基于GB/T 8567-2006的《数据需求说明（DRD）》完整案例（7/25）

项目名称某无人机系统项目编号LEMF-UAS-DRD-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”的数据需求说明Data Requirement Document, DRD。本文档所描述的数据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-DRD-V1.0版本号1.0.01.2 系统概述某无人机系统LE-MF UAS在运行过程中将产生、处理、传输、存储和利用海量且多样化的数据。这些数据是系统实现自主飞行、任务执行、状态监控、事后分析与合规监管的核心资产。本数据需求说明DRD旨在全面、精确地定义系统全生命周期内所涉及的所有数据包括其逻辑特性、物理特性、采集要求、处理规则及管理约束为系统设计、开发、测试和运维提供明确的数据规范。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项目数据架构设计、数据库设计、数据接口开发和数据处理模块实现的基础性文件。本文档详细描述了系统所需处理的静态数据、动态输入数据、动态输出数据及内部生成数据的逻辑与物理特征并明确了数据采集、传输、存储和输出的具体要求。本文档的预期读者包括系统架构师、数据架构师、软件工程师、测试工程师以及质量保证人员。1.4 基线编写本数据需求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、《软件需求规格说明SRS》文档编号LEMF-UAS-SRS-2024-001版本1.0及《接口需求规格说明IRS》文档编号LEMF-UAS-IRS-2024-001版本1.0中与数据相关的所有需求。2 引用文件GB/T 8567-2006 《计算机软件文档编制规范》MH/T 4053-2022 《民用无人驾驶航空器空中交通管理信息服务系统数据接口规范》GB/T 20533-2006 《地理信息 数据产品规范》《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《某无人机系统软件需求规格说明SRS》版本1.0 LEMF-UAS-SRS-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)3 数据的逻辑描述本节从逻辑角度描述系统涉及的所有数据将其分为静态数据、动态输入数据、动态输出数据和内部生成数据四大类进行说明。3.1 静态数据静态数据是指在系统运行前已存在并在运行过程中通常保持不变作为控制或参考使用的数据。3.1.1 系统配置数据此类数据定义了系统的基本属性和行为参数通常存储在配置文件中。无人机平台配置无人机型号、序列号、最大起飞重量、翼展、动力类型、续航时间等。飞控参数PID控制参数、滤波器参数、安全保护阈值如最大俯仰/横滚角、最大空速、最低返航电量等、传感器校准参数。载荷配置库系统支持的所有任务载荷的类型、型号、通信协议、默认参数、机械接口定义等。通信配置数据链电台频率、网络接入点APN、服务器地址与端口、加密密钥。用户权限数据用户账号、角色操作员、管理员、密码哈希值、操作权限列表。3.1.2 地理空间数据此类数据为系统提供空间参考和背景信息。基础地图数据在线/离线地图的瓦片数据源配置、投影坐标系如WGS-84、CGCS2000。高程数据DEM用于仿地飞行的高程模型数据格式为GeoTIFF或自定义二进制格网。空域与障碍物数据禁飞区、限制区、告警区的多边形边界坐标已知的固定障碍物如高压线塔、高楼的位置和高度。起降场数据预设的起飞点、降落点坐标及其安全半径。3.1.3 任务模板与规划数据此类数据用于定义和存储可重复使用的飞行任务。任务模板针对不同应用场景如区域巡查、带状测绘、定点监控预定义的航线模式、载荷动作序列、飞行参数集合。航线文件用户规划的飞行航线包含一系列有序的航点Waypoint。每个航点包含经纬度、高度、速度、航点动作如悬停、拍照等属性。