项目名称某无人机系统地面控制站软件项目编号LEMF-UAS-SRS-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”中“地面控制站软件GCS Software”的软件需求规格说明Software Requirements Specification, SRS。本说明所描述的软件配置项CSCI的完整标识如下软件名称某无人机系统地面控制站软件软件简称LE-MF UAS GCS Software软件标识符LEMF-GCS-SW-V1.0版本号1.0.0所属系统某无人机系统LE-MF UAS系统标识符LEMF-UAS-V1.01.2 系统概述某无人机系统LE-MF UAS是一套集先进飞行平台、多任务载荷、智能地面控制站和可靠数据链于一体的综合性无人航空器系统。地面控制站软件GCS Software作为该系统的“大脑”和指挥中枢运行于地面控制站计算机上是操作员与无人机系统进行交互的核心软件。它负责无人机的飞行控制、任务规划、实时状态监控、载荷操作、数据链管理、飞行数据记录与分析等关键功能是实现无人机智能化、自动化作业的核心软件平台。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》编制旨在清晰、无歧义地定义LE-MF UAS地面控制站软件V1.0版本必须满足的全部软件需求。本文档是后续软件设计、编码、测试、验收和维护的基础性文件。本文档的读者包括软件项目经理、系统架构师、软件设计师、开发工程师、测试工程师、质量保证人员以及最终用户代表。1.4 基线编写本软件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中分配给地面控制站软件的所有需求。2 引用文件GB/T 8567-2006 《计算机软件文档编制规范》GB/T 44169-2024 《民用大中型固定翼无人机系统地面站通用要求》《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-2024-001MAVLink Micro Air Vehicle Communication Protocol (Version 2.0)《LE-MF UAS地面控制站软件用户界面设计规范》版本0.93 需求3.1 所需的状态和方式本软件需在以下主要状态和方式下运行初始化状态软件启动进行自检加载配置文件尝试连接硬件数据链电台、遥控器、显示器等。待命状态软件已就绪无人机未上电或未连接。可进行任务规划、参数设置、地图加载等准备工作。连接状态软件已通过数据链与无人机建立稳定连接可接收遥测数据但未获得控制权。此状态下可监控无人机状态。手动控制状态操作员通过遥控器或软件界面直接控制无人机飞行。软件实时显示操控指令和飞行状态。任务执行状态无人机正在自动执行预先规划或实时下发的航线任务。软件监控任务进度并可进行任务干预。数据回放与分析状态飞行结束后软件可加载并回放记录的飞行数据进行航迹、参数、事件的分析。维护与诊断状态进入专用维护界面可进行飞控参数校准、传感器诊断、固件升级等操作。3.2 需求概述3.2.1 目标本软件的目标是为LE-MF UAS的操作员提供一个功能完整、界面直观、运行稳定、安全可靠的一体化控制平台。通过本软件单名或多名操作员能够高效、安全地完成从任务准备、飞行控制、载荷操作到数据回收的全流程作业并满足应急巡查、测绘、安防等多样化应用场景的需求。3.2.2 运行环境硬件环境运行于地面控制站计算机Intel i5或同等性能以上处理器内存≥8GB独立显卡固态硬盘≥256GB及配套的外围设备高亮度显示器、数据链地面端、4G Dongle、操纵杆等。软件环境操作系统为Windows 10/11 64位专业版或更高版本。需要安装必要的运行时库如.NET Framework 4.8或VC Redistributable。3.2.3 用户的特点本软件的主要用户为无人机驾驶员和任务规划员可由同一人兼任。他们具备基本的计算机操作能力和无人机飞行理论知识但可能非软件专业背景。因此软件界面设计必须直观、符合行业操作习惯关键操作应有明确引导和防错机制。次要用户为维护工程师他们需要访问更专业的诊断和配置界面。3.2.4 约束条件法规符合性软件功能设计必须符合中国民用航空局CAAC关于无人机运行管理的相关规定。实时性飞行控制指令传输、状态信息显示必须满足严格的实时性要求延迟通常小于1秒。可靠性作为安全关键系统的一部分软件必须具备高可靠性和容错能力避免因软件故障导致无人机失控。国产化适配软件应能良好运行于国产化硬件平台如飞腾CPU、麒麟OS相关适配工作为可选但鼓励实现。3.3 CSCI能力需求本软件应具备以下核心能力每个需求均分配唯一标识符如SR-001。3.3.1 飞行监控功能 (SR-001 ~ SR-010)软件应能实时、全面、清晰地显示无人机的各项状态信息。SR-001 综合态势显示在主地图界面以图标形式实时显示无人机位置、航向、速度矢量。地图应支持在线/离线模式支持加载谷歌卫星图、天地图、OSM等多种底图。SR-002 飞行参数仪表显示以数字和模拟仪表形式显示高度相对/绝对、空速、地速、垂直速度、航向、俯仰角、横滚角、航迹角等。SR-003 系统状态监控显示飞控模式手动/定高/定点/任务、GPS卫星数/定位状态、数据链信号强度与质量、遥控器信号状态、电池电压/电流/剩余电量/温度、电机转速、各传感器IMU, 气压计 罗盘状态。SR-004 航迹显示与记录实时绘制并记录无人机飞行航迹航迹可设置颜色和线宽支持显示历史航迹。SR-005 视频集成显示集成显示无人机下传的可见光、红外或其他载荷视频流支持画中画、多画面分割。视频窗口应叠加OSD信息如GPS坐标、高度、时间。SR-006 电子围栏地理围栏可视化在地图上可视化显示预设的电子围栏区域禁飞区、限飞区、告警区当无人机接近或穿越时提供视觉提示。3.3.2 飞行控制功能 (SR-011 ~ SR-020)软件应提供多种手段对无人机进行控制。SR-011 飞行模式切换提供一键切换飞行模式的功能按钮包括手动模式、增稳模式、定高模式、定点GPS悬停模式、返航模式、任务模式。SR-012 直接指令控制支持通过鼠标点击地图指点飞行、键盘快捷键或虚拟摇杆向无人机发送直接的航点、高度、速度变更指令。