项目名称某无人机系统项目编号LEMF-UAS-IRS-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”的接口需求规格说明Interface Requirements Specification, IRS。本文档所描述的接口集合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-IRS-V1.0版本号1.0.01.2 系统概述某无人机系统LE-MF UAS是一套由飞行平台分系统、任务载荷分系统、地面控制分系统及综合保障分系统构成的复杂系统。各分系统之间以及系统与外部环境之间通过一系列定义明确的物理、电气、逻辑及数据接口进行交互与协作共同实现系统的整体功能。本接口需求规格说明IRS旨在全面、无歧义地定义这些接口的详细需求确保各分系统能够无缝集成、可靠通信和协同工作。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》编制是LE-MF UAS项目接口设计、实现、测试和验收的基础性文件。本文档定义了系统内外部所有关键接口的标识、特性、协议、数据格式、性能及环境要求。本文档的预期读者包括系统架构师、硬件工程师、软件工程师、测试工程师、集成工程师以及项目管理人员。1.4 基线编写本接口需求规格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和《某无人机系统地面控制站软件需求规格说明SRS》文档编号LEMF-UAS-SRS-2024-001版本1.0中涉及接口的相关需求。2 引用文件GB/T 8567-2006 《计算机软件文档编制规范》GB/T 34590.2-2017 《道路车辆 功能安全 第2部分功能安全管理》RTCA DO-178C 《机载系统和设备合格审定中的软件考虑》SAE AS5654 《无人机系统控制站体系结构》MAVLink Micro Air Vehicle Communication Protocol (Version 2.0)《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《某无人机系统地面控制站软件需求规格说明SRS》版本1.0 LEMF-UAS-SRS-2024-001《LE-MF UAS 机械接口设计规范》版本0.9《LE-MF UAS 电气接口设计规范》版本0.93 需求3.1 接口标识LE-MF UAS系统包含的接口分为内部接口系统内各分系统之间和外部接口系统与外部环境之间。每个接口分配一个唯一的接口标识符Interface ID格式为IF-[类型][序号]其中类型分为INT内部、EXT外部、HMI人机接口。接口ID接口名称接口实体A接口实体B接口类型简要描述IF-INT-01飞行平台-任务载荷接口飞行平台分系统任务载荷分系统内部飞行器与挂载载荷之间的机械、电气、数据综合接口。IF-INT-02飞行平台-数据链机载端接口飞行平台分系统数据链机载端内部飞控计算机与机载无线通信设备之间的数据接口。IF-INT-03地面控制站-数据链地面端接口地面控制站分系统数据链地面端内部地面站计算机与地面无线通信设备之间的数据接口。IF-INT-04地面控制站软件-硬件接口地面控制站软件地面控制站硬件遥控器、显示器等内部软件与本地外围硬件设备之间的驱动与控制接口。IF-INT-05飞控-传感器总线接口飞行控制计算机机载传感器IMU, GPS, 气压计等内部飞控与各传感器模块之间的内部数据总线接口。IF-EXT-01无人机-空管/监管系统接口LE-MF UAS民用无人机空中交通管理服务系统UTM外部用于向监管平台上报无人机动态信息接收空域指令。IF-EXT-02地面控制站-指挥中心接口地面控制站分系统上级应急/任务指挥中心外部用于接收指挥指令、上报实时态势与任务数据。IF-EXT-03系统-外部电源接口LE-MF UAS外部充电设备/电源外部用于为系统电池充电或提供地面供电。IF-HMI-01操作员-地面控制站接口操作员地面控制站分系统人机接口操作员通过显示、控制设备与系统交互的接口。3.2 接口图3.2.1 系统级接口框图下图展示了LE-MF UAS系统的主要内外部接口关系。