無人機系統(tǒng)互操作性測試驗證方法研究

崔唯佳 李思男 劉彤 田若宇

（中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081）

無人機作為重要的航空偵察打擊力量，具有部署使用靈活、偵察時效性高等特點?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中，無人機融入聯(lián)合作戰(zhàn)的需求日益凸顯，無人機系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、作戰(zhàn)單元之間通過互操作實現(xiàn)信息共享和系統(tǒng)間功能重組，遂行協(xié)同偵察、協(xié)同打擊等作戰(zhàn)任務，達到提升作戰(zhàn)效能的目的。

傳統(tǒng)無人機系統(tǒng)的“煙囪式”獨立發(fā)展只注重自身能力的實現(xiàn)，并未考慮與其他系統(tǒng)間的互聯(lián)互通互操作，信息共享能力差，“信息孤島”現(xiàn)象嚴重。世界軍事強國正在從頂層架構(gòu)設計到通用技術(shù)標準制定等方面加速實現(xiàn)無人機系統(tǒng)的互操作性。美國防部發(fā)布了《無人系統(tǒng)綜合路線圖（2017-2042）》，指出互操作性是未來無人系統(tǒng)發(fā)展的主要驅(qū)動力之一，通過構(gòu)建開放、通用的強大互操作體系架構(gòu)實現(xiàn)無縫、敏捷、自主的作戰(zhàn)系統(tǒng)、單元之間的高效協(xié)作；北約標準化組織為提升各盟國協(xié)同作戰(zhàn)能力，構(gòu)建了情報監(jiān)視偵察互操作體系架構(gòu)（NIIA），同時制定了NATO STANAG 系列標準規(guī)范，其中STANAG 4586 標準中詳細設計了無人機地面控制系統(tǒng)互操作體系架構(gòu)、互操作等級以及通用接口標準，為無人機系統(tǒng)互操作實現(xiàn)提供了重要的技術(shù)途徑。

互操作性的測試驗證是保障信息系統(tǒng)真正實現(xiàn)有效協(xié)同工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，STANAG 4586 提供了無人機地面控制系統(tǒng)接口標準測試指南，從組件一致性測試、系統(tǒng)一致性測試等層級詳細闡述了各類接口的測試原理、測試環(huán)境以及測試流程；此外，在其他信息系統(tǒng)的互操作測試驗證方面，張登明針對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈互操作性測試提出從波形一致性測試、網(wǎng)絡協(xié)議一致性測試、消息格式一致性測試以及操作的互操作性評估等層次開展測試驗證，確保鏈路互通、信息可達、信息可用；我國還發(fā)布了GJBZ/144《指揮自動化系統(tǒng)互操作性等級及評估》標準，制定了指揮自動信息系統(tǒng)的互操作等級、互操作能力模型以及評估方法。

本文根據(jù)無人機系統(tǒng)互操作性定義，詳細分析了無人機系統(tǒng)互操作性測試的概念內(nèi)涵，在深入研究NATO STANAG 4586 標準接口測試方法的基礎上，提出了無人機系統(tǒng)互操作性測試驗證模式和實施框架，為無人機系統(tǒng)互操作的發(fā)展與實現(xiàn)提供有意義的參考。

1 UAS互操作性測試概念內(nèi)涵

1.1 UAS互操作性定義

GJBZ/144《指揮自動化系統(tǒng)互操作性等級及評估》指出“互操作性是指兩個或兩個以上系統(tǒng)或應用之間交換信息并相互利用所交換信息的能力”?；诨ゲ僮餍远x同時參考STANAG 4586 標準，無人機系統(tǒng)互操作主要分為無人機系統(tǒng)之間的互操作以及無人機系統(tǒng)與指控系統(tǒng)、作戰(zhàn)單元之間的互操作。

（1）無人機系統(tǒng)間的互操作旨在實現(xiàn)地面控制系統(tǒng)可同時或分時對多型多架無人機平臺、任務載荷進行通用化測控，無人機平臺及其任務載荷可授權(quán)至不同的地面控制系統(tǒng)進行控制利用；

（2）無人機系統(tǒng)與指控系統(tǒng)、作戰(zhàn)單元之間的互操作旨在實現(xiàn)無人機平臺信息、載荷偵察信息可通過無人機平臺或地面控制系統(tǒng)準確高效地分發(fā)至其他系統(tǒng)單元進行有效利用。

