opérateurs et environnements CIC, pour les bâtiments de surface et sous-marins. Elle permet l’intégration de fonctions de calcul et de traitement graphique local ou distant ainsi que l’affichage de multiples données ou flux issus des systèmes de bord. Son positionnement naval et C2 est déjà explicitement documenté par ECRIN Systems.

L’objectif est de disposer d’un poste opérateur qui ne soit pas considéré isolément, mais comme une composante du système de mission : réseau, calcul, visualisation, interfaces et maintenabilité doivent être traités ensemble.

Dans un Combat Management System – CMS –, les calculateurs, serveurs, équipements réseau et postes opérateurs participent à une chaîne complète allant de la réception des informations issues des capteurs à leur présentation aux opérateurs.

Les systèmes C4ISR et CMS s’inscrivent également dans des chaînes de communication tactiques plus larges. Selon les programmes, ils peuvent échanger des données avec des équipements dédiés aux Tactical Data Links, notamment Link 11 ou Link 16, afin de partager des informations tactiques entre bâtiments et autres plateformes engagées.

Guerre électronique, renseignement et systèmes de mission

Les systèmes de guerre électronique associent acquisition de signaux, traitement, calcul, réseau et exploitation des données dans des environnements où les contraintes CEM/EMI deviennent déterminantes.

Les gammes ONYX et µTOPAZE peuvent être intégrées dans ce type de chaîne lorsqu’un programme nécessite des ressources CPU, GPU ou FPGA, des interfaces complémentaires ou un calcul embarqué durci. ECRIN Systems adresse également les systèmes C4ISR, les fonctions de supervision et les besoins de traitement associés aux équipements de mission.

Cette approche concerne également les systèmes de guerre des mines, pour lesquels le calcul embarqué, les interfaces capteurs, les communications et l’exploitation de données peuvent être intégrés sur des plateformes de surface, sous-marines ou autonomes.

=> Découvrir notre guide : Les systèmes embarqués dans les applications de guerre électronique

IA embarquée et traitement vidéo au plus près des capteurs

L’IA embarquée prend une place croissante dans les systèmes de mission lorsqu’il est nécessaire d’analyser localement des données vidéo ou des données issues de capteurs.

Le ONYX-AGX, basé sur NVIDIA Jetson AGX Orin Industrial, délivre jusqu’à 248 TOPS et associe calcul IA, Ethernet 10 Gb, interfaces Gigabit Ethernet, CAN, série, USB et options HD-SDI. Son refroidissement est passif et sa connectique repose sur des connecteurs MIL-DTL-38999.

Pour les besoins plus compacts, la famille nanoONYX permet de sélectionner des variantes selon l’interface recherchée : acquisition HD-SDI, CAN, USB 3.0 ou disque amovible notamment. Sa faible consommation et son format réduit sont particulièrement intéressants lorsque le SWaP-C devient déterminant, par exemple sur des plateformes autonomes ou dans des volumes d’intégration contraints.

Optronique, périscopie et traitement vidéo embarqué

Les chaînes optroniques et les systèmes de périscopie peuvent générer des flux vidéo qui doivent être acquis, traités, exploités ou transmis vers les fonctions de mission. Dans ce type de chaîne, les contraintes portent notamment sur la latence, la bande passante, les interfaces vidéo, le traitement local et l’intégration dans un environnement durci.

Pour ces besoins, ECRIN Systems peut intégrer des briques de calcul dédiées au traitement vidéo embarqué. Le nanoONYX-SDI dispose de deux entrées HD-SDI dans un format durci compact pour l’acquisition et le traitement de flux vidéo. L’ONYX-AGX associe calcul IA embarqué et, selon configuration, jusqu’à quatre entrées HD-SDI pour des fonctions d’analyse vidéo au plus près des capteurs.

Selon l’environnement opérationnel, les contraintes d’intégration et le contexte d’utilisation propres à chaque projet, les solutions OPALE V2, OPALE R et myOPALE RS peuvent également répondre aux besoins de traitement vidéo et audio embarqué. Cette complémentarité illustre la capacité de la gamme ECRIN Systems à proposer des architectures adaptées à différents niveaux de contraintes, de performance et de durcissement.

Réseau Ethernet embarqué, synchronisation et passerelles

Un système naval regroupe souvent plusieurs générations d’équipements. La problématique ne consiste donc pas uniquement à connecter de nouveaux calculateurs, mais aussi à faire communiquer des équipements existants avec le réseau de bord.