----------------------------------------------- | 某无人机系统 (LE-MF UAS) | | | | ------------------- ----------------- | | | 飞行平台分系统 | | 任务载荷分系统 | | | | | | | | | | - 飞控计算机 ----IF-INT-05---- 传感器 | | | | - 动力系统 | | - 光电吊舱 | | | | - 导航系统 | | - 多光谱相机 | | | ------------------ ---------------- | | | IF-INT-01 | | | ----------------------- | | | | ----------------------- | | | IF-INT-02 | | | --------v---------- | | | | 数据链机载端 | | | | | (无线电台/4G) | | | | ------------------ | | | | (无线/网络) | | | | | | | --------v---------- --------v-------- | | | 数据链地面端 | | 地面控制站软件 | | | | |--IF-INT-03-- | | | ------------------ ---------------- | | | | | | | | IF-INT-04| | --------v---------- --------v-------- | | | 地面控制站硬件 | | 操作员 | | | | (遥控器, 显示器) |--IF-HMI-01-- | | | ------------------- ----------------- | ---------------------------------------------- | | IF-EXT-01| |IF-EXT-02 | | -----------v---- ----v----------- | 空管/监管系统 | | 指挥中心系统 | | (UTM) | | | --------------- --------------- | IF-EXT-03| | -----------v---- | 外部电源/充电器 | -----------------3.2.2 关键接口详细框图以IF-INT-01为例--------------------------------------------- | 飞行平台-任务载荷接口 (IF-INT-01) | | | | ----------------- --------------- | | | 飞行平台侧 | | 任务载荷侧 | | | | (接口插座) | | (接口插头) | | | ----------------- --------------- | | | | 机械接口 | | - 定位销孔 (2处) --------------------------| | - 快锁机构 (1处) --------------------------| | - 防呆键 (1处) ----------------------------| | | | 电气接口 | | - 电源正极 (24V DC) -----------------------| | - 电源负极 (GND) --------------------------| | - CAN_H (数据) ----------------------------| | - CAN_L (数据) ----------------------------| | - 专用信号线1 (e.g., 快门触发) ------------| | - 专用信号线2 (e.g., 云台控制) ------------| | - 屏蔽层 ---------------------------------| | | | 数据接口 | | - 协议基于CAN 2.0B的应用层协议 | | - 速率1 Mbps | | - 帧格式标准数据帧/远程帧 | | | ---------------------------------------------3.3 接口详细需求本节对第3.1节中标识的每个接口进行详细定义。