SR-013 一键快捷功能提供“一键起飞”、“一键降落”、“一键返航”、“紧急悬停”、“紧急降落”等按钮操作应有二次确认提示紧急按钮除外。SR-014 航线规划与上传提供强大的航线规划工具。支持通过鼠标在地图上添加、拖拽、删除航点。可设置每个航点的属性经纬度、高度、速度、停留时间、航点动作如拍照、开始录像。支持导入/导出KML、GPX等标准航线文件。规划完成后可将航线任务上传至无人机。SR-015 仿地飞行支持基于导入的高程数据DEM或在线地形服务自动生成保持相对地面固定高度的航线适用于山区测绘。SR-016 自动起降支持在预设的起飞点和降落点进行全自动起飞和降落。3.3.3 任务载荷控制功能 (SR-021 ~ SR-030)软件应能控制无人机搭载的各种任务载荷。SR-021 光电吊舱控制提供云台控制面板可通过鼠标拖拽、滚轮或方向键控制云台俯仰、偏航。支持预置位设置与调用、扫描模式左右扫、扇形扫、自动跟踪对画面中指定目标进行视觉跟踪。SR-022 载荷参数设置可设置可见光相机的焦距、曝光、白平衡设置红外热成像的调色板、测温模式点、线、面设置激光测距仪的工作模式。SR-023 载荷任务规划在航线规划时可为特定航点关联载荷动作如“到达航点A时云台转向角度B并拍照”。SR-024 载荷数据叠加在视频画面上叠加红外测温数据、激光测距信息、地理坐标等。SR-025 喊话器与抛投器控制提供界面用于录制、播放语音喊话控制抛投器进行单次或顺序抛投。3.3.4 数据管理与通信功能 (SR-031 ~ SR-040)SR-031 飞行数据记录自动记录所有接收到的遥测数据、发送的指令、告警事件、载荷数据等存储为开放格式如.tlog(MAVLink) 或自定义二进制格式并支持导出为CSV、KML等通用格式。SR-032 数据回放与分析提供专门的回放模块可以加载历史飞行数据以时间轴控制方式回放飞行全过程包括地图航迹重演、仪表数据变化曲线、视频同步回放如果记录了视频。SR-033 通信链路管理管理无线数据链和4G/5G网络链路。显示链路状态、信号强度、数据速率。支持主备链路自动切换与手动切换。SR-034 多机监控可选软件架构应支持扩展以便在未来版本中能够同时监控和控制多架同型或异构无人机并在同一地图界面显示其态势。3.3.5 告警、日志与安全功能 (SR-041 ~ SR-050)SR-041 分级告警根据严重程度将告警分为“提示”蓝色、“警告”黄色、“紧急”红色三级。告警信息应在屏幕醒目位置如顶部状态栏显示并伴有不同的声音提示。SR-042 告警内容告警信息应明确描述问题原因并尽可能提供处理建议如“电池电量低建议立即返航”。SR-043 告警日志所有告警信息均需记录到日志文件中包含时间戳、告警等级、描述信息。SR-044 系统日志记录软件运行过程中的重要操作、连接事件、错误信息便于故障诊断。SR-045 安全保护逻辑软件应集成并在界面上展示无人机的安全保护状态如低电量保护、失控保护、地理围栏保护等。允许操作员在授权范围内修改部分保护阈值如返航电量。3.3.6 系统管理与配置功能 (SR-051 ~ SR-060)SR-051 用户权限管理支持多用户角色如“操作员”、“管理员”。操作员只能进行常规飞行操作管理员可以进行参数校准、固件升级等高级操作。SR-052 飞行参数配置提供界面用于查看和修改飞控参数PID参数、滤波参数等修改需谨慎并有密码保护。SR-053 载荷配置提供界面用于添加、删除、配置不同类型的任务载荷设置其通信协议和参数。SR-054 地图与数据源配置允许用户添加自定义的在线/离线地图源配置高程数据服务。SR-055 数据导出与报告生成支持将特定任务的数据航线、照片POS、测量结果打包导出并生成简单的任务报告PDF/Word格式。3.4 CSCI外部接口需求3.4.1 用户界面软件应提供图形用户界面GUI主界面布局参考下图----------------------------------------------------------------------- | 菜单栏 | 工具栏 | 快捷操作区 | ----------------------------------------------------------------------- | 地图显示区 (主视图) | 飞行仪表与状态面板 (右) | | | 姿态仪 | | 实时显示无人机位置、航迹、电子围栏。 | 高度/速度/航向表 | | 可进行航线规划操作。 | 系统状态列表 | | | 电池信息 | ------------------------------------------------------------------- | 视频显示区 (下) | 任务/载荷控制面板 (右下) | | 显示可见光、红外等视频流。 | 云台控制杆 | | | 相机参数设置 | | | 任务列表与进度 | ------------------------------------------------------------------- | 状态栏/告警栏 (底) | | 实时显示连接状态、GPS状态、最新告警信息。 | -----------------------------------------------------------------------界面需支持高清分辨率1920x1080及以上布局可自定义调整。所有按钮、图标、文字应清晰易辨。3.4.2 硬件接口IF-HW-01 数据链地面端接口通过USB或以太网与数据链电台通信遵循MAVLink协议或其他约定的二进制协议实现与无人机的双向数据交换。IF-HW-02 遥控器接口通过USB接收来自备份遥控器的指令信号用于手动控制接管或作为冗余控制通道。IF-HW-03 4G/5G Dongle接口通过USB连接4G/5G上网卡用于建立网络冗余链路或远程通信。IF-HW-04 显示设备支持主显示器扩展可将地图、视频、仪表等信息分屏显示。3.4.3 软件接口IF-SW-01 无人机通信接口遵循MAVLink协议V2.0实现飞行控制、状态监控、参数传输等功能。具体报文定义见《MAVLink消息定义文档》。IF-SW-02 外部指挥系统接口通过TCP/IP Socket按照《LE-MF UAS IRS》中IF-02的定义与上级指挥中心进行任务指令接收和态势信息上报。