基于模型的战斗机航电系统能力需求分析方法

詹志娟，胡盛华，李兵飞，周庆

（中国航空无线电电子研究所，上海200233）

基于模型的战斗机航电系统能力需求分析方法

詹志娟，胡盛华，李兵飞，周庆

（中国航空无线电电子研究所，上海200233）

根据联合能力集成与开发系统（JCIDS）的思想介绍了作战体系需求的分析过程，提出了一套基于体系结构设计的能力需求获取方法；其次，以空空拦截任务想定为例，采用能力需求获取方法，进行建模分析；最后，初步形成航电系统能力需求。表明基于模型的系统能力需求分析方法是合理有效的，为系统能力需求分析方法提供一种新的研究思路。

需求分析，DoDAF，航电系统，功能建模

0　引言

现代战争已经从机械化作战快速转变为以信息化、网络化、体系化为中心的作战模式，战场中的信息获取、传输、处理和对抗均成为新的特殊战斗力，高技术武器装备在战场得到广泛的应用，使得现代战争范围迅速扩展到外层空间、电磁空间和信息空间，形成陆、海、空、天、电、网、信息和认知的多维一体战场环境。其中空中力量尤其重要，它决定了是否能够获得制空权、快速反应以及对地攻击等，有人战斗机是空中力量的主宰，其性能情况直接影响战争的效果。而航电系统是战斗机的神经中枢，先进的航电系统能够提高战斗机的作战能力和生存能力。为了设计出作战性能好的航电系统，需要先分析出满足未来作战装备的航电系统需求。本文主要探讨基于作战体系结构的航电系统需求分析方法，并以实例出发，以美军体系结构框架DoDAF为基础，进行体系功能建模，获取航电系统的需求信息。

1　基于能力需求的分析方法

1.1基于能力需求的分析思想

为了有效地完成从需求提出到研发生产整个过程的管理，美国国防部将“需求产生制定”（RequirementsGenerationSystem，RGS）作为三大决策保障制度之一，确定各军兵种到底需要什么武器装备。在RGS中，主要通过任务需求书和作战要求文件表述需求。2003年8月，美军国防部的JCIDS（Joint Capability Integration and Development System，联合能力集成与开发系统）取代了RGS，强调以联合作战为核心的能力建设，核心是一种自顶向下战略指导的能力确认方法学，形成一套军事能力需求分析方法和流程。

基于能力的需求开发过程，是指根据联合作战构想和联合作战概念，确定联合作战能力需求，并在各军种领域探索作战能力的实现手段。基于能力的需求分析过程重点关注能力层次的集成，然后再以能力需求驱动军事信息系统的发展。

1.2基于体系结构设计的需求获取方法

体系结构是系统各组成单元的结构，它们之间的关系以及指导其设计和随时间演化的原则与指南，能够指导系统开发人员详细设计系统。基于体系结构设计的装备体系需求获取方法以美国国防部体系结构框架［1］（Department of DefenseAr-chitecture Framework，DoDAF）为基础，从作战体系、装备系统和技术等多方面来获取需求，实现作战需求向装备系统需求的映射，将作战任务活动中提取的能力需求和作战体系中作战装备系统的功能需求一一对应，通过体系能力牵引功能设计，整个需求获取和分析过程对应于体系结构产品设计过程，符合基于能力和自顶向下的思想［2］。该方法的建模流程如图1所示。

