项目名称长航时多功能无人机系统Long-Endurance Multi-Function Unmanned Aircraft System, LE-MF UAS项目编号LEMF-UAS-SSS-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“长航时多功能无人机系统LE-MF UAS”的系统需求规格说明System Requirements Specification, SSS。本说明所描述的系统标识如下系统名称长航时多功能无人机系统系统简称LE-MF UAS系统标识符LEMF-UAS-V1.0版本号1.0.0所属项目应急巡查与测绘无人机系统采购项目项目编号EM-SURVEY-20241.2 系统概述长航时多功能无人机系统LE-MF UAS是一套集成了先进飞行平台、多任务载荷、智能地面控制站和可靠数据链的综合性无人航空器系统。该系统旨在为应急管理、国土资源测绘、生态环境保护、公共安全巡查等领域提供高效、灵活、可靠的空中作业平台。系统具备长航时、大载荷、多传感器融合、高精度自主飞行、超视距控制及实时数据回传与分析能力能够在复杂环境与气候条件下执行多样化任务显著提升相关部门的态势感知、快速响应与决策支持水平。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、无歧义地定义LE-MF UAS系统必须满足的全部需求包括功能性、性能、接口、可靠性、安全性、环境适应性等各个方面。本文档是后续系统设计、开发、集成、测试、验收和运维的基础性文件。其预期读者包括项目管理人员、系统架构师、硬件/软件工程师、测试工程师、质量保证人员以及最终用户代表。2 引用文件GB/T 8567-2006 《计算机软件文档编制规范》GB/T 38152-2019 《无人驾驶航空器系统术语》GB/T 38996-2020 《民用轻小型无人机系统飞行性能测试方法》GB/T 38997-2020 《民用轻小型无人机系统抗风性要求》《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》民航局相关规章《LE-MF UAS用户需求说明书URS》版本1.0 LEMF-UAS-URS-2024-001《LE-MF UAS运行概念说明OCD》版本1.0 LEMF-UAS-OCD-2024-0013 需求3.1 要求的状态和方式LE-MF UAS系统应能在以下主要状态和方式下运行运输/存储状态系统所有部件飞行器、地面站、载荷等处于包装箱内便于陆路/空中运输和仓库存储。待命/准备状态系统已展开完成飞行前检查电池已充电载荷已安装处于可随时执行任务的状态。任务执行状态手动控制方式操作员通过遥控器直接控制飞行器的姿态、速度和航向。辅助控制方式飞行器在操作员监督下具备定高、定点GPS悬停、航线跟随等辅助飞行功能。全自主方式飞行器完全按照地面控制站预先规划或实时下发的航线、航点及任务指令自动执行飞行与作业任务操作员仅负责监控。应急/降级状态链路丢失保护方式当飞行器与控制站之间的数据链中断超过预设时间如10秒飞行器自动执行预设安全策略如自动返航、原地悬停、迫降。低电量保护方式当飞行器电池电量低于预设阈值时系统自动报警并执行返航或迫降程序。故障安全方式当检测到关键子系统如飞控、GPS、动力故障时系统应能进入最小风险状态尽可能实现安全着陆。维护/诊断状态系统连接专用维护软件进行固件升级、参数校准、系统自检和故障诊断。3.2 需求概述3.2.1 系统总体功能和业务结构LE-MF UAS系统由四大分系统构成飞行平台分系统、任务载荷分系统、地面控制分系统和综合保障分系统。