IF-SW-03 地理信息服务接口通过HTTP/HTTPS调用第三方在线地图API如天地图、谷歌地图获取地图切片和高程数据。支持加载本地离线地图包。IF-SW-04 本地文件系统接口读写任务文件.plan、航迹文件.kml、配置文件.ini/.json、日志文件、媒体文件等。3.5 CSCI内部接口需求软件内部采用模块化设计主要模块间接口如下通信管理模块与数据解析模块通过内部消息队列传递原始的通信数据帧和解析后的结构化数据对象。数据解析模块与飞行监控模块/任务控制模块通过发布-订阅模式或事件驱动机制将解析后的飞行状态、载荷数据分发给各个需要更新的UI组件和逻辑模块。任务规划模块与地图显示模块通过API调用任务规划模块将规划的航线几何数据传递给地图模块进行渲染地图模块将用户的鼠标交互事件如点击添加航点传递给任务规划模块。数据记录模块与所有模块提供一个统一的日志服务接口供其他模块记录运行日志、飞行数据和告警信息。3.6 CSCI内部数据需求飞行数据文件采用自定义二进制格式记录以提高存储和读取效率。文件头应包含任务ID、开始时间、无人机序列号等元数据。数据体按时间序列存储各数据包。任务文件采用JSON或XML格式存储包含航线航点列表、各航点动作、载荷设置、安全限制等。配置文件采用JSON格式存储软件界面布局、地图源设置、通信端口、默认参数等用户偏好和系统配置。用户数据本地数据库如SQLite存储用户账户、权限、操作历史等信息。3.7 适应性需求软件应能适应不同任务场景的配置需求例如通过配置文件快速切换“应急巡查模式”、“测绘模式”、“安防巡逻模式”每种模式预置不同的界面布局、默认参数和快捷操作。3.8 保密性和私密性需求软件产生的任务文件、航迹数据、拍摄的媒体文件应支持使用用户指定的密码进行加密存储。用户登录凭证密码在存储和传输过程中必须进行不可逆的哈希加密。软件与无人机之间的MAVLink通信应支持启用加密如使用MAVLink 2.0的签名机制或额外的链路层加密。3.9 CSCI环境需求本软件运行于地面控制站计算机该计算机应置于室内或车载方舱等受保护环境中避免极端温度、湿度、粉尘和电磁干扰。3.10 计算机资源需求3.10.1 计算机硬件需求处理器Intel Core i5-1135G7 或同等性能的AMD/国产处理器。内存最低8GB推荐16GB。显卡独立显卡支持OpenGL 3.3及以上显存2GB以上。存储固态硬盘SSD剩余可用空间不小于50GB。网络千兆以太网口支持Wi-Fi和4G/5G上网卡。接口至少4个USB 3.0接口1个HDMI或DisplayPort视频输出接口。3.10.2 计算机硬件资源利用需求在典型任务负载同时显示地图、2路1080P视频、记录数据下CPU平均使用率应低于70%。内存占用应低于4GB。磁盘写入速度应能稳定维持5MB/s用于数据记录。3.10.3 计算机软件需求操作系统Windows 10 64位专业版版本21H2或更高或Windows 11。运行时.NET Framework 4.8 或 .NET 6 Desktop Runtime Microsoft Visual C Redistributable。依赖库QGIS库用于地理信息处理、FFmpeg库用于视频处理、MAVLink库。3.10.4 计算机通信需求支持TCP/IP、UDP网络协议。支持串口COM通信波特率可配置9600 ~ 921600。3.11 软件质量因素功能性满足本规格说明书中定义的所有SR需求。可靠性软件平均无故障时间MTBF应大于500小时。在连续运行24小时内不应出现崩溃或失去响应的致命错误。易用性新操作员经过不超过5天的培训应能独立完成基本飞行任务。软件界面响应时间如按钮点击、地图刷新应小于0.1秒。效率从发送起飞指令到无人机实际离地端到端延迟应小于1秒。视频流显示延迟应小于200毫秒。可维护性代码应有良好的注释和模块化结构关键算法应有设计文档。提供详细的安装、配置和维护手册。可移植性软件架构应便于向国产化操作系统如麒麟OS和ARM架构处理器移植。3.12 设计和实现的约束开发语言主要业务逻辑和界面采用C# (.NET 6) 或 C (Qt) 开发以确保性能和跨平台潜力。架构模式采用模型-视图-视图模型MVVM或模型-视图-控制器MVC设计模式实现界面与逻辑分离。第三方库使用经过验证的、活跃维护的开源库如用于地图显示的QGIS库或Cesium用于通信的MAVSDK或自研MAVLink库。编码规范遵循公司内部的《C#/C编码规范》并进行静态代码分析。3.13 数据输入数据无人机遥测数据MAVLink消息、操作员指令、鼠标键盘事件、外部系统命令、地图数据流。输出数据发送给无人机的控制指令MAVLink消息、显示在屏幕上的图形和文字信息、存储在本地的飞行数据文件、任务报告、发送给外部系统的状态信息。3.14 操作软件启动后操作流程应清晰引导用户1) 选择任务类型或加载已有任务2) 检查硬件连接数据链、遥控器3) 规划航线或确认预设航线4) 执行飞行前检查5) 解锁并控制无人机起飞6) 监控飞行与任务执行7) 控制无人机返航降落8) 导出任务数据。软件应提供“检查单”功能引导操作员逐步完成关键步骤。3.15 故障处理数据链中断检测到数据链中断超过10秒应在界面弹出严重警告并自动尝试重连。同时记录最后已知状态。软件无响应监控软件主线程若长时间无响应应由看门狗线程尝试恢复或安全关闭并记录错误日志。磁盘空间不足在开始记录数据前检查磁盘剩余空间若不足应提前警告并禁止开始新任务。关键进程崩溃如地图渲染进程崩溃不应导致主控制进程崩溃应能自动重启子进程或降级显示。3.16 有关人员需求软件需由具备C#/C开发经验、熟悉多线程编程和图形界面开发的软件工程师进行开发和维护。需配备熟悉无人机系统和MAVLink协议的测试工程师。3.17 有关培训需求应为最终用户提供不少于24学时的软件操作培训包括基础界面操作、任务规划、飞行监控、载荷控制、数据回放和故障排除。3.18 有关后勤需求提供完整的软件安装包.exe或.msi。提供详细的《用户操作手册》、《安装部署指南》和《API接口文档》如有。提供为期一年的免费软件升级和技术支持服务。4 合格性规定对本SRS中所有需求的验证将采用以下方法组合进行需求类别主要合格性方法说明功能需求 (SR-001~SR-060)测试、演示编写详细的测试用例在模拟环境和真实环境下进行功能测试。