通常以KML、GPX或自定义的.plan格式存储。3.2 动态输入数据动态输入数据是指在系统运行过程中从外部环境或操作员实时输入的数据。3.2.1 操作员指令数据由地面控制站操作员通过人机界面输入的控制指令。飞行控制指令起飞、降落、返航、悬停、模式切换手动/定高/定点/任务、紧急制动等指令。航点指令通过地图点击或输入坐标实时添加、修改、删除航点。载荷控制指令云台俯仰/偏航角度控制、相机变焦/对焦/拍照/录像控制、激光测距开关、喊话器播放等。参数调整指令飞行中临时调整飞行参数如巡航速度、目标高度的指令。3.2.2 传感器与遥测数据上行链路从无人机通过数据链实时上传至地面站的数据。导航状态数据无人机实时位置经纬度、高度、速度地速、空速、航向、姿态角俯仰、横滚、偏航、角速率。系统状态数据飞控模式、GPS卫星数/定位状态HDOP/VDOP、数据链信号强度与质量、遥控器信号状态。动力系统数据电池电压、电流、剩余电量百分比、电池温度、电机转速、电调温度。传感器原始/融合数据惯性测量单元IMU的加速度和角速度、气压计高度、磁力计读数、视觉/超声波定高数据。载荷状态数据载荷工作模式、温度、镜头焦距、云台角度、存储空间剩余等。3.2.3 外部系统输入数据从外部系统接收的数据。空管信息UTM/UOM来自民用无人驾驶航空器一体化综合监管服务平台UOM的实时空域状态、气象警报、管制指令。指挥中心指令来自上级指挥系统的宏观任务指令、目标区域更新、协同指令。差分GNSS校正数据通过网络RTK或基站接收的差分校正数据流用于提升定位精度。3.3 动态输出数据动态输出数据是指系统在运行过程中产生并输出到外部环境或呈现给操作员的数据。3.3.1 地面站显示与告警数据呈现给操作员用于监控和决策的信息。综合态势显示数据在地图上渲染的无人机图标、实时航迹、规划航线、电子围栏、其他友机位置。仪表与参数显示数据以数字、仪表盘、曲线图等形式显示的飞行参数和系统状态。载荷视频流经过解码和叠加OSD屏幕显示信息后的可见光、红外或其他光谱的视频图像。声光告警数据根据预设规则触发的不同级别提示、警告、紧急的告警信息及对应的声音提示。3.3.2 下行控制与任务数据下行链路从地面站通过数据链下发至无人机的数据。飞行控制指令对上行遥测数据的响应如目标位置、速度、姿态指令。任务数据实时下发的航点序列、航点动作指令。载荷控制指令云台角度设定、相机控制命令等。3.3.3 对外报送与共享数据系统根据法规要求或协同需要向外部系统发送的数据。飞行动态数据根据MH/T 4053规范需实时向UOM平台报送的数据包括但不限于飞行识别信息无人机唯一识别码UAS ID、实名登记号、制造商代码。时空信息UTC时间戳、经纬度精确到小数点后7位、气压高度/椭球高、相对起飞点高度。运动状态信息地速、航迹角、垂直速度。系统状态信息飞行模式、链路状态、紧急代码。任务协同数据向友邻单元或指挥中心共享的自身位置、状态、任务进度、探测结果如目标点坐标等。载荷成果数据处理后的正射影像图、三维模型、热成像温度矩阵、激光点云等输出给专业处理软件。3.4 内部生成数据内部生成数据是指系统在运行过程中通过对输入数据进行处理、计算、融合后产生的中间或最终数据通常不直接对外输出。3.4.1 数据融合与估计数据组合导航解算数据通过卡尔曼滤波等算法融合GNSS、IMU、气压计、视觉数据后得到的更精确、更平滑的位置、速度和姿态估计值。健康状态评估数据基于各传感器和子系统上报的状态通过规则或模型计算出的系统整体健康度评分、剩余可用时间RUL预测。威胁评估数据基于当前位置、空域信息和障碍物数据实时计算出的与禁飞区边界距离、与障碍物碰撞时间TTC等。3.4.2 日志与诊断数据飞行数据记录FDR以高频如10-50Hz记录的完整、时间同步的原始传感器数据、融合后数据、控制指令、系统事件。用于事后分析、故障诊断和性能优化。通常采用二进制格式以节省空间。系统事件日志按时间顺序记录的系统关键操作、状态变迁、异常事件、用户操作、通信事件等通常为文本格式便于阅读。故障诊断数据当系统检测到异常时记录的详细快照数据包括异常发生前后的相关变量值、堆栈信息等用于辅助定位问题根源。