3.3.1 接口IF-INT-01飞行平台-任务载荷接口3.3.1.1 接口描述此接口是飞行平台与可更换任务载荷如光电吊舱、多光谱相机、激光雷达、喊话器等之间的标准化综合接口。它定义了机械连接、电源供给、数据通信及控制信号传输的完整规范旨在实现载荷的“即插即用”。3.3.1.2 接口类型混合接口机械 电气 数据。3.3.1.3 接口实体A的优先级飞行平台作为主机和供电方具有更高的优先级。它负责总线的初始化、通信调度和电源管理。3.3.1.4 接口实体A的需求机械需求提供符合《LE-MF UAS机械接口设计规范》的标准化接口插座。插座应具备防尘、防水IP54等级能力。快锁机构应确保在7g的冲击和振动环境下载荷连接牢固无意外脱落。定位销和防呆键设计应确保载荷只能以唯一正确方向插入。电气需求提供一路24V DC稳压电源输出最大持续输出电流能力为10A峰值电流持续时间2s能力为15A。提供一路5V DC辅助电源输出最大电流2A用于载荷内低功耗电路。电源输出应具备过流、过压、短路保护功能。提供可靠的接地GND连接。数据与信号需求提供一路CAN 2.0B总线接口用于高速双向数据通信。提供至少两路PWM/GPIO信号线可用于触发相机快门、控制云台俯仰/偏航等简单指令。可选提供一路以太网100BASE-TX接口用于支持高带宽数据流如原始视频流的载荷。所有信号线应具备适当的电磁屏蔽和滤波。3.3.1.5 接口实体B的需求机械需求载荷应提供与飞行平台插座完全匹配的插头包括定位孔、锁紧机构和防呆键槽。载荷及其连接器的总重量不应超过接口设计的最大承载能力15kg。电气需求载荷的输入电压范围应兼容20V-30V DC。载荷在上电瞬间应抑制浪涌电流峰值不应超过平台电源的峰值能力。载荷应具备内部电源管理将24V转换为自身所需的各种电压。数据与信号需求若使用CAN总线载荷应实现定义的CAN应用层协议见3.3.1.6。载荷应能通过CAN总线上报其身份ID、类型、状态、错误码等信息。载荷应能响应来自飞行平台的查询和控制命令。3.3.1.6 接口协议需求物理层与数据链路层遵循ISO 11898-2标准的CAN 2.0B规范位速率1 Mbps采用双绞线屏蔽电缆。应用层协议采用自定义的“LEMF载荷通信协议LCP”基于CAN总线。关键定义如下节点地址飞行平台为主节点地址0x00每个载荷分配一个唯一从节点地址0x01-0x7F。消息类型心跳包0x01从节点定期如1Hz发送包含状态字。身份查询/响应0x02主节点查询从节点回复载荷类型、序列号、固件版本。控制命令0x10-0x1F主节点发送如云台角度设定、相机模式切换。数据上报0x20-0x2F从节点主动或应请求上报如相机焦距、温度、图像元数据。错误报告0xF0从节点上报错误信息。数据格式采用小端字节序。具体数据结构在《LEMF载荷通信协议详细设计文档》中定义。3.3.1.7 接口质量需求可靠性连接器插拔寿命不低于500次。环境适应性接口在-20°C至70°C温度范围内湿度95%条件下能正常工作。电磁兼容性满足GB/T 17626系列标准的相关要求。3.3.2 接口IF-INT-02/03飞行平台-数据链 / 地面控制站-数据链接口3.3.2.1 接口描述这两组接口分别定义了飞行平台与机载数据链终端、地面控制站与地面数据链终端之间的连接。它们是实现空地双向通信的物理和数据通道。3.3.2.2 接口类型电气与数据接口。3.3.2.3 详细需求物理连接采用USB 3.0 Micro-B型连接器或RJ45以太网连接器。优先采用以太网连接以提供更高带宽和可靠性。电气特性若使用USB提供5V/500mA电源。若使用以太网支持PoE802.3af为数据链设备供电。数据协议传输层/网络层采用TCP/IP或UDP/IP协议栈。控制指令和关键遥测使用TCP保证可靠性视频流使用UDP降低延迟。应用层主要采用MAVLink 2.0协议作为空地通信的应用层标准。MAVLink消息封装在TCP或UDP数据包中。数据内容包括飞行器状态姿态、位置、速度、传感器数据、系统状态电池、电机、控制指令目标位置、速度、任务指令、载荷控制命令、以及经过编码的视频流数据通常通过独立的RTP/UDP流传输。性能需求端到端通信延迟指令下行状态上行在视距良好条件下应小于100毫秒。有效通信距离不低于9公里视距无干扰。支持AES-256加密确保通信安全。