邀请用户代表进行现场操作演示。外部接口需求测试、审查使用协议测试工具如Wireshark测试MAVLink通信审查接口设计文档是否符合规范。性能需求 (实时性等)测试使用高精度计时工具测量指令延迟、数据显示延迟等。进行压力测试如大数据量记录。可靠性需求测试、分析进行长时间稳定性测试如连续运行72小时。进行故障注入测试验证容错处理机制。易用性需求演示、审查组织典型用户进行可用性测试收集反馈。审查用户界面设计是否符合人机工程学。安全性需求分析、测试对代码进行安全扫描。测试数据加密和权限控制功能是否有效。5 需求可追踪性本SRS中的软件需求源自《LE-MF UAS系统/子系统需求规格说明SSS》中分配给软件的部分。下表展示了部分高层系统需求到本SRS软件需求的追踪关系SSS需求IDSSS需求描述对应的SRS需求ID追踪关系CAP-003-02地面站软件应支持在地图上手动规划或编辑航线...SR-014, SR-015本SRS详细定义了航线规划工具的功能和性能。CAP-003-03支持一键起飞/降落、指点飞行、航线飞行...SR-011, SR-012, SR-013, SR-016本SRS定义了具体的飞行控制功能实现方式。CAP-003-04具备指点跟踪功能...SR-021本SRS在载荷控制功能中明确了自动跟踪需求。CAP-005-01必须具备低电量自动报警与返航、链路丢失自动返航...SR-041, SR-045本SRS定义了软件中告警和安全逻辑的实现。(来自接口需求)与无人机、外部指挥系统的数据交互第3.4节本SRS明确了软件外部接口的协议和内容。6 尚未解决的问题与特定型号第三方光电吊舱的深度集成协议如云台控制、图像参数调节的私有协议需在硬件选定后进一步明确。软件在国产化平台麒麟OS 飞腾CPU上的具体性能表现和兼容性测试需在目标硬件到位后进行。7 注解CSCI计算机软件配置项Computer Software Configuration Item指在配置管理过程中被视为一个独立实体的软件集合。MAVLink一种轻量级的消息传输协议广泛应用于无人机与地面站之间的通信。OSD屏幕显示On-Screen Display指叠加在视频画面上的图形和文字信息。DEM数字高程模型Digital Elevation Model表示地面高程信息的数据集。GUI图形用户界面Graphical User Interface。附录A软件系统总体功能/对象结构图--------------------------------------- | 地面控制站软件 (GCS Software) | | | | --------------------------------- | | | 用户界面层 | | | | - 主窗口、地图、仪表、视频 | | | | - 对话框、菜单、工具栏 | | | -------------------------------- | | | | | ----------------v---------------- | | | 应用逻辑层 | | | | - 飞行控制管理器 | | | | - 任务规划引擎 | | | | - 载荷控制器 | | | | - 通信管理器 | | | | - 数据记录与回放管理器 | | | | - 告警与安全管理器 | | | -------------------------------- | | | | | ----------------v---------------- | | | 数据访问层 | | | | - MAVLink协议解析库 | | | | - 地图数据引擎 (QGIS/等) | | | | - 本地数据库访问 (SQLite) | | | | - 文件系统操作 | | | -------------------------------- | | | | -------------------|-------------------- | (硬件/网络接口) ------------------------------ | | | -------v------- -----v------ ------v----- | 数据链电台 | | 4G/5G网络 | | 本地文件 | | (串口/USB) | | (TCP/IP) | | 系统 | --------------- ------------ ------------附录B主要数据流图DFD片段0层图------------- 飞行指令/参数 ------------------- | |-------------------| | | 操作员 | | 飞行控制 | | |-------------------| 管理器 | ------------- 状态反馈 ------------------ | | | (地图交互) | (MAVLink) v v ------------- ---------- | | 遥测数据 | | | 地图与 |-----------------------| 通信管理 | | 显示模块 | | 器 | | |-----------------------| | ------------- 控制指令 ---------- | | | | (TCP/IP) v v ------------- ---------- | 任务规划 | 任务数据 | 外部指挥 | | 引擎 |-----------------------| 系统接口 | ------------- -----------附录C关键性能指标汇总指标项要求验证方法指令传输延迟从操作员点击“发送”到指令离开地面站软件 ≤ 100ms网络抓包分析状态显示延迟从无人机生成数据到地面站界面更新 ≤ 1s高精度时间戳对比视频显示延迟端到端从相机采集到屏幕显示 ≤ 200ms专用测试工具地图渲染帧率在平移、缩放操作时 ≥ 30 FPS软件性能监测启动时间从点击图标到主界面就绪 ≤ 15s秒表测量数据记录完整性在连续记录1小时飞行数据过程中数据包丢失率 0.01%数据包序列号检查
基于GB/T 8567-2006的《软件需求规格说明（SRS）》完整案例（5/25）
发布时间：2026/7/18 12:57:27
