基于DoDAF的天基预警系统体系结构模型研究

简平，邹鹏，熊伟

(1.解放军装备学院 研二队，北京 101416；2.复杂电子系统仿真实验室，北京 101416)

0 引言

与地基、海基、空基预警相比，天基预警系统不受地球曲率的限制，通过星载红外探测器尽早探测到弹道导弹的发射，并将信息迅速传递给地面中心，能够提供更加广阔的监视范围和更长的预警时间，以组织有效的反击[1]。天基预警系统的主要应用之一是弹道导弹防御作战，系统工作过程及其作战应用过程具有复杂性、动态性特点，而且存在大量不确定性信息，我国天基预警系统还没有部署，有必要从顶层设计角度对其进行研究和分析。从体系结构入手是从全局和根本上理解天基预警系统及其作战应用内在规律的途径之一。工程实践表明，体系结构是系统建设的蓝图，体系结构设计是复杂大系统建设中不可缺少的环节，在系统生命周期中发挥以下作用：促进理解与交流、提供决策支持、指导系统开发与集成、数据重用和指导系统运行。

美国国防部体系结构框架(DoDAF)[2]是一种规范化描述体系结构的方法，其定义的体系结构产品构成了体系结构设计的基本语法规则，是设计或开发体系结构的指南。目前，美军已开发了5版体系结构框架，形成一套较为科学、规范的体系结构设计方法，其活用范围从C4ISR领域扩大到国防部各个领域，并被英国、澳大利亚、以色列等国家参照[3-5]。DoDAF 1.0版强调体系结构设计过程中要注重体系结构数据的分析和设计，确保体系结构产品数据之间的一致性，为体系结构数据的重用、比较和集成提供基础，DoDAF 1.5则强调CADM的重要性[6]，到DoDAF 2.0，提出数据与信息视图DIV作为描述体系结构的一方面[7]。在体系结构框架的指导下，以数据为中心是体系结构建模方法的研究方向。

本文在借鉴美国国防部体系结构框架思想，利用Telelogic公司SA软件对天基预警系统应用体系结构开展研究，重点建立了反导作战应用背景下系统的高级作战概念视图OV-1、作战节点连接描述OV-2、信息交换矩阵OV-3、组织关系图OV-4、作战活动模型OV-5、逻辑数据模型OV-7和作战事件跟踪图OV-6c等体系结构模型，对理解系统体系结构、分析系统在反导应用中的作战流程和机理以及对天基预警系统的建设具有一定的参考价值。

1 体系结构建模方法

1.1 以数据为中心的体系结构建模方法

以数据为中心的体系结构建模方法是以体系结构核心实体对象为基础，以数据的分析、数据的收集、数据的描述、数据的存储、数据的管理等过程构成体系结构设计的生命周期。以数据为中心的产品描述不仅需要考虑产品如何实现，同时也要考虑产品数据如何存储、产品之间如何保持一致性等，因此在数据层面上，它可以提供产品之间的数据共享，从而自动生成相应的体系结构产品[8-9]。相对于以往的以产品为中心设计的体系结构，以数据为中心的体系结构具有数据可重用性高、开发效率高的特点，能够保证体系结构产品之间一致性，并可生成体系结构数据报告进行分析。基于活动的建模与分析方法是一种用来描述以信息集成为特点的体系结构建模方法，它使用以数据为中心和以产品为中心相结合的体系结构开发思路[10]。在数据收集、存储等方面，继承了以数据为中心的体系结构设计方法的思想开发体系结构元素和产品，保证了体系结构在数据上的一致性；同时也带有以产品为中心的体系结构设计方法的特点，规定了设计体系结构产品的过程，体系结构表现为图形、表格或文本产品的集合，这些产品是组成体系结构的复杂的数据及数据关系的可视化表现方式，有助于用户的理解和接受。