3.3.3 接口IF-EXT-01无人机-空管/监管系统接口3.3.3.1 接口描述此接口用于实现无人机与民用无人机空中交通管理服务系统UTM或国家监管平台的数据交换以满足法规要求的身份识别、动态监视和空域信息接收需求。3.3.3.2 接口类型网络数据接口。3.3.3.3 详细需求连接方式通过无人机端集成的4G/5G蜂窝网络模块或经由地面站转发的网络连接接入互联网与UTM云平台进行HTTP/HTTPS或WebSocket通信。协议与数据格式遵循中国民航局或行业主管部门发布的无人机云系统数据交换协议如《轻小型民用无人机系统动态数据接口规范》。上报数据上行无人机身份信息制造商、产品型号、序列号、注册号。实时动态信息经纬度、高度气压/椭球高、速度、航向、时间戳。飞行状态信息飞行模式、起飞/降落状态、紧急状态标志。上报频率不低于1 Hz。接收数据下行空域状态信息临时禁飞区、限制区、告警区的地理范围和生效时间。气象预警信息强风、雷暴等危险天气警报。指挥调度指令来自监管方的紧急指令如立即降落、飞往指定点。安全需求必须使用国密算法或国际通用加密算法对传输数据进行加密和身份认证。3.3.4 接口IF-EXT-02地面控制站-指挥中心接口3.3.4.1 接口描述此接口用于将单架/多架无人机的实时态势、任务数据上报至上级指挥中心并接收来自指挥中心的宏观任务指令实现协同作业与集中指挥。3.3.4.2 接口类型网络数据接口。3.3.4.3 详细需求连接方式通过指挥专网或安全VPN采用TCP/IP协议建立长连接。协议与数据格式采用基于JSON或Protocol Buffers的定制应用层协议。协议应定义消息头包含消息类型、长度、时间戳、源/目的ID和消息体。上报数据上行无人机实时状态位置、高度、速度、电量、载荷工作状态。实时视频流URL或关键帧提供可访问的视频流地址或定期推送低延迟的关键帧图像。任务执行状态任务进度、已完成航点、异常事件。报警信息飞控报警、链路报警、载荷故障等。接收指令下行任务指派目标区域坐标、任务类型巡查、测绘等、优先级。飞行指令修改航线、前往指定点、立即返航等。载荷控制指令指挥中心直接控制云台视角、相机变焦等需权限验证。性能需求状态信息上报延迟不超过2秒指令传输延迟不超过1秒。3.3.5 接口IF-HMI-01操作员-地面控制站接口3.3.5.1 接口描述此接口定义了操作员与地面控制站系统进行信息交互的途径包括视觉显示、听觉提示和操作控制。3.3.5.2 接口类型人机接口。3.3.5.3 详细需求视觉显示需求主显示器分辨率不低于1920x1080亮度不低于300尼特在户外阳光下应具备可读性。显示内容电子地图清晰显示无人机位置、航迹、航点、电子围栏。飞行仪表直观显示空速、高度、航向、姿态角、垂直速度。系统状态栏集中显示GPS卫星数、链路质量、电池电量、飞行模式、报警信息。载荷视频窗口至少同时显示1路可见光和1路红外视频支持画中画。任务规划面板提供便捷的航线编辑工具。听觉提示需求系统应配备扬声器或支持耳机输出。对不同级别的报警提示、警告、紧急应使用不同频率和节奏的提示音区分。关键状态变化如模式切换、任务开始/结束应有确认音效。操作控制需求智能遥控器应具备符合人体工学的双摇杆、多个可编程按钮、拨动开关。摇杆行程和力度可调。软件界面交互触控屏操作应流畅按钮大小适合手指操作。常用功能应支持键盘快捷键。反馈所有操作应有明确的视觉或听觉反馈如按钮按下效果、指令发送成功提示。3.4 数据元素需求本节定义在接口中传输的关键数据元素。数据元素名称所属接口描述数据类型单位/范围精度/分辨率更新频率无人机位置IF-INT-02/03, IF-EXT-01, IF-EXT-02无人机当前WGS-84经纬度及高度结构体 {double lat, double lon, float alt}度 米经纬度1e-7度 (~1cm) 高度0.1米10 Hz无人机姿态IF-INT-02/03, IF-EXT-02无人机俯仰、横滚、偏航角结构体 {float roll, float pitch, float yaw}度0.1度50 Hz电池状态IF-INT-02/03电池剩余电量、电压、电流、温度结构体 {int remaining%, float voltage, float current, float temp}%, V, A, °C电量1%电压0.01V1 Hz云台控制指令IF-INT-01 (LCP)控制云台俯仰和偏航角度结构体 {int pan_angle, int tilt_angle}度0.1度按需相机拍照指令IF-INT-01 (LCP)触发相机拍照布尔值True/False-按需报警消息所有接口系统产生的报警信息结构体 {uint32_t timestamp, uint8_t level, char[64] msg}--发生时3.5 接口环境需求所有接口的设计和实现必须考虑以下环境因素温度工作温度范围-20°C 至 60°C存储温度范围-40°C 至 85°C。