基于UPDM的空天協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析與建模

陳 超

(國(guó)防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410072)

0 引 言

海上移動(dòng)目標(biāo)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律難以琢磨預(yù)測(cè)，一般采用概率論等統(tǒng)計(jì)知識(shí)對(duì)其潛在運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行描述、估計(jì)。衛(wèi)星對(duì)海上移動(dòng)目標(biāo)的觀測(cè)通常由電子偵察衛(wèi)星偵測(cè)目標(biāo)信號(hào)，之后調(diào)用光學(xué)衛(wèi)星對(duì)區(qū)域位置進(jìn)行拍照，完成對(duì)目標(biāo)的初次觀測(cè)，然而兩次衛(wèi)星觀測(cè)間隔時(shí)間長(zhǎng)，難以保障對(duì)目標(biāo)的時(shí)效要求；無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)載荷觀測(cè)視場(chǎng)范圍窄，需事先指定搜索區(qū)域，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行地毯式搜索，耗費(fèi)資源較多[1]。

針對(duì)空天兩類觀測(cè)平臺(tái)的不足，將兩者的能力進(jìn)行結(jié)合，設(shè)計(jì)空天協(xié)同對(duì)海上移動(dòng)目標(biāo)跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)，保障特定用戶對(duì)海上移動(dòng)目標(biāo)的觀測(cè)保障需求。

UPDM(The Unified Profile for DoDAF and MODAF)是一種基于UML、SysML以及SoaML 的概要文件擴(kuò)展，服務(wù)于MODAF和DoDAF等體系建模語(yǔ)言[2-4]。UPDM 的元模型為不同的體系結(jié)構(gòu)框架中的平衡分析、模型運(yùn)行、需求跟蹤和系統(tǒng)開發(fā)執(zhí)行提供了共同的基礎(chǔ)，使信息可以在體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行交換。國(guó)內(nèi)現(xiàn)采用的武器裝備體系統(tǒng)一建模平臺(tái)(The Unified Platform of Defense Model，UPDM)其底層依托的是UPDM建模語(yǔ)言，支持DoDAF和MODAF等多種體系結(jié)構(gòu)建模標(biāo)準(zhǔn)[5-7]。本文下述所用UPDM簡(jiǎn)寫代表的是裝備體系統(tǒng)一建模平臺(tái)。

UPDM可以構(gòu)建空天協(xié)同對(duì)海上移動(dòng)目標(biāo)跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)模型，通過統(tǒng)一建模語(yǔ)言完整描述系統(tǒng)體系架構(gòu)模型，利用解耦有限狀態(tài)機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可執(zhí)行性。利用UPDM與SysML建模語(yǔ)言的歸一化特點(diǎn)，可以較完善地描述系統(tǒng)體系及內(nèi)部功能流程，螺旋上升式地循環(huán)考察體系模型的正確性[7]。

1 UPDM建模方法

武器平臺(tái)論證工具是新一代的裝備體系結(jié)構(gòu)建模與驗(yàn)證平臺(tái)，遵循現(xiàn)代系統(tǒng)工程思想和方法，基于模型驅(qū)動(dòng)體系架構(gòu)[8]和體系架構(gòu)驅(qū)動(dòng)論證的方式，按照體系架構(gòu)框架標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建立裝備體系的可執(zhí)行模型，通過高層概念仿真來(lái)論證、校核需求和模型，從而保證論證的正確性。

UPDM提供了自動(dòng)生成快速概念演示模型的能力，在論證和需求分析階段，借助作戰(zhàn)概念演示模型和系統(tǒng)概念演示模型，論證人員、系統(tǒng)分析人員與用戶進(jìn)行溝通，確認(rèn)作戰(zhàn)需求與系統(tǒng)總體需求。

