劉盛銘 馮書興 裴 東

1.裝備學(xué)院研究生管理大隊(duì)，北京 101416 2.裝備學(xué)院訓(xùn)練部, 北京 101416

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基于DoDAF的新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)建模*

劉盛銘1馮書興2裴 東1

1.裝備學(xué)院研究生管理大隊(duì)，北京 101416 2.裝備學(xué)院訓(xùn)練部, 北京 101416

在深入研究新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)活動(dòng)的相關(guān)資料基礎(chǔ)上，依據(jù)美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)，并基于體系結(jié)構(gòu)軟件(System Architect，SA)設(shè)計(jì)了新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)體系的試驗(yàn)視圖，利用SA Simulator對(duì)OV-6a視圖進(jìn)行仿真，分析了試驗(yàn)流程及角色資源利用率，結(jié)果表明測(cè)控能力對(duì)新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)具有重要影響。以上工作對(duì)開展新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)、建設(shè)新型空間平臺(tái)裝備體系具有一定意義。 關(guān)鍵詞 新型空間平臺(tái)；航天試驗(yàn)體系；DoDAF

近十年來(lái)，美國(guó)等世界強(qiáng)國(guó)研究提出了軌道快車、快速響應(yīng)空間航天器及X37B等多種多樣的新型空間平臺(tái)，并開展了一系列的航天試驗(yàn)[1-2]。2010～2015年，美國(guó)先后發(fā)射了4次X37B軌道試驗(yàn)飛行器。2012年，俄羅斯用于可重復(fù)使用空天飛行系統(tǒng)(俄文首字母是MAKS)的載機(jī)首架樣機(jī)安-225試飛成功[3]，除此之外，印度和日本等國(guó)也在積極研制用于可執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的新型空間平臺(tái)?？梢?jiàn)，以X37B，MAKS為代表的新型空間平臺(tái)已是世界各軍事強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的航天裝備之一，具有可重復(fù)使用、小型低成本、載荷類型多樣和軍民兩用等特點(diǎn)。

1 新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)體系

新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)體系是指圍繞新型空間平臺(tái)入軌、在軌和返回等試驗(yàn)活動(dòng)而在一定約束條件下由功能相互獨(dú)立、操作互有交織的各種系統(tǒng)綜合集成的復(fù)雜航天系統(tǒng)。作為航天強(qiáng)國(guó)，美國(guó)之所以能夠在新型空間平臺(tái)的“高端游戲”中取得世界領(lǐng)先的成績(jī)，除了超過(guò)了半個(gè)世紀(jì)積累的國(guó)家航天工業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)外，本國(guó)建設(shè)的航天試驗(yàn)體系在X40A，X37B等可重復(fù)使用新型空間平臺(tái)試驗(yàn)任務(wù)中也發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。根據(jù)相關(guān)資料，參與美國(guó)X37B航天試驗(yàn)的主要單位如表1所示，這些單位是美國(guó)新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)體系的部分試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，擔(dān)負(fù)的工作涵蓋了新型空間平臺(tái)的發(fā)射、測(cè)控、在軌試驗(yàn)、返回著陸和試驗(yàn)指揮等任務(wù)活動(dòng)。

表1 X37B航天試驗(yàn)單位

在體系工程領(lǐng)域中，DoDAF是典型實(shí)用、世界領(lǐng)先的體系結(jié)構(gòu)框架代表，其應(yīng)用背景清晰明確，視角和模型較為完整，能夠使各類人員共享體系結(jié)構(gòu)開發(fā)信息從而做出高效的系統(tǒng)建設(shè)決策[4]，受到航天領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的重視與應(yīng)用[5]。在基于DoDAF的常用實(shí)現(xiàn)工具中，IBM公司的SA軟件不僅能對(duì)體系結(jié)構(gòu)建模，還能仿真系統(tǒng)流程，對(duì)流程規(guī)

則的邏輯性和合理性驗(yàn)證具有較強(qiáng)操作性，因而應(yīng)用范圍較廣[6-7]。關(guān)于DoDAF設(shè)計(jì)的方法與步驟，已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行了研究，在此不再贅述。