系统总体功能结构如下图所示----------------------------------- | 长航时多功能无人机系统 | | (LE-MF UAS) | ---------------------------------- | ------------------------------------------------------ | | | -------v------- -------v------- -------v------- | 飞行平台 | | 任务载荷 | | 地面控制 | | 分系统 | | 分系统 | | 分系统 | | | | | | | | - 六旋翼机体 | | - 光电吊舱 | | - 智能遥控器 | | - 飞控计算机 | | - 多光谱相机 | | - 地面站软件 | | - 动力系统 | | - 激光雷达 | | - 数据链主机 | | - 导航系统 | | - 喊话抛投器 | | - 显示设备 | | - 电气系统 | | | | | -------------- -------------- -------------- | | | ------------------------------------------------------ | -------v------- | 综合保障 | | 分系统 | | | | - 运输包装 | | - 备件工具 | | - 维护软件 | | - 培训资料 | ---------------核心业务流程操作员通过地面控制分系统进行任务规划将指令通过数据链发送至飞行平台。飞行平台搭载任务载荷飞抵目标区域按指令执行数据采集影像、视频、光谱、点云等或动作任务喊话、抛投。采集的数据通过数据链实时回传至地面站进行处理、显示和存储或于飞行结束后导出进行后处理。整个过程中系统持续监控自身状态与环境确保飞行安全。3.2.2 硬件系统的需求系统硬件需满足以下总体要求高可靠性关键部件如飞控、动力需采用工业级或以上标准平均故障间隔时间MTBF不低于1000小时。环境适应性能在-10°C至45°C环境温度、中雨防雨等级IPX4、7级风风速≤13.8m/s条件下正常工作。轻量化与高强度飞行平台主体结构采用碳纤维复合材料在保证结构强度的同时实现最大轻量化。电磁兼容性EMC满足GB/T 9254.1-2021等标准要求确保各电子设备在复杂电磁环境下正常工作且互不干扰。人机工程学地面控制设备遥控器、显示器应符合人机工程学设计便于长时间操作。3.2.3 软件系统的需求系统软件需满足以下总体要求模块化与可扩展性软件架构应采用模块化设计便于功能扩展和载荷集成。实时性飞控软件、数据链通信软件需满足硬实时要求确保控制指令与状态反馈的及时性。安全性软件需具备完善的异常处理机制防止因软件错误导致系统失控。用户友好性地面站软件界面应直观、易用提供清晰的任务流程引导和丰富的可视化信息。3.2.4 接口需求系统内部各分系统之间以及系统与外部环境之间存在多种接口具体需求详见第3.4节。3.3 系统能力需求3.3.1 飞行平台能力 (CAP-001)需求ID需求描述合格性方法优先级CAP-001-01续航能力在标准任务载荷5kg下最大续航时间应不少于60分钟在空载状态下最大续航时间应不少于75分钟。测试高CAP-001-02载荷能力最大任务载重能力应不低于10kg。最大起飞重量应不低于25kg。测试高CAP-001-03飞行性能最大平飞速度应不低于70km/h。最大爬升率应不低于4.0m/s。最大下降速度应不低于3.0m/s。实用升限应不低于海拔3000米。测试高CAP-001-04导航与定位集成高精度GNSS模块支持北斗、GPS、GLONASS、Galileo多系统联合定位。悬停精度GPS模式水平误差应不大于±1.5米垂直误差应不大于±0.5米。测试高CAP-001-05环境适应性应能在中雨防雨等级不低于IPX4条件下安全飞行。应能在7级风风速13.8-17.1 m/s条件下稳定悬停和飞行。工作环境温度范围应覆盖-10°C至40°C。