基于DoDAF的新型空间平台航天试验体系结构建模*

刘盛铭 冯书兴 裴 东

1.装备学院研究生管理大队，北京 101416 2.装备学院训练部, 北京 101416



基于DoDAF的新型空间平台航天试验体系结构建模*

刘盛铭1冯书兴2裴 东1

1.装备学院研究生管理大队，北京 101416 2.装备学院训练部, 北京 101416

在深入研究新型空间平台航天试验活动的相关资料基础上，依据美国国防部体系结构框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)，并基于体系结构软件(System Architect，SA)设计了新型空间平台航天试验体系的试验视图，利用SA Simulator对OV-6a视图进行仿真，分析了试验流程及角色资源利用率，结果表明测控能力对新型空间平台航天试验具有重要影响。以上工作对开展新型空间平台航天试验、建设新型空间平台装备体系具有一定意义。 关键词 新型空间平台；航天试验体系；DoDAF

近十年来，美国等世界强国研究提出了轨道快车、快速响应空间航天器及X37B等多种多样的新型空间平台，并开展了一系列的航天试验[1-2]。2010～2015年，美国先后发射了4次X37B轨道试验飞行器。2012年，俄罗斯用于可重复使用空天飞行系统(俄文首字母是MAKS)的载机首架样机安-225试飞成功[3]，除此之外，印度和日本等国也在积极研制用于可执行作战任务的新型空间平台。可见，以X37B，MAKS为代表的新型空间平台已是世界各军事强国竞相发展的航天装备之一，具有可重复使用、小型低成本、载荷类型多样和军民两用等特点。

1 新型空间平台航天试验体系

新型空间平台航天试验体系是指围绕新型空间平台入轨、在轨和返回等试验活动而在一定约束条件下由功能相互独立、操作互有交织的各种系统综合集成的复杂航天系统。作为航天强国，美国之所以能够在新型空间平台的“高端游戏”中取得世界领先的成绩，除了超过了半个世纪积累的国家航天工业技术和经验外，本国建设的航天试验体系在X40A，X37B等可重复使用新型空间平台试验任务中也发挥了至关重要的作用。根据相关资料，参与美国X37B航天试验的主要单位如表1所示，这些单位是美国新型空间平台航天试验体系的部分试验机构，担负的工作涵盖了新型空间平台的发射、测控、在轨试验、返回着陆和试验指挥等任务活动。

表1 X37B航天试验单位

在体系工程领域中，DoDAF是典型实用、世界领先的体系结构框架代表，其应用背景清晰明确，视角和模型较为完整，能够使各类人员共享体系结构开发信息从而做出高效的系统建设决策[4]，受到航天领域系统设计人员的重视与应用[5]。在基于DoDAF的常用实现工具中，IBM公司的SA软件不仅能对体系结构建模，还能仿真系统流程，对流程规

则的逻辑性和合理性验证具有较强操作性，因而应用范围较广[6-7]。关于DoDAF设计的方法与步骤，已有大量文献进行了研究，在此不再赘述。

2 试验视图设计与实现

首先在SA中创建试验概念图OV-1、试验活动分解树OV-5a、组织关系图OV-4、试验资源流描述OV-2中的试验节点，然后通过规划(试验活动，试验节点，试验角色)三元组的关联矩阵，并利用SA创建OV-2，接着建立试验规则模型OV-6a，最后基于SA Simulator对OV-6a的流程进行仿真，分析了角色资源利用率。

2.1 试验概念图OV-1

通过研究美国X37B的3次航天试验相关资料，设计试验概念图OV-1，如图1所示，图中实线代表实体之间的通信关系，虚线代表实体之间的任务关系。OV-1用图形化方法展示了新型空间平台航天试验体系的总体情况，简要描述了体系架构和各个系统的相互联系。

图1 试验概念图OV-1

2.2 试验活动分解树OV-5a

OV-5a描述了为完成一项使命任务或业务目标而开展的活动、活动之间的输入输出流以及体系结构的外围活动[8]。在试验概念图OV-1的基础上，结合新型空间平台试验环境、资源配置及试验任务等内容，建立了火箭发射、测量控制、在轨试验、返回着陆和试验指挥等航天试验活动的节点树模型，如图2所示。

2.3 组织关系图OV-4

OV-4用于描述体系结构任务参与方的组织关系及其角色，可反映出任务中不同组织类型之间的指挥结构。创建新型空间平台航天试验的OV-4并配备相关角色，如图3左上所示，图中黑点表示未显示的试验活动，这些活动关联着试验任务中的角色。

图2 试验活动分解树OV-5a

2.4 试验资源流描述OV-2

OV-2从逻辑上描述了试验节点之间的信息、人员、资金等资源流，有选择地标明试验节点之间的相关活动和人员，表达“谁来做”、“做什么”的内容。根据试验概念图OV-1，利用SA创建试验资源流描述OV-2中的试验节点(图3左下所示)，通过规划(试验活动，试验节点，试验角色)三元组关联矩阵(图3右上所示)，SA可自动生成OV-2中的试验资源流描述需求线。从图3的OV-2可知，在地面节点中，试验指挥部、通信站和测控中心的需求线较为密集，这说明在新型空间平台航天试验活动中以上3个节点的工作量相对较多。

2.5 试验规则模型OV-6a

OV-1至OV-5试验视图对体系中各个节点、活动、角色及相互关系的静态结构进行建模，但只有加入了时间、顺序等表示动态行为的特征后，开发人员才能深刻理解新型空间平台航天试验体系的一些关键特征。