1.2 核心体系结构元素及关系

体系结构对象可分为3个对象类：实体、联系和属性。实体是体系结构数据存储和处理数据的对象，联系是实体之间的关系，属性是辨别实体和联系对象的特征。体系结构对象相互联系。在作战方面，信息、活动、节点、角色、过程代表手动建立的实体，需求线代表信息之间的联系，活动和信息交换的节点提供需求线的属性，组织是角色、知识技能、角色的能力属性的联合体，系统层面有类似的关系。核心实体的相互关系如图1所示，具体为：

(1) 角色在某一作战节点上执行相应的作战活动；系统在某一系统节点上发挥相应的系统功能的作用。

(2) 作战活动接收和发送信息；数据由系统功能产生、消耗和应用。

(3) 作战活动和作战节点相关联的接口是角色；系统功能和系统节点相关联的接口是系统。

图1 核心体系结构对象之间的关系Fig.1 Relation between the core architecture object

1.3 体系结构建模步骤

以往体系结构建模以概述和总结信息(AV-1)、集成字典(AV-2)、作战节点连接描述(OV-2)、作战信息交换矩阵(OV-3)、作战活动模型(OV-5)、系统接口描述(SV-1)和技术标准概要(TV-1)为最小产品集，在以数据为中心的思想的基础上，除全视角和技术视角外，采用以下体系结构核心建模集：高级作战概念图(OV-1)、作战节点连接描述图(OV-2)、信息交换矩阵(OV-3)、作战活动模型(OV-5)、作战事件跟踪图(OV-6c)、逻辑数据模型(OV-7)等作战视图，系统接口图(SV-1)、系统功能模型(SV-4)、功能活动跟踪矩阵(SV-5)和系统数据交换矩阵(SV-6)等系统视图。通过核心体系结构实体将各个视图模型联系起来，共同构成体系结模型和产品集，如图2所示。

根据核心体系结构模型集，以作战节点-活动-角色、系统功能-系统节点-系统、组织单元-角色-系统为体系结构的设计主线来对体系结构进行建模，其他体系结构内容都必须和它们相对应，并能自动生成相应的体系结构模型，对基于活动的建模过程进行扩展[11]，体系结构建模按以下步骤进行：

(1) 根据国家安全战略、联合作战概念和系统的体系结构使命，创建高级作战概念图OV-1；

(2) 作战层面，首先建立OV-5，OV-2，OV-4，通过关联作战活动、作战节点和角色三者关系，形成OV-3，描述作战信息交换内容和特性，创建逻辑数据模型OV-7，描述体系结构内的信息和数据结构及关系；

(3) 系统层面，首先建立SV-4，SV-1，通过关联系统功能、系统节点和系统三者关系，形成SV-6，描述数据交换内容，然后创建SV-3，描述系统之间的连接关系；

(4) 建立SV-5将作战视图和系统视图联系起来，构建一体化的体系结构模型。

2 作战体系结构视图模型

在反导作战应用背景下建立了以下典型的作战体系结构模型，从作战层面描述天基预警系统。

2.1 高级作战概念图

根据反导作战任务需求，作战想定如下：假定敌方弹道导弹对我方阵地进行袭击，我方实施地基反导作战，作战中的装备实体有：高轨预警系统、低轨预警系统、地基预警雷达、地基跟踪雷达、指控装备、通信装备以及导弹拦截系统。反导作战主要包括以下阶段[12]：

(1) 战前侦测阶段

运用侦察卫星、监视卫星、测绘卫星等对弹道导弹及其发射阵地进行侦测，预先测得导弹的有关参数和发射阵地环境和地形状况，了解敌对方作战意图，特别重视热点地区的侦察。

(2) 早期预警阶段

导弹目标发射升空后，预警卫星探测到导弹目标的尾焰，获取目标红外辐射强度和角测量信息，并将粗略的导弹信息传输给卫星地面接收站，并经过信息处理节点信息处理，初步识别导弹类型，估计导弹飞行的弹道参数，预报导弹落点，通过卫星或光缆将情报传给指挥控制系统。