1.2 無人機系統(tǒng)互操作性測試定義

GJBZ/144《指揮自動化系統(tǒng)互操作性等級及評估》指出“互操作性動態(tài)測試主要包括一致性測試和互操作性測試。一致性測試的主要目標是檢查協(xié)議實現(xiàn)是否與標準協(xié)議相一致；互操作性測試的主要目標是檢測不同廠商的設備，如硬件設備、操作系統(tǒng)或應用程序等在特定協(xié)議下協(xié)同工作的能力?！?/p>

基于無人機互操作性定義以及互操作性動態(tài)測試的概念內(nèi)涵，無人機系統(tǒng)互操作性測試驗證旨在驗證無人機系統(tǒng)內(nèi)部設備單元以及與外部其他系統(tǒng)、設備或單元之間能夠按照標準協(xié)議、消息處理規(guī)范真正實現(xiàn)互聯(lián)互通互操作。

2 STANAG 4586標準接口測試驗證方法

圖 1 展示了STANAG 4586 制定的無人機地面控制系統(tǒng)互操作架構(gòu)，標準接口包括核心無人機控制系統(tǒng)（CUCS）與UAV 之間的數(shù)據(jù)鏈接口（DLI）、CUCS 與指控單元C4I之間的指揮控制接口（CCI）以及CUCS 的人機交互控制接口（HCI）；同時為實現(xiàn)CUCS 與現(xiàn)役無人機平臺和C4I 系統(tǒng)的兼容性，設計了平臺專用模塊（VSM）以及指揮控制專用模塊（CCISM），完成通用接口協(xié)議與專用協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。

圖1：無人機控制系統(tǒng)架構(gòu)

北約標準化組織提供了STANAG 4586 所需標準接口的測試指南，用于驗證各國設計制造的UCS 是否符合STANAG 4586 要求，測試驗證內(nèi)容主要包括：標準測試和實現(xiàn)測試兩部分。

2.1 標準測試包括標準質(zhì)量測試和標準要求匹配測試

（1）標準質(zhì)量測試旨在評估STANAG 4586 中規(guī)定的要求在技術(shù)上是正確的、一致的、完整的以及可測試的；

（2）標準要求匹配測試旨在評估STANAG 4586 規(guī)定的要求與各接口信息交換需求（ IERs）的一致性。

2.2 實現(xiàn)測試包括一致性測試和互操作性測試

2.2.1 一致性測試包括組件級和系統(tǒng)級測試

（1）組件一致性測試旨在確保UCS 的各部件（如CUCS、VSM、CCISM）之間的接口符合STANAG 4586 的要求。圖 2 展示了各組件的一致性測試原理，測試環(huán)境包括被測組件以及覆蓋標準測試集的測試分析設備，測試分析儀通過以太網(wǎng)連與被測組件進行連接，通過生成、接收、分析和顯示所有STANAG 4586 消息，測試組件是否符合各接口標準。

圖2：組件一致性測試原理

（2）系統(tǒng)一致性測試旨在將無人機系統(tǒng)視為一個整體，該測試中主要包括待測設備和基準設備，基準設備作為已被驗證認可的合格設備替代組件一致性中的測試儀器，構(gòu)建完整的端到端測試場景。圖 3 展示了系統(tǒng)一致性的測試原理，通過模擬不同的任務場景如航跡/任務規(guī)劃、飛行控制、載荷數(shù)據(jù)分發(fā)、降落回收等驗證符合STANAG 4586 要求的VSM、CUCS 和CCISM 之間的交互能力，確保無人機系統(tǒng)內(nèi)部的互操作性和一致性。

圖3：系統(tǒng)一致性測試原理

系統(tǒng)一致性測試環(huán)境可在同一地點進行集中測試，也可構(gòu)建分布式環(huán)境通過廣域網(wǎng)互聯(lián)方式實現(xiàn)多平臺異地測試。

2.2.2 互操作性測試

互操作性測試旨在評估無人機系統(tǒng)與其他聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)集成后的整體作戰(zhàn)效能。該測試需要構(gòu)建真實或模擬的作戰(zhàn)場景，通常由各國或北約指定測試機構(gòu)以及作戰(zhàn)部隊使用生產(chǎn)或預生產(chǎn)系統(tǒng)共同執(zhí)行，不屬于該指南的范圍。

3 UAS互操作性測試驗證模式分析

基于互操作性基本定義，同時參考借鑒STANAG 4586標準接口測試理論，無人機系統(tǒng)互操作性測試驗證模式主要包括波形一致性測試、消息符合性測試、系統(tǒng)一致性測試以及聯(lián)合互操作性測試。圖 4 展示了UAS 互操作性測試驗證模式的示意圖。

