无人机系统互操作性测试验证方法研究

崔唯佳 李思男 刘彤 田若宇

（中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050081）

无人机作为重要的航空侦察打击力量，具有部署使用灵活、侦察时效性高等特点。现代战争中，无人机融入联合作战的需求日益凸显，无人机系统、指控系统、作战单元之间通过互操作实现信息共享和系统间功能重组，遂行协同侦察、协同打击等作战任务，达到提升作战效能的目的。

传统无人机系统的“烟囱式”独立发展只注重自身能力的实现，并未考虑与其他系统间的互联互通互操作，信息共享能力差，“信息孤岛”现象严重。世界军事强国正在从顶层架构设计到通用技术标准制定等方面加速实现无人机系统的互操作性。美国防部发布了《无人系统综合路线图（2017-2042）》，指出互操作性是未来无人系统发展的主要驱动力之一，通过构建开放、通用的强大互操作体系架构实现无缝、敏捷、自主的作战系统、单元之间的高效协作；北约标准化组织为提升各盟国协同作战能力，构建了情报监视侦察互操作体系架构（NIIA），同时制定了NATO STANAG 系列标准规范，其中STANAG 4586 标准中详细设计了无人机地面控制系统互操作体系架构、互操作等级以及通用接口标准，为无人机系统互操作实现提供了重要的技术途径。

互操作性的测试验证是保障信息系统真正实现有效协同工作的关键环节，STANAG 4586 提供了无人机地面控制系统接口标准测试指南，从组件一致性测试、系统一致性测试等层级详细阐述了各类接口的测试原理、测试环境以及测试流程；此外，在其他信息系统的互操作测试验证方面，张登明针对战术数据链互操作性测试提出从波形一致性测试、网络协议一致性测试、消息格式一致性测试以及操作的互操作性评估等层次开展测试验证，确保链路互通、信息可达、信息可用；我国还发布了GJBZ/144《指挥自动化系统互操作性等级及评估》标准，制定了指挥自动信息系统的互操作等级、互操作能力模型以及评估方法。

本文根据无人机系统互操作性定义，详细分析了无人机系统互操作性测试的概念内涵，在深入研究NATO STANAG 4586 标准接口测试方法的基础上，提出了无人机系统互操作性测试验证模式和实施框架，为无人机系统互操作的发展与实现提供有意义的参考。

1 UAS互操作性测试概念内涵

1.1 UAS互操作性定义

GJBZ/144《指挥自动化系统互操作性等级及评估》指出“互操作性是指两个或两个以上系统或应用之间交换信息并相互利用所交换信息的能力”。基于互操作性定义同时参考STANAG 4586 标准，无人机系统互操作主要分为无人机系统之间的互操作以及无人机系统与指控系统、作战单元之间的互操作。

（1）无人机系统间的互操作旨在实现地面控制系统可同时或分时对多型多架无人机平台、任务载荷进行通用化测控，无人机平台及其任务载荷可授权至不同的地面控制系统进行控制利用；

（2）无人机系统与指控系统、作战单元之间的互操作旨在实现无人机平台信息、载荷侦察信息可通过无人机平台或地面控制系统准确高效地分发至其他系统单元进行有效利用。

1.2 无人机系统互操作性测试定义

GJBZ/144《指挥自动化系统互操作性等级及评估》指出“互操作性动态测试主要包括一致性测试和互操作性测试。一致性测试的主要目标是检查协议实现是否与标准协议相一致；互操作性测试的主要目标是检测不同厂商的设备，如硬件设备、操作系统或应用程序等在特定协议下协同工作的能力。”

基于无人机互操作性定义以及互操作性动态测试的概念内涵，无人机系统互操作性测试验证旨在验证无人机系统内部设备单元以及与外部其他系统、设备或单元之间能够按照标准协议、消息处理规范真正实现互联互通互操作。

2 STANAG 4586标准接口测试验证方法

图 1 展示了STANAG 4586 制定的无人机地面控制系统互操作架构，标准接口包括核心无人机控制系统（CUCS）与UAV 之间的数据链接口（DLI）、CUCS 与指控单元C4I之间的指挥控制接口（CCI）以及CUCS 的人机交互控制接口（HCI）；同时为实现CUCS 与现役无人机平台和C4I 系统的兼容性，设计了平台专用模块（VSM）以及指挥控制专用模块（CCISM），完成通用接口协议与专用协议的相互转换。

图1：无人机控制系统架构

北约标准化组织提供了STANAG 4586 所需标准接口的测试指南，用于验证各国设计制造的UCS 是否符合STANAG 4586 要求，测试验证内容主要包括：标准测试和实现测试两部分。

2.1 标准测试包括标准质量测试和标准要求匹配测试

（1）标准质量测试旨在评估STANAG 4586 中规定的要求在技术上是正确的、一致的、完整的以及可测试的；

（2）标准要求匹配测试旨在评估STANAG 4586 规定的要求与各接口信息交换需求（ IERs）的一致性。

2.2 实现测试包括一致性测试和互操作性测试

2.2.1 一致性测试包括组件级和系统级测试

（1）组件一致性测试旨在确保UCS 的各部件（如CUCS、VSM、CCISM）之间的接口符合STANAG 4586 的要求。图 2 展示了各组件的一致性测试原理，测试环境包括被测组件以及覆盖标准测试集的测试分析设备，测试分析仪通过以太网连与被测组件进行连接，通过生成、接收、分析和显示所有STANAG 4586 消息，测试组件是否符合各接口标准。

