基于DoDAF的遥感卫星地面系统体系结构建模与仿真

梁桂林,周晓纪,王亚琼

(中国航天系统科学与工程研究院,北京 100048)



基于DoDAF的遥感卫星地面系统体系结构建模与仿真

梁桂林,周晓纪,王亚琼

(中国航天系统科学与工程研究院,北京 100048)

结合我国遥感卫星地面系统的体系特点,借鉴DoDAF体系结构模型的设计方法,利用SA软件中的DoDAF ABM方法,从全景、业务活动、系统、技术四个视角设计与开发我国遥感卫星地面系统的体系结构模型框架。基于CPN ML语言规则,将所设计的体系结构模型转化为可执行CPN模型,通过CPN Tool仿真软件对部分模型的语法和逻辑进行仿真验证,结果表明了体系结构模型的合理性。该体系结构模型的设计与研究对优化和指导遥感卫星地面系统运行管理体系具有一定的参考价值,同时对遥感卫星地面系统的顶层设计具有一定的推动意义。

DoDAF;遥感卫星地面系统;体系结构

遥感卫星地面系统是卫星工程的五大系统之一,是发挥空间系统应用效能所必需的基础设施,主要包括接收站网、数据中心、共性应用支撑平台及其他辅助系统,负责实现遥感卫星任务的管理与控制,数据的接收、传输,标准产品生产、存储及分发服务[1]。从本质上讲,遥感卫星地面系统的运行管理是一个体系的概念,需要利用体系结构的相关技术对其组成、各组分间的交互关系、约束、行为以及演化原则等方面进行研究,以促进我国遥感卫星地面系统协调高效运行[2]。

任务是体系存在的目的和基础,体系中的所有系统都是为了完成体系任务而相互关联、相互协调在一起的统一整体[3]。尽管针对任务体系的建模已经取得了丰硕的成果,如申彦君开展的“反潜飞机任务系统的体系结构建模”[4],罗湘勇利用DoDAF开展的“装备保障任务建模”[5],李龙跃利用DoDAF视图开展的“反导作战军事概念建模与仿真系统设计”[6]等,但是对于遥感卫星地面系统,尚未针对多样化的任务开展其体系结构模型的设计与开发,因此,在DoDAF体系结构框架下,对遥感卫星体地面系统开展基于任务的体系结构模型研究成为亟需解决的问题。

本文主要借鉴DoDAF V1.0的设计思想和描述方法,基于常规任务的体系运行管理机制,通过分析和描述遥感卫星地面系统运行管理的体系组成、信息交换、业务活动流程、系统功能等,完成全景、业务、系统视图模型的开发,为遥感卫星地面系统未来的发展与规划提供一定的理论参考,也为遥感卫星地面系统的体系研究奠定良好的基础。

1 体系结构概述及设计思路

体系结构是一个系统的基本组织,包括该系统的组成单元、这些单元之间的关系和它们与环境之间的关系以及指导其设计与扩展的原则[7]。体系结构是大型集成系统设计、分析、投资决策、工程建设和系统评价的依据,是系统集成和组件间信息交换、知识交互和系统互通互操作的基础和标注,是系统体系建设的指南,因此,如何利用科学的体系结构设计方法进行系统体系结构的设计,在复杂系统建设过程中尤为重要[8]。

为了进行体系结构的开发,美国国防部发布了当前应用最为广泛和最为成熟的体系结构框架DoDAF,该体系结构框架为国防部各任务领域体系结构的开发、描述和集成定义了一种通用的方法,有利于快速确定任务需要,优化体系的运行管理效率,对系统方面的理论研究和实际开发具有重要的参考价值[9]。DoDAF V1.0提出了体系结构的4个视图:全景视图(AV)、业务活动视图(OV)、系统视图(SV)和技术视图(TV),用于表达架构的不同方面,本文将利用全景、业务、系统三个视图模型,构建一套较为完整的遥感卫星地面系统体系结构模型,为后续遥感卫星地面系统的标准化和体系化发展奠定理论基石。

