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

無人駕駛飛機系統中嵌入的技術包括許多組件，如處理器、操作系統、通信基礎設施和應用軟件。這些組件旨在使無人機（UAS的機載組件）能夠有效地執行特定任務。傳統上，每個無人機設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計組件，并且制造易于適應不同任務目標和參數的無人機已被證明是困難的。

變革之風

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目標的無人機之間的多對多關系。提供這種多任務能力所需的系統將包括由多個GCS控制的自協調無人機，無人機和有人駕駛飛機以及空間系統，所有這些都在合作以滿足不斷變化的任務標準。

來自美國國防部（DoD），英國國防部（MOD）以及未來機載能力環境（FACE），UAS控制部門（UCS）和開放任務系統（OMS）等政府行業聯盟的富有遠見的研究論文致力于為UAS開發人員定義這些要求，包括為以網絡為中心的環境進行設計。無人機和GCS的設計者必須確保其能力的每個元素都可供以網絡為中心的環境中的所有其他相關參與者訪問。

認識到這一新現實，國防部在其“2007-2032年無人系統路線圖”中列出了下一代UAS所需的基礎技術的發展計劃。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。無人系統路線圖定義了六個目標，其中兩個目標在這里特別相關：

強調通用性，以實現無人系統上的系統控制、通信、數據產品和數據鏈路之間的更大互操作性。

促進制定政策、標準和程序，實現安全、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發展的顛覆性力量。軟件開發人員和系統設計人員將很快（如果不是立即）首先需要支持開放式架構要求，并且還需要滿足商用空域無人駕駛飛機的更高安全認證要求。

采購戰略和向開放式架構模型的推動

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

這種方法代表了采購戰略的根本轉變。現有的 DoD 系統通常由單個領先集成商針對一組獨特的要求而開發，交付周期長，從而導致平臺獨特的設計限制以及平臺內和平臺間競爭的障礙。可互操作的開放式架構方法將強制要求系統集成，并消除傳統的孤立開發模式。

為了在開放架構中實現有意義的互操作性，在不同時間構建的不同系統，具有不同的硬件，不同的軟件架構，不同的技術以及數據的不同用途，必須易于且有意義地集成。國防部已經確定，實現這一目標的關鍵是指定一個通用的語義數據模型。所有要交換的數據都經過嚴格定義、描述和記錄。

安全認證勢在必行

美國國防部表示，除了滿足開放架構要求外，UAS開發人員還必須“實現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開發人員提供了新的機會。一家為軍方開發UAS的公司肯定會希望利用其研發投資為商業市場創造類似的產品。為了實現這一目標，公司必須同時滿足軍事和商業客戶的需求。

安全一直是美國聯邦航空局的主要關注點，它遵循RTCA / DO-178C軟件安全認證標準。這些準則通過增加與安全認證直接相關的復雜性和成本來影響UAS開發人員。DO-178C 目標要求在開發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的測試結果。

此外，認證費用昂貴。對于 DO-178C，根據認證級別，每個可執行代碼行 （ELOC） 的成本可能高達 100 美元。這些只是創建認證證據的成本，不包括設計和編寫代碼的成本。由于安全認證成本高昂，并且開發安全認證軟件有其獨特的挑戰，因此在開發關鍵任務組件時，必須將最少的生產線數量、可測試性和確定性作為頂線要求。

表 1：DO-178C 安全級別和認證要求。

利用 DDS 實現互操作性和安全認證

幸運的是，有一種經過驗證的系統設計方法，使開發人員能夠實現軍事和商業UAS的開放式架構和安全認證要求，同時減少開發時間，成本和風險。這種方法涉及在符合 DDS 標準的中間件上構建組件。

DDS 或實時系統數據分發服務是由對象管理組 （OMG） 標準化的一組規范。DDS 的核心是基于無連接架構實現實時軟件數據總線。此體系結構克服了與點對點系統集成相關的問題，例如無法擴展、互操作或改進體系結構。

DDS 使用發布-訂閱通信模型使數據創建者能夠將數據發布到基礎結構，并允許數據使用者訂閱來自此數據基礎結構的數據。在 DDS 實現中，數據從物理源和目標中抽象出來，并使訂閱它的任何應用程序都可以訪問，而與源的位置和傳輸數據的特定鏈路技術無關。

DDS 用于許多行業的數千個任務關鍵型應用和系統，包括航空航天、國防、醫療保健、能源、汽車和空中交通管制。由于這些系統傾向于處理大量和高度頻繁的更新，例如傳感器信息，因此準確的傳輸至關重要。系統故障的影響往往是嚴重的，可能導致財產損失甚至生命損失。DDS的成功經驗使其成為UAS等安全關鍵型應用的絕佳起點。

在 UAS 中使用 DDS 是通過開放式體系結構指南（包括人臉、UCS 和 OMS）標準化的。DDS 實施（包括 RTI Connext DDS 證書）可進行高達 DO-178C A 級認證，并包括證書頒發機構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，從而節省數百萬美元的認證成本。

審核編輯：郭婷