無人機飛控軟件開發質量監督方法研究

無人機飛控系統是無人機系統控制的核心，對于一個實用的飛控系統來說，除了配置必要（充分考慮余度配置和控制）的硬件外，還必須有相應完善可靠的軟件支持（隨硬件不同而不同）。為了實現無人機飛控系統的各項控制功能，其軟件通常由以下幾部分組成：飛行控制程序、操作系統、故障診斷程序、支持軟件等。飛行控制程序軟件主要由飛控系統自檢模塊、控制律計算模塊、數據管理模塊、余度管理功能模塊、安全控制模塊、管理執行程序等組成；操作系統軟件包括飛行控制程序軟件地面設計編程與檢查、飛控計算機與地面檢測設備接口控制軟件，操作系統通常存儲在地面檢測設備里；故障診斷程序軟件主要用來控制檢測無人機配置的所有硬件技術狀態的軟件，通常也存儲在地面檢測設備里；支持軟件，在確定的開發計算機上控制實現匯編、宏處理、參數列表打印、輸入/輸出和連接編輯等軟件，是開發飛控計算機的非常重要手段。

現代無人機飛控系統是在飛控計算機的支持下工作的，它的可靠性主要取決于飛控軟件的質量特性。為了提高無人機飛控軟件質量，避免軟件存在這樣那樣的錯誤，如軟件故障、軟件錯誤、軟件缺陷等，除嚴格按照軟件工程方法進行軟件開發外，還必須對其整個壽命周期進行監督。

無人機飛控軟件開發質量現狀分析

無人機飛控軟件開發中存在的主要問題

（1）頂層管理薄弱

某些無人機制造商對飛控軟件產品質量的特點、軟件生命周期的特殊性認識和重視度不足，導致無人機裝備飛控軟件沒有產品標識，沒有獨立的經費核算，沒有脫離硬件傳統的驗收程序，系統項目計劃進度安排與軟件活動周期不完全吻合。這些飛控軟件頂層管理的缺點，將影響無人機裝備飛控軟件的開發質量。

（2）需求分析不明確

使飛控軟件質量難于把握的一個重要因素就是軟件需求分析不明確。軟件不同于一般產品，它是一種不可見的復雜邏輯實體。如何準確充分地確定需求，使其真正反映用戶的意圖，是一項非常重要的工作。這項工作面臨的困難主要有兩個方面：一方面，不同型號的無人機裝備，其飛控軟件設計有不同的技術方法、業務流程，專業領域的多樣化也決定了軟件開發人員對無人機裝備軟件需求的理解遠不如對文字處理、做圖等專業應用軟件理解深刻、全面；另一方面，在無人機裝備軟件的前期設計中往往難以直接面對最終用戶進行深入、有效地溝通和交流，交互不充分讓設計人員難以準確捕獲、把握具體無人機裝備的具體軟件需求，從而導致需求模糊，為以后需求變更埋下隱患。

（3）開發計劃不確定

無人機項目計劃進度的不確定影響了軟件活動安排。無人機軟件的運行載體是無人機裝備的硬件平臺，這也決定了無人機裝備軟件與一般商業軟件在開發周期上的差異，即無人機裝備軟件開發不是一個獨立的進程，很大程度上依賴于無人機硬件設備的開發周期，這也就增加了無人機裝備軟件開發進度的不確定性，飛控軟件開發計劃需要經常參照無人機硬件平臺的完成時間做動態調整，計劃跟不上變化幾乎成了無人機飛控軟件開發計劃的通病。

（4）測試效果不理想

無人機飛控軟件測試對于軟件質量的監督作用未能得到有效發揮。軟件測試是無人機飛控軟件質量保證的關鍵因素，代表了對無人機飛控軟件規約、設計和編碼的最終檢查。但現狀卻是軟件測試組織不完善、測試工具不齊全等，即使交由第三方測試機構進行專門的無人機裝備軟件測試，也往往因為領域、認知的差異造成飛控軟件測試不充分，測試結果偏離實際的度量數據，反映不出真實的質量水平。

