無(wú)人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)（UAS）是軍方可用武器庫(kù)中相對(duì)較新的補(bǔ)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(dòng)UAS發(fā)展的變化，例如預(yù)算現(xiàn)實(shí)，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(lái)開發(fā)無(wú)人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)來(lái)快速響應(yīng)。不理會(huì)這些破壞性力量可能會(huì)使供應(yīng)商處于寒冷之中。

無(wú)人駕駛飛機(jī)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(wú)人機(jī)（UAS的機(jī)載組件）能夠有效地執(zhí)行特定任務(wù)。傳統(tǒng)上，每個(gè)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)還需要一個(gè)專用的地面控制站（GCS）。通常為每輛新車輛重新設(shè)計(jì)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(wú)人機(jī)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(gè)任務(wù)目標(biāo)的無(wú)人機(jī)之間的多對(duì)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(gè)GCS控制的自協(xié)調(diào)無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)和有人駕駛飛機(jī)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(lái)自美國(guó)國(guó)防部（DoD），英國(guó)國(guó)防部（MOD）以及未來(lái)機(jī)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(jì)。無(wú)人機(jī)和GCS的設(shè)計(jì)者必須確保其能力的每個(gè)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(shí)到這一新現(xiàn)實(shí)，國(guó)防部在其“2007-2032年無(wú)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(jì)劃。國(guó)防部的愿景也得到了北約論壇和針對(duì)具體國(guó)家的UAS倡議的回應(yīng)。無(wú)人系統(tǒng)路線圖定義了六個(gè)目標(biāo)，其中兩個(gè)目標(biāo)在這里特別相關(guān)：

強(qiáng)調(diào)通用性，以實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)現(xiàn)安全、及時(shí)的運(yùn)營(yíng)，并有效整合載人和無(wú)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(jì)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(wú)人駕駛飛機(jī)的更高安全認(rèn)證要求。

采購(gòu)戰(zhàn)略和向開放式架構(gòu)模型的推動(dòng)

通過授權(quán)、管理和驗(yàn)證互操作性和安全認(rèn)證，國(guó)防部正在使國(guó)防市場(chǎng)與開放商業(yè)市場(chǎng)的運(yùn)作更加緊密地保持一致。尋求的最重要的商業(yè)市場(chǎng)效益是子系統(tǒng)供應(yīng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。國(guó)防采購(gòu)旨在促進(jìn)超出特定要求的投資，在采購(gòu)流程中建立敏捷性，以實(shí)現(xiàn)更短的更新周期并保持在技術(shù)競(jìng)賽的前沿。此外，由于軍事預(yù)算收緊，國(guó)防部希望通過鼓勵(lì)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和競(jìng)爭(zhēng)來(lái)降低成本。

這種方法代表了采購(gòu)戰(zhàn)略的根本轉(zhuǎn)變。現(xiàn)有的 DoD 系統(tǒng)通常由單個(gè)領(lǐng)先集成商針對(duì)一組獨(dú)特的要求而開發(fā)，交付周期長(zhǎng)，從而導(dǎo)致平臺(tái)獨(dú)特的設(shè)計(jì)限制以及平臺(tái)內(nèi)和平臺(tái)間競(jìng)爭(zhēng)的障礙。可互操作的開放式架構(gòu)方法將強(qiáng)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(shí)現(xiàn)有意義的互操作性，在不同時(shí)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(guó)防部已經(jīng)確定，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是指定一個(gè)通用的語(yǔ)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(shì)在必行

美國(guó)國(guó)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(shí)現(xiàn)安全及時(shí)的運(yùn)營(yíng)以及有人駕駛和無(wú)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(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）正在將無(wú)人機(jī)（俗稱“無(wú)人機(jī)”）整合到美國(guó)商業(yè)空域。國(guó)際同行正在考慮采取類似步驟。無(wú)人機(jī)與國(guó)家空域的整合為UAS開發(fā)人員提供了新的機(jī)會(huì)。一家為軍方開發(fā)UAS的公司肯定會(huì)希望利用其研發(fā)投資為商業(yè)市場(chǎng)創(chuàng)造類似的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，公司必須同時(shí)滿足軍事和商業(yè)客戶的需求。

安全一直是美國(guó)聯(lián)邦航空局的主要關(guān)注點(diǎn)，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(lái)影響UAS開發(fā)人員。DO-178C 目標(biāo)要求在開發(fā)代碼時(shí)特別注意可測(cè)試性（表 1）。代碼必須具有確定性才能啟用可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果。

此外，認(rèn)證費(fèi)用昂貴。對(duì)于 DO-178C，根據(jù)認(rèn)證級(jí)別，每個(gè)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(jì)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(dú)特的挑戰(zhàn)，因此在開發(fā)關(guān)鍵任務(wù)組件時(shí)，必須將最少的生產(chǎn)線數(shù)量、可測(cè)試性和確定性作為頂線要求。

表 1：DO-178C 安全級(jí)別和認(rèn)證要求。

利用 DDS 實(shí)現(xiàn)互操作性和安全認(rèn)證

幸運(yùn)的是，有一種經(jīng)過驗(yàn)證的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)減少開發(fā)時(shí)間，成本和風(fēng)險(xiǎn)。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(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)是由對(duì)象管理組 （OMG） 標(biāo)準(zhǔn)化的一組規(guī)范。DDS 的核心是基于無(wú)連接架構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)軟件數(shù)據(jù)總線。此體系結(jié)構(gòu)克服了與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)集成相關(guān)的問題，例如無(wú)法擴(kuò)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(lái)自此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。在 DDS 實(shí)現(xiàn)中，數(shù)據(jù)從物理源和目標(biāo)中抽象出來(lái)，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(wú)關(guān)。

DDS 用于許多行業(yè)的數(shù)千個(gè)任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用和系統(tǒng)，包括航空航天、國(guó)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(cái)產(chǎn)損失甚至生命損失。DDS的成功經(jīng)驗(yàn)使其成為UAS等安全關(guān)鍵型應(yīng)用的絕佳起點(diǎn)。

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(shí)施（包括 RTI Connext DDS 證書）可進(jìn)行高達(dá) DO-178C A 級(jí)認(rèn)證，并包括證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)所需的過程和測(cè)試工件。這種方法可以大大減少必須評(píng)估的自定義代碼量，從而節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元的認(rèn)證成本。

審核編輯：郭婷