3.4.3 任务执行衍生数据航点到达判断数据根据无人机当前位置与目标航点的空间关系实时计算出的水平/垂直距离、预计到达时间ETA。任务执行进度数据已完成的航点数、总航程、已飞行时间、剩余航程/时间。载荷元数据每张照片/每段视频拍摄时的精确POS位置、姿态数据、时间戳、相机参数焦距、光圈、快门通常记录在SRT文件或XMP附属文件中。4 数据采集要求4.1 数据来源与输入数据类别具体数据项数据来源输入介质/设备输入方式触发条件/频率操作员指令飞行模式切换操作员键盘、鼠标、触摸屏、智能遥控器手动触发按需航点规划坐标操作员鼠标、键盘手动输入或地图点击任务规划时云台控制指令操作员鼠标、键盘、遥控器拨轮手动持续或点动按需传感器遥测位置、姿态、速度机载GNSS/IMU数据链无线信道自动、周期性10 Hz (导航) 50 Hz (姿态)电池状态机载电源管理单元数据链无线信道自动、周期性1 Hz可见光/红外视频机载光电吊舱数据链无线信道视频流自动、持续流25/30 fps (H.264/H.265)外部系统空管指令/告警UOM平台4G/5G蜂窝网络自动推送或查询事件驱动或周期性~1/min差分GNSS数据NTRIP CORS网络4G网络自动、持续流1-5 Hz指挥中心任务指挥系统以太网/专用网络TCP Socket消息事件驱动4.2 数据输出与接收者数据类别具体数据项数据接收者输出介质/设备输出形式/格式频率/延迟要求地面站显示综合态势图操作员高分辨率显示器图形渲染OpenGL/DirectX刷新率 ≥ 15 Hz飞行仪表读数操作员显示器数字、模拟仪表图形刷新率 ≥ 5 Hz声光告警操作员显示器、扬声器视觉提示框、声音文件事件驱动延迟 1s下行控制飞控指令无人机飞控数据链无线信道MAVLink消息封装按需端到端延迟 100ms航点任务无人机飞控数据链无线信道MAVLinkMISSION_ITEM任务上传时对外报送飞行动态数据UOM监管平台4G/5G蜂窝网络HTTPS JSON (遵循MH/T 4053)每1-2秒1次延迟 5s任务协同数据指挥中心服务器以太网/专用网络TCP Protobuf/JSON1 Hz 延迟 2s数据产品原始影像POS后处理工作站SD卡/移动硬盘/网络JPEG/TIFF .SRT或.MRK文件任务结束后导出飞行数据记录数据分析员SD卡/移动硬盘自定义二进制.bin或.tlog飞行结束后导出4.3 数据元素特性以下表格列举了部分关键数据元素的详细特性。数据元素名称定义数据类型度量单位值域/范围精度/分辨率数据来源无人机经度无人机当前WGS-84大地经度双精度浮点数度(°)-180.0 ~ 180.0 (东经为正)1e-7度 (~1.11 cm)GNSS接收机无人机纬度无人机当前WGS-84大地纬度双精度浮点数度(°)-90.0 ~ 90.0 (北纬为正)1e-7度 (~1.11 cm)GNSS接收机相对高度相对于起飞点的高度单精度浮点数米(m)0.0 ~ 最大升限 (e.g., 5000.0)0.1米气压计融合GNSS绝对海拔高WGS-84椭球高或1985国家高程基准高单精度浮点数米(m)-1000.0 ~ 9000.00.1米GNSS接收机/高程数据滚转角无人机绕机体纵轴旋转的角度单精度浮点数度(°)-180.0 ~ 180.00.1度IMU (融合后)俯仰角无人机绕机体横轴旋转的角度单精度浮点数度(°)-90.0 ~ 90.00.1度IMU (融合后)偏航角无人机机头方向与真北的夹角单精度浮点数度(°)0.0 ~ 360.00.1度磁力计/GNSS航向 (融合后)地速无人机相对于地面的水平速度单精度浮点数米/秒(m/s)0.0 ~ 最大设计空速0.1 m/sGNSS电池剩余电量当前电池剩余容量占总容量的百分比无符号8位整数百分比(%)0 ~ 1001%电源管理单元GPS卫星数当前用于定位解算的GPS卫星数量无符号8位整数颗0 ~ 201GNSS接收机水平定位精度因子水平位置精度因子(HDOP)单精度浮点数无量纲≥ 0.0 (越小越好通常2.0)0.01GNSS接收机飞控模式当前飞行控制模式枚举型-{MANUAL, STABILIZE, ALT_HOLD, POS_HOLD, AUTO_MISSION, RTL, ...