（5）軟件文檔質量不高

文檔與設計開發嚴重脫節為飛控軟件質量埋下了隱患。造成這個問題的原因多種多樣，有的是軟件開發管理人員往往更關心項目開發的成本和進度，因為成本和進度是顯而易見的，感覺編寫飛控軟件文檔是浪費人力成本；有的是設計人員對開發文檔的重要性認識不夠，設計存在隨意性，造成了實際開發與文檔不符；也有的是在開發過程中改動頻繁且又未嚴格執行更改程序，改動沒有反饋到文檔，使文檔和開發之間出現了偏差；再有就是沒有飛控軟件的有關文、物一致性的監督機制，客觀上放任了這種現象的滋生。而這些問題對飛控軟件質量產生的危害都會在飛控軟件的改進完善、升級維護、設計人員流動等情況下逐漸暴露和顯現出來。

無人機飛控軟件開發質量影響分析

無人機裝備飛控軟件開發過程的質量問題在需求描述、模型設計、編碼、測試、更改、維護等整個軟件壽命周期的任何一個環節上都可能出現，飛控軟件的高風險在很大程度上源于軟件的“錯誤放大模型，及需求分析階段、概要設計階段、詳細設計階段、編碼/測試階段，不僅會接受到上一個階段產生的錯誤，還會對這些錯誤進行放大。

為了減少飛控軟件質量問題，不僅需要在無人機飛控軟件工程活動的每一個階段都設置軟件質量保證活動，相當于產品流水線每一道工序的質量都要把關。最重要的是要嚴把無人機裝備方案設計、飛控軟件需求分析審查關，在源頭上將設計錯誤扼殺在萌芽狀態，以防止錯誤被放大傳遞到下一階段。

提高無人機裝備飛控軟件開發過程質量的策略

制定并嚴格執行飛控軟件質量保證計劃

為了保證每個無人機項目飛控軟件質量目標的實現，需要制定出一個飛控軟件質量保證計劃，以明確軟件質量目標、軟件質量保證所需要的活動內容、軟件開發工作的質量標準以及軟件產品質量有關的組織、角色和責任，以保證計劃中細化和量化預期的質量改進目標。

堅持飛控軟件評審制度

飛控軟件評審并不只是在飛控軟件開發完畢后進行，而是在飛控軟件開發的各個階段都要進行評審。這是由于飛控軟件開發的各個階段都可能產生錯誤，如果這些錯誤不及時發現糾正，錯誤會不斷地擴大，最后可能導致整個項目的顛覆性失敗。飛控軟件開發過程按階段大致可分為：軟件需求分析、軟件設計（包括概要設計、詳細設計）、代碼編制、系統集成、單元測試、軟件部件測試、軟件驗收等6個階段。階段評審是在飛控軟件生命周期各個階段完成以后，對飛控軟件項目的工作成果或階段成果進行評審。通過評審可以發現飛控軟件功能、邏輯或實現方面的錯誤，可以驗證飛控軟件是否滿足用戶的需求。例如在需求定義結束后，要進行飛控軟件功能描述的評審工作；在概要設計結束后，要進行概要設計的評審工作；在詳細設計結束后，要進行詳細設計的評審工作；在業務測試結束后，要進行操作的可接受性評審。評審工作多以評審會議的形式進行，評審會議要有飛控軟件使用者（無人機采購方或使用方）參與，會議結束時必須要做出以下決策之一：飛控軟件產品已滿足要求，不需要修改；由于有嚴重錯誤，要繼續修改完善；到目前為止所交付的軟件產品尚能滿足需求。會上所提出的每一個問題都要進行記錄，在評審會議結束前產生一個評審問題表，并形成評審簡要報告作為開發過程中的文檔資料進行保存。