图2 体系结构模型集Fig.2 Models of architecture

(3) 引导搜索

指控系统将接收到的目标情报进行分析、识别，处理后形成引导搜索信息，传送至地基预警系统，引导其搜索、探测目标。

(4) 跟踪阶段

在引导信息下，低轨预警卫星、地基跟踪雷达对导弹目标进行跟踪。

(5) 拦截阶段

在天基信息支援和上级指令下，由反导武器对敌方导弹进行拦截。根据想定建立高级作战概念图如图3所示。

2.2 作战活动模型

作战活动模型用于描述在实现作战使命和目标的过程中需要完成的作战活动，活动之间的输入/输出(I/O)流，以及体系结构之外源于或止于这些活动的输入/输出流。活动模型一般采用分层结构，对作战活动进行逐级分解，直到满足作战需求所要求的层次为止。在分析需求、作战任务和使命，了解作战环境以及作战资源配置的基础上，建立包括天基预警探测跟踪、天基信息处理和控制、地基预警跟踪、反导指挥控制和拦截作战的分解层次图(OV-5节点树)，如图4所示。对一级分解模型进行分解，活动与活动之间的箭头分别表明了该活动执行所具备的条件、所需的数据信息(输入)、活动执行平台和活动的执行结果(输出)等，得到二级作战活动分解模型(由于篇幅关系其他分解模型没有列出)，如图5所示。

图3 高级作战概念图OV-1Fig.3 High-Level operational concept graphic (OV-1)

2.3 作战节点连接描述图

OV-2描述作战节点、节点的部署以及节点间用于信息交换的需求线，确定信息流动的逻辑网络。天基预警支援下反导体系的作战节点包括高轨预警节点、低轨预警节点、天基预警资源管理和调度节点、预警雷达节点、跟踪雷达节点、通信节点、导弹拦截节点、指挥控制节点，节点之间的信息交换通过需求线表示，如图6所示。

图4 作战活动分解层次图OV-5Fig.4 Operational activity model (OV-5)

图5 二级作战活动分解模型(OV-5)Fig.5 Second level operational activity model (OV-5)

图6 作战节点连接描述图(OV-2)Fig.6 Operational node connectivity description (OV-2)

2.4 组织关系图

通过建立OV-4视图，不仅可显示实现作战过程的军事组织，而且理清在体系结构中的组织之间、组织与角色之间可能存在的各种关系(如指挥控制关系、协调关系)。根据天基预警系统在反导作战中的应用建立如图7所示的组织关系图。天基预警信息支援下地基反导包含天基预警资源管理和调度组织、天基预警系统、地基预警系统、通信卫星系统、反导指控中心和作战单元组织，其中天基预警系统分为高轨预警系统和低轨预警系统组织，地面组织设定地面站测控人员、地面站指挥人员、地面站通信人员情报分析人员、资源调度人员等角色，满足预警信息获取和处理需求，其他组织的设定的角色在图中已经列出。组织之间具有指挥关系、隶属关系在图中标识，组织之间的关系属于协同关系在图中没有标识。

2.5 逻辑数据模型

逻辑数据模型OV-7描述了体系结构领域的系统数据类型及结构，包括数据类型的定义、属性或特征以及相互关系，是支持体系结构之间互通的关键要素。OV-7将与该体系结构领域、使命有关的每一种系统数据类型都定义为实体，这些实体与OV-3中的信息要素以及OV-5中的输入、输出和控制有关。通常OV-7的详细程度取决于体系结构开发的目的和详细程度，论文中只建立较高层次的概念性数据模型。为保证体系结构在数据结构上的一致性，以及体系结构内数据和信息的有效传输，根据系统的装备实体及其之间的信息关系，以IDEF1X为基础，从导弹目标信息、态势信息、指控信息、状态信息、拦截系统状态和预警传感器等方面建立OV-7，如图8所示。