湿度工作湿度5% 至 95% RH非冷凝。振动与冲击应能承受GJB 150.16A-2009中规定的直升机载设备振动条件如5-500Hz 0.04g²/Hz和6个方向各3次峰值加速度15g持续时间11ms的半正弦冲击。防水防尘外部接口如IF-INT-01防护等级不低于IP54。内部接口防护等级不低于IP20。电磁环境应符合GJB 151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》中相关条款的要求确保在复杂电磁环境下接口通信的稳定性。3.6 接口质量需求可靠性关键接口如IF-INT-02/03的误码率BER应低于10⁻⁶。可用性系统在任务期间所有关键接口的可用性应不低于99.9%。安全性所有对外无线接口IF-INT-02/03, IF-EXT-01必须支持加密和身份认证防止欺骗和窃听。接口应具备一定的故障隔离能力单一接口的故障不应导致整个系统崩溃。维护性接口连接器应便于插拔和更换并具有明确的防误插标识。应提供接口测试工具和诊断程序。4 合格性规定对本IRS中所有接口需求的验证将采用以下方法组合进行验证方法适用的接口需求类型具体实施说明检查机械尺寸、标识、文档对照设计图纸和实物检查连接器型号、引脚定义、标识等是否符合要求。分析协议一致性、时序、安全性对通信协议文档、加密算法实现进行审查和形式化分析。演示基本功能、即插即用现场演示载荷的安装、拆卸演示通过接口进行基本控制和数据交换。测试性能、环境适应性、可靠性、EMC电气测试使用示波器、万用表测试电源质量、信号完整性。协议测试使用总线分析仪如CANalyzer测试数据帧格式、时序、错误处理。性能测试测试数据传输速率、延迟、带宽。环境试验在高低温、湿热、振动冲击环境下测试接口性能。EMC测试在电波暗室中进行辐射发射和抗扰度测试。专项试验极端情况、故障注入模拟接口断线、短路、电源异常、强干扰等情况验证系统的容错和恢复能力。5 需求可追踪性本IRS中的接口需求源自《LE-MF UAS系统/子系统需求规格说明SSS》中与接口相关的需求。下表展示了部分高层系统需求到本IRS接口需求的追踪关系SSS需求IDSSS需求描述对应的IRS需求追踪关系CAP-001-04集成高精度GNSS模块...IF-INT-05 (飞控-传感器总线)定义了GNSS模块与飞控之间的数据接口需求。CAP-002-01飞行平台应提供标准化的机械接口和电气接口...IF-INT-01详细定义了载荷接口的机械、电气、数据标准。CAP-003-01智能遥控器控制距离应不低于5公里...IF-INT-02/03定义了实现该控制距离的数据链接口性能需求。CAP-004-01采用跳频或扩频技术...最大有效测控距离应不低于9公里...IF-INT-02/03定义了数据链接口的通信技术和性能指标。CAP-004-04支持通过地面站将无人机云台摄像机所摄图像实时上传至后端...IF-EXT-02定义了地面站与指挥中心之间的视频/数据上报接口。(隐含需求)符合国家无人机监管要求IF-EXT-01定义了与UTM/监管平台对接的接口以满足法规要求。6 尚未解决的问题IF-EXT-01的具体协议细节依赖于某系统数据交换协议的最新正式版本。目前该协议可能仍在演进中需在协议冻结后更新本IRS的3.3.3节。IF-INT-01中以太网接口的供电PoE标准802.3af/at需根据最终选型的载荷功耗需求最终确定。与特定第三方指挥中心IF-EXT-02的详细消息格式和交互流程需在项目集成阶段与对方联合制定《联合接口控制文件ICD》。7 注解UTM无人驾驶航空器交通管理系统Unmanned Aircraft System Traffic Management。