盡可能采用先進軟件設計技術

先進的技術方法可以保證飛控軟件開發過程進度，提高軟件質量，如面向對象和基于構件的方法。面向對象的方法強調類、封裝和繼承，能提高飛控軟件的可重用性，將錯誤和缺陷局部化，同時還有利于用戶的參與，這些對飛控軟件質量都大有益處。基于構件的開發方法是將編制好的“構件”插入已做好的框架中，從而形成一個大型軟件，構件時可重用的軟件模塊，構建既可以自己開發，也可以使用其他項目的開發成果，或者直接向軟件供應商購買，因此，基于構件的開發方法又被稱為“即插即用編程”方法。當發現某個構件不符合要求時，可對其進行修改而不會影響其他構件，也不會影響系統功能的實現和測試。

統籌規劃飛控軟件測試工作

軟件測試是軟件開發的一個重要環節，同時也是軟件質量保證的一個重要環節。通過測試，可以發現軟件中存在的問題并提出修改方案，改進軟件質量。軟件測試的目的有三個：一是尋找軟件程序錯誤；二是尋找與用戶需求不一致和存在的缺陷；三是以較少時間和人力找出軟件潛在的各種錯誤和缺陷，以確保系統的質量。軟件測試一般包括單元測試、集成測試、確認測試、和系統測試（綜合測試），如果測試結果與預期結果不一致，則很可能是發現了系統中的錯誤。做好測試工作要事先制定測試計劃和編制測試用例，確定測試范圍、方法和所需要的資源等。在測試過程中要詳細描述與每個測試方案有關的測試步驟和數據（包括測試數據及預期的結果）。每次測試的結果要詳細記錄、歸入文檔，如果運行出錯，則應當產生問題報告，并且必須進行修改以解決所發現的問題。

飛控軟件測試過程與步驟

在軟件測試認證之前，要建立無人機飛控系統軟件規范和標準，并在整個飛控軟件開發過程中嚴格按照執行且對軟件進行驗證和確認，這是保證飛控軟件開發過程中不出錯或少出錯的重要舉措。軟件驗證是在測試或模擬環境下執行程序和發現錯誤的過程，目的是驗證顯示軟件是否正確實現和滿足規范和標準，是否存在設計和結構技術錯誤或缺陷；軟件確認是在給定的實際系統中執行軟件程序，通常是在軟件綜合測試階段進行，目的是確認全系統（包括軟硬件）是否正確實現和滿足規范與標準的所有性能指標，是否存在錯誤或缺陷，例如，無人機在作綜合測試時，就可以測試無人機自主導航段程序是否按預定的航線飛行、舵面動作是否正確、油門動作是否正確、傳感器管理和遙控指令封鎖是否正確等邏輯功能和邏輯時序。

當然，無人機飛控軟件的驗證和確認的最有力手段是實際測試。實際測試可以看作是驗證軟件程序正確性的一種試驗方法，目的是找出軟件中殘留的缺陷并修正它。實際測試時，為了避免測試的局限性，應邀請相關人員（研制方、用戶或第三方）參與進行。軟件測試方法多種多樣，主要有功能測試和結構測試兩種。前者僅是從軟件口上測試軟件的功能，所以又稱為“黑箱測試”；后者是按軟件結構進行測試，以檢查它的狀態是否與預期的相符，因此又稱為“白箱測試”。軟件測試過程大體上可分為單元測試、整體測試和最后階段的有效性測試或集成測試3個階段。測試時還要區分軟件的類型，如關鍵級、重要級、一般級等，要針對每個級別的重要性而采取不同的驗證活動和相應的保證措施。此外，軟件驗證和確認通常需要一些專用工具和程序軟件，例如計算機測試程序，飛控軟件測試時要根據無人機采用的計算機類型、數據總線和編程語言等實際情況選用。