2.6 作战事件跟踪描述

OV-6c用于按照时间顺序检查参与其中的作战节点之间的信息交换，确定交互作用和作战线程，能够对想定中的行动或事件关键序列进行跟踪，确保每个参与作战的节点，能在适当的时间获得必要信息，从而执行指定的活动。OV-6c中消息的信息内容与OV-3作战信息交换矩阵和OV-5作战活动模型中的信息流，以及OV-7逻辑数据模型中的信息实体有关。根据已经建立的OV-5，OV-7和OV-3，建立天基预警信息支援下反导作战事件跟踪描述如图9所示。对天基预警事件进一步细化跟踪描述如图10所示，描述的形式为：发送目标助推段星上预处理信息事件，源作战节点为高轨预警节点，目的节点为卫星地面站。对于事件流：发送目标中段星上预处理信息→发送低轨预警卫星跟踪信息→上报跟踪信息→发送传感器管控指令→发送任务规划信息→传送任务规划信息→发送目标中段星上预处理信息，形成作战事件闭环，主要是为了解决新导弹目标出现情况下低轨预警系统的动态任务规划需求。

图7 组织关系图(OV-4)Fig.7 Organizational relationships chart (OV-4)

图8 逻辑数据模型(OV-7)Fig.8 Logical data model (OV-7)

图9 作战事件跟踪图(OV-6c)Fig.9 Operational event trace description (OV-6c)

2.7 信息交换矩阵

OV-3以表格的形式描述了作战视图中的核心体系结构元素(作战活动、作战节点、信息)之间的关系，即作战视图中谁与谁进行信息交换，信息交换的内容和形式，以及为什么需要这些信息。反导作战具有涉及单元多、空间分布广、信息交换多等特点，所以信息交换矩阵也非常大。因篇幅关系，论文只截取了其中的一部分，表1是作战信息交换矩阵的一部分。表1中源节点和目的节点是同一作战节点表明该节点执行不同的活动，同一个作战活动可能由不同的节点来完成，因此可能对应多条信息交换需求，不同的信息交换可能与同一条需求线有关。节点间的信息交换因信息需求而产生，交换的信息元素存储在OV-7之中，在体系结构数据上保持了一致性。

图10 作战事件跟踪图(2)Fig.10 Operational event trace description (2)

表1 OV-3信息交换矩阵

Table 1 Operational information exchange matrix (OV-3)

信息交换需求源活动源节点目的活动目的节点源节点角色目的节点角色 导弹目标红外图像 目标助推段跟踪 地面站(天基高轨预警节点) 图像信息处理信息处理节点(天基高轨预警节点) 地面站情报分析员 情报分析员(地面组织) 处理后的助推段目标信息 导弹目标确认 信息处理节点(天基高轨预警节点)态势生成指挥控制节点 情报分析员(地面组织)情报分析员 目标跟踪方案和卫星测控指令 规划指令下达 天基预警资源管理和调度节点 接收跟踪指令 地面站(天基低轨预警节点) 资源调度人员 地面站指挥人员 导弹中段目标红外图像 目标中段跟踪 地面站(天基低轨预警节点) 图像信息处理 信息处理节点(天基高轨预警节点) 地面站情报分析员 作战方案(指令信息)目标分配指挥控制节点目标捕获导弹拦截节点作战参谋指挥员 雷达跟踪数据(目标位置) 地基中段跟踪跟踪雷达节点态势生成指挥控制节点 跟踪雷达情报分析员情报分析员拦截系统状态数据装载 导弹拦截节点拦截弹发射导弹拦截节点 雷达情报分析员(制导雷达组织)导弹发射兵…………………

3 结束语

本文基于美国国防部体系结构框架，着重从作战层面建立了天基预警系统应用体系结构模型，从总体上描述了面向反导的天基预警系统的组成和作战过程，明确了反导作战应用需求，活动，角色和信息流等要素之间的相互关系，对更好地了解和掌握天基预警系统的工作原理、节点间信息传输和各分系统的工作状态提供了帮助，为作战决策人员和工程人员提供了提高系统效能、改进作战环节的辅助依据，对于天基预警系统的顶层设计和工程建设具有一定的价值，对于开展其他复杂系统顶层设计研究同样具有一定的借鉴意义。

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