基于ABM方法的空间碎片网捕体系结构建模

郭 超 ,陈 勇

(装备学院,北京 101416)

随着空间技术的进步,人类对空间的探索和利用越来越深入。目前,太空中存在着数以千计的卫星、航天器,在开发空间资源的同时,产生了大量的非合作目标,包括故障卫星、毁坏的航天器以及不计其数的空间碎片等。它们的存在严重威胁着在轨航天器的安全,更影响了空间资源的开发利用。使用在轨捕获系统,对非合作目标进行抓捕,是解决这一问题的有效手段。

空间碎片网捕系统是一种新型的非合作目标在轨捕获系统,在空间碎片处理方面具有独特的应用潜力。它是由搭载飞网的空间平台在地面指控中心的指挥下,在侦查卫星、通信卫星等空间信息系统的配合下,向目标展开飞网,来完成目标的捕获,欧空局提出的“地球同步轨道清理机器人”(roboticgeostationary orbit restorer,ROGER)计划,就是空间碎片网捕系统的典型例子。在其系统的任务场景中,ROGER可携带20个飞网,最多可完成20个目标的捕捉,可成功捕捉失效卫星和较大的空间碎片,充分体现出空间目标网捕的有效性、快速性、灵活性等特点。

体系结构设计是系统顶层设计的首要组成部分,也是系统构建和装备开发的重要环节。清晰的体系结构能够为系统的分析、设计、开发提供有利条件。因此,运用合适的方法建立系统的体系结构模型,通过仿真分析,对体系进行评估,以指导装备的开发建设和运用研究,是十分必要的。美国国防部体系结构框架(DoDAF)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,是设计和开发体系结构的指南,适用范围涵盖国防各个领域。

本文基于DoDAF体系结构框架[1-2],采用基于活动的建模方法(ABM),利用System Architect软件中的SA for DoDAF ABM功能模块对空间碎片网捕任务的体系结构进行可视化建模,完成了基本作战视图的设计,然后用SA Simulation II功能模块对任务流程进行了简单仿真,对开展系统顶层设计具有一定的借鉴意义。

1 建模方法与工具

基于活动的建模方法(ABM)是一种专门用来开发和分析集成 DoD体系结构的严格和规范的方法,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,基于严格的规则开发完全一体化、语义明确、协调一致的DoDAF体系结构视图。ABM方法创建OV视图产品的工作流程如表1所示[3-5]。

表1 ABM方法创建OV视图产品的工作流程

ABM方法基于采用活动描述语言IDEF0构建体系结构。IDEF0通过活动图形对系统的功能活动及其联系进行描述,基本模型是活动,用一个方框表示,代表系统所执行的功能。每个活动的边框都有特定的意义,代表活动的要素输入、控制、输出、机制,称为ICOM,如图1所示。

图1 IDEF0活动图形

System Architect(简称SA)是由Telelogic公司开发的一种可视化体系结构建模工具。它使用结构化的建模与描述方法,支持基于活动的建模方法,集成了业务流程建模、基于 UML的对象建模、数据建模、结构化分析设计等多种建模方法,适用于DoDAF体系结构框架的建模。SA包括 System Architect、SA for DoDAF、SA for DoDAF ABM、SA Publisher、SA Compare、SA Simulator II和 XML Architect等模块。

空间碎片网捕的流程复杂、参与装备多,不适合采用过程化分析法和面向对象的方法,而采用基于活动的建模方法,使用 IDEF0语言可以清晰地描述任务的流程、参与装备和信息流动,结合SA工具提供SA for DoDAF ABM模块,可以大大简化DoDAF视图的构建难度,使用SA Simulator II模块对空间碎片网捕进行流程仿真,可对任务流程进行分析,有利于指导实际系统的构建。

2 建模步骤

2.1 高层任务概念

空间碎片网捕系统主要由目标探测子系统、信息通信子系统、指挥控制子系统、导航定位子系统、空间平台系统组成。空间碎片网捕主要包括四个子过程——目标探测、信息处理、网捕实施、效果评估。大致流程是:通过侦察卫星对关键区域进行探测,发现空间碎片后,将信息发送给地面指控中心,指控中心对网捕任务进行规划后,在导航系统和通信系统的配合下使用空间平台上搭载飞网对目标实施网捕,将目标拖至“坟墓”轨道然后释放,完成空间碎片的清理。

高层任务概念主要通过高层作战概念图 OV-1来传达。OV-1是从宏观角度直观描述任务系统的组成、突出主要任务节点、节点间的相互关系的视图。根据碎片网捕的任务想定、任务需求、任务流程、参与的装备等,可以创建其高层作战概念图 OV-1,如图2所示。

图2 OV-1高层作战概念图

2.2 任务活动

任务活动建模是运用 ABM 方法构建体系结构模型的关键,是最主要的工作。进行任务活动建模时,主要困难在于如何合理地对活动进行分解并确定每个子活动的 ICOM,必须对任务过程进行准确分析,并结合体系结构设计需求,在合适层次上分解活动。在合理分解活动的前提下,分析每个子活动的参与装备、输入输出信息以及必须遵循的约束条件,确定ICOM。

本文将目标探测、信息处理、网捕实施、效果评估四个子过程作为二级活动。在此基础上将这四个子活动分解至叶子活动,得到空间目标网捕的OV-5作战活动节点树,如图3所示。

