基于Arcadia/Capella的雷达系统设计方法

彭新家，马振康

(中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏 扬州 225101)

0 引 言

进入21世纪后，数字化理念和技术手段开始大量涌入工业制造领域，推动着工业制造数字化转型。基于模型的系统工程(Model-Based System Engineering，简称MBSE)理念的出现，逐渐呈现出了区别于传统基于文档的系统工程(Document-Based System Engineering，简称DBSE)理念的优势。它将以文档为主要载体、以自然语言为描述手段的传统方式，转变成了以模型为主要载体、以建模语言为描述手段的方式，能够有效解决大型复杂工业产品在论证、设计、开发和制造时，带来的表意模糊、上下游传递不够精准、设计协同困难以及技术状态难以追溯等技术和管理方面的问题。

MBSE设计理念最早出现在航空、航天及汽车制造等领域，近些年也不断在复杂电子装备中进行实践与应用，而雷达作为在国防军事电子装备中占有重要地位的产品，也在推广应用中。架构分析与设计集成(Architecture Analysis and Design Integrated Approach，简称Arcadia)方法论作为MBSE设计理念最新的工程实践，基于SysML扩展的建模语言，通过以特定建模工具Capella为支撑，可涵盖雷达作战任务分析、需求指标管理、系统总体设计、分系统详细设计、制造试验、维护运行支持等全过程阶段。

本文围绕雷达系统，介绍了基于Arcadia/Capella方法，完成雷达系统建模设计、需求工程化设计、系统综合设计验证以及系统工程生命周期管理等研究，为雷达系统全寿命周期活动提供了重要支撑。基于Arcadia/Capella方法的工程运用探索，符合雷达系统设计未来发展趋势，具有重要的研究意义。

1 Arcadia/Capella设计方法概述

MBSE的概念最早于1993年被提出，2007年在国际系统工程学会(INCOSE)上进行定义并开始推广。在2010年后，进入快速发展阶段。在发展过程中，MBSE的“三要素”(语言、方法论和工具)也在不断更新迭代、不断扩展。建模语言先后出现了统一建模语言(UML)、系统建模语言(SysML)、特定域建模语言(DSML)等，建模方法论也先后出现了Harmony-SE方法、OOSEM方法、DSM方法等，而依托建模语言和建模方法论推出的建模工具更是层出不穷，如System Architect(SA)、IBM公司的Rational Rhapsody、Dassault公司的Magic Cyber System Engineer及No Magic公司的Magic Draw等。2008年Thales公司开始基于Arcadia方法论开发Capella建模工具，并于2014年开发出来，推动了Capella生态圈建设[1-4]。

Thales公司依据Arcadia方法论建立的ARCADIA SysML语言，该语言中模型元素和视图能覆盖SysML相应的元素和视图，并且结合工程实际对SysML进行了封装优化，在继承SysML语言优点的同时，增强功能分析能力，采用系统思维，并结合了美国国防部架构框架(DoDAF)的相关理念。该建模语言操作方便，并且更为符合设计工程师的使用习惯，解决了基于UML的SysML语言倾向软件思维的问题，减少了设计工程师对传统SysML语法的学习和理解时间[5]。

脱胎于Arcadia方法的Capella可为设计工程师的建模活动提供向导，通常在开发过程中分为4个工作层级：运行分析(Operational Analysis，OA)、系统分析(System Analysis，SA)、逻辑架构(Logical Architecture，LA)和物理架构(Physical Architecture，PA)。通过上述4个工作层级，将系统需求模型化，分析系统的用户需求(如作战过程等)、系统的需求(如使命任务等)、确定分系统组成以及各分系统物理组成等。

2 基于Arcadia/Capella的雷达系统设计方法

雷达作为国防电子装备的重要组成部分，涉及电讯、软件、结构、环控、工艺等跨专业多学科协同，是典型的复杂系统。在以MBSE设计理念对雷达系统设计开发时，需针对雷达自身特点，建立一套涉及雷达全流程的技术开发和管理的体系平台。

本文在进行雷达系统设计时，遵循Arcadia方法论，以Capella建模工具为载体，重点从雷达全寿命周期中的概念论证设计阶段、方案设计阶段和初步技术设计阶段，围绕雷达系统建模、需求工程化、雷达系统综合设计验证和雷达系统工程生命周期管理等几个方面展开。针对某雷达的MBSE方案框架见图1。

图1 某雷达的MBSE方案框架

围绕上述MBSE方案框架，在概念论证阶段以低空反导模式为主线进行雷达能力论证建模分析，捕获低空反导模式下的雷达主要能力要求，并通过与Matlab的集成进行雷达威力等的验算。方案设计和初步设计阶段承接论证阶段的系统模型和数据进行基于模型的雷达总体需求分析，捕获雷达开发的总体性能需求、功能需求、技术开发需求等。