测试高CAP-001-06感知与避障应具备前、后、左、右、上、下全向感知能力至少前、后、左、右、上采用双目视觉传感器下视采用三维红外传感器。对建筑物等强反射物体的有效探测距离应不小于30米。测试高3.3.2 任务载荷能力 (CAP-002)需求ID需求描述合格性方法优先级CAP-002-01多载荷兼容飞行平台应提供标准化的机械接口和电气接口如SkyPort V2或类似支持同时挂载至少2个任务载荷并具备快速插拔更换能力。演示高CAP-002-02光电吊舱能力集成可见光与红外热成像双光相机。可见光相机变焦倍数不低于112倍。红外热成像传感器分辨率不低于640×512支持点测温和区域测温。吊舱应具备三轴自稳云台控制精度优于0.01°。测试高CAP-002-03测绘相机能力可选配全画幅航测相机集成于三轴云台支持定焦镜头用于生成高精度正射影像和三维模型。测试中CAP-002-04作业载荷能力支持集成喊话器有效扬声距离≥500米、探照灯照射距离≥150米、抛投器单次飞行可完成多次分段抛投。演示中3.3.3 地面控制站能力 (CAP-003)需求ID需求描述合格性方法优先级CAP-003-01控制与显示智能遥控器控制距离应不低于5公里视距无干扰。屏幕尺寸不小于8.3英寸支持触控。能实时显示飞行参数经纬度、速度、高度、电量、GPS状态等和载荷画面。测试高CAP-003-02任务规划地面站软件应支持在地图上手动规划或编辑航线、航点可预设并存储多条任务航线。支持KML/KMZ文件导入导出。演示高CAP-003-03智能飞行支持一键起飞/降落、指点飞行点击地图位置即飞往该点悬停、航线飞行、航点飞行、兴趣点环绕等功能。演示高CAP-003-04目标跟踪具备指点跟踪功能操作员在可见光或红外画面中点击目标吊舱即可自动锁定并持续跟踪该目标。演示高CAP-003-05数据链增强支持集成4G/5G模块与无人机端4G模块配合实现超视距BVLOS控制与高清图传增强复杂环境下的链路可靠性。测试中3.3.4 数据链与通信能力 (CAP-004)需求ID需求描述合格性方法优先级CAP-004-01无线数据链采用跳频或扩频技术具备强抗干扰能力。在无干扰、无遮挡条件下最大有效测控距离应不低于9公里。测试高CAP-004-02图传性能支持实时回传1080p/30fps及以上画质的可见光与红外视频流端到端延迟不大于200毫秒。测试高CAP-004-03协议与接口飞行器与地面站之间的通信协议应采用开放的、广泛支持的协议如MAVLink便于第三方集成与开发。审查高CAP-004-04网络化能力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指挥中心或服务器。演示中3.3.5 安全与可靠性能力 (CAP-005)需求ID需求描述合格性方法优先级CAP-005-01多重安全保护必须具备低电量自动报警与返航、链路丢失自动返航、最大飞行距离/高度限制、地理围栏、自动避障前、后、左、右、上、下等安全功能。测试高CAP-005-02应急策略遇到突发情况如严重故障、动力丧失无人机应能根据预设优先级自主选择原路返航、直线返航、爬升返航或执行迫降等安全策略。分析/测试高CAP-005-03可靠性指标飞行平台关键子系统飞控、导航、动力的MTBF应不低于1000小时。全系统任务可靠度在一次典型2小时任务中无致命故障应不低于0.99。分析高CAP-005-04数据安全无线数据链传输应支持 AES-256 或同等强度加密防止指令劫持和数据窃取。