軟件確認就是要證實開發的設備和系統是否滿足整個無人機系統的要求。無人機的飛控軟件確認應在模擬真實環境下測試機載硬件和軟件的功能，以證明全系統功能確實達到了設計規范和要求。軟件測試通常可分模塊測試和程序驗證、程序確認、系統確定和飛行測試等四級：（1）模塊測試和程序驗證。無人機飛控軟件程序為了方便測試，一般都根據其不同的功能采用模塊化方式編制，如導航模塊、遙控遙測模塊、回收模塊等。此時測試是驗證模塊編碼的功能，然后將模塊綜合到主 程序中，再對程序進行測試，檢查確認其運行是否符合設計要求的運行方式。（2）程序確認。無人機飛控硬件包括傳感器（如陀螺平臺、大氣計算機等）、處理計算機、數據總線、執行機構（如舵面舵機、油門舵機等）等，這些硬件的工作需要相關的軟件來組織和控制。此階段的測試是在模擬環境下采用相關儀器對硬件和硬件相關的軟件點對點工作的確認。（3）系統確定。此階段測試要完成全機半實物仿真測試，軟件仿真要有最大可能的逼真度，機載硬件要全部參與或要用盡可能多的硬件。無人機開發時要建立物理模擬試驗臺（如像美國的“鐵鳥”試驗臺）。在試驗臺上進行測試實物仿真測試，完成了全機系統綜合測試的同時實現了的軟硬件功能測試。對于關鍵級程序要進行多次仿真，以保證確實沒有差錯，如對于無人機自主導航段程序，應多次設計不同的航路、航點并把不同航路航點的數據（經緯度、高度）裝訂給飛控計算機，進行多次半實物仿真，以測試該段軟件的邏輯功能、航路解算、航路切入以及無人機舵面動作、油門動作等工作情況是否正確、合理。（4）飛行測試。飛行測試只有在全系統地面檢查通過的條件下才能進行。因此，飛行測試前要對全系統進行全面的充分的檢查，在全部的硬件和軟件仿真測試中不能存在任何故障。此外在飛行測試前，應采用軍工產品綜合試驗與評價等武器裝備研制新策略方法，詳細制定飛行測試計劃和方案，盡可能驗證所設計的無人機的所有飛行狀態的控制規律、邏輯功能、邏輯時序、任務設備的工作性能，以減少飛行測試次數，從而減少無人機研制成本和風險。

文檔是一個軟件產品的重要組成部分，高質量、完善的文檔是保證軟件質量的必要條件，是軟件易于使用和維護的基礎，也是目前很多軟件開發過程中經常被忽視的部分。建立文檔不是一個孤立的過程，它與軟件開發各階段是同步的。一方面，文檔提供給與開發有關的所有部門及用戶，作為開發部門之間以及與用戶間的交流信息；另一方面，可用來進行項目進度的控制。在整個飛控軟件壽命周期中，各種文檔作為半成品或最終產品，會不斷地生成、修改或補充。為了得到高質量的飛控軟件產品，必須加強對飛控軟件文檔的管理。

吸收用戶參與

飛控軟件使用者（無人機使用方）的參與對飛控軟件項目非常重要。通常的方法是在項目組中需要有用戶方面的人員參與，特別在需求調研和需求分析階段，需要用戶的高度參與才能達到階段的目標。在需求調研階段，經常性地開需求討論會，并要邀請用戶參與。在需求審核階段，更是需要得到用戶的明確確認。在項目的后期，及早與用戶溝通，對項目的驗收、測試方法進行必要的準備。對某些未能按照用戶要求完成的功能，必須及早與用戶進行溝通，避免影響驗收。

結束語

無人機裝備軟件質量對無人機裝備的作用是毋庸置疑的，無人機裝備飛控軟件研制中存在的質量問題也是不容忽視的，如何科學地預防軟件質量問題，提高質量水平已經是無人機裝備飛控軟件研制中的當務之急。

（責任編輯：朱赫）