2.1 雷达系统建模设计

用户需求作为雷达建模的输入，通过用户需求和雷达战技指标，在Capella建模工具内，开展雷达运行分析、系统分析、逻辑架构和物理架构建模，最终完成雷达产品结构分解。

为了设计过程方便，在开源Capella工具中开发指标体系建模与管理软件，承担与功能逻辑模型相关联的定量指标的分析、建模与计算，实现将雷达的战术指标关联到初始化的OA中的运行活动模型，实现雷达的所有总体指标到SA中的系统功能模型的关联、所有分系统指标到LA中的逻辑功能模型的关联，实现雷达总体指标向分系统指标的分配和指标核算。图2为基于Arcadia/Capella的雷达建模流程。

图2 基于Arcadia/Capella建模流程图

以某雷达的建模过程为例，结合Arcadia方法论可以有效递归传递的特点，利用Capella中系统到子系统的转换(System to Subsystem Transition)功能，将雷达总体向各子系统的模型进行传递，各子系统从系统分析、逻辑架构和物理架构(PA)3个层级开展建模。

图3为信号处理子系统在物理架构层级的物理架构视图(PAB)，该视图定义了信号处理的逻辑接口和物理接口。通过以上雷达总体和其子系统在4个层级的系统建模，可在雷达方案论证阶段，以模型完成总体需求定义，确保总体需求的完整性和一致性；通过建模理清复杂的逻辑关系，避免不可行的原理，将雷达系统内部交互接口梳理得更清晰。

图3 某雷达信号处理子系统物理架构视图(PAB)

2.2 雷达需求工程化设计

Arcadia方法论的核心是基于需求驱动的，雷达在基于模型开展系统设计时，同样由需求牵引。作为设计的开端，通过多重渠道、不同形式获取用户需求。因存在用户参与度不够、期望值不切实际，且需求会存在不断变更和迭代完善的情况，在需求开发和管理的过程中，一般会引入需求开发和管理工具，运用比较广泛的工具有IBM Rational DOORS、3SL Cradle、Siemens TeamCenter RM等。这些工具，以不同的方式将不同类型的需求信息进行归类存储，并通过建立相互关联关系，实现开发过程中的需求可追溯，以及需求变更管理等。同样，通过选用指标参数管理工具，实现雷达战技指标的管理[6]。

为了将雷达系统的需求管理过程变得简单，并且可以追溯，将采用分层次的方法对雷达进行分解，将雷达的项目、需求、研发工作分为项目层、产品层、分系统层来进行管理，雷达的系统工程研制流程是在每一层完成循环迭代的过程。

基于雷达体系构建完整的需求管理体系，使用不同的需求结构树分别管理利益相关方需求规范、雷达需求规范、雷达验证需求规范和设计验证需求规范，最终形成雷达的需求规范定义，某雷达的需求规范定义如图4所示。

图4 雷达需求规范定义

2.3 雷达系统综合设计验证

雷达的设计过程中，需求定义、系统建模、系统仿真、专业设计、多学科仿真在不同的环境中进行。服务与顶层的系统技术管理流程和专业设计流程，要求设计分析和设计验证环境必须贯通并行，同时又要保证独立运行的性能。因此，基于系统工程架构定义功能设计、系统设计、方案设计、专业与学科设计的并行上下文环境。

通过将Capella中构建的雷达系统架构，利用系统工程平台转换成雷达系统功能架构，将雷达系统功能接口、功能联接进行模型化定义，并实现功能架构共享。某雷达系统的综合设计架构如图5所示。

图5 雷达系统综合设计架构构成

同样，雷达系统架构在LA层级定义明确了雷达系统构成，利用系统工程平台将其转换为雷达系统逻辑架构，在逻辑块间定义信息流与逻辑接口。在该架构中，通过在逻辑块定义内部和外部的验证设计模型，可进行逻辑算法仿真验证。利用系统工程平台集成Matlab工具，可在雷达系统逻辑架构中封装.m文件，在线执行雷达系统仿真程序，并将仿真结果自动回传到系统工程平台中。

以雷达系统的天线子系统为例，在雷达系统逻辑架构中，通过集成HFSS软件，以标准仿真脚本实现天线参数化建模，通过输入天线参数(如天线的几何参数)、仿真设置进行自动的求解计算，并自动输出天线的S参数、Z参数、方向图等仿真结果文件。

