無人駕駛飛機系統(tǒng)（UAS）是軍方可用武器庫中相對較新的補充，并且該技術(shù)正在迅速發(fā)展。除了技術(shù)進(jìn)步的正常過程之外，其他因素正在推動UAS發(fā)展的變化，例如預(yù)算現(xiàn)實，需要采用開放式架構(gòu)，并在民用空域增加UAS操作，這需要商業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)的支持。此外，希望為軍方（或商業(yè)客戶）提供UAS技術(shù)的軟件開發(fā)人員必須通過采用新方法來開發(fā)無人駕駛飛機系統(tǒng)來快速響應(yīng)。不理會這些破壞性力量可能會使供應(yīng)商處于寒冷之中。

無人駕駛飛機系統(tǒng)中嵌入的技術(shù)包括許多組件，如處理器、操作系統(tǒng)、通信基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用軟件。這些組件旨在使無人機（UAS的機載組件）能夠有效地執(zhí)行特定任務(wù)。傳統(tǒng)上，每個無人機設(shè)計還需要一個專用的地面控制站（GCS）。通常為每輛新車輛重新設(shè)計組件，并且制造易于適應(yīng)不同任務(wù)目標(biāo)和參數(shù)的無人機已被證明是困難的。

變革之風(fēng)

在下一代UAS中情況并非如此，它將包括GCS和能夠支持多個任務(wù)目標(biāo)的無人機之間的多對多關(guān)系。提供這種多任務(wù)能力所需的系統(tǒng)將包括由多個GCS控制的自協(xié)調(diào)無人機，無人機和有人駕駛飛機以及空間系統(tǒng)，所有這些都在合作以滿足不斷變化的任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。

來自美國國防部（DoD），英國國防部（MOD）以及未來機載能力環(huán)境（FACE），UAS控制部門（UCS）和開放任務(wù)系統(tǒng)（OMS）等政府行業(yè)聯(lián)盟的富有遠(yuǎn)見的研究論文致力于為UAS開發(fā)人員定義這些要求，包括為以網(wǎng)絡(luò)為中心的環(huán)境進(jìn)行設(shè)計。無人機和GCS的設(shè)計者必須確保其能力的每個元素都可供以網(wǎng)絡(luò)為中心的環(huán)境中的所有其他相關(guān)參與者訪問。

認(rèn)識到這一新現(xiàn)實，國防部在其“2007-2032年無人系統(tǒng)路線圖”中列出了下一代UAS所需的基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展計劃。國防部的愿景也得到了北約論壇和針對具體國家的UAS倡議的回應(yīng)。無人系統(tǒng)路線圖定義了六個目標(biāo)，其中兩個目標(biāo)在這里特別相關(guān)：

強調(diào)通用性，以實現(xiàn)無人系統(tǒng)上的系統(tǒng)控制、通信、數(shù)據(jù)產(chǎn)品和數(shù)據(jù)鏈路之間的更大互操作性。

促進(jìn)制定政策、標(biāo)準(zhǔn)和程序，實現(xiàn)安全、及時的運營，并有效整合載人和無人駕駛車輛。

這些是改變UAS發(fā)展的顛覆性力量。軟件開發(fā)人員和系統(tǒng)設(shè)計人員將很快（如果不是立即）首先需要支持開放式架構(gòu)要求，并且還需要滿足商用空域無人駕駛飛機的更高安全認(rèn)證要求。

采購戰(zhàn)略和向開放式架構(gòu)模型的推動

通過授權(quán)、管理和驗證互操作性和安全認(rèn)證，國防部正在使國防市場與開放商業(yè)市場的運作更加緊密地保持一致。尋求的最重要的商業(yè)市場效益是子系統(tǒng)供應(yīng)的市場競爭。國防采購旨在促進(jìn)超出特定要求的投資，在采購流程中建立敏捷性，以實現(xiàn)更短的更新周期并保持在技術(shù)競賽的前沿。此外，由于軍事預(yù)算收緊，國防部希望通過鼓勵設(shè)計創(chuàng)新和競爭來降低成本。

這種方法代表了采購戰(zhàn)略的根本轉(zhuǎn)變。現(xiàn)有的 DoD 系統(tǒng)通常由單個領(lǐng)先集成商針對一組獨特的要求而開發(fā)，交付周期長，從而導(dǎo)致平臺獨特的設(shè)計限制以及平臺內(nèi)和平臺間競爭的障礙。可互操作的開放式架構(gòu)方法將強制要求系統(tǒng)集成，并消除傳統(tǒng)的孤立開發(fā)模式。