UPDM還集成了系統(tǒng)體系架構(gòu)、作戰(zhàn)概念與場(chǎng)景以及驗(yàn)證系統(tǒng)體系架構(gòu)方法的設(shè)計(jì)和開發(fā)工具，利用SysML描述了裝備系統(tǒng)體系架構(gòu)，利用順序圖可視化仿真技術(shù)完成模型的活性、協(xié)調(diào)性和時(shí)間特性的驗(yàn)證；在此基礎(chǔ)上，通過作戰(zhàn)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)裝備體系架構(gòu)的行為模型，可視化仿真裝備系統(tǒng)的運(yùn)行，完成系統(tǒng)的作戰(zhàn)概念、系統(tǒng)體系架構(gòu)、系統(tǒng)的主要功能驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)體系架構(gòu)以及系統(tǒng)關(guān)鍵特征的檢驗(yàn)、測(cè)試和評(píng)估[9]。UPDM既支持體系架構(gòu)靜態(tài)結(jié)構(gòu)與接口的檢驗(yàn)分析，可以完成對(duì)模型的靜態(tài)檢查功能，對(duì)所有畫好的模型圖進(jìn)行靜態(tài)語(yǔ)法檢查，排除邏輯描述的錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率；還可以支持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)邏輯與行為的驅(qū)動(dòng)論證，支持通過方案的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)分析進(jìn)行設(shè)計(jì)論證，支持系統(tǒng)缺陷的自動(dòng)捕獲，缺陷定位及優(yōu)化提示[10]。UPDM的內(nèi)部概要文件(UPDM Profile)[2][11]描述如圖1所示。

圖1 UPDM內(nèi)部概要文件Fig. 1 UPDM profile

近兩年來(lái)，美國(guó)及北約歐洲國(guó)家陸、海、空軍及工業(yè)部門，如雷神、洛克希德、格魯曼公司，均運(yùn)用該平臺(tái)進(jìn)行作戰(zhàn)體系及武器平臺(tái)的論證。對(duì)美國(guó)國(guó)防部作戰(zhàn)概念論證應(yīng)用案例的解析表明，該平臺(tái)已經(jīng)成為西方軍隊(duì)作戰(zhàn)體系和武器平臺(tái)論證的核心工具。

UPDM主要由UPDM Architect、UPDM Designer、UPDM Developer等三部分組成[10,11]。

其中，UPDM Developer以UML語(yǔ)言為核心，支持DoDAF元模型(Metamodel)，是支持DoDAF框架應(yīng)用的基礎(chǔ)，是模型驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)可執(zhí)行框架建模，可以生成C/C++/Java代碼。

UPDM Designer是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的體系架構(gòu)模塊，提供了高級(jí)的可視化建模環(huán)境，使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)可視化開發(fā)語(yǔ)言SysML來(lái)無(wú)歧義地表述系統(tǒng)構(gòu)架、設(shè)計(jì)和行為，詳細(xì)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。

UPDM Architect是一個(gè)體系分析、評(píng)價(jià)與論證模塊，支持復(fù)雜的裝備體系建模，支持DoDAF/MODAF，支持裝備復(fù)雜行為建模，支持以殺傷鏈為核心的體系效能評(píng)估?？梢詫?duì)復(fù)雜指控、通訊系統(tǒng)進(jìn)行需求分析、系統(tǒng)建模與動(dòng)態(tài)驗(yàn)證。

2 空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)體系描述

2.1 高級(jí)作戰(zhàn)概念視圖研究

高級(jí)作戰(zhàn)概念視圖是對(duì)空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的總體設(shè)計(jì)，主要描述各個(gè)體系要素、資源的地理分布等內(nèi)容，還描述應(yīng)用任務(wù)與環(huán)境以及其他外部系統(tǒng)的相互關(guān)系。作戰(zhàn)構(gòu)想圖通常采用圖形方式描述，也可以是帶有文字說明的多媒體。與特定使命相關(guān)的目標(biāo)、資源以及作戰(zhàn)單元等可以用不同圖符來(lái)表示，對(duì)象之間的連接關(guān)系可以用直線表示，說明對(duì)象之間的信息流、完成任務(wù)的目標(biāo)和順序。

圖2 高級(jí)作戰(zhàn)概念視圖Fig. 2 High level operational concept

空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)海上移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，如圖2所示。衛(wèi)星負(fù)責(zé)太空觀測(cè)，將獲取到的信息傳回給地面控制中心，地面控制中心派遣高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)前往相關(guān)海域，衛(wèi)星觀測(cè)為無(wú)人機(jī)觀測(cè)提供目標(biāo)指示，協(xié)同無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。