CAN控制器局域网Controller Area Network一种广泛应用于汽车和工业领域的串行通信总线协议。MAVLink一种轻量级的消息传输协议专为无人机与地面站之间的通信设计。PoE以太网供电Power over Ethernet。GPIO通用输入/输出General-Purpose Input/Output。ICD接口控制文件Interface Control Document用于定义两个独立系统间接口的详细规范。附录A接口协议栈示意图以IF-INT-02/03为例---------------------- ---------------------- | 地面控制站软件 | | 飞行平台飞控 | | (GCS Software) | | (Flight Control) | ---------------------- ---------------------- | MAVLink消息 | | MAVLink消息 | | (应用层) | | (应用层) | ---------------------- ---------------------- | TCP/UDP | | TCP/UDP | | (传输层) | | (传输层) | ---------------------- ---------------------- | IP | | IP | | (网络层) | | (网络层) | ---------------------- ---------------------- | 数据链路层 | | 数据链路层 | | (以太网/MAC) | | (以太网/MAC) | ---------------------- ---------------------- | 物理层 |-----| 物理层 | | (网线/USB) | | (网线/USB) | ---------------------- ---------------------- | | ---------------------- ---------------------- | 数据链地面端 |-----| 数据链机载端 | | (电台/4G模块) | (无线/蜂窝) | (电台/4G模块) | ---------------------- ----------------------附录BIF-INT-01 (LCP) 典型消息帧示例// 示例心跳包 (从载荷 - 飞控) CAN ID: 0x18EF0101 (标准帧 11位ID 包含源地址和消息类型) 数据长度: 8字节 数据域: 字节0: 载荷状态字 (bit0: 电源正常, bit1: 传感器正常, bit2: 工作中...) 字节1-2: 载荷内部温度 (单位: 0.1°C) 字节3-4: 载荷工作电压 (单位: 0.01V) 字节5-7: 预留 (置0) // 示例云台角度控制命令 (飞控 - 载荷) CAN ID: 0x18EF0010 (标准帧 11位ID) 数据长度: 4字节 数据域: 字节0-1: 目标偏航角 (Yaw, -18000 到 18000 代表 -180.00° 到 180.00°) 字节2-3: 目标俯仰角 (Pitch, -9000 到 9000 代表 -90.00° 到 90.00°)附录C接口验证检查表示例部分检查项接口ID要求方法预期结果通过/失败机械连接IF-INT-01载荷插头能顺畅插入平台插座锁紧机构工作正常无晃动。演示插拔力适中锁紧声音清脆连接后无物理松动。电源输出IF-INT-01平台插座在空载和满载10A下输出电压稳定在24V±0.5V。测试使用电子负载测试电压波动在允许范围内。CAN通信IF-INT-01飞控能向测试载荷发送身份查询命令0x02并收到正确响应。测试/演示通过CAN分析仪捕获到正确的请求和响应帧响应内容与测试载荷信息一致。数据链延迟IF-INT-02/03从地面站发送一条指令到收到无人机状态回应的端到端延迟 100ms。测试使用高精度时间戳工具测量平均延迟满足要求。UTM数据上报IF-EXT-01无人机上电并联网后能自动向模拟UTM平台注册并周期性上报位置。测试在模拟UTM平台监控端能看到该无人机的注册信息和实时位置更新。指挥指令接收IF-EXT-02从模拟指挥中心发送“前往指定点”指令地面站能正确接收并解析。测试地面站软件弹出指令确认框地图上显示目标点。