本文针对遥感卫星地面系统的特点,遵循体系结构开发的基本原则,结合DoDAF 体系结构框架开发的“六步法”,借鉴DoDAF V1.0中的全景、业务活动、系统、技术四种视图模型[10]的建设方法,利用Telelogic公司开发的SA软件的DoDAF ABM方法对遥感卫星地面系统体系结构模型进行设计与开发,模型开发的基本步骤如表1所示。

2 体系结构模型设计与开发

基于卫星用户提出的观测需求任务,遥感卫星地面系统的常规业务流程可简单描述如下:用户根据需要向数据中心提出观测任务,数据中心通过需求管理展开任务规划,形成观测计划。然后,通过测控系统对在轨卫星上注控制指令,由遥感卫星完成观测任务后,通过地面接收站网接收观测数据并发回数据中心,由数据处理系统对原始观测数据进行辐射校正等处理,形成标准产品,同时可通过定标校验和数据模拟系统,完成产品的校验;数据库与管理系统负责对观测数据和标准产品进行存储与管理。最后,产品通过数据分发与共享系统分发至用户,从而完成用户提出观测的任务,如图1所示。

表1 模型开发步骤

图1 遥感卫星地面系统任务完成过程

2.1 基于DoDAF的全景视图模型设计与开发

全景视图AV (All View)主要用于描述与所有视图有关的体系结构背景方面的顶层信息,提供对体系结构工作的概要信息及开发意图,对体系结构模型后续的设计与开发具有开篇布局的重要作用。

综述与概要信息模型AV-1结合我国遥感卫星总览地描述了体系结构模型开发的范围、目的、背景、工具与方法及表示类型等,并对其进行限定和说明,如表2所示。通过AV-1模型的开发,明确了遥感卫星地面系统体系结构的研究范围和目的,描述了研究背景,确定了研究工具和表示类型,为后续模型的设计与开发奠定了基础。

综合词典模型AV-2主要包括用于描述遥感卫星地面系统运行管理及任务完成过程中涉及的所有术语的定义,它为读者提供一组标准的参考术语,从而保持体系结构模型所阐述意义的一致性,避免产生歧义,但由于其涉及的专业术语繁多,在此不做AV-2的具体开发。

2.2 基于DoDAF的业务活动视图模型设计与开发

业务活动视图OV (Operational Views)主要采集组织、任务或执行的活动,以及在完成任务过程中活动和组织之间交换的相关信息,揭示了完成用户任务的能力和互操作性方面的需求,对下一步业务活动的优化具有重要的作用。本文所开发的业务活动视图模型主要有OV-1/5/2/4,对整个地面系统间的活动及信息交换进行了深度剖析。

1)高级概念图模型

高级概念图模型OV-1以图文的形式更加清晰地描述了遥感卫星地面系统运行管理过程中各组织之间的业务活动,提供了体系结构描述与其所处环境之间以及外部系统之间的交互关系,如图2所示。在遥感卫星地面系统服务体系中,主要包括的实体元素由地面接收站网、测控中心、数据中心、共享网络平台,以及定标场地、真实性检验场站网、共性技术研发平台等组成的共性应用辅助系统。遥感卫星地面系统最基本的业务活动流程是在各类辅助系统的保障下,通过测控中心将观测计划指令上传至在轨卫星,观测数据通过接收站网传送至数据中心,完成标准产品的生产和分发。

表2 综述与概要信息模型AV-1

图2 遥感卫星地面系统高级概念图模型(OV-1)

2)业务活动模型

业务活动模型OV-5主要描述为完成任务需要执行的一系列活动,由能力、任务活动、活动间的输入输出流等建模元素构成,体现了层次关系和信息流关系。在遥感卫星地面系统的运行管理过程中,其业务活动可以分解为用户需求提出、任务管控、数据接收、数据处理、运行保障、数据应用、任务评估等七个子活动;再将任务管控、数据处理、应用服务、运行保障进行再分解。依此类推,通过对业务活动进行逐步分解,形成业务活动节点树,如图3所示。在业务活动分解中,不强调具体的服务操作,而侧重于分解遥感卫星地面系统运行管理中所必须的数据接收、处理、存储与管理、数据分发、定标校验、真实性检验等通用操作。