2.2 系統(tǒng)體系組成

參考空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)高級(jí)概念圖，并與未來(lái)空天協(xié)同一體化、 扁平化趨勢(shì)相結(jié)合， 空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該由地面控制中心、高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、光學(xué)成像衛(wèi)星系統(tǒng)、電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)以及目標(biāo)艦船等外部環(huán)境組成，具體如圖 3所示。

圖3 空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)組成圖Fig. 3 Composition of aerospace cooperative observation system

3 空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)體系建模

3.1 系統(tǒng)活動(dòng)圖研究

系統(tǒng)的活動(dòng)模型是從系統(tǒng)的使命任務(wù)出發(fā)，描述為完成該使命任務(wù)所需進(jìn)行的活動(dòng)以及各活動(dòng)之間的關(guān)系。需要說明的是該視圖除了描述體系要素內(nèi)部的活動(dòng)、活動(dòng)之間的信息流外，還應(yīng)該描述與體系要素外部活動(dòng)之間的信息流。具體作戰(zhàn)活動(dòng)的描述粒度，需要根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的和要求確定，可采用逐步分解和細(xì)化的方式描述。

空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)的活動(dòng)圖如圖 4所示。首先，目標(biāo)行駛在某片海域，電子偵察衛(wèi)星每次過頂都會(huì)對(duì)指定海域進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)信息回傳給地面控制中心。地面控制中心接收衛(wèi)星觀測(cè)信息后，會(huì)對(duì)當(dāng)前區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行分析甄別，判斷有無(wú)可疑目標(biāo)闖入某片海域：當(dāng)目標(biāo)為可疑目標(biāo)時(shí)，則需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)偵察觀測(cè)；反之，則不作處理，不采取行動(dòng)。地面控制中心發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)后，會(huì)制定相應(yīng)的光學(xué)成像衛(wèi)星目標(biāo)觀測(cè)計(jì)劃以及無(wú)人機(jī)的觀測(cè)計(jì)劃，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拍照識(shí)別。光學(xué)成像衛(wèi)星對(duì)按照計(jì)劃對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拍照，信息回傳。無(wú)人機(jī)接收到地面控制中心的指令后，分析當(dāng)前情況，確定無(wú)人機(jī)的飛行計(jì)劃，派遣無(wú)人機(jī)前往指定海域?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)目標(biāo)設(shè)定為遠(yuǎn)海目標(biāo)，因而無(wú)人機(jī)不能在較短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域。在無(wú)人機(jī)巡航途中，衛(wèi)星會(huì)多次過頂目標(biāo)區(qū)域，地面控制中心接收衛(wèi)星信息，分析目標(biāo)的當(dāng)前位置等有益信息，將信息發(fā)送給無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)進(jìn)行在線自主規(guī)劃。當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后，展開搜索，當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)入跟蹤觀測(cè)，并將觀測(cè)信息回傳給地面控制中心。

圖4 空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)活動(dòng)圖Fig. 4 Activity of aerospace cooperative observation system

3.2 系統(tǒng)交互關(guān)系圖研究

在可執(zhí)行模型運(yùn)行過程中，為了保證能反應(yīng)真實(shí)物理世界的運(yùn)行情況，還必須與仿真模型進(jìn)行交互，以獲取仿真模型運(yùn)行的相關(guān)結(jié)果參數(shù)(包括航天偵察設(shè)備的偵察結(jié)果、指揮單元的決策結(jié)果等)。

在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，在UPDM的信息流圖OV-2(operational resource flow description)中描述了模型間的關(guān)系，通過調(diào)取事件函數(shù)，將各個(gè)模型連接起來(lái),圖 5描述了模型間的關(guān)系。目標(biāo)艦船的信息同電子偵察衛(wèi)星、光學(xué)成像衛(wèi)星以及高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)都有信息連接；衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)等觀測(cè)設(shè)備將所觀測(cè)到的信息回傳給地面控制中心；地面控制中心對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)發(fā)送目標(biāo)信息，協(xié)同衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)跟蹤觀測(cè)。

3.3 系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)研究

依據(jù)空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)，分析目標(biāo)艦船、光學(xué)觀測(cè)衛(wèi)星、電子偵察衛(wèi)星、地面控制中心以及高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)等各個(gè)實(shí)體模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述說明系統(tǒng)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，引起狀態(tài)改變的事件以及轉(zhuǎn)態(tài)之間的關(guān)系。