Cette fonction de passerelle peut nécessiter Ethernet, fibre optique, interfaces série, CAN ou E/S spécifiques selon les équipements à raccorder.

Les besoins d’intégration ne se limitent pas aux interfaces Ethernet, USB ou CAN. Selon la plateforme et la configuration retenue, des interfaces embarquées spécifiques peuvent également être intégrées, notamment MIL-STD-1553, ARINC 429, interfaces série RS-232/422/485, E/S numériques ou analogiques. La famille nanoONYX permet par exemple d’ajouter ce type d’interfaces via ses modules d’extension AcroPack / mini PCIe.

Le switch durci QUARTZ permet de constituer une brique réseau durcie avec huit ports Gigabit Ethernet cuivre et, selon version, deux interfaces fibre 1 GbE ou 10 GbE. Les différentes versions peuvent intégrer des fonctions L2/L3, PTP Grandmaster ou TSN. La version TSN prend notamment en charge des mécanismes IEEE 802.1AS, 802.1Qav, 802.1Qbv, 802.1Qci et 802.1CB.

La synchronisation, la priorisation des flux, la redondance et le déterminisme doivent toutefois être définis à l’échelle du réseau complet : le choix d’une fonction TSN ou PTP dépend directement des exigences temporelles et de la configuration du système.

Serveurs durcis et calcul haute performance à bord

Certaines fonctions nécessitent davantage de puissance CPU, de mémoire, de disques ou de possibilités d’extension que ne peut en offrir un calculateur compact.

OPALE-Rugged apporte une réponse 2U/3U basée sur Intel® Xeon® Scalable, avec connectique MIL-DTL-38999 configurable, IP65, possibilités d’extension PCIe et administration IPMI. Le produit est explicitement destiné, entre autres, aux plateformes navales et aux environnements sévères.

Les gammes OPALE V2, OPALE V2 Compact et µOPALE V2 permettent également de répondre à des besoins de calcul rackable, de contrôle-commande ou de serveur embarqué lorsque les contraintes du programme sont compatibles avec leurs caractéristiques mécaniques et environnementales.

Pour des besoins IA ou HPC nécessitant plusieurs GPU hautes performances, myOPALE-RS peut constituer une base de calcul 2U dual Xeon / dual GPU, sous réserve de vérifier son adéquation avec les contraintes mécaniques, thermiques, électriques et environnementales du programme naval considéré.

Virtualisation, consolidation et Datacenter embarqué

Les systèmes navals évoluent vers une consolidation croissante des fonctions de calcul. La virtualisation permet de regrouper plusieurs environnements logiciels et machines virtuelles sur des ressources matérielles partagées, avec des exigences élevées en disponibilité, isolation, puissance CPU, mémoire, débit réseau et capacité disque. Cette approche participe à l’émergence de véritables « Datacenters embarqués » au sein des plateformes navales.

Cette consolidation s’accompagne également de besoins importants d’enregistrement : données issues des capteurs, flux de mission, journaux systèmes, événements ou historiques peuvent devoir être conservés et exploités selon les exigences du programme.

Les capacités CPU, mémoire, PCIe et disque proposées par les serveurs ECRIN permettent de constituer une base matérielle à étudier pour ces fonctions de consolidation et d’enregistrement. Le choix de l’hyperviseur, des logiciels, de la redondance et des mécanismes de cybersécurité reste défini au niveau du programme.

Contrôle-commande, supervision et acquisition de données

À bord, les fonctions de contrôle-commande et de supervision peuvent nécessiter une plateforme de calcul capable de centraliser des données issues de plusieurs équipements, d’exécuter des applications de supervision et de s’interfacer avec les réseaux et E/S du système.

La gamme OPALE V2 permet de répondre à des fonctions d’acquisition centralisée de données et de contrôle-commande, avec des capacités d’extension PCIe et de personnalisation des E/S. OPALE V2 Compact et µOPALE V2 peuvent compléter cette approche lorsque les contraintes d’intégration imposent un format rackable plus compact, sous réserve de vérifier leur adéquation mécanique, électrique et environnementale avec le programme naval.

Quelle solution ECRIN pour quelle fonction navale ?

Le choix d’une plateforme dépend de la fonction à assurer, du niveau de performance requis, des interfaces, des contraintes SWaP-C, de l’environnement d’intégration et des exigences de qualification du programme.

Du COTS au Modified COTS : partir d’une base éprouvée, l’adapter au programme

Les programmes navals nécessitent rarement une configuration entièrement standard.