项目名称某无人机系统地面控制站软件项目编号LEMF-UAS-SRS-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”中“地面控制站软件GCS Software”的软件需求规格说明Software Requirements Specification, SRS。本说明所描述的软件配置项CSCI的完整标识如下软件名称某无人机系统地面控制站软件软件简称LE-MF UAS GCS Software软件标识符LEMF-GCS-SW-V1.0版本号1.0.0所属系统某无人机系统LE-MF UAS系统标识符LEMF-UAS-V1.01.2 系统概述某无人机系统LE-MF UAS是一套集先进飞行平台、多任务载荷、智能地面控制站和可靠数据链于一体的综合性无人航空器系统。地面控制站软件GCS Software作为该系统的“大脑”和指挥中枢运行于地面控制站计算机上是操作员与无人机系统进行交互的核心软件。它负责无人机的飞行控制、任务规划、实时状态监控、载荷操作、数据链管理、飞行数据记录与分析等关键功能是实现无人机智能化、自动化作业的核心软件平台。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》编制旨在清晰、无歧义地定义LE-MF UAS地面控制站软件V1.0版本必须满足的全部软件需求。本文档是后续软件设计、编码、测试、验收和维护的基础性文件。本文档的读者包括软件项目经理、系统架构师、软件设计师、开发工程师、测试工程师、质量保证人员以及最终用户代表。1.4 基线编写本软件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中分配给地面控制站软件的所有需求。2 引用文件GB/T 8567-2006 《计算机软件文档编制规范》GB/T 44169-2024 《民用大中型固定翼无人机系统地面站通用要求》《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-2024-001MAVLink Micro Air Vehicle Communication Protocol (Version 2.0)《LE-MF UAS地面控制站软件用户界面设计规范》版本0.93 需求3.1 所需的状态和方式本软件需在以下主要状态和方式下运行初始化状态软件启动进行自检加载配置文件尝试连接硬件数据链电台、遥控器、显示器等。待命状态软件已就绪无人机未上电或未连接。可进行任务规划、参数设置、地图加载等准备工作。连接状态软件已通过数据链与无人机建立稳定连接可接收遥测数据但未获得控制权。此状态下可监控无人机状态。手动控制状态操作员通过遥控器或软件界面直接控制无人机飞行。软件实时显示操控指令和飞行状态。任务执行状态无人机正在自动执行预先规划或实时下发的航线任务。软件监控任务进度并可进行任务干预。数据回放与分析状态飞行结束后软件可加载并回放记录的飞行数据进行航迹、参数、事件的分析。维护与诊断状态进入专用维护界面可进行飞控参数校准、传感器诊断、固件升级等操作。3.2 需求概述3.2.1 目标本软件的目标是为LE-MF UAS的操作员提供一个功能完整、界面直观、运行稳定、安全可靠的一体化控制平台。通过本软件单名或多名操作员能够高效、安全地完成从任务准备、飞行控制、载荷操作到数据回收的全流程作业并满足应急巡查、测绘、安防等多样化应用场景的需求。3.2.2 运行环境硬件环境运行于地面控制站计算机Intel i5或同等性能以上处理器内存≥8GB独立显卡固态硬盘≥256GB及配套的外围设备高亮度显示器、数据链地面端、4G Dongle、操纵杆等。软件环境操作系统为Windows 10/11 64位专业版或更高版本。需要安装必要的运行时库如.NET Framework 4.8或VC Redistributable。3.2.3 用户的特点本软件的主要用户为无人机驾驶员和任务规划员可由同一人兼任。他们具备基本的计算机操作能力和无人机飞行理论知识但可能非软件专业背景。因此软件界面设计必须直观、符合行业操作习惯关键操作应有明确引导和防错机制。次要用户为维护工程师他们需要访问更专业的诊断和配置界面。3.2.4 约束条件法规符合性软件功能设计必须符合中国民用航空局CAAC关于无人机运行管理的相关规定。实时性飞行控制指令传输、状态信息显示必须满足严格的实时性要求延迟通常小于1秒。可靠性作为安全关键系统的一部分软件必须具备高可靠性和容错能力避免因软件故障导致无人机失控。国产化适配软件应能良好运行于国产化硬件平台如飞腾CPU、麒麟OS相关适配工作为可选但鼓励实现。3.3 CSCI能力需求本软件应具备以下核心能力每个需求均分配唯一标识符如SR-001。3.3.1 飞行监控功能 (SR-001 ~ SR-010)软件应能实时、全面、清晰地显示无人机的各项状态信息。SR-001 综合态势显示在主地图界面以图标形式实时显示无人机位置、航向、速度矢量。地图应支持在线/离线模式支持加载谷歌卫星图、天地图、OSM等多种底图。SR-002 飞行参数仪表显示以数字和模拟仪表形式显示高度相对/绝对、空速、地速、垂直速度、航向、俯仰角、横滚角、航迹角等。SR-003 系统状态监控显示飞控模式手动/定高/定点/任务、GPS卫星数/定位状态、数据链信号强度与质量、遥控器信号状态、电池电压/电流/剩余电量/温度、电机转速、各传感器IMU, 气压计 罗盘状态。SR-004 航迹显示与记录实时绘制并记录无人机飞行航迹航迹可设置颜色和线宽支持显示历史航迹。SR-005 视频集成显示集成显示无人机下传的可见光、红外或其他载荷视频流支持画中画、多画面分割。视频窗口应叠加OSD信息如GPS坐标、高度、时间。SR-006 电子围栏地理围栏可视化在地图上可视化显示预设的电子围栏区域禁飞区、限飞区、告警区当无人机接近或穿越时提供视觉提示。3.3.2 飞行控制功能 (SR-011 ~ SR-020)软件应提供多种手段对无人机进行控制。SR-011 飞行模式切换提供一键切换飞行模式的功能按钮包括手动模式、增稳模式、定高模式、定点GPS悬停模式、返航模式、任务模式。SR-012 直接指令控制支持通过鼠标点击地图指点飞行、键盘快捷键或虚拟摇杆向无人机发送直接的航点、高度、速度变更指令。