圖4：UAS 互操作性測試驗證模式示意圖

（1）波形一致性測試主要是依據(jù)通信設備規(guī)范、傳輸波形標準等對鏈路設備的傳輸功能性能指標以及跨平臺傳輸能力等進行測試驗證；

（2）消息符合性測試主要是依據(jù)消息格式標準、消息處理規(guī)則等，驗證消息組件正確生成、接收、處理、分發(fā)各類消息的能力；

（3）系統(tǒng)一致性測試主要是依據(jù)平臺集成規(guī)范等對無人機內(nèi)部系統(tǒng)進行集成鉸鏈，模擬實際任務情況，對系統(tǒng)功能性能進行測試；

（4）聯(lián)合互操作性測試主要是依據(jù)多平臺互操作規(guī)范構(gòu)建虛擬作戰(zhàn)仿真場景，對不同消息功能進行組合運用，驗證無人機系統(tǒng)之間以及無人機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)單元的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

波形一致性測試和消息符合性測試是驗證無人機系統(tǒng)內(nèi)部各組件以及其他互聯(lián)的系統(tǒng)、單元部件是否遵循標準傳輸體制和通信協(xié)議，是互操作性測試的基礎；系統(tǒng)一致性測試主要是驗證無人機系統(tǒng)內(nèi)部端到端的信息交互和綜合應用能力；聯(lián)合互操作性則更側(cè)重于無人機系統(tǒng)之間以及與其他指控系統(tǒng)、作戰(zhàn)單元間相互提供、接受服務以及利用這些服務實現(xiàn)高效協(xié)作的能力

4 UAS互操作性測試驗證方法設計

基于UAS 互操作性測試驗證模式的分析并參照STANAG 4586 的互操作性測試理論，圖 5 展示了支撐無人機系統(tǒng)互操作性測試驗證的具體實施框架，主要包括UAS互操作測試驗證規(guī)范制定、UAS 互操作測試驗證環(huán)境搭建以及UAS 互操作性分析評估。

圖5：UAS 互操作性測試驗證實施框架

4.1 UAS互操作測試驗證規(guī)范制定

依據(jù)UAS 互操作基本協(xié)議制定UAS 互操作測試驗證規(guī)范，規(guī)范互操作所涉及的UAS 內(nèi)部組件、設備單元以及其他指控系統(tǒng)、作戰(zhàn)單元等功能實體的具體角色和需具備的互操作性功能；設計各待測實體的測試架構(gòu)，詳細描述測試架構(gòu)中各功能實體的互聯(lián)方式；根據(jù)消息處理流程等，設計覆蓋全面的功能測試集并詳細描述測試集中各測試組的測試目的；細化測試項并開展測試案例設計驗證，測試案例主要內(nèi)容包括測試項的指令集輸入流程、輸出數(shù)據(jù)的采集要求、預期結(jié)果以及合格判定標準等。

4.2 UAS互操作測試驗證環(huán)境搭建

互操作測試驗證環(huán)境是依據(jù)測試規(guī)范的測試架構(gòu)為各測試驗證模式下的待測實體提供軟硬件測試環(huán)境，主要包括測試工具、基準設備、待測設備、實物/半實物平臺系統(tǒng)以及場景想定工具等，通過模擬各類典型平臺功能以及構(gòu)建聯(lián)試場景，支撐任務系統(tǒng)人機交互，按測試案例生成激勵數(shù)據(jù)并對響應消息進行接收處理；同時，支持構(gòu)建分布式驗證環(huán)境，利用遠程互聯(lián)標準與異地部署的其他平臺系統(tǒng)進行聯(lián)合測試，測試多系統(tǒng)聯(lián)合運用時的功能實現(xiàn)情況。

4.3 UAS互操作測試驗證分析評估

根據(jù)測試規(guī)范中各待測實體的判定標準對采集的各項數(shù)據(jù)進行分析評估，利用對比分析法等方法對被測實體的功能、性能等指標進行評估確認并生成測試報告。

5 結(jié)論

本文詳細闡述了無人機系統(tǒng)互操作性測試驗證的概念內(nèi)涵，借鑒STANAG4586 接口標準測試方法，分析了UAS 互操作測試驗證模式，從互操作測試規(guī)范制定、互操作測試驗證環(huán)境構(gòu)建、互操作性分析評估等方面闡述了無人機系統(tǒng)互操作測試驗證的實施流程。后續(xù)工作中將在工程實踐中繼續(xù)完善互操作測試驗證技術(shù)理論體系，最終構(gòu)建通用、開放的UAS 互操作測試驗證架構(gòu)。