项目名称某无人机系统项目编号LEMF-UAS-SSDD-2024-001版本号1.0编制单位XXX公司编制XXX审核XXX批准XXX编制日期1 引言1.1 标识本文档是“某无人机系统LE-MF UAS”的系统/子系统设计说明System/Subsystem Design Description, SSDD。本文档所描述的系统/子系统的完整标识如下系统名称某无人机系统系统简称LE-MF UAS系统标识符LEMF-UAS-V1.0本文档标识符LEMF-UAS-SSDD-V1.0版本号1.0.01.2 系统概述某无人机系统LE-MF UAS是一套集成了先进飞行控制、任务载荷管理、远程通信和地面指挥控制的复杂航空系统。其核心设计目标是在复杂环境下实现超过6小时的长航时、自主化、多任务侦察、测绘、监视、通信中继等作业能力并满足中国民用航空局对无人机运行的安全与监管要求。系统采用模块化、开放式架构设计便于功能扩展、载荷更换和维护升级。1.3 文档概述本文档依据GB/T 8567-2006《计算机软件文档编制规范》编制旨在全面、清晰地描述LE-MF UAS的系统级和子系统级设计。文档内容涵盖了系统总体架构、各子系统的功能与组成、关键设计决策、硬件与软件配置、内外接口设计、运行场景以及关键性能指标。本文档是后续详细设计硬件设计、软件详细设计、系统集成、测试验证和验收交付的基础。本文档的预期读者包括系统架构师、硬件/软件设计师、集成测试工程师、项目管理人员及客户技术代表。1.4 基线编写本系统/子系统设计说明所依据的基线是《某无人机系统/子系统需求规格说明SSS》文档编号LEMF-UAS-SSS-2024-001版本1.0、《接口需求规格说明IRS》文档编号LEMF-UAS-IRS-2024-001版本1.0和《数据需求说明DRD》文档编号LEMF-UAS-DRD-2024-001版本1.0。2 引用文件GB/T 8567-2006 《计算机软件文档编制规范》GB/T 38996-2020 《民用轻小型无人机系统飞行性能通用要求》GB/T 38997-2020 《民用轻小型无人机系统抗风性要求》GB/T 38998-2020 《民用轻小型无人机系统电磁兼容性要求》RTCA DO-178C 《机载系统和设备合格审定中的软件考虑》RTCA DO-254 《机载电子硬件设计保证指南》《某无人机系统/子系统需求规格说明SSS》版本1.0 LEMF-UAS-SSS-2024-001《某无人机系统接口需求规格说明IRS》版本1.0 LEMF-UAS-IRS-2024-001《某无人机系统数据需求说明DRD》版本1.0 LEMF-UAS-DRD-2024-0013 系统级设计决策本节描述影响系统整体架构和组成的关键设计决策。3.1 系统架构决策决策1采用“飞行平台任务载荷地面控制站”的模块化分离架构。理由实现飞行平台与任务载荷的解耦便于根据不同任务需求快速更换载荷如光电吊舱、多光谱相机、激光雷达等提升系统任务适应性和经济性。地面控制站作为独立单元便于升级和维护。影响需要定义标准化的机械、电气和数据接口IF-INT-01增加了接口设计的复杂性但带来了长期的灵活性和可扩展性优势。决策2采用基于MAVLink协议的双向数据链作为空地通信的主协议。理由MAVLink是无人机领域广泛使用的开源、轻量级通信协议具有丰富的消息定义、良好的扩展性和活跃的社区支持。采用标准协议有利于与第三方设备、软件集成并降低开发风险。影响飞控计算机、地面站软件及所有需要空地通信的模块均需集成MAVLink协议栈。需对标准MAVLink消息集进行必要的扩展以支持自定义载荷控制等特有功能。决策3采用“高可靠飞控计算机分布式智能载荷”的计算架构。理由飞行控制是安全关键功能必须由高可靠、强实时的专用飞控计算机可能采用双冗余设计集中处理。任务载荷如图像处理计算密集由载荷内部嵌入式计算机处理避免占用飞控资源提升系统整体性能和可靠性。影响飞控计算机需具备强大的实时处理能力和丰富的I/O接口载荷需具备一定的自主处理能力需设计高效的机载总线如CAN、以太网进行数据交换。决策4集成4G/5G蜂窝网络作为数据链的备份和监管上报通道。理由在超视距BVLOS或复杂电磁环境下传统无线电数据链可能不稳定或受距离限制。蜂窝网络可提供广域覆盖作为可靠的备份通信手段。同时这是满足民航局无人机云系统UOM实时动态数据上报监管要求的必要途径。影响需在飞行平台和地面站集成蜂窝通信模块增加系统复杂度和功耗。需设计智能链路管理策略实现无线电与蜂窝网络的无缝切换或主备协同。3.2 关键技术选型决策飞控传感器组合采用“高精度GNSS RTK/PPK接收机 工业级IMU含三轴加速度计、陀螺仪、磁力计 双气压计 视觉/超声波定高模块”的多源融合导航方案确保在GNSS信号受限环境下的定位、定姿和定高精度与可靠性。