為了在開放架構(gòu)中實現(xiàn)有意義的互操作性，在不同時間構(gòu)建的不同系統(tǒng)，具有不同的硬件，不同的軟件架構(gòu)，不同的技術(shù)以及數(shù)據(jù)的不同用途，必須易于且有意義地集成。國防部已經(jīng)確定，實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是指定一個通用的語義數(shù)據(jù)模型。所有要交換的數(shù)據(jù)都經(jīng)過嚴(yán)格定義、描述和記錄。

安全認(rèn)證勢在必行

美國國防部表示，除了滿足開放架構(gòu)要求外，UAS開發(fā)人員還必須“實現(xiàn)安全及時的運營以及有人駕駛和無人駕駛車輛的有效集成”。這一要求具有超出軍事UAS的廣泛影響。

美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）正在將無人機（俗稱“無人機”）整合到美國商業(yè)空域。國際同行正在考慮采取類似步驟。無人機與國家空域的整合為UAS開發(fā)人員提供了新的機會。一家為軍方開發(fā)UAS的公司肯定會希望利用其研發(fā)投資為商業(yè)市場創(chuàng)造類似的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，公司必須同時滿足軍事和商業(yè)客戶的需求。

安全一直是美國聯(lián)邦航空局的主要關(guān)注點，它遵循RTCA / DO-178C軟件安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。這些準(zhǔn)則通過增加與安全認(rèn)證直接相關(guān)的復(fù)雜性和成本來影響UAS開發(fā)人員。DO-178C 目標(biāo)要求在開發(fā)代碼時特別注意可測試性（表 1）。代碼必須具有確定性才能啟用可重復(fù)的測試結(jié)果。

此外，認(rèn)證費用昂貴。對于 DO-178C，根據(jù)認(rèn)證級別，每個可執(zhí)行代碼行 （ELOC） 的成本可能高達(dá) 100 美元。這些只是創(chuàng)建認(rèn)證證據(jù)的成本，不包括設(shè)計和編寫代碼的成本。由于安全認(rèn)證成本高昂，并且開發(fā)安全認(rèn)證軟件有其獨特的挑戰(zhàn)，因此在開發(fā)關(guān)鍵任務(wù)組件時，必須將最少的生產(chǎn)線數(shù)量、可測試性和確定性作為頂線要求。

表 1：DO-178C 安全級別和認(rèn)證要求。

利用 DDS 實現(xiàn)互操作性和安全認(rèn)證

幸運的是，有一種經(jīng)過驗證的系統(tǒng)設(shè)計方法，使開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)軍事和商業(yè)UAS的開放式架構(gòu)和安全認(rèn)證要求，同時減少開發(fā)時間，成本和風(fēng)險。這種方法涉及在符合 DDS 標(biāo)準(zhǔn)的中間件上構(gòu)建組件。

DDS 或?qū)崟r系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)是由對象管理組 （OMG） 標(biāo)準(zhǔn)化的一組規(guī)范。DDS 的核心是基于無連接架構(gòu)實現(xiàn)實時軟件數(shù)據(jù)總線。此體系結(jié)構(gòu)克服了與點對點系統(tǒng)集成相關(guān)的問題，例如無法擴展、互操作或改進(jìn)體系結(jié)構(gòu)。

DDS 使用發(fā)布-訂閱通信模型使數(shù)據(jù)創(chuàng)建者能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)布到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并允許數(shù)據(jù)使用者訂閱來自此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。在 DDS 實現(xiàn)中，數(shù)據(jù)從物理源和目標(biāo)中抽象出來，并使訂閱它的任何應(yīng)用程序都可以訪問，而與源的位置和傳輸數(shù)據(jù)的特定鏈路技術(shù)無關(guān)。

DDS 用于許多行業(yè)的數(shù)千個任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用和系統(tǒng)，包括航空航天、國防、醫(yī)療保健、能源、汽車和空中交通管制。由于這些系統(tǒng)傾向于處理大量和高度頻繁的更新，例如傳感器信息，因此準(zhǔn)確的傳輸至關(guān)重要。系統(tǒng)故障的影響往往是嚴(yán)重的，可能導(dǎo)致財產(chǎn)損失甚至生命損失。DDS的成功經(jīng)驗使其成為UAS等安全關(guān)鍵型應(yīng)用的絕佳起點。

在 UAS 中使用 DDS 是通過開放式體系結(jié)構(gòu)指南（包括人臉、UCS 和 OMS）標(biāo)準(zhǔn)化的。DDS 實施（包括 RTI Connext DDS 證書）可進(jìn)行高達(dá) DO-178C A 級認(rèn)證，并包括證書頒發(fā)機構(gòu)所需的過程和測試工件。這種方法可以大大減少必須評估的自定義代碼量，從而節(jié)省數(shù)百萬美元的認(rèn)證成本。

審核編輯：郭婷