图1　基于体系结构装备体系需求获取方法

装备需求分析需要确定系统节点、系统功能和系统等3种角色之间的映射关系，需要提取能力需求，需要实施需求验证。基本步骤如下：

（1）根据作战需求分析中的作战任务活动图OV-5，针对每个活动所需系统的功能进行分析，建立系统功能描述结构图（SV-4）；

（2）参考作战需求分析中的作战节点连接图OV-2，明确系统并划分系统节点，建立系统组成图（SV-1）；

（3）根据SV-1和SV-4，将系统功能映射到装备系统节点上，建立系统节点功能与作战活动映射矩阵（SV-5）；

（4）建立系统事件跟踪描述（SV-10c）和系统状态转移描述（SV-10b），通过模型动态执行验证结构模型的正确性和完整性。

2　基于DoDAF的航电系统能力需求分析

2.1某一空空拦截任务场景简介

20XX年，红蓝双方发生军事冲突，蓝方出动2架F-22飞机，欲袭击红方的航空兵机场，红方地面天波超视距雷达旅向上级指挥所报告观测到有空中目标。红方地面指挥中心在接收到目标信息后，立即下达作战命令，4架歼击机编队和电子攻击机接到命令立刻完成起飞，红方预警机继续对蓝方进行跟踪探测，歼击机编队长机采取被动探测，待蓝方飞机触发探测后，红方电子攻击机截获敌机信息，并将蓝方飞机信息发送给编队长机，红方长机通过机间链分享给僚机。同时，红方电子攻击机对蓝方飞机进行电子干扰。随后，红方编队长机做攻击准备，触发探测进行精确跟踪，跟踪完成后发射导弹，同时对僚机发送控制命令，由僚机对导弹进行控制和导引，导弹击中目标后，红方长机对蓝方飞机毁伤进行评估，并生成评估报告发送给预警机，预警机确认任务完成后，预警机将返航计划同时发送给长机、僚机和电子攻击机，在预警机的引导下红方飞机编队和电子攻击机退出战斗完成返场着陆［3-4］。

2.2空空拦截任务的航电系统功能建模分析

根据图1所示，针对空空拦截任务，想要获取红方歼击机航电系统需求，首先需要对作战任务进行分析，然后对歼击机的航电系统进行功能需求分析，最后根据现有装备的系统性能，找出性能差距，形成功能解决方案，并且完善航电系统能力需求。

针对空空拦截任务想定，使用装备体系统一论证平台（UPDM-Unified Platformfor Defense Model-ing）作为建模工具，采用基于DoDAF体系结构设计方法对作战想定进行功能建模仿真，歼击机可以被简化为航电系统和武器能力系统的综合，航电系统包括：数据获取系统、战场态势认知系统、战术决策系统、综合管理系统［5-6］。

2.2.1建立系统功能描述图SV-4

根据1.2中的装备需求分析的步骤，通过参考任务分析阶段的作战活动图（OV-5），将作战需求分析中的作战活动与系统功能对应，建立系统功能描述图（SV-4）。针对本文的方法，选择了作战活动中关键的6个作战活动进行分析，分别是：分析作战计划活动、无源探测活动、综合识别活动、电子干扰活动、发射导弹活动和毁伤观察活动等系统功能图。如图2所示，描述的是实现发射导弹活动的系统功能图。图中“fn”标识的为系统功能。其中，“Realize”表示实现关系，表示系统的多个功能来支撑一个作战活动。

图2　发射导弹

2.2.2建立系统组成视图SV-1

SV-1视图如图3所示，它描述了参与作战的系统组成，以及系统之间的交互关系。系统组成包括：数据获取系统、战场态势认知系统、战术决策系统、综合管理系统和武器攻击系统。

图3　系统组成视图SV-1

2.2.3建立系统功能与作战活动映射矩阵SV-5

根据系统功能描述图与系统组成视图，构建作战活动与系统节点的映射关系，并将系统节点和系统功能关联起来，可以得到作战活动到系统功能的追踪关系，即作战活动到系统功能的追溯矩阵SV-5。如表1所示：

表1　作战活动映射矩阵SV-5

2.2.4建立系统事件跟踪视图SV-10c和系统状态转移视图SV-10b

在本文的空空拦截场景中，为了清晰表达整个作战流程，以5个阶段进行详细分析，5个阶段分别是：地面准备、引导飞行、搜索对抗、跟踪交战、返航返场。现以搜索阶段为例，对系统事件跟踪视图SV-10c进行分析。对作战活动中的无源探测、综合识别、电子干扰进行详细的时序分析，如图4～图6所示。

