基于DoDAF的天基預警系統體系結構模型研究

簡平，鄒鵬，熊偉

(1.解放軍裝備學院 研二隊，北京 101416；2.復雜電子系統仿真實驗室，北京 101416)

0 引言

與地基、?；?、空基預警相比，天基預警系統不受地球曲率的限制，通過星載紅外探測器盡早探測到彈道導彈的發射，并將信息迅速傳遞給地面中心，能夠提供更加廣闊的監視范圍和更長的預警時間，以組織有效的反擊[1]。天基預警系統的主要應用之一是彈道導彈防御作戰，系統工作過程及其作戰應用過程具有復雜性、動態性特點，而且存在大量不確定性信息，我國天基預警系統還沒有部署，有必要從頂層設計角度對其進行研究和分析。從體系結構入手是從全局和根本上理解天基預警系統及其作戰應用內在規律的途徑之一。工程實踐表明，體系結構是系統建設的藍圖，體系結構設計是復雜大系統建設中不可缺少的環節，在系統生命周期中發揮以下作用：促進理解與交流、提供決策支持、指導系統開發與集成、數據重用和指導系統運行。

美國國防部體系結構框架(DoDAF)[2]是一種規范化描述體系結構的方法，其定義的體系結構產品構成了體系結構設計的基本語法規則，是設計或開發體系結構的指南。目前，美軍已開發了5版體系結構框架，形成一套較為科學、規范的體系結構設計方法，其活用范圍從C4ISR領域擴大到國防部各個領域，并被英國、澳大利亞、以色列等國家參照[3-5]。DoDAF 1.0版強調體系結構設計過程中要注重體系結構數據的分析和設計，確保體系結構產品數據之間的一致性，為體系結構數據的重用、比較和集成提供基礎，DoDAF 1.5則強調CADM的重要性[6]，到DoDAF 2.0，提出數據與信息視圖DIV作為描述體系結構的一方面[7]。在體系結構框架的指導下，以數據為中心是體系結構建模方法的研究方向。

本文在借鑒美國國防部體系結構框架思想，利用Telelogic公司SA軟件對天基預警系統應用體系結構開展研究，重點建立了反導作戰應用背景下系統的高級作戰概念視圖OV-1、作戰節點連接描述OV-2、信息交換矩陣OV-3、組織關系圖OV-4、作戰活動模型OV-5、邏輯數據模型OV-7和作戰事件跟蹤圖OV-6c等體系結構模型，對理解系統體系結構、分析系統在反導應用中的作戰流程和機理以及對天基預警系統的建設具有一定的參考價值。

1 體系結構建模方法

1.1 以數據為中心的體系結構建模方法

以數據為中心的體系結構建模方法是以體系結構核心實體對象為基礎，以數據的分析、數據的收集、數據的描述、數據的存儲、數據的管理等過程構成體系結構設計的生命周期。以數據為中心的產品描述不僅需要考慮產品如何實現，同時也要考慮產品數據如何存儲、產品之間如何保持一致性等，因此在數據層面上，它可以提供產品之間的數據共享，從而自動生成相應的體系結構產品[8-9]。相對于以往的以產品為中心設計的體系結構，以數據為中心的體系結構具有數據可重用性高、開發效率高的特點，能夠保證體系結構產品之間一致性，并可生成體系結構數據報告進行分析。基于活動的建模與分析方法是一種用來描述以信息集成為特點的體系結構建模方法，它使用以數據為中心和以產品為中心相結合的體系結構開發思路[10]。在數據收集、存儲等方面，繼承了以數據為中心的體系結構設計方法的思想開發體系結構元素和產品，保證了體系結構在數據上的一致性；同時也帶有以產品為中心的體系結構設計方法的特點，規定了設計體系結構產品的過程，體系結構表現為圖形、表格或文本產品的集合，這些產品是組成體系結構的復雜的數據及數據關系的可視化表現方式，有助于用戶的理解和接受。