}-飞控计算机系统状态字表征各子系统状态的位掩码32位无符号整数-每位代表一个子系统状态 (0:正常 1:异常/警告)-各子系统上报照片拍摄时间戳相机曝光时刻的精确时间64位整数 (Unix时间戳)微秒(μs)1970-01-01至今1 μs飞控系统授时照片中心点经度照片中心对应的WGS-84经度双精度浮点数度(°)-180.0 ~ 180.01e-7度GNSS/IMU融合解算4.4 数据容量、存储与保留要求飞行数据记录FDR单次飞行按最大续航时间6小时计产生的原始数据记录容量预计不超过2 GB。应采用循环记录方式本地存储至少最近50次飞行的完整数据。长期数据应可导出至外部存储介质。任务视频流1080P30fps H.264编码的视频流码率约为4 Mbps。连续录制6小时约需10.8 GB存储空间。系统应支持边录边存并具备存储空间不足预警功能。高分辨率照片2000万像素的JPEG照片单张约8 MB。一次测绘任务可能拍摄超过1000张照片需预留至少8 GB的专用存储空间。系统日志文本日志文件每日增量约10-50 MB。应保留至少90天的日志以供审计和排查问题。飞行动态上报数据每秒上报一次每条记录约500字节6小时飞行约产生10.8 MB上报数据。此数据在发送后本地可缓存最近24小时的数据以备核查。4.5 数据预处理与后处理要求实时预处理数据校验对接收到的所有传感器数据进行合理性检查范围检查、变化率检查和CRC校验。数据融合对GNSS、IMU、视觉等数据进行实时融合滤波输出最优估计。坐标转换将GNSS输出的WGS-84经纬高坐标实时转换为任务所需的投影坐标系如UTM坐标。告警判断基于实时数据与预设阈值实时生成系统告警。后处理要求数据导出提供工具将二进制飞行记录.bin/.tlog转换为通用格式如CSV、KML以供第三方软件分析。数据同步提供工具将照片/视频文件与其对应的POS数据.SRT进行时间同步和地理标记。报告生成能基于一次飞行任务的数据自动生成包含飞行轨迹、关键参数曲线、事件统计的PDF格式飞行报告。4.6 数据保密性与私密性要求数据加密所有通过无线信道数据链、4G/5G传输的数据必须使用AES-256或国密算法进行加密。存储在本地的任务规划文件、飞行数据记录中若包含敏感区域信息应支持使用用户密码进行文件级加密。访问控制地面站软件必须实行用户登录和权限管理。只有授权用户才能访问历史飞行数据、导出任务成果。飞行动态数据上报至UOM平台时需使用官方分配的证书进行身份认证。数据脱敏在训练、演示或对外分享数据时应对可能涉及敏感地理位置的信息进行脱敏处理。5 合格性规定对本DRD中所有数据需求的验证将采用以下方法组合进行验证方法适用的数据需求类型具体实施说明检查数据格式、命名规范、存储结构检查配置文件、数据库表结构、文件头定义是否符合文档规定。分析数据流、数据关系、容量估算通过数据流图(DFD)和实体关系图(ERD)分析数据处理的正确性和完整性。审核容量估算的合理性。演示数据输入/输出功能、实时显示现场演示操作员输入指令、查看实时数据、接收视频流等功能是否正常。测试数据精度、频率、延迟、完整性、安全性精度测试对比系统输出的位置数据与高精度差分GPS基准站的差异。频率与延迟测试使用网络分析仪或高精度计时器测试遥测数据更新频率和端到端指令延迟。完整性测试模拟通信中断后恢复检查数据记录是否连续、无丢失。报送测试搭建模拟UOM测试平台验证飞行动态数据格式、频率、加密是否符合MH/T 4053规范。安全测试尝试破解加密数据、越权访问数据存储区。6 需求可追踪性本DRD中的数据需求源自《LE-MF UAS系统/子系统需求规格说明SSS》及《软件需求规格说明SRS》中与数据处理相关的需求。下表展示了部分高层需求到本DRD数据需求的追踪关系上级需求文档需求ID需求描述对应的DRD数据需求追踪关系SSSCAP-001-01系统应能实现高精度定位与导航...3.2.2节 导航状态数据 (经纬度、高度、速度) 4.3节 数据精度要求 (经纬度1e-7度)定义了实现高精度导航所需输入的数据及其精度指标。