为了分析遥感卫星运行管理和应用服务中涉及的任务活动及其子活动之间的信息流关系,在业务活动节点树模型的基础上得到相对应的业务活动模型OV-5,在任务活动模型中,明确任务活动的顶部约束和底部系统支撑,分析任务活动之间的输入输出流。图4为遥感卫星地面系统的顶层业务活动模型,描述了遥感卫星地面系统运行管理所需外部其他系统的支持和所受的约束。遥感卫星的主要用户向地面系统提出的观测需求,作为遥感卫星地面系统的部分输入,而地面系统的另一部分输入来自于遥感卫星提供的原始数据及轨道参数。地面系统的输出主要以地面系统处理完成的标准产品为主,以分发或推送方式传给用户,完成用户所提出的观测需求。

图3 遥感卫星地面系统业务活动节点树模型OV-5

图4 遥感卫星地面系统顶层业务活动模型OV-5

图5主要针对业务活动节点树模型OV-5中A.1至A.7次级业务活动进行分析,描述了遥感卫星地面系统任务活动中的七个子任务活动间的信息流及其交换关系。该模型明确了每个子任务活动的顶部约束和底部系统资源支撑,分析了各个子任务之间的输入输出及逻辑关系,使遥感卫星地面系统运行管理中的各项活动更加明确,对下一步的体系优化具有重要的作用。

图5 遥感卫星地面系统次级业务活动模型OV-5

3)业务活动节点连接关系模型

业务活动节点连接关系模型OV-2旨在描述关键业务活动与各单元节点间交换的信息流,这些信息流对优化体系协同高效工作具有关键的作用。根据所分解的业务活动生成遥感卫星地面系统运行管理过程中的若干关键的业务活动节点,包括任务管控单元、数据接收单元、数据处理单元、任务保障单元和应用服务单元。通过业务活动节点与业务活动映射矩阵OV-3,实现业务活动节点与业务活动的联系,即各个业务活动节点完成什么样的业务活动。

在明确各个节点所完成的业务活动后,再根据完成业务活动所需的信息交互,生成各个业务活动节点间信息需求线,从而完成业务活动节点连接关系模型OV-2的开发,如图6所示。在OV-2模型中已经表明信息类型和指向性,即反映了业务活动节点与业务活动映射矩阵OV-3的内容,故在此不做OV-3的具体开发。

图6 业务活动节点连接关系模型OV-2

4)组织关系模型

组织关系模型OV-4主要反映遥感卫星运行管理中各个团体组织其相互指挥、指导和协作关系。上述模型对遥感卫星地面系统的业务流程进行了详细的分析,业务流程的明确为组织机构的分析提供了重要依据。根据OV-5模型对我国遥感卫星地面系统的业务活动的分析,可以得到遥感卫星的地面运行系统的四个主要工作内容:数据接收、数据处理、运维保障和应用服务,其对应的组织机构分别是地面接收站、数据中心、测控中心、应用中心,分别负责四项任务活动中的不同业务。组织关系模型的优化,可进一步促进地面系统的协调高效运行。

2.3 基于DoDAF的系统视图模型设计与开发

系统视图 SV(Systems Views)是业务活动的实现视图,主要描述各个实体系统的功能作用、系统间的数据流及系统的互联互通互操作,对后续系统的建设和优化具有重要的作用。本文所开发的系统视图模型主要有SV-4/1/10c/5,其中SV-5模型反映系统视图和业务视图的联系。

1)系统功能描述模型

系统功能描述模型SV-4采用功能分层分类的方法,描述了遥感卫星地面系统业务运行中具有的主要功能,从而生成了系统的功能节点树模型,如图7所示。遥感卫星地面系统的业务功能分解为数据接收功能、数据处理功能、运行保障功能、应用服务功能、任务管控和评估功能五个子功能。与OV-5模型开发类似,SV-4模型中的遥感卫星地面系统的业务功能忽略其具体细节,仅介绍完成各类业务活动所具备的通用功能。