Les gammes ECRIN peuvent servir de base COTS, puis être adaptées dans une démarche Modified COTS : configuration matérielle, cartes d’extension, interfaces, connectique, panneau avant, câblage, mécanique, alimentation, refroidissement ou fonctions logicielles selon le produit concerné.

Cette démarche permet de conserver une base produit maîtrisée tout en répondant précisément au cahier des charges du système.

Le bureau d’études réunit les compétences nécessaires en mécanique, électronique, câblage, industrialisation, qualification et documentation. Les équipes interviennent depuis l’analyse du cahier des charges jusqu’à la qualification, l’intégration, la production et au support du produit.

Qualification : raisonner par programme, pas par accumulation de normes

Un équipement naval ne peut pas être présenté comme « certifié naval » de manière générique. Les exigences doivent être définies à partir de la plateforme, de son emplacement, de l’environnement réel de l’équipement et du cahier des charges contractuel.

STANAG 1008 constitue par exemple un référentiel directement lié aux caractéristiques des alimentations électriques à bord des bâtiments de guerre des marines OTAN. MIL-STD-167-1 concerne spécifiquement les vibrations des équipements installés à bord de navires.

Selon le périmètre du programme, d’autres référentiels spécifiquement liés aux équipements de bord peuvent également apparaître dans le cahier des charges : 

• MIL-DTL-901E couvre les exigences d’essais de choc à fort impact applicables aux machines, équipements, systèmes et structures installés à bord de bâtiments de surface et de sous-marins.
• MIL-STD-1399, au travers de ses différentes sections, définit des exigences d’interface destinées à assurer la compatibilité entre les équipements et l’environnement de bord.

Leur applicabilité doit être définie programme par programme. NB : Leur mention ici ne constitue pas une déclaration de conformité de l’ensemble des produits ECRIN à ces référentiels.

D’autres référentiels couramment rencontrés sur les systèmes ECRIN ont un périmètre plus large :

• MIL-STD-810 : essais environnementaux ;
• MIL-STD-461 : maîtrise des perturbations électromagnétiques ;
• AECTP-500 : effets électromagnétiques et vérification dans le cadre OTAN, mais non exclusivement naval ;
• MIL-DTL-38999 : spécification de connectique circulaire utilisée sur de nombreux équipements durcis ;
• IP65 / IP67 : niveaux de protection contre la pénétration de poussières et d’eau.

DO-160 reste un référentiel Aéronautique et MIL-STD-1275E concerne les caractéristiques électriques des véhicules militaires terrestres : leur présence sur certains équipements ECRIN témoigne des qualifications de ces produits, mais ne doit pas être assimilée à une qualification navale générique.

MCO, maintenabilité et pérennité

Un système naval est conçu pour rester en service pendant de nombreuses années. La performance initiale ne suffit donc pas : maintenabilité, maîtrise de configuration, obsolescence et disponibilité des éléments de remplacement doivent être envisagées dès la définition du système.

ECRIN Systems accompagne les programmes sur le maintien en condition opérationnelle – MCO –, la gestion de l’obsolescence, les évolutions de configuration et le support long terme.

La maintenabilité peut également être intégrée mécaniquement au produit : accès aux éléments remplaçables, disques amovibles, connectique adaptée, sous-ensembles de type LRU et définition de pièces de rechange permettant au client d’organiser son propre soutien.

Le soutien peut inclure documentation produit, plans de qualification, documents de justification, plans de maintenance et éléments de SLI – Soutien Logistique Intégré – selon le périmètre du programme.

Conception et production en France

ECRIN Systems ne se limite pas à l’intégration de composants disponibles sur le marché. La conception, l’intégration, la production, les tests et la validation unitaire sont réalisés sur le site de Crolles, avec l’implication des équipes techniques et qualité tout au long du projet.

Cette maîtrise locale permet aux maîtres d’œuvre, équipementiers et intégrateurs de travailler avec un interlocuteur industriel français et européen capable d’accompagner un programme depuis les premières spécifications jusqu’au MCO.

Avec 50 ans d’innovation dans le domaine des systèmes embarqués et critiques, ECRIN Systems s’appuie sur une expérience construite dans la durée pour accompagner des programmes exigeant personnalisation, maîtrise de configuration, pérennité et support long terme.

Les contraintes d'intégration

Environnement naval sévère

Température, humidité, brouillard salin, chocs et vibrations

Les contraintes environnementales varient fortement selon qu’un équipement est installé dans une baie protégée, un local technique, un CIC, sur un pont, dans un sous-marin ou sur une plateforme autonome.