2 試驗(yàn)視圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

首先在SA中創(chuàng)建試驗(yàn)概念圖OV-1、試驗(yàn)活動(dòng)分解樹OV-5a、組織關(guān)系圖OV-4、試驗(yàn)資源流描述OV-2中的試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)規(guī)劃(試驗(yàn)活動(dòng)，試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)角色)三元組的關(guān)聯(lián)矩陣，并利用SA創(chuàng)建OV-2，接著建立試驗(yàn)規(guī)則模型OV-6a，最后基于SA Simulator對(duì)OV-6a的流程進(jìn)行仿真，分析了角色資源利用率。

2.1 試驗(yàn)概念圖OV-1

通過(guò)研究美國(guó)X37B的3次航天試驗(yàn)相關(guān)資料，設(shè)計(jì)試驗(yàn)概念圖OV-1，如圖1所示，圖中實(shí)線代表實(shí)體之間的通信關(guān)系，虛線代表實(shí)體之間的任務(wù)關(guān)系。OV-1用圖形化方法展示了新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)體系的總體情況，簡(jiǎn)要描述了體系架構(gòu)和各個(gè)系統(tǒng)的相互聯(lián)系。

圖1 試驗(yàn)概念圖OV-1

2.2 試驗(yàn)活動(dòng)分解樹OV-5a

OV-5a描述了為完成一項(xiàng)使命任務(wù)或業(yè)務(wù)目標(biāo)而開展的活動(dòng)、活動(dòng)之間的輸入輸出流以及體系結(jié)構(gòu)的外圍活動(dòng)[8]。在試驗(yàn)概念圖OV-1的基礎(chǔ)上，結(jié)合新型空間平臺(tái)試驗(yàn)環(huán)境、資源配置及試驗(yàn)任務(wù)等內(nèi)容，建立了火箭發(fā)射、測(cè)量控制、在軌試驗(yàn)、返回著陸和試驗(yàn)指揮等航天試驗(yàn)活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)樹模型，如圖2所示。

2.3 組織關(guān)系圖OV-4

OV-4用于描述體系結(jié)構(gòu)任務(wù)參與方的組織關(guān)系及其角色，可反映出任務(wù)中不同組織類型之間的指揮結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)的OV-4并配備相關(guān)角色，如圖3左上所示，圖中黑點(diǎn)表示未顯示的試驗(yàn)活動(dòng)，這些活動(dòng)關(guān)聯(lián)著試驗(yàn)任務(wù)中的角色。

圖2 試驗(yàn)活動(dòng)分解樹OV-5a

2.4 試驗(yàn)資源流描述OV-2

OV-2從邏輯上描述了試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息、人員、資金等資源流，有選擇地標(biāo)明試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)之間的相關(guān)活動(dòng)和人員，表達(dá)“誰(shuí)來(lái)做”、“做什么”的內(nèi)容。根據(jù)試驗(yàn)概念圖OV-1，利用SA創(chuàng)建試驗(yàn)資源流描述OV-2中的試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)(圖3左下所示)，通過(guò)規(guī)劃(試驗(yàn)活動(dòng)，試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)角色)三元組關(guān)聯(lián)矩陣(圖3右上所示)，SA可自動(dòng)生成OV-2中的試驗(yàn)資源流描述需求線。從圖3的OV-2可知，在地面節(jié)點(diǎn)中，試驗(yàn)指揮部、通信站和測(cè)控中心的需求線較為密集，這說(shuō)明在新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)活動(dòng)中以上3個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作量相對(duì)較多。

2.5 試驗(yàn)規(guī)則模型OV-6a

OV-1至OV-5試驗(yàn)視圖對(duì)體系中各個(gè)節(jié)點(diǎn)、活動(dòng)、角色及相互關(guān)系的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，但只有加入了時(shí)間、順序等表示動(dòng)態(tài)行為的特征后，開發(fā)人員才能深刻理解新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)體系的一些關(guān)鍵特征。