1.2 核心體系結構元素及關系

體系結構對象可分為3個對象類：實體、聯系和屬性。實體是體系結構數據存儲和處理數據的對象，聯系是實體之間的關系，屬性是辨別實體和聯系對象的特征。體系結構對象相互聯系。在作戰方面，信息、活動、節點、角色、過程代表手動建立的實體，需求線代表信息之間的聯系，活動和信息交換的節點提供需求線的屬性，組織是角色、知識技能、角色的能力屬性的聯合體，系統層面有類似的關系。核心實體的相互關系如圖1所示，具體為：

(1) 角色在某一作戰節點上執行相應的作戰活動；系統在某一系統節點上發揮相應的系統功能的作用。

(2) 作戰活動接收和發送信息；數據由系統功能產生、消耗和應用。

(3) 作戰活動和作戰節點相關聯的接口是角色；系統功能和系統節點相關聯的接口是系統。

圖1 核心體系結構對象之間的關系Fig.1 Relation between the core architecture object

1.3 體系結構建模步驟

以往體系結構建模以概述和總結信息(AV-1)、集成字典(AV-2)、作戰節點連接描述(OV-2)、作戰信息交換矩陣(OV-3)、作戰活動模型(OV-5)、系統接口描述(SV-1)和技術標準概要(TV-1)為最小產品集，在以數據為中心的思想的基礎上，除全視角和技術視角外，采用以下體系結構核心建模集：高級作戰概念圖(OV-1)、作戰節點連接描述圖(OV-2)、信息交換矩陣(OV-3)、作戰活動模型(OV-5)、作戰事件跟蹤圖(OV-6c)、邏輯數據模型(OV-7)等作戰視圖，系統接口圖(SV-1)、系統功能模型(SV-4)、功能活動跟蹤矩陣(SV-5)和系統數據交換矩陣(SV-6)等系統視圖。通過核心體系結構實體將各個視圖模型聯系起來，共同構成體系結模型和產品集，如圖2所示。

根據核心體系結構模型集，以作戰節點-活動-角色、系統功能-系統節點-系統、組織單元-角色-系統為體系結構的設計主線來對體系結構進行建模，其他體系結構內容都必須和它們相對應，并能自動生成相應的體系結構模型，對基于活動的建模過程進行擴展[11]，體系結構建模按以下步驟進行：

(1) 根據國家安全戰略、聯合作戰概念和系統的體系結構使命，創建高級作戰概念圖OV-1；

(2) 作戰層面，首先建立OV-5，OV-2，OV-4，通過關聯作戰活動、作戰節點和角色三者關系，形成OV-3，描述作戰信息交換內容和特性，創建邏輯數據模型OV-7，描述體系結構內的信息和數據結構及關系；

(3) 系統層面，首先建立SV-4，SV-1，通過關聯系統功能、系統節點和系統三者關系，形成SV-6，描述數據交換內容，然后創建SV-3，描述系統之間的連接關系；

(4) 建立SV-5將作戰視圖和系統視圖聯系起來，構建一體化的體系結構模型。

2 作戰體系結構視圖模型

在反導作戰應用背景下建立了以下典型的作戰體系結構模型，從作戰層面描述天基預警系統。

2.1 高級作戰概念圖

根據反導作戰任務需求，作戰想定如下：假定敵方彈道導彈對我方陣地進行襲擊，我方實施地基反導作戰，作戰中的裝備實體有：高軌預警系統、低軌預警系統、地基預警雷達、地基跟蹤雷達、指控裝備、通信裝備以及導彈攔截系統。反導作戰主要包括以下階段[12]：

(1) 戰前偵測階段

運用偵察衛星、監視衛星、測繪衛星等對彈道導彈及其發射陣地進行偵測，預先測得導彈的有關參數和發射陣地環境和地形狀況，了解敵對方作戰意圖，特別重視熱點地區的偵察。

(2) 早期預警階段

導彈目標發射升空后，預警衛星探測到導彈目標的尾焰，獲取目標紅外輻射強度和角測量信息，并將粗略的導彈信息傳輸給衛星地面接收站，并經過信息處理節點信息處理，初步識別導彈類型，估計導彈飛行的彈道參數，預報導彈落點，通過衛星或光纜將情報傳給指揮控制系統。