审查高3.4 系统外部接口需求3.4.1 接口标识和接口图----------------------------- | 长航时多功能无人机系统 | | (LE-MF UAS) | ---------------------------- | ------------------------------------------------------ | | | -------v------- -------v------- -------v------- | 外部空管/监管 | | 外部指挥系统 | | 外部数据服务 | | 系统 (IF-01) | | (IF-02) | | (IF-03) | --------------- --------------- ---------------接口ID接口名称接口实体A接口实体B接口方向描述IF-01空管/监管数据接口LE-MF UAS民用无人机空中交通管理服务系统UTM或监管平台双向用于上报无人机身份、位置、高度、速度等动态信息接收空域限制、告警等信息。IF-02指挥中心数据接口LE-MF UAS地面站上级应急指挥或任务指挥系统双向用于接收任务指令、上报实时视频流、无人机状态、任务执行结果等。IF-03地理与气象数据接口LE-MF UAS地面站第三方地理信息系统GIS或气象数据服务单向B-A用于获取任务区域的高精度地图、数字高程模型DEM和实时气象信息辅助任务规划。3.4.2 接口需求详述以IF-02为例协议采用基于TCP/IP的协议具体格式可遵循行业标准如《公安警用无人机系统数据传输协议》或约定JSON/XML格式。数据内容上行地面站-指挥中心无人机实时位置经纬度、高度、姿态、速度、电量、报警信息、实时视频流URL或关键帧。下行指挥中心-地面站任务指令目标坐标、任务类型、飞行禁区更新、指挥员语音指令。性能状态信息上报频率不低于1Hz指令传输延迟不大于1秒。3.5 系统内部接口需求系统内部主要接口包括飞行平台与任务载荷接口定义机械安装尺寸、锁紧机构、电气连接器类型如航空插头、供电标准如24V DC 最大功率、数据通信协议如CAN总线、串口及引脚定义。飞行平台与数据链机载端接口定义飞控计算机与数传/图传电台之间的物理连接如串口、USB和通信协议如MAVLink。地面控制站软件与硬件接口定义地面站软件与智能遥控器、数传地面端、4G Dongle等硬件之间的驱动和通信API。电池与飞行平台接口定义电池插槽的物理尺寸、触点定义、智能通信协议用于读取电量、电压、温度、循环次数。3.6 系统内部数据需求飞行数据记录系统应能完整记录每次飞行的全参数数据包括时间戳、GPS位置、高度、速度、姿态、电机转速、电池电压/电流/温度、控制指令、报警事件等。数据记录频率不低于10Hz存储格式应为开放格式如CSV、Ulog。任务数据管理地面站软件应能按任务对采集的影像、视频、元数据POS数据进行自动分类、存储和索引支持导出标准格式如GeoTIFF, MP4 with GPS track。系统配置数据所有可调参数如PID参数、安全阈值、相机参数应能以配置文件形式存储和加载。3.7 适应性需求系统应能适应中国境内多种典型地理和气候环境下的作业包括但不限于平原、丘陵、山地、沿海干燥、潮湿、多尘环境白天、夜间、黄昏黎明微光条件。3.8 安全性需求飞行安全必须符合国家关于民用无人驾驶航空器的安全运行规定。具备完善的故障检测与处理机制。电磁安全系统各部件产生的电磁辐射不应干扰其他设备也不应对人体造成伤害。机械安全飞行器旋翼应配备防护罩防止人员意外接触。所有外露接口应有防误插和防尘防水设计。3.9 保密性和私密性需求通信保密系统无线通信链路应支持加密功能防止任务数据被非法截获和解析。数据保密存储在本地设备上的任务数据特别是涉及敏感区域的影像数据应支持加密存储或访问控制。隐私保护在执行任务时应避免对非任务相关的私人区域进行不必要的拍摄和记录符合相关法律法规。3.10 操作需求系统应支持由1-2名操作员在30分钟内完成从运输状态到飞行准备状态的展开和调试。地面站软件界面应提供中文操作界面关键操作应有明确提示和确认步骤。3.11 可使用性、可维护性、可移植性、可靠性和安全性需求可使用性系统平均培训时间使一名新手能够独立执行基本飞行任务应不超过5个工作日。可维护性系统应采用模块化设计关键模块如电机、电调、飞控支持现场快速更换。