SR-013 一键快捷功能提供“一键起飞”、“一键降落”、“一键返航”、“紧急悬停”、“紧急降落”等按钮操作应有二次确认提示紧急按钮除外。SR-014 航线规划与上传提供强大的航线规划工具。支持通过鼠标在地图上添加、拖拽、删除航点。可设置每个航点的属性经纬度、高度、速度、停留时间、航点动作如拍照、开始录像。支持导入/导出KML、GPX等标准航线文件。规划完成后可将航线任务上传至无人机。SR-015 仿地飞行支持基于导入的高程数据DEM或在线地形服务自动生成保持相对地面固定高度的航线适用于山区测绘。SR-016 自动起降支持在预设的起飞点和降落点进行全自动起飞和降落。3.3.3 任务载荷控制功能 (SR-021 ~ SR-030)软件应能控制无人机搭载的各种任务载荷。SR-021 光电吊舱控制提供云台控制面板可通过鼠标拖拽、滚轮或方向键控制云台俯仰、偏航。支持预置位设置与调用、扫描模式左右扫、扇形扫、自动跟踪对画面中指定目标进行视觉跟踪。SR-022 载荷参数设置可设置可见光相机的焦距、曝光、白平衡设置红外热成像的调色板、测温模式点、线、面设置激光测距仪的工作模式。SR-023 载荷任务规划在航线规划时可为特定航点关联载荷动作如“到达航点A时云台转向角度B并拍照”。SR-024 载荷数据叠加在视频画面上叠加红外测温数据、激光测距信息、地理坐标等。SR-025 喊话器与抛投器控制提供界面用于录制、播放语音喊话控制抛投器进行单次或顺序抛投。3.3.4 数据管理与通信功能 (SR-031 ~ SR-040)SR-031 飞行数据记录自动记录所有接收到的遥测数据、发送的指令、告警事件、载荷数据等存储为开放格式如.tlog(MAVLink) 或自定义二进制格式并支持导出为CSV、KML等通用格式。SR-032 数据回放与分析提供专门的回放模块可以加载历史飞行数据以时间轴控制方式回放飞行全过程包括地图航迹重演、仪表数据变化曲线、视频同步回放如果记录了视频。SR-033 通信链路管理管理无线数据链和4G/5G网络链路。显示链路状态、信号强度、数据速率。支持主备链路自动切换与手动切换。SR-034 多机监控可选软件架构应支持扩展以便在未来版本中能够同时监控和控制多架同型或异构无人机并在同一地图界面显示其态势。3.3.5 告警、日志与安全功能 (SR-041 ~ SR-050)SR-041 分级告警根据严重程度将告警分为“提示”蓝色、“警告”黄色、“紧急”红色三级。告警信息应在屏幕醒目位置如顶部状态栏显示并伴有不同的声音提示。SR-042 告警内容告警信息应明确描述问题原因并尽可能提供处理建议如“电池电量低建议立即返航”。SR-043 告警日志所有告警信息均需记录到日志文件中包含时间戳、告警等级、描述信息。SR-044 系统日志记录软件运行过程中的重要操作、连接事件、错误信息便于故障诊断。SR-045 安全保护逻辑软件应集成并在界面上展示无人机的安全保护状态如低电量保护、失控保护、地理围栏保护等。允许操作员在授权范围内修改部分保护阈值如返航电量。3.3.6 系统管理与配置功能 (SR-051 ~ SR-060)SR-051 用户权限管理支持多用户角色如“操作员”、“管理员”。操作员只能进行常规飞行操作管理员可以进行参数校准、固件升级等高级操作。SR-052 飞行参数配置提供界面用于查看和修改飞控参数PID参数、滤波参数等修改需谨慎并有密码保护。SR-053 载荷配置提供界面用于添加、删除、配置不同类型的任务载荷设置其通信协议和参数。SR-054 地图与数据源配置允许用户添加自定义的在线/离线地图源配置高程数据服务。SR-055 数据导出与报告生成支持将特定任务的数据航线、照片POS、测量结果打包导出并生成简单的任务报告PDF/Word格式。3.4 CSCI外部接口需求3.4.1 用户界面软件应提供图形用户界面GUI主界面布局参考下图----------------------------------------------------------------------- | 菜单栏 | 工具栏 | 快捷操作区 | ----------------------------------------------------------------------- | 地图显示区 (主视图) | 飞行仪表与状态面板 (右) | | | 姿态仪 | | 实时显示无人机位置、航迹、电子围栏。 | 高度/速度/航向表 | | 可进行航线规划操作。 | 系统状态列表 | | | 电池信息 | ------------------------------------------------------------------- | 视频显示区 (下) | 任务/载荷控制面板 (右下) | | 显示可见光、红外等视频流。 | 云台控制杆 | | | 相机参数设置 | | | 任务列表与进度 | ------------------------------------------------------------------- | 状态栏/告警栏 (底) | | 实时显示连接状态、GPS状态、最新告警信息。 | -----------------------------------------------------------------------界面需支持高清分辨率1920x1080及以上布局可自定义调整。所有按钮、图标、文字应清晰易辨。3.4.2 硬件接口IF-HW-01 数据链地面端接口通过USB或以太网与数据链电台通信遵循MAVLink协议或其他约定的二进制协议实现与无人机的双向数据交换。IF-HW-02 遥控器接口通过USB接收来自备份遥控器的指令信号用于手动控制接管或作为冗余控制通道。IF-HW-03 4G/5G Dongle接口通过USB连接4G/5G上网卡用于建立网络冗余链路或远程通信。IF-HW-04 显示设备支持主显示器扩展可将地图、视频、仪表等信息分屏显示。3.4.3 软件接口IF-SW-01 无人机通信接口遵循MAVLink协议V2.0实现飞行控制、状态监控、参数传输等功能。具体报文定义见《MAVLink消息定义文档》。IF-SW-02 外部指挥系统接口通过TCP/IP Socket按照《LE-MF UAS IRS》中IF-02的定义与上级指挥中心进行任务指令接收和态势信息上报。