圖2 體系結構模型集Fig.2 Models of architecture

(3) 引導搜索

指控系統將接收到的目標情報進行分析、識別，處理后形成引導搜索信息，傳送至地基預警系統，引導其搜索、探測目標。

(4) 跟蹤階段

在引導信息下，低軌預警衛星、地基跟蹤雷達對導彈目標進行跟蹤。

(5) 攔截階段

在天基信息支援和上級指令下，由反導武器對敵方導彈進行攔截。根據想定建立高級作戰概念圖如圖3所示。

2.2 作戰活動模型

作戰活動模型用于描述在實現作戰使命和目標的過程中需要完成的作戰活動，活動之間的輸入/輸出(I/O)流，以及體系結構之外源于或止于這些活動的輸入/輸出流?；顒幽Ｐ鸵话悴捎梅謱咏Y構，對作戰活動進行逐級分解，直到滿足作戰需求所要求的層次為止。在分析需求、作戰任務和使命，了解作戰環境以及作戰資源配置的基礎上，建立包括天基預警探測跟蹤、天基信息處理和控制、地基預警跟蹤、反導指揮控制和攔截作戰的分解層次圖(OV-5節點樹)，如圖4所示。對一級分解模型進行分解，活動與活動之間的箭頭分別表明了該活動執行所具備的條件、所需的數據信息(輸入)、活動執行平臺和活動的執行結果(輸出)等，得到二級作戰活動分解模型(由于篇幅關系其他分解模型沒有列出)，如圖5所示。

圖3 高級作戰概念圖OV-1Fig.3 High-Level operational concept graphic (OV-1)

2.3 作戰節點連接描述圖

OV-2描述作戰節點、節點的部署以及節點間用于信息交換的需求線，確定信息流動的邏輯網絡。天基預警支援下反導體系的作戰節點包括高軌預警節點、低軌預警節點、天基預警資源管理和調度節點、預警雷達節點、跟蹤雷達節點、通信節點、導彈攔截節點、指揮控制節點，節點之間的信息交換通過需求線表示，如圖6所示。

圖4 作戰活動分解層次圖OV-5Fig.4 Operational activity model (OV-5)

圖5 二級作戰活動分解模型(OV-5)Fig.5 Second level operational activity model (OV-5)

圖6 作戰節點連接描述圖(OV-2)Fig.6 Operational node connectivity description (OV-2)

2.4 組織關系圖

通過建立OV-4視圖，不僅可顯示實現作戰過程的軍事組織，而且理清在體系結構中的組織之間、組織與角色之間可能存在的各種關系(如指揮控制關系、協調關系)。根據天基預警系統在反導作戰中的應用建立如圖7所示的組織關系圖。天基預警信息支援下地基反導包含天基預警資源管理和調度組織、天基預警系統、地基預警系統、通信衛星系統、反導指控中心和作戰單元組織，其中天基預警系統分為高軌預警系統和低軌預警系統組織，地面組織設定地面站測控人員、地面站指揮人員、地面站通信人員情報分析人員、資源調度人員等角色，滿足預警信息獲取和處理需求，其他組織的設定的角色在圖中已經列出。組織之間具有指揮關系、隸屬關系在圖中標識，組織之間的關系屬于協同關系在圖中沒有標識。

2.5 邏輯數據模型

邏輯數據模型OV-7描述了體系結構領域的系統數據類型及結構，包括數據類型的定義、屬性或特征以及相互關系，是支持體系結構之間互通的關鍵要素。OV-7將與該體系結構領域、使命有關的每一種系統數據類型都定義為實體，這些實體與OV-3中的信息要素以及OV-5中的輸入、輸出和控制有關。通常OV-7的詳細程度取決于體系結構開發的目的和詳細程度，論文中只建立較高層次的概念性數據模型。為保證體系結構在數據結構上的一致性，以及體系結構內數據和信息的有效傳輸，根據系統的裝備實體及其之間的信息關系，以IDEF1X為基礎，從導彈目標信息、態勢信息、指控信息、狀態信息、攔截系統狀態和預警傳感器等方面建立OV-7，如圖8所示。