OV-6a代表了完成任務(wù)的執(zhí)行“規(guī)則”，描述了新型空間平臺(tái)試驗(yàn)任務(wù)的執(zhí)行流程。它可以分為3個(gè)等級(jí)：使命級(jí)，包括國(guó)家戰(zhàn)略、條令指南和首長(zhǎng)指示等；任務(wù)級(jí)，包括試驗(yàn)指令下達(dá)、試驗(yàn)計(jì)劃制定等；行動(dòng)級(jí)，包括節(jié)點(diǎn)、角色在特定條件下的行為規(guī)則，例如，以文本形式表示“如果某些條件許可，并且某些事件發(fā)生，那么某些主體應(yīng)采取某些行動(dòng)”。顯然，詳細(xì)的行動(dòng)級(jí)試驗(yàn)規(guī)則將非常復(fù)雜，且規(guī)則本身受人員操作、任務(wù)調(diào)度和指揮關(guān)系等因素影響，較前兩者具有更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性。因此，在達(dá)到描述新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)動(dòng)態(tài)特性的前提下，基于SA設(shè)計(jì)了任務(wù)級(jí)OV-6a，如圖4所示，圖中黑點(diǎn)表示未顯示的行為單元(Unit of Behavior，UOB)信息。

OV-6a是在試驗(yàn)概念圖OV-1的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)活動(dòng)模型OV-5a的試驗(yàn)活動(dòng)，從試驗(yàn)指揮部發(fā)出試驗(yàn)指令的角度，使用過(guò)程流描述語(yǔ)言對(duì)試驗(yàn)流程進(jìn)行描述。其中，各交匯點(diǎn)的含義是：J1表示試驗(yàn)指揮部向發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控中心、靶場(chǎng)及著陸場(chǎng)下達(dá)任務(wù)預(yù)先號(hào)令；J2表示在發(fā)射場(chǎng)和測(cè)控中心試驗(yàn)指令的共同作用下，火箭運(yùn)送新型空間平臺(tái)入軌；J3匯合空間目標(biāo)信息和測(cè)控指令至各類衛(wèi)星；J4匯合新型空間平臺(tái)入軌和各類衛(wèi)星的試驗(yàn)指令；J5表示測(cè)控中心向運(yùn)載火箭、各類信息服務(wù)衛(wèi)星及新型空間平臺(tái)返回時(shí)發(fā)出的試驗(yàn)指令；試驗(yàn)指令經(jīng)過(guò)J6后，新型空間平臺(tái)開始某項(xiàng)在軌試驗(yàn)；J7表示此項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)束；J8匯合試驗(yàn)活動(dòng)結(jié)束指令和測(cè)控中心指令，表示新型空間平臺(tái)開始返回地面；J9匯合試驗(yàn)指揮新型空間平臺(tái)開始返回地面；J9匯合試驗(yàn)指揮部和新型空間平臺(tái)在軌釋放的試驗(yàn)指令，并傳至靶場(chǎng)；J10匯合試驗(yàn)指揮部和新型空間平臺(tái)返回的試驗(yàn)指令，并傳至著陸場(chǎng)；J11匯合靶場(chǎng)和著陸場(chǎng)的試驗(yàn)指令后，試驗(yàn)任務(wù)結(jié)束。

圖3 組織關(guān)系圖OV-4和試驗(yàn)資源流描述OV-2

圖4 試驗(yàn)規(guī)則模型OV-6a

這些邏輯關(guān)系已在SA中得到了驗(yàn)證，如圖4右側(cè)驗(yàn)證報(bào)告的橫線所示。

3 仿真分析

SA Simulator可對(duì)OV-6a的流程結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真?？紤]到試驗(yàn)人員在航天試驗(yàn)活動(dòng)發(fā)揮重要作用這一實(shí)際情況，仿真中對(duì)OV-6a的UOB分配了試驗(yàn)角色，并通仿真程序運(yùn)行，考察試驗(yàn)角色在OV-6a所設(shè)計(jì)流程結(jié)構(gòu)中的使用情況。仿真參數(shù)設(shè)置由表2所示。

表2 OV-6a仿真參數(shù)設(shè)置

表3 Resource分配情況

圖5 Object生成情況

在表2中，Process中的Resource代表了OV-2中定義的所有角色，為了便于比較角色資源利用率，設(shè)置角色可用數(shù)量是一個(gè)較大的數(shù)，如50，且每一角色都是全天工作，這樣，仿真中Process處理的Object就不會(huì)積壓。