图7 系统功能节点树模型SV-4

2)系统接口连接模型

系统接口连接模型SV-1描述了遥感卫星地面系统中各个子系统节点间和节点内的接口,实现了OV-2模型中的信息线在各业务节点间的交互。遥感卫星地面系统业务体系可分为接收系统、管控系统、处理系统、辅助系统及公共平台五个分系统,每个分系统中均有物理实体系统进行对应,通过各个分系统节点和实体系统间的信息流,可以实现SV-1模型的开发,如图8所示,由于各个实体系统间的通信协议、数据格式等较为复杂,本文不做展开描述。

基于用户提出的观测任务,通过对遥感卫星地面系统各个子系统发生的事件进行跟踪,同时结合SV-1模型确定系统间交换的信息流,开发系统事件跟踪描述模型SV-10c,如图9所示。SV-10c模型能够帮助确定系统功能和系统信息接口的顺序,有助于确保每个参与工作的的资源或系统接口能够在正确的时间获得所需的信息,并完成赋予它的功能。

3)业务活动与系统功能映射矩阵模型

业务活动与系统功能映射矩阵模型SV-5是建立业务视图与系统视图间关系的枢纽模型,主要反映完成某种业务活动需要哪些系统功能进行支持,即由OV-5模型和SV-4模型中业务活动和系统功能映射生成,如图10所示。该模型发挥的特别作用在于体现业务视图和系统视图二者相辅相成,展现了体系结构模型的整体性。

3 体系结构模型验证

上述基于DoDAF ABM开发的模型,经检验模型设计无误后,即可验证模型,首先,基于CPN ML建模语言和Petri网建模理论[11],将部分体系结构模型转换为CPN模型框架;然后,结合遥感卫星地面系统体系结构中的数据模型和活动模型,定义颜色集并声明变量,如图11左侧栏;最后,根据OV-5模型和SV-10c模型,建立其规则模型,并在CPN模型框架上添加弧函数和状态转移函数,生成可执行的CPN模型,如图11所示。

图8 系统接口连接图SV-1

图9 系统事件跟踪描述模型SV-10c

图10 业务活动与系统功能映射矩阵模型SV-5

图11 提供数据处理功能CPN子网

基于CPN Tool仿真软件中Simulink工具箱进行业务流程仿真,其状态空间分析可得:

节点：11983死标识：无弧：65628死变迁：无仿真时间：463S活变迁：全部状态：遍历

仿真结果表明了开发的遥感卫星地面系统体系结构模型没有死标识,其所有变迁都是活的,同时,也证明所开发的体系结构模型没有死锁,不会因逻辑结构的错误而进入死锁状态。

4 结束语

遥感卫星地面系统是发挥卫星应用价值的基础,建立遥感卫星地面系统体系结构模型对系统下一步的优化与发展具有重要的意义。本文基于DoDAF开发标准,结合遥感卫星地面系统的具体需求和特点,利用SA软件完成了遥感卫星地面系统体系结构模型的设计与开发,并通过CPN Tool完成了部分体系结构模型的验证,对优化遥感卫星地面系统的运行管理,提高系统的运行效率具有重要的参考价值。

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Architecture Modeling and Simulation for Ground System ofRemote Sensing Satellite Based on DoDAF

LIANG Gui-lin, ZHOU Xiao-ji, WANG Ya-qiong

(China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering, Beijing 100048， China)

According to the characteristics of China’s ground system for remote sensing satellite(GSRSS),under the design method of Department of Defense Architecture Framework(DoDAF),this paper applies the DoDAF ABM method in System Architecture(SA) software to design the architecture model of GSRSS from the four views(All view, Operational view, Systems view and Technical Standards view). Based on the CPN ML and transformation rules, the syntax and logic structure of sub-models are simulated and verified by CPN Tool. The simulation results show that the proposed architecture model is reasonable. This research makes contribution to optimal management and top-level design of ground system for remote sensing satellite.

DoDAF; ground system for remote sensing satellite; architecture

2016-12-13

2016-12-20

梁桂林(1991-),男,山东聊城人,硕士,研究方向为体系结构与系统仿真。 周晓纪(1968-),女,硕士,研究员。 王亚琼(1983-),女,硕士,高级工程师。

1673-3819(2017)02-0105-08

V57；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.020