IF-SW-03 地理信息服务接口通过HTTP/HTTPS调用第三方在线地图API如天地图、谷歌地图获取地图切片和高程数据。支持加载本地离线地图包。IF-SW-04 本地文件系统接口读写任务文件.plan、航迹文件.kml、配置文件.ini/.json、日志文件、媒体文件等。3.5 CSCI内部接口需求软件内部采用模块化设计主要模块间接口如下通信管理模块与数据解析模块通过内部消息队列传递原始的通信数据帧和解析后的结构化数据对象。数据解析模块与飞行监控模块/任务控制模块通过发布-订阅模式或事件驱动机制将解析后的飞行状态、载荷数据分发给各个需要更新的UI组件和逻辑模块。任务规划模块与地图显示模块通过API调用任务规划模块将规划的航线几何数据传递给地图模块进行渲染地图模块将用户的鼠标交互事件如点击添加航点传递给任务规划模块。数据记录模块与所有模块提供一个统一的日志服务接口供其他模块记录运行日志、飞行数据和告警信息。3.6 CSCI内部数据需求飞行数据文件采用自定义二进制格式记录以提高存储和读取效率。文件头应包含任务ID、开始时间、无人机序列号等元数据。数据体按时间序列存储各数据包。任务文件采用JSON或XML格式存储包含航线航点列表、各航点动作、载荷设置、安全限制等。配置文件采用JSON格式存储软件界面布局、地图源设置、通信端口、默认参数等用户偏好和系统配置。用户数据本地数据库如SQLite存储用户账户、权限、操作历史等信息。3.7 适应性需求软件应能适应不同任务场景的配置需求例如通过配置文件快速切换“应急巡查模式”、“测绘模式”、“安防巡逻模式”每种模式预置不同的界面布局、默认参数和快捷操作。3.8 保密性和私密性需求软件产生的任务文件、航迹数据、拍摄的媒体文件应支持使用用户指定的密码进行加密存储。用户登录凭证密码在存储和传输过程中必须进行不可逆的哈希加密。软件与无人机之间的MAVLink通信应支持启用加密如使用MAVLink 2.0的签名机制或额外的链路层加密。3.9 CSCI环境需求本软件运行于地面控制站计算机该计算机应置于室内或车载方舱等受保护环境中避免极端温度、湿度、粉尘和电磁干扰。3.10 计算机资源需求3.10.1 计算机硬件需求处理器Intel Core i5-1135G7 或同等性能的AMD/国产处理器。内存最低8GB推荐16GB。显卡独立显卡支持OpenGL 3.3及以上显存2GB以上。存储固态硬盘SSD剩余可用空间不小于50GB。网络千兆以太网口支持Wi-Fi和4G/5G上网卡。接口至少4个USB 3.0接口1个HDMI或DisplayPort视频输出接口。3.10.2 计算机硬件资源利用需求在典型任务负载同时显示地图、2路1080P视频、记录数据下CPU平均使用率应低于70%。内存占用应低于4GB。磁盘写入速度应能稳定维持5MB/s用于数据记录。3.10.3 计算机软件需求操作系统Windows 10 64位专业版版本21H2或更高或Windows 11。运行时.NET Framework 4.8 或 .NET 6 Desktop Runtime Microsoft Visual C Redistributable。依赖库QGIS库用于地理信息处理、FFmpeg库用于视频处理、MAVLink库。3.10.4 计算机通信需求支持TCP/IP、UDP网络协议。支持串口COM通信波特率可配置9600 ~ 921600。3.11 软件质量因素功能性满足本规格说明书中定义的所有SR需求。可靠性软件平均无故障时间MTBF应大于500小时。在连续运行24小时内不应出现崩溃或失去响应的致命错误。易用性新操作员经过不超过5天的培训应能独立完成基本飞行任务。软件界面响应时间如按钮点击、地图刷新应小于0.1秒。效率从发送起飞指令到无人机实际离地端到端延迟应小于1秒。视频流显示延迟应小于200毫秒。可维护性代码应有良好的注释和模块化结构关键算法应有设计文档。提供详细的安装、配置和维护手册。可移植性软件架构应便于向国产化操作系统如麒麟OS和ARM架构处理器移植。3.12 设计和实现的约束开发语言主要业务逻辑和界面采用C# (.NET 6) 或 C (Qt) 开发以确保性能和跨平台潜力。架构模式采用模型-视图-视图模型MVVM或模型-视图-控制器MVC设计模式实现界面与逻辑分离。第三方库使用经过验证的、活跃维护的开源库如用于地图显示的QGIS库或Cesium用于通信的MAVSDK或自研MAVLink库。编码规范遵循公司内部的《C#/C编码规范》并进行静态代码分析。3.13 数据输入数据无人机遥测数据MAVLink消息、操作员指令、鼠标键盘事件、外部系统命令、地图数据流。输出数据发送给无人机的控制指令MAVLink消息、显示在屏幕上的图形和文字信息、存储在本地的飞行数据文件、任务报告、发送给外部系统的状态信息。3.14 操作软件启动后操作流程应清晰引导用户1) 选择任务类型或加载已有任务2) 检查硬件连接数据链、遥控器3) 规划航线或确认预设航线4) 执行飞行前检查5) 解锁并控制无人机起飞6) 监控飞行与任务执行7) 控制无人机返航降落8) 导出任务数据。软件应提供“检查单”功能引导操作员逐步完成关键步骤。3.15 故障处理数据链中断检测到数据链中断超过10秒应在界面弹出严重警告并自动尝试重连。同时记录最后已知状态。软件无响应监控软件主线程若长时间无响应应由看门狗线程尝试恢复或安全关闭并记录错误日志。磁盘空间不足在开始记录数据前检查磁盘剩余空间若不足应提前警告并禁止开始新任务。关键进程崩溃如地图渲染进程崩溃不应导致主控制进程崩溃应能自动重启子进程或降级显示。3.16 有关人员需求软件需由具备C#/C开发经验、熟悉多线程编程和图形界面开发的软件工程师进行开发和维护。需配备熟悉无人机系统和MAVLink协议的测试工程师。3.17 有关培训需求应为最终用户提供不少于24学时的软件操作培训包括基础界面操作、任务规划、飞行监控、载荷控制、数据回放和故障排除。3.18 有关后勤需求提供完整的软件安装包.exe或.msi。提供详细的《用户操作手册》、《安装部署指南》和《API接口文档》如有。提供为期一年的免费软件升级和技术支持服务。4 合格性规定对本SRS中所有需求的验证将采用以下方法组合进行需求类别主要合格性方法说明功能需求 (SR-001~SR-060)测试、演示编写详细的测试用例在模拟环境和真实环境下进行功能测试。