Température, humidité, brouillard salin, poussières, projections d’eau, chocs et vibrations doivent être rapprochés de l’emplacement réel du système. Les niveaux IP65 ou IP67 et les qualifications environnementales sont donc sélectionnés produit par produit, en fonction du cahier des charges.

CEM, alimentation et environnement électromagnétique

Maîtriser la CEM et l’alimentation du système de bord

Les calculateurs, équipements de communication, radars, systèmes de guerre électronique et alimentations cohabitent dans un environnement électromagnétique dense.

La maîtrise des émissions et de l’immunité CEM/EMI doit être prévue dès la définition du produit. MIL-STD-461, les exigences E3 OTAN ou les contraintes d’alimentation définies par le programme peuvent ainsi influencer le filtrage, la connectique, le câblage et l’alimentation.

Pour les bâtiments de guerre OTAN, STANAG 1008 peut notamment intervenir dans la définition des caractéristiques du réseau électrique de bord.

Encombrement, masse et SWaP-C

Adapter le calcul à l’espace réellement disponible

Un serveur 19 pouces, un calculateur compact ou un système 3U VPX ne répondent pas aux mêmes contraintes. Sur une plateforme autonome ou un drone naval, la masse, le volume et la consommation peuvent devenir déterminants. Sur un bâtiment de surface ou un sous-marin, les contraintes peuvent davantage porter sur l’intégration en baie, l’accès à la maintenance, la profondeur disponible ou la dissipation thermique.

Le choix doit donc porter sur l’équilibre entre puissance CPU/GPU/FPGA, interfaces, refroidissement, masse, consommation et possibilités d’évolution.

Refroidissement et discrétion acoustique

Dissiper la puissance sans dégrader l’environnement de mission

Le refroidissement peut reposer sur une conception sans ventilateur, de la conduction thermique, une ventilation forcée ou, pour certains développements, d’autres solutions définies par le programme. Le « fanless » n’est pas systématiquement la meilleure réponse : la solution doit être choisie en fonction de la puissance à dissiper et de l’environnement réel.

La signature acoustique peut également constituer une contrainte importante à bord, notamment dans les systèmes où le niveau sonore d’un équipement peut interagir avec les objectifs acoustiques de la plateforme ou les chaînes sonar.

Connectique, réseau et synchronisation

Connecter les capteurs, calculateurs et équipements de bord

Ethernet cuivre ou fibre, interfaces série, CAN, E/S spécifiques et connecteurs MIL-DTL-38999 peuvent être combinés en fonction du système. Les réseaux peuvent également imposer des fonctions de synchronisation, de redondance, de priorisation ou de déterminisme. 

QUARTZ permet par exemple d’adresser différents besoins Gigabit/10 Gigabit Ethernet, PTP ou TSN selon sa version, tandis que les calculateurs ECRIN disposent de possibilités d’adaptation d’interfaces selon les gammes.

Cybersécurité intégrée dès la définition

Limiter la surface d’exposition du système

La cybersécurité ne doit pas être ajoutée une fois le calculateur installé. Le choix des interfaces réellement nécessaires, la suppression ou la désactivation des ports inutilisés, la protection de la connectique et l’utilisation de fonctions telles que TPM ou Trusted Boot sur les plateformes qui les proposent peuvent être intégrés dès la définition du système.

Certaines versions de QUARTZ ajoutent également des fonctions réseau sécurisées telles que contrôle d’accès, MACsec, firewall ou VPN selon la variante retenue.

Maintenabilité et LRU

Réduire le temps d’intervention à bord

L’accès aux composants remplaçables, aux disques, aux ventilateurs, aux cartes ou aux interfaces doit être pensé dès la conception mécanique. Une approche basée sur des LRU – Line Replaceable Units –, associée à une stratégie de pièces de rechange et à une documentation de maintenance, peut permettre au client d’effectuer certaines opérations directement sur site tout en conservant la maîtrise de la configuration.

MCO et obsolescence

Maintenir la configuration pendant toute la durée du programme

La durée de vie d’un programme naval est très supérieure au cycle commercial d’un processeur, d’un GPU ou d’une carte électronique. La gestion d’obsolescence, le contrôle des révisions, l’anticipation des remplacements et la maîtrise des impacts d’une évolution matérielle sont donc essentiels. L’objectif est de préserver la configuration du système, sa qualification et sa maintenabilité pendant toute la durée nécessaire au programme.