SSSCAP-002-03系统应记录完整的飞行过程数据用于事后分析...3.4.2节 飞行数据记录(FDR) 4.4节 存储容量要求 (2GB/次 保留50次)定义了飞行数据记录的内容、格式和存储保留策略。SSSCAP-004-05系统必须符合国家无人机监管要求实时上报飞行动态...3.3.3节 飞行动态数据 4.2节 输出要求 (遵循MH/T 4053 1-2秒/次)明确了向监管平台报送的数据内容、格式和频率。SRSSR-001在主地图界面实时显示无人机位置、航向...3.3.1节 综合态势显示数据 4.2节 输出频率 (刷新率≥15Hz)定义了用于态势显示的输出数据及其实时性要求。SRSSR-031自动记录所有接收到的遥测数据、发送的指令...3.4.2节 飞行数据记录(FDR) 4.1节 数据来源 (传感器遥测、操作员指令)定义了被记录的数据来源和内容。IRSIF-EXT-01遵循无人机云系统数据交换协议...3.3.3节 飞行动态数据 4.2节 输出形式/格式 (HTTPSJSON)细化了对外接口所需输出的具体数据元素和协议。7 尚未解决的问题载荷原始数据格式对于特定的新型载荷如高光谱相机、合成孔径雷达其产生的原始数据格式和预处理需求需在载荷详细设计确定后补充。与特定后处理软件的接口系统输出的正射影像、点云等成果数据与第三方专业处理软件如Pix4D, ContextCapture的自动对接数据格式需根据项目实际采购的软件确定。长期数据归档策略超过本地保留期限如90天日志、50次飞行记录的数据的归档、备份、检索机制需在系统运维方案中进一步明确。8 注解UOM无人驾驶航空器一体化综合监管服务平台Unified Operation Management是中国民航局用于无人机运行管理的官方平台。GNSS全球导航卫星系统Global Navigation Satellite System包括GPS、北斗、GLONASS、Galileo等。IMU惯性测量单元Inertial Measurement Unit通常包含加速度计和陀螺仪。FDR飞行数据记录器Flight Data Recorder此处指无人机上记录飞行数据的模块或文件。OSD屏幕显示On-Screen Display指叠加在视频图像上的文字和图形信息。POS位置和姿态系统Position and Orientation System指描述传感器如相机在曝光时刻的空间位置和姿态的参数。CORS连续运行参考站Continuously Operating Reference Stations用于提供网络RTK差分服务。附录A关键数据流示意图--------------------- ------------------------- ----------------------- | 外部世界/传感器 | | LE-MF UAS 系统 | | 外部系统/用户 | --------------------- ------------------------- ----------------------- | | | | 1. 传感器原始数据 | | | (GNSS, IMU, 图像...) | | --------------------------- | | | | | | | 2. 数据融合、处理、记录 | | | (组合导航、健康管理、日志) | | | | | | 3. 控制指令、任务数据 | | | --------------------------- | | | 至无人机执行机构 | | | | | | 4. 监控信息、视频流 | | | --------------------------- | | | 至地面站显示 | | | | | | 5. 飞行动态数据 | | | --------------------------- | | | 至UOM监管平台 | | | | | | 6. 任务成果数据 | | | (影像、点云、报告) | | | --------------------------- | | | 至后处理软件/指挥中心 | | | | | 7. 