数据链技术主数据链采用工作在1.4GHz或2.4GHz频段的COFDM编码正交频分复用技术电台具备抗多径干扰能力强、传输带宽高支持高清视频流的特点。备用链路采用4G/5G模块。地面站软件架构采用跨平台Windows/Linux的C/Qt框架开发核心控制与通信模块确保高性能和稳定性采用HTML5/WebGL技术开发三维地理信息显示和任务规划界面便于功能扩展和界面定制。能源系统采用高能量密度锂聚合物电池组作为主电源。设计智能电池管理系统BMS实时监控单体电压、电流、温度并提供精确的剩余电量SoC和健康状态SoH估算。4 系统体系结构设计4.1 系统组成LE-MF UAS系统由以下五个主要分系统构成各分系统之间通过定义的接口进行交互。----------------------------------------------- | 某无人机系统 (LE-MF UAS) | | | | ------------------- ----------------- | | | 1. 飞行平台分系统 | | 2. 任务载荷分系统 | | | | (Air Vehicle) | | (Payload) | | | ------------------- ----------------- | | | | | | | IF-INT-01 | | | | (机械/电气/数据) | | | | | | | --------v---------- | | | | 3. 数据链分系统 | | | | | (Data Link) | | | | ------------------ | | | | (无线/蜂窝) | | | | | | | --------v---------- --------v-------- | | | 4. 地面控制分系统 | | 5. 综合保障分系统 | | | | (Ground Control) | | (Support) | | | ------------------- ----------------- | | | | | | | IF-EXT-02 | IF-EXT-03 | | | (网络) | (电源) | | --------v---------- --------v-------- | | | 指挥中心/UTM | | 充电/检测设备 | | | | (External Systems)| | (External) | | | ------------------- ----------------- | -----------------------------------------------4.2 硬件体系结构系统硬件体系结构如下图所示展示了主要硬件组件及其连接关系。[飞行平台分系统] | ---------------- ------v------ ---------------- | 任务载荷 |-----| 飞控计算机 |-----| 动力系统 | | (光电/多光谱) | CAN | (FCU) | PWM | (电机/电调) | ---------------- ------------ ---------------- | -------v-------------- | | | -------v---- -------v---- -------v---- | 导航传感器 | | 电源管理 | | 数据链机载端| | (GNSS/IMU) | | (BMS) | | (电台/4G) | ------------ ------------ ------------ | -------v------- | 机载电源 | | (锂电池组) | --------------- [地面控制分系统] | ---------------- ------v------ ---------------- | 显示设备 |-----| 地面站计算机|-----| 控制设备 | | (显示器/平板) | HDMI | (GCS) | USB | (遥控器/摇杆) | ---------------- ------------ ---------------- | -------v------- | 数据链地面端 | | (电台/4G路由)| --------------- [综合保障分系统] | ------------------------------ | | | -------v---- -------v---- -------v---- | 地面电源 | | 检测设备 | | 运输包装 | | (充电站) | | (检测仪) | | (箱体) | ------------ ------------ ------------4.3 软件体系结构系统软件采用分层、模块化设计主要分为机载软件和地面站软件两大部分。