圖5 空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)信息交互圖Fig. 5 Interaction of aerospace cooperative observation system

地面控制中心是指控單元，擔(dān)負(fù)著決策任務(wù)：需要判斷光學(xué)成像衛(wèi)星是否需要詳查；需要判斷無(wú)人機(jī)何時(shí)起飛；需要判斷無(wú)人機(jī)采取何種搜索方式；需要得出指控決策延時(shí)等問題。具體設(shè)計(jì)如圖 6所示。

圖6 地面控制中心狀態(tài)圖Fig. 6 State of control center

3.4 系統(tǒng)時(shí)序圖研究

作戰(zhàn)事件時(shí)序主要提供了在特定的環(huán)境下，空天協(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)體系中各相關(guān)節(jié)點(diǎn)之間或節(jié)點(diǎn)內(nèi)部事件發(fā)生和信息交互的時(shí)間排序。通過對(duì)任務(wù)或活動(dòng)過程的不斷細(xì)化，可以使得事件的順序關(guān)系、信息交換流程更加清晰、準(zhǔn)確。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可根據(jù)體系所承擔(dān)的使命和任務(wù)以及體系設(shè)計(jì)的要求，選用多個(gè)不同的場(chǎng)景描述作戰(zhàn)事件序列?？仗靺f(xié)同對(duì)海觀測(cè)系統(tǒng)事件包括作戰(zhàn)命令下達(dá)、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、情況上報(bào)等。

對(duì)于上述流程可以初步分為三個(gè)階段，即預(yù)判階段、搜索階段、上報(bào)階段,如圖 7所示。

圖7 系統(tǒng)時(shí)序圖Fig. 7 Sequence of system

在預(yù)判階段，衛(wèi)星等航天偵察設(shè)備按照其運(yùn)行規(guī)則，對(duì)某指定區(qū)域進(jìn)行周期性回看。當(dāng)在指定區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)后，地面控制中心會(huì)讓航天偵察設(shè)備進(jìn)行持續(xù)觀察以及詳細(xì)觀測(cè)，并進(jìn)行決策。地面控制中心綜合所獲取的其他信息，判斷可疑目標(biāo)的意圖，并決定是否派出高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)對(duì)其進(jìn)行抵近偵察以及派出幾架無(wú)人機(jī)。

在搜索階段主要需要完成搜索任務(wù)。當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)可疑區(qū)域時(shí)，根據(jù)地面控制中心提供的目標(biāo)信息，分析目標(biāo)的潛在區(qū)域，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索。無(wú)人機(jī)編隊(duì)根據(jù)已獲得的信息，規(guī)劃出若干路徑對(duì)目標(biāo)進(jìn)行一次遍歷，完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別定位。

在上報(bào)階段，無(wú)人機(jī)對(duì)所有目標(biāo)進(jìn)行一次搜索后，會(huì)對(duì)發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)整理上報(bào)給地面控制中心，并轉(zhuǎn)入對(duì)目標(biāo)的跟蹤觀測(cè)中，持續(xù)不斷地回傳目標(biāo)的觀測(cè)信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)海上移動(dòng)目標(biāo)觀測(cè)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)，維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益?？仗靺f(xié)同對(duì)海上移動(dòng)目標(biāo)跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)涉及多個(gè)實(shí)體，包含電子偵察衛(wèi)星、光學(xué)成像衛(wèi)星、地面控制中心、目標(biāo)艦船以及高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)等。利用基于UPDM的系統(tǒng)工程方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)建模研究，通過分析系統(tǒng)的高級(jí)概念圖與系統(tǒng)組成，構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)部活動(dòng)圖、內(nèi)部實(shí)體交互關(guān)系圖、各實(shí)體狀態(tài)圖以及系統(tǒng)的時(shí)序圖，可以有效地實(shí)現(xiàn)從體系結(jié)構(gòu)模型到仿真應(yīng)用的綜合集成。通過研究武器裝備體系統(tǒng)一建模平臺(tái)(UPDM)的理論，對(duì)空天協(xié)同對(duì)海上移動(dòng)目標(biāo)跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，驗(yàn)證了系統(tǒng)的內(nèi)部流程以及UPDM在系統(tǒng)建模與仿真中的有效性與實(shí)用性。

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