OV-6a代表了完成任务的执行“规则”，描述了新型空间平台试验任务的执行流程。它可以分为3个等级：使命级，包括国家战略、条令指南和首长指示等；任务级，包括试验指令下达、试验计划制定等；行动级，包括节点、角色在特定条件下的行为规则，例如，以文本形式表示“如果某些条件许可，并且某些事件发生，那么某些主体应采取某些行动”。显然，详细的行动级试验规则将非常复杂，且规则本身受人员操作、任务调度和指挥关系等因素影响，较前两者具有更强的动态性。因此，在达到描述新型空间平台航天试验动态特性的前提下，基于SA设计了任务级OV-6a，如图4所示，图中黑点表示未显示的行为单元(Unit of Behavior，UOB)信息。

OV-6a是在试验概念图OV-1的基础上，结合试验活动模型OV-5a的试验活动，从试验指挥部发出试验指令的角度，使用过程流描述语言对试验流程进行描述。其中，各交汇点的含义是：J1表示试验指挥部向发射场、测控中心、靶场及着陆场下达任务预先号令；J2表示在发射场和测控中心试验指令的共同作用下，火箭运送新型空间平台入轨；J3汇合空间目标信息和测控指令至各类卫星；J4汇合新型空间平台入轨和各类卫星的试验指令；J5表示测控中心向运载火箭、各类信息服务卫星及新型空间平台返回时发出的试验指令；试验指令经过J6后，新型空间平台开始某项在轨试验；J7表示此项试验结束；J8汇合试验活动结束指令和测控中心指令，表示新型空间平台开始返回地面；J9汇合试验指挥新型空间平台开始返回地面；J9汇合试验指挥部和新型空间平台在轨释放的试验指令，并传至靶场；J10汇合试验指挥部和新型空间平台返回的试验指令，并传至着陆场；J11汇合靶场和着陆场的试验指令后，试验任务结束。

图3 组织关系图OV-4和试验资源流描述OV-2

图4 试验规则模型OV-6a

这些逻辑关系已在SA中得到了验证，如图4右侧验证报告的横线所示。

3 仿真分析

SA Simulator可对OV-6a的流程结构进行仿真。考虑到试验人员在航天试验活动发挥重要作用这一实际情况，仿真中对OV-6a的UOB分配了试验角色，并通仿真程序运行，考察试验角色在OV-6a所设计流程结构中的使用情况。仿真参数设置由表2所示。

表2 OV-6a仿真参数设置

表3 Resource分配情况

图5 Object生成情况

在表2中，Process中的Resource代表了OV-2中定义的所有角色，为了便于比较角色资源利用率，设置角色可用数量是一个较大的数，如50，且每一角色都是全天工作，这样，仿真中Process处理的Object就不会积压。

在表3中，通过对试验地基等部门的调研，设置各角色的人员数量，考虑到OV-6a中测控中心涉及到的逻辑关系较多，为测控中心分配的人员数量也是最多的。仿真运行界面如图6上侧所示，角色资源利用率如图6下侧所示。

图6 SA Simulator仿真及结果

在图6上侧，方框1表示当前时刻每一角色可供使用的数量，方框2是SA Simulator统计角色在各个Process的平均利用率，为14.66%，这表明试验体系拥有足够人员数量处理Object。在图6下侧，除去通信人员外，方框3中的角色资源利用率相对较高，而这些角色关联着测控中心所对应的Process。由此可见，在发射场、测控中心、靶场、着陆场Process处理能力相同的仿真假设下，尽管为测控中心分配了较多的人员，但其角色资源利用率仍然较高，这说明了测控中心在新型空间平台航天试验体系中具有重要作用，测控能力对新型空间平台航天试验任务的完成具有重要影响。

除此之外，图6所示的仿真结果可为整个试验体系进行人员配备提供一定的参考。

4 结论

以X37B，MAKS为代表的新型空间平台已是世界各军事强国竞相发展的航天装备之一，其任务开展离不开航天试验体系的支持。基于DoDAF研究了新型空间平台的航天试验体系结构，建立了试验概念图OV-1、试验资源流描述OV-2、试验资源流矩阵OV-3、组织关系图OV-4、试验活动分解树OV-5a和试验规则模型OV-6a，基于SA Simulator对OV-6a的流程进行仿真并分析了角色的资源利用率，其结果表明测控中心在新型空间平台航天试验体系中具有重要作用，测控能力对新型空间平台航天试验任务的完成具有重要影响。

[1] 于小红,王杰娟.新型空间平台发展模式探析[J].装备学院学报,2012,23(4):1.(Yu Xiaohong, Wang Jiejuan.Analysis on Developming Modes of New Space-based Platforms[J].Journal of Academy of Equipment, 2012,23(4):1.)

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[3] 王春生,赵苿秋.“X-37斯基”高调回归(下)[J].环球军事,2013,4(291):45-47.(Wang Chunsheng, Zhao Moqiu. X-37-vsky is coming back[J].Global Military,2013,4(291):45-47.)

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[8] Department of Defense. DoD Architecture Framework Version 2.0 Volume2: Architectural Data and Models[M]. US: Department of Defense,2009:162-175.

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

*总装某技术项目(2013XXXXA0008)

2015-03-16

刘盛铭(1986-)，男，湖南永州人，博士研究生，主要研究方向为航天试验指挥；冯书兴(1963-)，男，河南南阳人，教授，博士，博士生导师，主要研究方向为航天力量建设与运用；裴 东(1985-)，男，湖北襄阳人，博士研究生，主要研究方向为体系评估。

V57

A

1006-3242(2016)02-0080-06