邀请用户代表进行现场操作演示。外部接口需求测试、审查使用协议测试工具如Wireshark测试MAVLink通信审查接口设计文档是否符合规范。性能需求 (实时性等)测试使用高精度计时工具测量指令延迟、数据显示延迟等。进行压力测试如大数据量记录。可靠性需求测试、分析进行长时间稳定性测试如连续运行72小时。进行故障注入测试验证容错处理机制。易用性需求演示、审查组织典型用户进行可用性测试收集反馈。审查用户界面设计是否符合人机工程学。安全性需求分析、测试对代码进行安全扫描。测试数据加密和权限控制功能是否有效。5 需求可追踪性本SRS中的软件需求源自《LE-MF UAS系统/子系统需求规格说明SSS》中分配给软件的部分。下表展示了部分高层系统需求到本SRS软件需求的追踪关系SSS需求IDSSS需求描述对应的SRS需求ID追踪关系CAP-003-02地面站软件应支持在地图上手动规划或编辑航线...SR-014, SR-015本SRS详细定义了航线规划工具的功能和性能。CAP-003-03支持一键起飞/降落、指点飞行、航线飞行...SR-011, SR-012, SR-013, SR-016本SRS定义了具体的飞行控制功能实现方式。CAP-003-04具备指点跟踪功能...SR-021本SRS在载荷控制功能中明确了自动跟踪需求。CAP-005-01必须具备低电量自动报警与返航、链路丢失自动返航...SR-041, SR-045本SRS定义了软件中告警和安全逻辑的实现。(来自接口需求)与无人机、外部指挥系统的数据交互第3.4节本SRS明确了软件外部接口的协议和内容。6 尚未解决的问题与特定型号第三方光电吊舱的深度集成协议如云台控制、图像参数调节的私有协议需在硬件选定后进一步明确。软件在国产化平台麒麟OS 飞腾CPU上的具体性能表现和兼容性测试需在目标硬件到位后进行。7 注解CSCI计算机软件配置项Computer Software Configuration Item指在配置管理过程中被视为一个独立实体的软件集合。MAVLink一种轻量级的消息传输协议广泛应用于无人机与地面站之间的通信。OSD屏幕显示On-Screen Display指叠加在视频画面上的图形和文字信息。DEM数字高程模型Digital Elevation Model表示地面高程信息的数据集。GUI图形用户界面Graphical User Interface。附录A软件系统总体功能/对象结构图--------------------------------------- | 地面控制站软件 (GCS Software) | | | | --------------------------------- | | | 用户界面层 | | | | - 主窗口、地图、仪表、视频 | | | | - 对话框、菜单、工具栏 | | | -------------------------------- | | | | | ----------------v---------------- | | | 应用逻辑层 | | | | - 飞行控制管理器 | | | | - 任务规划引擎 | | | | - 载荷控制器 | | | | - 通信管理器 | | | | - 数据记录与回放管理器 | | | | - 告警与安全管理器 | | | -------------------------------- | | | | | ----------------v---------------- | | | 数据访问层 | | | | - MAVLink协议解析库 | | | | - 地图数据引擎 (QGIS/等) | | | | - 本地数据库访问 (SQLite) | | | | - 文件系统操作 | | | -------------------------------- | | | | -------------------|-------------------- | (硬件/网络接口) ------------------------------ | | | -------v------- -----v------ ------v----- | 数据链电台 | | 4G/5G网络 | | 本地文件 | | (串口/USB) | | (TCP/IP) | | 系统 | --------------- ------------ ------------附录B主要数据流图DFD片段0层图------------- 飞行指令/参数 ------------------- | |-------------------| | | 操作员 | | 飞行控制 | | |-------------------| 管理器 | ------------- 状态反馈 ------------------ | | | (地图交互) | (MAVLink) v v ------------- ---------- | | 遥测数据 | | | 地图与 |-----------------------| 通信管理 | | 显示模块 | | 器 | | |-----------------------| | ------------- 控制指令 ---------- | | | | (TCP/IP) v v ------------- ---------- | 任务规划 | 任务数据 | 外部指挥 | | 引擎 |-----------------------| 系统接口 | ------------- -----------附录C关键性能指标汇总指标项要求验证方法指令传输延迟从操作员点击“发送”到指令离开地面站软件 ≤ 100ms网络抓包分析状态显示延迟从无人机生成数据到地面站界面更新 ≤ 1s高精度时间戳对比视频显示延迟端到端从相机采集到屏幕显示 ≤ 200ms专用测试工具地图渲染帧率在平移、缩放操作时 ≥ 30 FPS软件性能监测启动时间从点击图标到主界面就绪 ≤ 15s秒表测量数据记录完整性在连续记录1小时飞行数据过程中数据包丢失率 0.01%数据包序列号检查
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