在雷达系统综合架构中，将雷达系统逻辑架构(LA)层级转换为雷达系统仿真架构，在系统仿真架构中进行系统级多物理仿真的方案配置与接口集成配置；同时将雷达系统架构中确定系统内部物理功能构成的物理架构(PA)层级，同步到系统仿真架构，并进行系统内部多物理仿真集成进行配置。在雷达系统仿真架构中，通过系统工程平台进行异构工具集成与多学科仿真，解决了雷达涉及到的多学科耦合仿真验证难的问题。

本文以机相扫雷达在转动过程中天线波瓣方位的分析验证为例。通过系统工程平台集成不同机构工具，建立雷达天线座动力学模型，并结合有限元模型及各向激励完成刚柔耦合模型建模，通过动力学计算输出天线结构变形数据。

将变形后的雷达天线网格模型进行天线电磁场仿真网格创建，通过定义天线激励源，进行电磁场远场仿真，获取雷达远场天线波瓣。将最终的电磁场仿真结果回传到系统工程平台，从而完成雷达在转动过程中天线波瓣方位的分析验证。某雷达在转动过程中天线波瓣方位的分析验证如图6所示。

图6 某雷达在转动过程中天线波瓣方位的分析验证

2.4 雷达系统工程生命周期管理

雷达系统工程生命周期管理，是雷达基于MBSE开发的重要组成部分。系统工程基于雷达全生命周期应用和管理要求定义7类模型，即系统模型、管理模型、理论模型、专业模型、仿真模型、实体模型以及试验模型。模型基于统一数据库进行存储管理，系统中创建模型的对象基于业务应用要求进行扩展，独立进行模型规范定义、生命周期管理要求定义以及流程定义。

为了实现数据/状态记录的准确性、完整性和过程关联性/可追溯性，有必要建立针对雷达的模型数据库。将雷达开发过程中形成的雷达系统各类模型进行可视化集中，方便调用、验证及传递，从而最终实现在正确的时间将正确的模型数据传递给正确的人，以进行正确的使用。

3 虚拟集成雷达设计思考

在采用MBSE理念开发雷达时，往往会想到获取虚拟集成雷达。通过高保真度的虚拟集成仿真，保证集成设计的正确性。而在基于Arcadia/Capella设计方法开展工作时，实际上在分析设计阶段，是针对雷达的需求分析、功能分析、逻辑分析和架构设计的不断分解及建立相互关联的过程，包含着浓重的解耦思想。

而要实现虚拟集成雷达的开发，则需要建立一个具有完备性和高算力的雷达系统集成仿真平台，实现涉及雷达系统的所有多学科、多专业异构模型在较高实时性下的集成仿真，是一个集成耦合的思想。目前来看，这仍属于行业内的难题。

针对上述问题，对虚拟集成雷达的设计进行了探讨研究。虚拟集成雷达的设计思路如下：首先，需针对系统集成仿真平台完成集成仿真接口定义，将涉及到有关联的各ECAD和MCAD等仿真软件平台贯通，能够实现数据模型间的连续传递。另外，需建立涉及开发雷达所含专业的完备模型库，且该模型库中的模型均完成校模验模，满足可重用要求，无需在调用过程中再对模型进行验证及标定。

最后，为了在雷达系统集成仿真平台仿真过程中具有时效性，在合理时间内完成对雷达系统的各方面性能和指标完成验证和评估，可对其中涉及到的控制及电路等模型，进行简化模型的阶数。通过采用模型降阶(reduced-order model，ROM)技术，将用微分方程、差分方程或时间序列分析等方法建立的模型，忽略其高阶项，获取低阶模型，从而将作为复杂系统的雷达在一定条件下转化为较小规模的近似低阶系统。在降阶系统与原雷达复杂系统误差足够小的前提下，尽可能保持原雷达复杂系统的稳定性、无源性和结构特性等。最终，实现虚拟集成雷达的稳定高效运行[7]。

4 结束语

本文通过借鉴MBSE的思想，介绍了基于Arcadia方法论和Capella建模工具的雷达数字化系统设计方法。该方法在需求管理工具等的支撑下，在Capella建模工具中完成了雷达系统架构的建模，实现了雷达系统在概念论证设计阶段、方案设计阶段和初步技术设计阶段中的需求、功能、逻辑和物理架构的分析和设计。通过系统工程平台进行异构工具集成与多学科仿真，实现了针对雷达系统的多学科协同设计手段。通过建立雷达模型数据库，完成雷达多颗粒度的可追溯性连续闭环验证，实现了雷达模型生命周期内的高效精细化管理。最后，针对虚拟集成雷达的未来设计需求，提出了基于模型降阶技术的雷达系统仿真平台架构设想，供后续开展进一步研究。

本文虽介绍了雷达数字化设计的方法流程，但在雷达综合设计验证等环节，还需要在后续的不断实践过程中进行完善细化，形成面向雷达复杂系统的更加高效完备的设计方法和理念。