4.3.1 机载软件架构机载软件运行于飞控计算机FCU上采用基于实时操作系统如FreeRTOS, VxWorks的架构确保飞行控制任务的确定性和实时性。----------------------------------- | 应用层 (Application) | | - 任务管理器 (Mission Manager) | | - 载荷控制器 (Payload Ctrl) | | - 健康管理器 (Health Manager) | | - 数据记录器 (Data Logger) | ---------------------------------- | (API调用) ------------------v---------------- | 服务层 (Services) | | - 导航滤波器 (Navigation Filter)| | - 控制器 (Controller) | | - 状态估计器 (State Estimator) | | - 通信管理器 (Comm Manager) | | - 参数服务器 (Param Server) | ---------------------------------- | (驱动接口) ------------------v---------------- | 硬件抽象层 (HAL) | | - 传感器驱动 (IMU, GPS驱动) | | - 执行器驱动 (PWM, CAN驱动) | | - 存储驱动 (Flash, SD卡驱动) | | - 通信驱动 (UART, SPI, I2C驱动) | ---------------------------------- | (直接访问) ------------------v---------------- | 硬件层 (Hardware) | | - 飞控计算机 (STM32/IMX RT) | | - 各类传感器与执行器 | -----------------------------------4.3.2 地面站软件架构地面站软件采用客户端-服务器C/S与模型-视图-控制器MVC相结合的混合架构。--------------------------------------- | 用户界面层 (View) | | - 主地图窗口 (Qt/WebGL) | | - 飞行仪表板 (Qt Widgets) | | - 视频显示窗口 (OpenGL) | | - 任务规划面板 (Qt) | | - 系统状态面板 (Qt) | -------------------------------------- | (数据绑定/事件) -------------------v------------------- | 控制逻辑层 (Controller) | | - 通信链路管理 (Link Manager) | | - 飞行控制逻辑 (Flight Ctrl Logic) | | - 任务规划引擎 (Mission Planner) | | - 载荷控制逻辑 (Payload Ctrl Logic) | | - 告警管理 (Alert Manager) | -------------------------------------- | (数据请求/更新) -------------------v------------------- | 数据模型层 (Model) | | - 无人机状态模型 (UAV State) | | - 地理信息模型 (GIS Data) | | - 任务模型 (Mission Plan) | | - 视频流模型 (Video Stream) | | - 通信数据模型 (MAVLink Msg) | -------------------------------------- | (数据库/网络访问) -------------------v------------------- | 服务与通信层 (Service) | | - MAVLink协议栈 (MAVLink Library) | | - 视频解码服务 (FFmpeg/GPU Decode) | | - 地图服务 (Online/Offline Tiles) | | - 数据持久化 (SQLite Database) | | - 外部接口服务 (UTM/Command Center) | ---------------------------------------4.4 系统内部接口设计系统内部接口IF-INT-01至IF-INT-05的设计已在《接口需求规格说明IRS》中详细定义。