2.6 作戰事件跟蹤描述

OV-6c用于按照時間順序檢查參與其中的作戰節點之間的信息交換，確定交互作用和作戰線程，能夠對想定中的行動或事件關鍵序列進行跟蹤，確保每個參與作戰的節點，能在適當的時間獲得必要信息，從而執行指定的活動。OV-6c中消息的信息內容與OV-3作戰信息交換矩陣和OV-5作戰活動模型中的信息流，以及OV-7邏輯數據模型中的信息實體有關。根據已經建立的OV-5，OV-7和OV-3，建立天基預警信息支援下反導作戰事件跟蹤描述如圖9所示。對天基預警事件進一步細化跟蹤描述如圖10所示，描述的形式為：發送目標助推段星上預處理信息事件，源作戰節點為高軌預警節點，目的節點為衛星地面站。對于事件流：發送目標中段星上預處理信息→發送低軌預警衛星跟蹤信息→上報跟蹤信息→發送傳感器管控指令→發送任務規劃信息→傳送任務規劃信息→發送目標中段星上預處理信息，形成作戰事件閉環，主要是為了解決新導彈目標出現情況下低軌預警系統的動態任務規劃需求。

圖7 組織關系圖(OV-4)Fig.7 Organizational relationships chart (OV-4)

圖8 邏輯數據模型(OV-7)Fig.8 Logical data model (OV-7)

圖9 作戰事件跟蹤圖(OV-6c)Fig.9 Operational event trace description (OV-6c)

2.7 信息交換矩陣

OV-3以表格的形式描述了作戰視圖中的核心體系結構元素(作戰活動、作戰節點、信息)之間的關系，即作戰視圖中誰與誰進行信息交換，信息交換的內容和形式，以及為什么需要這些信息。反導作戰具有涉及單元多、空間分布廣、信息交換多等特點，所以信息交換矩陣也非常大。因篇幅關系，論文只截取了其中的一部分，表1是作戰信息交換矩陣的一部分。表1中源節點和目的節點是同一作戰節點表明該節點執行不同的活動，同一個作戰活動可能由不同的節點來完成，因此可能對應多條信息交換需求，不同的信息交換可能與同一條需求線有關。節點間的信息交換因信息需求而產生，交換的信息元素存儲在OV-7之中，在體系結構數據上保持了一致性。

圖10 作戰事件跟蹤圖(2)Fig.10 Operational event trace description (2)

表1 OV-3信息交換矩陣

Table 1 Operational information exchange matrix (OV-3)

信息交換需求源活動源節點目的活動目的節點源節點角色目的節點角色 導彈目標紅外圖像 目標助推段跟蹤 地面站(天基高軌預警節點) 圖像信息處理信息處理節點(天基高軌預警節點) 地面站情報分析員 情報分析員(地面組織) 處理后的助推段目標信息 導彈目標確認 信息處理節點(天基高軌預警節點)態勢生成指揮控制節點 情報分析員(地面組織)情報分析員 目標跟蹤方案和衛星測控指令 規劃指令下達 天基預警資源管理和調度節點 接收跟蹤指令 地面站(天基低軌預警節點) 資源調度人員 地面站指揮人員 導彈中段目標紅外圖像 目標中段跟蹤 地面站(天基低軌預警節點) 圖像信息處理 信息處理節點(天基高軌預警節點) 地面站情報分析員 作戰方案(指令信息)目標分配指揮控制節點目標捕獲導彈攔截節點作戰參謀指揮員 雷達跟蹤數據(目標位置) 地基中段跟蹤跟蹤雷達節點態勢生成指揮控制節點 跟蹤雷達情報分析員情報分析員攔截系統狀態數據裝載 導彈攔截節點攔截彈發射導彈攔截節點 雷達情報分析員(制導雷達組織)導彈發射兵…………………

3 結束語

本文基于美國國防部體系結構框架，著重從作戰層面建立了天基預警系統應用體系結構模型，從總體上描述了面向反導的天基預警系統的組成和作戰過程，明確了反導作戰應用需求，活動，角色和信息流等要素之間的相互關系，對更好地了解和掌握天基預警系統的工作原理、節點間信息傳輸和各分系統的工作狀態提供了幫助，為作戰決策人員和工程人員提供了提高系統效能、改進作戰環節的輔助依據，對于天基預警系統的頂層設計和工程建設具有一定的價值，對于開展其他復雜系統頂層設計研究同樣具有一定的借鑒意義。

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