操作员指令、外部信息 | | | (遥控指令、空管信息) | | --------------------------- | | | | | --------------------- ------------------------- -----------------------附录B飞行动态数据上报报文示例基于MH/T 4053简化{ header: { msg_type: DYNAMIC_INFO, uas_id: CN-LEMF-2024-00001, reg_id: UAS-REG-123456789, manufacturer_code: 91310000MA1FL1K123, timestamp: 20240507T142530.123Z }, body: { position: { longitude: 116.4071234, // 经度 小数点后7位 latitude: 39.9045678, // 纬度 小数点后7位 altitude_ellipsoid: 125.3, // 椭球高 单位米 小数点后2位 altitude_baro: 120.5, // 相对起飞点高度 单位米 height_85: 118.2 // 1985国家高程基准高 单位米 }, velocity: { ground_speed: 15.2, // 地速 单位米/秒 小数点后1位 track_angle: 45.0, // 航迹角 单位度 整数位 vertical_speed: 0.5 // 垂直速度 单位米/秒 }, attitude: { roll: 1.5, pitch: -0.8, yaw: 45.2 }, status: { flight_mode: AUTO_MISSION, gps_sats: 12, hdop: 0.8, // 水平精度因子 小数点后2位 battery_remaining: 78, emergency_code: 0 // 0-正常 } } }附录C飞行数据记录FDR文件结构示例文件头 (128字节): - 魔数 (4字节): LEMF - 版本号 (2字节): 0x0100 - 无人机序列号 (20字节) - 任务ID (32字节) - 开始时间戳 (Unix时间 8字节) - 结束时间戳 (Unix时间 8字节) - 数据流数量 (2字节) - 各数据流描述信息偏移量 (... - 校验和 (4字节) 数据区 (循环记录): [数据块1] - 时间戳增量 (相对于开始时间 微秒 4字节) - 数据流ID (2字节) - 数据长度 (2字节) - 数据载荷 (变长) [数据块2] ... 数据流ID定义: 0x0001: 高频率IMU原始数据 (加速度、角速度) 0x0002: GNSS定位数据 (经纬高、速度、卫星数) 0x0003: 飞控状态与指令 (模式、控制量) 0x0004: 电源状态 (电压、电流、电量) 0x0005: 系统事件 (起飞、降落、模式切换、告警) 0x0006: 载荷触发事件 (拍照、录像开始/结束) 0x0007: 用户指令记录附录D数据字典部分关键数据元素数据项名称标识符存储格式字节序备注经度GPS_LONdoubleLittle-EndianWGS-84 单位度纬度GPS_LATdoubleLittle-EndianWGS-84 单位度相对高度REL_ALTfloatLittle-Endian单位米滚转角ATT_ROLLfloatLittle-Endian单位度 右滚为正俯仰角ATT_PITCHfloatLittle-Endian单位度 抬头为正偏航角ATT_YAWfloatLittle-Endian单位度 0北 90东电池电压BAT_VOLTAGEfloatLittle-Endian单位伏特(V)飞控模式CTRL_MODEuint8_tLittle-Endian枚举值 参见模式定义表系统状态字SYS_STATUSuint32_tLittle-Endian位掩码 每位代表一个子系统