本设计说明强调其实现方式IF-INT-01 (飞行平台-任务载荷)物理上采用符合AS/EN标准的军用连接器实现机械锁紧、防水和电磁屏蔽。电气上提供24V/10A主电源和CAN总线。协议上采用基于CAN 2.0B的“LEMF载荷通信协议LCP”。IF-INT-02/03 (数据链接口)机载端与地面端均采用以太网RJ45连接数据链设备运行TCP/IP协议栈。MAVLink消息封装在TCP或UDP包中传输。视频流通过独立的RTP/UDP通道传输。IF-INT-04 (地面站软硬件接口)通过USB HID协议与遥控器/摇杆通信通过USB Video Class (UVC) 或SDI/HDMI采集卡接口获取外接视频源通过OpenGL/DirectX与显卡交互进行三维渲染。IF-INT-05 (飞控-传感器总线)采用高速SPI接口连接IMU采用UART接口连接GNSS接收机采用I2C接口连接气压计、磁力计等所有传感器数据由飞控计算机通过硬件定时中断统一采集并进行时间同步。5 子系统设计5.1 飞行平台分系统 (AVS)5.1.1 功能提供无人机的飞行载体负责飞行姿态与轨迹的稳定控制、导航、动力供给并为任务载荷提供安装平台、电源和数据接口。5.1.2 组成机体结构采用大展弦比复合材料机翼、碳纤维机身具备高升阻比和良好的气动效率。飞控计算机FCU核心处理单元采用双核异构架构一个高性能ARM Cortex-A核心运行导航算法一个Cortex-M核心运行实时控制回路配备硬件看门狗。导航传感器套件GNSS接收机支持GPS L1/L2、北斗B1/B2、GLONASS L1/L2的多频多系统RTK接收机。惯性测量单元IMU工业级MEMS IMU包含三轴加速度计、陀螺仪和磁力计。气压高度计高精度数字气压传感器主备双冗余。视觉定位系统向下视觉摄像头与超声波传感器用于无GNSS信号时的室内或低空定位与定高。动力系统推进电机高效无刷电机。电子调速器ESC支持高刷新率和高电流。螺旋桨高效复合材料螺旋桨。伺服舵机控制副翼、升降舵、方向舵等气动舵面。电源管理系统BMS智能锂电池管理单元负责电池充放电管理、状态监控、均衡及安全保护。机载电源高能量密度锂聚合物电池组。5.1.3 内部结构飞控计算机通过内部总线SPI, I2C, UART, PWM与各传感器和执行器连接。BMS通过专用模拟和数字接口监控电池组。所有组件通过减震装置安装在机体内部以隔离振动。5.2 任务载荷分系统 (PLS)5.2.1 功能执行特定任务如图像采集、目标识别、环境监测、通信中继等。本系统设计支持多种可互换载荷。5.2.2 组成以光电吊舱为例载荷控制器嵌入式Linux计算机如NVIDIA Jetson Nano/TX2负责图像处理、云台控制和与飞控通信。传感器模块可见光相机4K分辨率全局快门支持光学变焦。红外热像仪非制冷红外焦平面阵列分辨率640x512。激光测距仪集成于吊舱内用于目标测距。云台机构三轴无刷直驱云台提供俯仰、横滚、偏航方向的稳定控制。载荷接口模块实现与飞行平台IF-INT-01接口的物理和协议适配。5.2.3 内部结构载荷控制器通过MIPI CSI接口连接相机通过串口或CAN控制云台电机。控制器运行图像处理算法如目标跟踪、图像拼接并通过标准化的LCP协议与飞控交换指令和状态。5.3 数据链分系统 (DLS)5.3.1 功能建立无人机与地面控制站之间可靠、安全、实时的双向数据通信链路传输遥测、遥控、任务数据及视频流。5.3.2 组成机载数据链终端COFDM无线电台工作在1.4GHz频段发射功率可调支持MIMO提供高带宽、低延迟的数据通道。4G/5G蜂窝模块作为备份和监管上报通道。机载网络交换机将飞控计算机、载荷控制器、电台、4G模块连接成小型局域网。地面数据链终端地面COFDM电台与机载电台配对配备高增益定向天线。4G/5G路由器提供地面站接入互联网的能力。地面站网络交换机连接地面站计算机、电台和路由器。天线系统机载采用全向天线地面采用跟踪式定向天线以最大化通信距离和稳定性。5.4 地面控制分系统 (GCS)5.2.1 功能为操作员提供人机交互界面实现无人机状态监控、飞行控制、任务规划、载荷操作、数据接收与显示、系统配置等功能。5.2.2 组成地面站计算机高性能笔记本电脑或加固型平板电脑运行地面控制站GCS软件。显示设备高亮度户外显示器或头戴显示器HMD用于显示综合态势、视频和参数。控制设备手持遥控器用于手动飞行模式下的直接控制包含摇杆、开关和按钮。