图2：组件一致性测试原理

（2）系统一致性测试旨在将无人机系统视为一个整体，该测试中主要包括待测设备和基准设备，基准设备作为已被验证认可的合格设备替代组件一致性中的测试仪器，构建完整的端到端测试场景。图 3 展示了系统一致性的测试原理，通过模拟不同的任务场景如航迹/任务规划、飞行控制、载荷数据分发、降落回收等验证符合STANAG 4586 要求的VSM、CUCS 和CCISM 之间的交互能力，确保无人机系统内部的互操作性和一致性。

图3：系统一致性测试原理

系统一致性测试环境可在同一地点进行集中测试，也可构建分布式环境通过广域网互联方式实现多平台异地测试。

2.2.2 互操作性测试

互操作性测试旨在评估无人机系统与其他联合作战系统集成后的整体作战效能。该测试需要构建真实或模拟的作战场景，通常由各国或北约指定测试机构以及作战部队使用生产或预生产系统共同执行，不属于该指南的范围。

3 UAS互操作性测试验证模式分析

基于互操作性基本定义，同时参考借鉴STANAG 4586标准接口测试理论，无人机系统互操作性测试验证模式主要包括波形一致性测试、消息符合性测试、系统一致性测试以及联合互操作性测试。图 4 展示了UAS 互操作性测试验证模式的示意图。

图4：UAS 互操作性测试验证模式示意图

（1）波形一致性测试主要是依据通信设备规范、传输波形标准等对链路设备的传输功能性能指标以及跨平台传输能力等进行测试验证；

（2）消息符合性测试主要是依据消息格式标准、消息处理规则等，验证消息组件正确生成、接收、处理、分发各类消息的能力；

（3）系统一致性测试主要是依据平台集成规范等对无人机内部系统进行集成铰链，模拟实际任务情况，对系统功能性能进行测试；

（4）联合互操作性测试主要是依据多平台互操作规范构建虚拟作战仿真场景，对不同消息功能进行组合运用，验证无人机系统之间以及无人机系统与其他系统单元的协同作战能力。

波形一致性测试和消息符合性测试是验证无人机系统内部各组件以及其他互联的系统、单元部件是否遵循标准传输体制和通信协议，是互操作性测试的基础；系统一致性测试主要是验证无人机系统内部端到端的信息交互和综合应用能力；联合互操作性则更侧重于无人机系统之间以及与其他指控系统、作战单元间相互提供、接受服务以及利用这些服务实现高效协作的能力

4 UAS互操作性测试验证方法设计

基于UAS 互操作性测试验证模式的分析并参照STANAG 4586 的互操作性测试理论，图 5 展示了支撑无人机系统互操作性测试验证的具体实施框架，主要包括UAS互操作测试验证规范制定、UAS 互操作测试验证环境搭建以及UAS 互操作性分析评估。

图5：UAS 互操作性测试验证实施框架

4.1 UAS互操作测试验证规范制定

依据UAS 互操作基本协议制定UAS 互操作测试验证规范，规范互操作所涉及的UAS 内部组件、设备单元以及其他指控系统、作战单元等功能实体的具体角色和需具备的互操作性功能；设计各待测实体的测试架构，详细描述测试架构中各功能实体的互联方式；根据消息处理流程等，设计覆盖全面的功能测试集并详细描述测试集中各测试组的测试目的；细化测试项并开展测试案例设计验证，测试案例主要内容包括测试项的指令集输入流程、输出数据的采集要求、预期结果以及合格判定标准等。

4.2 UAS互操作测试验证环境搭建

互操作测试验证环境是依据测试规范的测试架构为各测试验证模式下的待测实体提供软硬件测试环境，主要包括测试工具、基准设备、待测设备、实物/半实物平台系统以及场景想定工具等，通过模拟各类典型平台功能以及构建联试场景，支撑任务系统人机交互，按测试案例生成激励数据并对响应消息进行接收处理；同时，支持构建分布式验证环境，利用远程互联标准与异地部署的其他平台系统进行联合测试，测试多系统联合运用时的功能实现情况。

4.3 UAS互操作测试验证分析评估

根据测试规范中各待测实体的判定标准对采集的各项数据进行分析评估，利用对比分析法等方法对被测实体的功能、性能等指标进行评估确认并生成测试报告。

5 结论

本文详细阐述了无人机系统互操作性测试验证的概念内涵，借鉴STANAG4586 接口标准测试方法，分析了UAS 互操作测试验证模式，从互操作测试规范制定、互操作测试验证环境构建、互操作性分析评估等方面阐述了无人机系统互操作测试验证的实施流程。后续工作中将在工程实践中继续完善互操作测试验证技术理论体系，最终构建通用、开放的UAS 互操作测试验证架构。