图3 OV-5作战活动节点树

目标探测可分解为目标搜索、目标识别、目标跟踪三个子活动。首先,通过侦查卫星在大范围内搜索可疑目标;然后,对可疑目标进行识别,确定目标为空间碎片后,对目标进行跟踪,得到目标的位置速度信息。

信息处理可分解为目标轨道确定和网捕任务规划两个子活动。指控中心接收到目标类别信息以及位置速度信息后进行处理,得到目标的轨道信息,并根据目标的轨道信息进行任务规划,生成轨道调整、姿态调整、目标捕获等指令,发送给空间平台执行网捕任务。

网捕实施活动是空间碎片网捕活动中最为关键的活动,可分解为轨道调整、姿态调整、目标交会、目标逼近、飞网释放、目标抓捕、原轨道拖离、目标释放等活动[6-8],如图3所示。轨道调整、姿态调整,即空间平台接收到指令后,调整自身轨道和姿态,准备飞网的释放;目标交会,即平台机动至与目标共轨,并到达目标后方约100m处;目标逼近,即平台绕飞到目标前方,并逼近到目标前方十几米处;飞网释放,即平台向目标方向展开飞网;目标抓捕,即目标进入飞网的范围后,飞网机构收拢网口锁紧目标;原轨道拖离,即平台将捕获的目标拖至“坟墓”轨道;目标释放,即飞网机构切断绳索,释放目标。

空间碎片网捕的末活动是任务结果评估,通过侦查卫星获取实施网捕后的目标信息,发送给指控中心,判断是否得到了预期捕捉效果。若捕捉失败,可能会重新进行规划,实施二次捕捉。

根据作战活动节点树,结合系统组成与基本流程,建立空间目标网捕顶层活动模型,如图 4(a)所示,再以 IDEF0建模语言为基础,将顶层活动分解次级活动,如图4(b)所示。

图4 OV-5作战活动模型

2.3 活动节点和组织机构

根据空间碎片网捕任务需求,活动中各参与子系统及其发挥的作用,确定被OV-5作战活动模型引用的任务节点,设定活动参与角色和组织单元,构建节点连接图OV-2和组织关系图OV-4,如图5、图6所示。以空间碎片网捕系统的四个子系统作为任务的关键节点,同时四个子系统也可以作为组织单元。除指挥控制子系统外,其他组织单元包含的角色为参与任务的装备以及必要的操作人员,指挥控制子系统包含的角色为情报分析人员、任务规划人员和指挥员。

图5 OV-2节点连接图

图6 OV-4组织关系图

通过 SA工具中的矩阵浏览器,使用对作战活动、作战节点、角色间的三元关系进行映射,如图 7所示。“X”表示在相应的节点和活动之间有一个联系,可以为每一个节点和活动的交叉处指定一个或多个角色。把活动、节点和角色三元关系映射完毕后,SA将自动生成OV-2上的需求线。

图7 活动、节点、角色关系映射

2.4 信息交换矩阵

信息交换矩阵 OV-3描述了任务中的各种信息交换。在进行了三元关系映射后,SA工具可自动生成OV-3,如表2所示。由于矩阵较大,故仅选取了其中一部分。通过 OV-3可以清晰地得到空间碎片网捕活动、节点、角色之间的信息流动关系,对于一体化体系结构的开发,有着较好的参考价值。

表2 OV-3信息交换矩阵

2.5 流程仿真

基于已制定的空间碎片网捕任务活动规则和信息流动关系,可使用SA Simulator II功能模块进行任务流程仿真。因为篇幅关系,本文仅给出仿真结果中的两个图表,图 8为资源利用图表,反映了整个任务过程中各关键资源和角色使用状态和空闲状态的百分比,图 9为活动执行图表,反映了任务过程中各活动的执行况。

图8 资源利用图表

图9 活动运行图表

3 结束语

本文使用ABM方法和SA工具构建空间碎片网捕体系结构的几个典型视图,从总体上描述了空间碎片网捕的基本任务、功能、流程,揭示了任务中信息的流动关系,有利于系统的顶层设计和构建开发。在此基础上还可以继续利用ABM方法,构建其他作战视图,以及系统视图、技术视图和全视图,进一步开展空间目标网捕系统的顶层设计,进行更为细致深入的研究,为指导仿真系统开发、实际系统构建起到更大的指导作用。

[1]DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 1.5,Volume:ⅠDefinitions and Guidelines[Z].The United States Department of Defense,2007.

[2]DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 1.5,VolumeⅡ:Product Descriptions [Z].The United States Department of Defense,2007.

[3]李剑.基于DoDAF的作战体系结构建模方法[J].四川兵工学报,2009,30(7):14-16.

[4]姚勇,李智.基于 DoDAF的 C2BMC系统作战视图研究[J].装备指挥技术学院学报,2011,22(3):71-81.

[5]史建伟,蔡远文,邢晓辰.基于DoDAF的在轨维护与服务系统需求分析[J].航天控制,2011,29(4):88-93.

[6]蔡洪亮,高永明,邴启军,等.国外空间非合作目标抓捕系统研究现状与关键技术分析[J].装备指挥技术学院学报,2010,21(6):71-77.

[7]于洋,宝音贺西,李俊峰.空间飞网抛射展开动力学建模与仿真[J].宇航学报,2010,31(5):1289-1296.

[8]陈钦,杨乐平,张青斌.空间飞网发射动力学建模仿真研究与地面试验[J].国防科技大学学报,2009,31(3):16-19.