键盘和鼠标用于任务规划、参数设置等精细操作。数据链地面端见5.3.2节。外围设备扬声器用于语音告警、打印机用于打印任务报告等。5.5 综合保障分系统 (SSS)5.5.1 功能为无人机系统的日常运行、维护、运输和存储提供支持。5.5.2 组成地面电源与充电设备快速充电站支持多块电池并行充电具备状态显示和安全保护。检测与维护设备综合检测仪用于快速诊断飞控、传感器、电台等模块状态。运输与存储箱定制化防护箱内嵌减震海绵用于安全运输和存储无人机整机及备件。备件与工具常用耗材如螺旋桨、保险丝和维护工具。6 系统接口设计系统外部接口IF-EXT-01至IF-EXT-03 IF-HMI-01的设计已在《接口需求规格说明IRS》中详细定义。本设计说明补充其实现细节IF-EXT-01 (无人机-空管/监管系统)通过机载4G/5G模块或经地面站转发建立HTTPS长连接到指定的UOM服务器。地面站软件集成UOM客户端模块负责封装符合MH/T 4053规范的JSON报文并处理接收到的空域告警信息在地图上可视化显示。IF-EXT-02 (地面控制站-指挥中心)地面站软件内置指挥协同客户端通过指挥专网或VPN使用基于TCP的自定义协议如Protobuf over TCP与指挥中心服务器通信。实现任务接收、态势上报、指令接收等功能。IF-EXT-03 (系统-外部电源)地面充电站提供符合GB/T 20234标准的直流充电接口通过CAN总线与电池BMS通信执行智能充电算法恒流-恒压-涓流。IF-HMI-01 (操作员-地面控制站)地面站软件提供图形化用户界面GUI。主界面采用三分区布局左侧为系统状态与快捷控制面板中部为三维/二维电子地图主显示区右侧为任务规划与载荷控制面板。支持触摸屏操作和键盘快捷键。所有告警信息采用分级信息、警告、紧急颜色和声音提示。7 运行设计7.1 系统初始化与自检地面准备阶段操作员开启地面站计算机和遥控器。地面站软件启动后自动加载地图并尝试连接数据链地面端。软件执行自检检查网络、GPS、地图服务等状态。无人机上电自检为无人机上电。飞控计算机启动依次对IMU、GPS、气压计、舵机、电台等所有关键部件进行上电自检POST。自检结果通过数据链实时发送至地面站显示。链路建立地面站与无人机自动建立数据链连接。地面站收到完整的自检通过状态和初始遥测数据如GPS定位后进入“准备就绪”状态。7.2 典型任务运行流程任务规划操作员在地面站软件的地图上通过点击或导入KML文件规划飞行航线设置每个航点的动作如拍照、悬停、速度、高度。软件进行航线合法性检查避障、空域合规。任务上传与确认规划好的任务通过数据链上传至无人机飞控。飞控校验任务参数后反馈确认信息。起飞与爬升操作员通过遥控器或地面站软件发出“自动起飞”指令。无人机按预设程序自动起飞至指定高度并转入“定点”模式悬停等待进一步指令。任务执行操作员发出“开始任务”指令。无人机自动按预设航线飞行。飞控根据任务指令通过IF-INT-01接口控制载荷工作如到达航点时自动触发相机拍照。地面站实时显示无人机位置、状态、视频流和任务进度。监控与干预操作员全程监控飞行状态。可随时通过遥控器切换至“手动”模式接管控制或通过地面站修改任务、控制载荷。返航与降落任务完成后或触发低电量、控制链路丢失等保护条件时无人机自动执行“返航”程序飞回预设的返航点并自动降落。也可由操作员手动控制降落。数据回收与后处理降落后操作员从无人机和地面站导出飞行数据记录和任务数据照片、视频进行后续分析处理。7.3 故障处理与应急程序数据链中断短时中断10s无人机自动进入“链路丢失”模式保持当前高度和位置悬停持续尝试重连。长时中断10s触发“失控保护”无人机按预设策略如继续任务、立即返航、原地降落执行。GPS信号丢失飞控自动切换至基于IMU和视觉/气压计的融合导航模式维持短时姿态和位置稳定并尝试重新获取GPS。若长时间无法恢复触发告警并建议操作员手动接管或执行返航。严重故障如动力失效飞控检测到不可恢复的严重故障如电机停转将尝试控制无人机滑翔至预定迫降区域并尽可能发送最后的位置和状态信息。8 系统性能指标性能指标设计目标值备注最大起飞重量25 kg含最大任务载荷续航时间≥ 6 小时标准任务载荷 巡航速度最大平飞速度120 km/h巡航速度70 - 90 km/h经济航速实用升限5000 m抗风能力6 级风13.8 m/s安全起降和巡航导航定位精度水平±(1 cm 1 ppm) RTK ±1 m 单点RTK模式下垂直±(2 cm 1 ppm) RTK ±1.5 m 单点姿态测量精度俯仰/横滚±0.1° 航向±1°静态 GNSS良好条件下数据链作用距离≥ 9 km (视距)COFDM电台 标准天线视频传输延迟≤ 200 ms (端到端)720P30fps 良好信道控制指令延迟≤ 100 ms (端到端)任务规划最大航点数≥ 1000 个系统展开时间≤ 15 分钟从运输状态到准备起飞系统撤收时间≤ 10 分钟工作温度-20°C 至 50°C防护等级IP54 (飞行平台)防尘、防溅水9 系统可靠性、安全性和维护性设计9.1 可靠性设计冗余设计关键传感器气压计、电源采用双冗余飞控计算机关键计算通道可采用双核锁步lock-step或监控核设计数据链支持主备电台4G切换。