提供详细的维护手册和故障诊断指南。可移植性地面站软件应能运行在Windows 10/11及以上版本的操作系统上。可靠性见CAP-005-03。安全性见第3.8节。3.12 故障处理需求3.12.1 软件系统出错处理地面站软件发生崩溃时应能自动保存当前任务进度和设置。飞控软件应具备看门狗机制在程序跑飞时能自动重启。所有用户输入应有有效性校验和边界检查。3.12.2 硬件系统冗余措施飞控冗余主飞控系统应具备双处理器或双传感器IMU冗余在主单元失效时能无缝切换至备份单元。电源冗余飞控系统和关键传感器应由独立于动力电池的备用电源如超级电容短时供电确保在主电源中断时仍能完成安全着陆。链路冗余支持双链路如无线电4G热备份在主链路失效时自动切换。3.13 系统环境需求运输环境应能承受公路、铁路运输中的常规振动和冲击。包装箱应符合航空运输标准。存储环境长期存储温度-20°C ~ 45°C湿度≤80% RH。运行环境见CAP-001-05。3.14 计算机资源需求3.14.1 计算机硬件需求机载计算机飞控至少双核ARM Cortex-A系列或同等性能处理器内存≥512MB存储≥8GB。地面控制站计算机Intel i5或同等性能以上处理器内存≥8GB固态硬盘≥256GB独立显卡支持OpenGL 3.3以上屏幕分辨率≥1920x1080。3.14.2 计算机硬件资源利用需求飞行中飞控计算机CPU平均负载率应低于70%内存使用率应低于80%。3.14.3 计算机软件需求机载软件基于实时操作系统如FreeRTOS, NuttX的飞控软件。地面站软件运行于Windows 10/11 64位操作系统依赖.NET Framework 4.8或以上或基于Qt等跨平台框架开发。3.14.4 计算机通信需求机内通信CAN 2.0B总线速率≥1 Mbps串口UART速率≥115200 bps。对外无线通信2.4GHz/5.8GHz频段发射功率符合国家无线电管理规定。3.15 系统质量因素功能性满足本规格说明书中定义的所有能力需求。效率系统从任务规划到数据获取完毕的整体作业效率应比同类常规系统提升20%以上。可维护性平均修复时间MTTR应不超过2小时。可移植性地面站软件应能在不同型号的符合硬件需求的笔记本电脑上正常运行。3.16 设计和构造的约束法规符合性系统设计必须符合中国民用航空局CAAC关于民用无人驾驶航空器的各项管理规定。国产化要求关键部件如飞控芯片、GNSS模块应优先选用国产自主可控产品。标准化机械接口、电气接口、数据协议应尽可能采用行业通用或事实标准保证与第三方载荷的兼容性。3.17 相关人员需求系统需要以下角色的人员操作和维护无人机驾驶员1-2名持有CAAC颁发的相应类别无人机驾驶员执照负责飞行操作。任务规划员1名可由驾驶员兼任负责任务航线规划、载荷控制。维护工程师1名负责系统的日常维护、保养和故障检修。3.18 相关培训需求供应商应提供不少于40学时的系统操作与维护培训包括理论课程和实操训练并提供完整的培训教材和考核标准。3.19 相关后勤需求备件供应商应提供包含关键易损件如螺旋桨、电机、电池的初始备件包。工具提供专用拆装工具、校准工具和诊断设备。技术资料提供全套中文技术手册包括用户手册、维护手册、零件目录、原理图等。技术支持提供至少1年的免费质保和7x24小时远程技术支持。3.20 其他需求系统应提供一年期原厂质保及包含机身损坏险和第三者责任险的保险服务。3.21 包装需求系统应采用坚固、防水、防震的专用航空箱进行包装箱内应有定制的泡沫内衬固定各部件。整机打包后运输尺寸应优化至不超过152厘米×112厘米×80厘米总重量含包装不超过80kg便于车辆运输和两人搬运。3.22 需求的优先次序和关键程度关键需求CR所有标记为“高”优先级的CAP需求以及第3.8、3.12节的安全相关需求。这些需求是系统实现其基本功能和确保安全运行的基石必须全部满足。