图4　无源探测子顺序图

图5　综合识别子顺序图

图6　电子干扰子顺序图

SV-10b描述了一个系统对改变它的状态的不同事件的响应，每发生一次状态变化，称为一次转移，每个转移都要指定一个事件和一个动作。当一个事件出现时，系统的下一个状态取决于现有状态、事件和条件。每次转移根据特定事件和当前状态确定响应顺序。

SV-10b用来快速分析作战规则的完整性，检测错误条件。通过SV-10b可以评估与时间有关的过程行为，共享与时间有关的资源，发现有效分配人力和系统资源完成这些过程的方法，检查整体性能，确定由于不充足的资源或存在缺陷的信息流所造成的瓶颈或资源过剩，发现并去除重复工作。

2.2.5系统可执行模型的验证

对系统进行可执行模型验证，以地面准备为例，为了完成地面准备，需要以下7个系统参与：地面指挥中心系统、预警机系统、电子战系统、编队系统、目标系统、歼击机的战术决策系统以及综合管理系统，运行过程中它们的状态图SV-10b，如图8所示。在状态图SV-10b运行的同时，打开SV-10c的仿真图，模型动态执行结束后可得到仿真结果，如果动态执行后的SV-10c仿真结果跟初始设计的SV-10c保持一致，则表明系统节点功能描述的正确性［7-9］。在信息装备体系统一论证平台工具UPDM中有校对初始设计顺序图和仿真顺序图的功能，以便发现设计错误。对空空拦截模型进行仿真执行后的顺序图和初始设计的顺序图比较，给出了结果，如下页图9所示，表明仿真结果和初始设计一致。

图7　综合管理系统状态图

图8　地面准备阶段的7个系统SV-10b状态运行图

图9　（a）地面准备的SV-10c设计图

图9　（b）地面准备的SV-10c仿真图

通过系统可执行模型的验证，确保了基于体系结构设计的需求获取方法的逻辑正确，检验模型中描述的系统功能能够按预期的顺序执行，验证体系结构的行为与系统用户期望的行为相一致，即从模型提取的系统功能需求能够满足系统规格说明书要求。

2.3航电系统能力需求分析

按照图1的需求获取方法，对空空拦截任务进行作战任务建模以及系统功能建模，通过建模分析总结，最后形成航电系统的能力需求，航电系统涉及的技术较多，需要多专业的技术人员进行全方位的分析，在此就对数据获取系统进行了详细的需求分析，数据获取功能表示飞机观察环境与探测目标的能力。该能力所覆盖的传感器对空中目标和环境本身进行探测的战术传感器，以及连接飞机和战场空间网络，接收和处理环境中载机或目标数据的通信设备等，图10是数据获取系统的功能分解图，表2是数据获取系统能力需求表。

图10　数据获取系统功能分解

表2　数据获取系统能力需求

3　结论

本文首先介绍了联合能力集成与开发系统（JCIDS），并且根据这类方法介绍了作战装备体系需求的分析过程，提出了一套基于体系结构设计的需求获取方法；其次，参考需求获取方法，以DoDAF标准为核心对装备体系需求进行从上往下的分析，针对某一个具体作战任务进行基于DoDAF的功能建模以及模型验证，保证了装备体系需求分析的规范性、完整性和一致性；最后，通过模型分析初步形成航电系统能力需求。

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Research on Avionics System Capability Requirements Analysis Method of Fighter Based on Model

ZHANZhi-juan，HU Sheng-hua，LI Bing-fei，ZHOU Qing
（AVIC Aeronautical Radio Electronics Research Institute，Shanghai 200233，China）

A capability requirements analysis method base on system architecture design is putted forward in analyzing combat system requirements according to the ideas of the joint capabilities integration and development system（JCIDS）.Avionics system capability requirements are formed by building and analyzing model for the air interception mission scenario.The capability requirements analysis method of avionics system based on model is effective，besides it also provides one of the new research approaches for the system capability requirements analysis research field.

requirementanalysis，DoDAF，avionicssystem，functionmodeling

TP273；E844

A

1002-0640（2016）10-0163-05

2015-08-13

2015-09-29

詹志娟（1986-），女，江苏扬州人，工程师。研究方向：航空电子系统综合技术。