故障检测与隔离FDI系统内置完善的BIT机内测试功能实时监控各模块健康状态。采用投票或一致性检查机制识别故障传感器并自动隔离。降级操作当非关键功能故障时系统能自动降级到安全模式运行如丢失RTK信号后降级为单点GPS导航。9.2 安全性设计功能安全遵循GB/T 34590 (ISO 26262) 理念对飞行控制等安全相关功能进行危害分析与风险评估HARA定义安全目标和安全完整性等级SIL并在设计中落实安全机制如独立监控通道、软件逻辑冗余。空域安全集成电子围栏Geofencing功能无人机无法飞入禁飞区。实时接收并响应UOM下发的空域限制指令。链路安全空地通信采用AES-256加密防止数据窃听和欺骗。具备遥控器信号丢失保护、低电量自动返航、失联返航等多重保护策略。起降安全具备自动起飞和降落功能减少人为操作失误。降落前自动进行着陆点安全性评估。9.3 维护性设计模块化设计各分系统、模块采用插拔式、快拆设计便于快速更换和升级。健康管理系统记录详细的运行日志和故障代码。地面站软件提供“健康状态”页面直观显示各部件寿命、维护周期和故障历史。便捷的检测接口提供统一的物理检测接口可通过便携式检测仪快速读取系统状态和进行功能测试。完善的文档提供详细的用户手册、维护手册和排故指南。附录A系统数据流图顶层------------- 飞行指令/状态 ------------- | |-------------------| | | 操作员 | 任务数据 | 地面控制 | | | 视频流 | 站(GCS) | ------------- ------------ | 数据链 | (遥测/遥控/视频) ----v----- | | | 数据链 | | 分系统 | --------- | 机载总线 | (CAN/以太网) ------------- ------------ ------------- | | 载荷控制/状态 | | | | | 任务载荷 |-------------------| 飞行平台 |----| 导航/传感器 | | 分系统 | 电源 | 分系统 | | (GNSS/IMU)| ------------- ------------ ------------- | | 动力控制 ----v----- | | | 动力系统 | | (电机/电调)| ----------附录B关键状态迁移图飞控模式[上电自检] | v (自检通过) [初始化/待命] ------------------- | | (降落完成) v (收到起飞指令) | [自动起飞] ---------------------- | | v (到达目标高度) | [定点悬停] ---- | | | (手动模式切换) | ---------- | | (收到任务指令) | v | [自动任务] ---- | | | (任务完成/中断) | ---------- | | (触发返航条件) | v | [自动返航] ---------------------- | | v (到达返航点上空) | [自动降落] ---------------------- | | v (触地检测) | [降落完成] -----------------------附录C系统部署与连接示意图[任务现场部署] | ---------------------------------------- | | -------v------- --------v-------- | 地面控制站 | | 无人机 | | | | | | - 笔记本电脑 | | - 飞行平台 | | - 遥控器 |---数据链(无线)------| - 任务载荷 | | - 显示器 | | - 数据链机载端 | | - 地面电台 | | | -------------- ---------------- | ^ | (4G/5G网络) | (4G/5G网络) v | -------v------- ---------------- | 指挥中心/ | | UOM监管平台 | | 后台服务器 | | (民用无人机云) | --------------- -----------------