在表3中，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)地基等部門的調(diào)研，設(shè)置各角色的人員數(shù)量，考慮到OV-6a中測(cè)控中心涉及到的邏輯關(guān)系較多，為測(cè)控中心分配的人員數(shù)量也是最多的。仿真運(yùn)行界面如圖6上側(cè)所示，角色資源利用率如圖6下側(cè)所示。

圖6 SA Simulator仿真及結(jié)果

在圖6上側(cè)，方框1表示當(dāng)前時(shí)刻每一角色可供使用的數(shù)量，方框2是SA Simulator統(tǒng)計(jì)角色在各個(gè)Process的平均利用率，為14.66%，這表明試驗(yàn)體系擁有足夠人員數(shù)量處理Object。在圖6下側(cè)，除去通信人員外，方框3中的角色資源利用率相對(duì)較高，而這些角色關(guān)聯(lián)著測(cè)控中心所對(duì)應(yīng)的Process。由此可見(jiàn)，在發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控中心、靶場(chǎng)、著陸場(chǎng)Process處理能力相同的仿真假設(shè)下，盡管為測(cè)控中心分配了較多的人員，但其角色資源利用率仍然較高，這說(shuō)明了測(cè)控中心在新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)體系中具有重要作用，測(cè)控能力對(duì)新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)任務(wù)的完成具有重要影響。

除此之外，圖6所示的仿真結(jié)果可為整個(gè)試驗(yàn)體系進(jìn)行人員配備提供一定的參考。

4 結(jié)論

以X37B，MAKS為代表的新型空間平臺(tái)已是世界各軍事強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的航天裝備之一，其任務(wù)開展離不開航天試驗(yàn)體系的支持。基于DoDAF研究了新型空間平臺(tái)的航天試驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)，建立了試驗(yàn)概念圖OV-1、試驗(yàn)資源流描述OV-2、試驗(yàn)資源流矩陣OV-3、組織關(guān)系圖OV-4、試驗(yàn)活動(dòng)分解樹OV-5a和試驗(yàn)規(guī)則模型OV-6a，基于SA Simulator對(duì)OV-6a的流程進(jìn)行仿真并分析了角色的資源利用率，其結(jié)果表明測(cè)控中心在新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)體系中具有重要作用，測(cè)控能力對(duì)新型空間平臺(tái)航天試驗(yàn)任務(wù)的完成具有重要影響。

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Aerospace Test System Architecture Modeling of New Space Platform Based on DoDAF

Liu Shengming1, Feng Shuxing2, Pei Dong1

1. Graduate Management Department of Equipment Academy, Beijing 101416, China 2. Training Department of Equipment Academy, Beijing 101416, China

Anin-depthstudyonrelevantmaterialsaboutaerospacetestactivitiesofnewspaceplatformarestudiedinthispaper.Accordingtothedefensearchitectureframework(DoDAF),testviewsofaerospacetestsystemfornewspaceplatformaredesignedfirstlybysystemarchitect(SA).Then,theOV-6aviewissimulatedbySAsimulatorandthetestprocessisanalyzedaswellastheroles’resourceutilization.Itisindicatedthattheabilityofrangeandcontrolplaysanimportantroleinaerospacetestofnewspaceplatform.Theseworksarehelpfultoconducttheaerospacetestofnewspaceplatformandestablishtheequipmentsystemfornewspaceplatform.

Newspaceplatform;Aerospacetestsystem; DoDAF

*總裝某技術(shù)項(xiàng)目(2013XXXXA0008)

2015-03-16

劉盛銘(1986-)，男，湖南永州人，博士研究生，主要研究方向?yàn)楹教煸囼?yàn)指揮；馮書興(1963-)，男，河南南陽(yáng)人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楹教炝α拷ㄔO(shè)與運(yùn)用；裴 東(1985-)，男，湖北襄陽(yáng)人，博士研究生，主要研究方向?yàn)轶w系評(píng)估。

V57

A

1006-3242(2016)02-0080-06