重要需求IR所有标记为“中”优先级的CAP需求以及第3.10、3.11、3.19节中关于操作、维护和后勤的需求。这些需求显著影响系统的效能和用户体验应尽可能满足。一般需求GR其他未标记的需求。这些需求有助于提升系统性能或便利性可在资源允许的情况下实现。4 合格性规定本规格说明中所有需求的验证方法如下表所示验证方法适用需求范围具体实施说明测试绝大多数性能指标、功能实现在受控环境或实际场景中使用专用仪器如风速仪、测距仪、GPS记录仪和测试程序对系统的续航、载重、速度、精度、通信距离、功能等进行实测。演示操作流程、人机交互、特定功能在用户代表面前现场展示系统的展开、任务规划、自主飞行、载荷操作、数据回传等完整工作流程。分析可靠性、安全性、设计合理性对系统设计文档、故障模式与影响分析FMEA报告、可靠性预计报告等进行评审和计算。审查文档符合性、协议符合性、代码规范对需求文档、设计文档、接口协议文档、源代码、用户手册等进行正式或非正式的检查。类比部分成熟技术或子系统提供类似产品或子系统已通过认证或大量应用的证明文件。5 需求可追踪性本SSS文档中的需求均源自《LE-MF UAS用户需求说明书URS》。高层用户需求与本SSS系统需求之间的追踪关系将通过独立的《需求追踪矩阵》文档进行详细管理确保每个用户需求都有对应的系统需求予以实现和验证。6 非技术性需求交付期限合同生效后90天内完成全部系统的交付、培训与验收。交付物除硬件系统外应交付全部技术文档包括本SSS、设计文档、测试报告、用户手册、维护手册等的电子版和纸质版。知识产权项目产生的所有技术成果包括软件源代码、设计图纸的知识产权归属需在合同中明确。7 尚未解决的问题与特定外部指挥系统IF-02的详细通信协议报文格式需在项目后期与用户方技术团队联合确定。系统在高原海拔4000米以上极端环境下的具体性能衰减数据需通过后续高原专项测试获取。8 注解本文档中所有“不低于”、“不大于”、“不少于”等表述如无特别说明均指在标准测试条件下海平面、20°C、无风测得的数据。本文档是系统设计与开发的基准。任何需求变更必须遵循正式的变更控制流程。附录A系统主要性能指标汇总表指标类别具体指标要求值备注飞行平台最大续航时间5kg载荷≥ 60分钟最大任务载重≥ 10 kg最大起飞重量≥ 25 kg最大平飞速度≥ 70 km/h实用升限≥ 3000米抗风等级≥ 7级防雨等级≥ IPX4导航定位悬停精度水平≤ ±1.5 m定位系统北斗/GPS/GLONASS/Galileo载荷可见光变焦倍数≥ 112倍红外分辨率≥ 640×512控制遥控距离视距≥ 9 km控制权切换支持多控站切换部署展开时间双人≤ 1.5分钟附录B典型任务场景描述场景一应急巡查与搜救任务目标对灾害现场进行快速勘察搜寻被困人员。系统配置搭载光电吊舱可见光红外。流程1) 快速部署系统2) 规划覆盖灾区的航线3) 无人机自主飞行操作员通过红外画面搜寻热源4) 发现目标后切换手动跟踪并通过喊话器尝试联络5) 实时回传画面至指挥中心。场景二国土资源测绘任务目标获取某区域高精度正射影像图。系统配置搭载航测相机。流程1) 在地面站软件中规划仿地飞行航线2) 无人机按航线自动飞行并拍照3) 飞行结束后导出POS数据和照片4) 利用后处理软件生成正射影像和三维模型。附录C术语表UAS无人驾驶航空器系统 (Unmanned Aircraft System)包含无人机、地面站、数据链及所有相关部件。GNSS全球导航卫星系统 (Global Navigation Satellite System)。BVLOS超视距运行 (Beyond Visual Line of Sight)。MTBF平均故障间隔时间 (Mean Time Between Failures)。MTTR平均修复时间 (Mean Time To Repair)。FMEA故障模式与影响分析 (Failure Mode and Effects Analysis)。