王 英,陳 勇

(裝備學(xué)院,北京 101416)

空間機器人是由具有快速軌道機動能力的平臺和對空間目標(biāo)進行操作的機械臂構(gòu)成,同時還攜帶有多種傳感器載荷。由于空間機器人具有快速軌道機動能力和機械臂靈巧操作能力,因此空間機器人能夠完成多種在軌任務(wù)[1],同時也能執(zhí)行多種作戰(zhàn)任務(wù),具有很高的應(yīng)用價值。

本文以美國國防部頒發(fā)的體系結(jié)構(gòu)框架(DoDAF)標(biāo)準[2-3]作為系統(tǒng)工程的分析方法,以空間機器人在軌服務(wù)為背景,通過建立空間機器人的作戰(zhàn)活動模型對其在軌服務(wù)任務(wù)進行了相關(guān)分析描述,在SA軟件開發(fā)平臺支持下,采用基于活動的快速架構(gòu)分析方法——ABM 方法,建立了空間機器人在軌服務(wù)活動作戰(zhàn)視圖。

1 體系結(jié)構(gòu)建模簡介

美國國防體系結(jié)構(gòu)框架 DoDAF,提供了開發(fā)和表述體系結(jié)構(gòu)的規(guī)則、指南和產(chǎn)品描述,是開發(fā)體系結(jié)構(gòu)的前提條件。DoDAF由C4ISR AF1.0演進而來,先后經(jīng)歷了C4ISR AF2.0、DoDAF 1.0,發(fā)展到現(xiàn)在的DoDAF 2.0。DoDAF是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛和最為成熟的體系結(jié)構(gòu)框架[4]。

DoDAF體系框架提出了體系結(jié)構(gòu)的4個視圖:全景視圖(AV)、作戰(zhàn)視圖(OV)、系統(tǒng)視圖(SV)和技術(shù)視圖(TV)和 29個產(chǎn)品[5-6]構(gòu)成了一套集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)描述規(guī)范。

本文以研究在軌服務(wù)作戰(zhàn)活動為核心,對在軌服務(wù)流程進行了建模,具體建模步驟和應(yīng)用到的視圖產(chǎn)品及其描述如表1所示。

表1 建模步驟及其視圖產(chǎn)品

2 空間機器人在軌服務(wù)體系結(jié)構(gòu)建模

空間機器人在執(zhí)行自主對接、燃料加注、抓捕目標(biāo)、模塊更換、拖拽、在軌維修等任務(wù)時,完成任務(wù)的場景如下:接收到司令部作戰(zhàn)活動指令后,空間機器人在接收到目標(biāo)飛行器實時軌道數(shù)據(jù)后,進行軌道機動,轉(zhuǎn)移到目標(biāo)飛行器附近,在機械臂的輔助操作下與目標(biāo)飛行器交會對接,然后通過機械臂的關(guān)節(jié)角轉(zhuǎn)動控制實現(xiàn)對目標(biāo)飛行器的抓捕等操作,最后將任務(wù)完成信息反饋回指控中心。

1)高層作戰(zhàn)概念圖OV-1

OV-1描述了空間機器人完成對目標(biāo)飛行器的操作任務(wù),給出了作戰(zhàn)活動的各個單元的關(guān)系,如圖1所示。高層作戰(zhàn)概念圖 OV-1描述了在軌服務(wù)活動的單元組成、突出任務(wù)節(jié)點間的相互關(guān)系[7]。

2)作戰(zhàn)節(jié)點關(guān)聯(lián)描述

OV-2是描述作戰(zhàn)節(jié)點和這些作戰(zhàn)節(jié)點的需求線的一個產(chǎn)品。整個任務(wù)過程中的節(jié)點分為:司令部、目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)、地面測控中心、平臺任務(wù)控制系統(tǒng)、軌控分系統(tǒng)、姿態(tài)控制分系統(tǒng)和機械臂,這些單元協(xié)同在一起,共同完成在軌任務(wù)。圖2所示就是節(jié)點連接圖。

圖1 空間機器人高層作戰(zhàn)活動圖

圖2 作戰(zhàn)活動節(jié)點連接圖OV-2

3)組織關(guān)系圖

OV-4描述在體系結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵作用的任務(wù)單元或任務(wù)組織之間的關(guān)系,如圖3所示。

4)作戰(zhàn)活動模型

OV-5是關(guān)鍵的體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,描述為了完成任務(wù)或者達到目標(biāo)需要執(zhí)行的一系列活動,由能力、作戰(zhàn)活動、活動間的輸入輸出流等建模元素構(gòu)成[8]。OV-5的兩種關(guān)系必須要體現(xiàn):一種是層次關(guān)系,即作戰(zhàn)活動具有子活動,另一種就是信息流關(guān)系,如圖4所示。

圖3 組織結(jié)構(gòu)圖OV-4

圖4 作戰(zhàn)動節(jié)點樹OV-5

A.0描述了空間機器人在軌服務(wù)所需外部其他系統(tǒng)的支持和所受的約束,灰色框代表其他系統(tǒng)的作戰(zhàn)支持,如圖5所示。

圖5 空間機器人作戰(zhàn)活動頂層活動模型

將頂層活動A.0分解為任務(wù)準備、任務(wù)支持、任務(wù)規(guī)劃和效果反饋四個子活動?；顒优c活動間的箭頭分別表示了該活動所具備的條件、所需的數(shù)據(jù)信息(輸入)、執(zhí)行活動的平臺和活動的執(zhí)行結(jié)果(輸出)等,如圖6所示。

5)信息交換矩陣

OV-3通過確定哪些作戰(zhàn)活動,交換什么資源,同誰交換,為什么交換這些資源是必要的以及有關(guān)資源的屬性,詳細描述了資源流的交換,如表2所示。

6)作戰(zhàn)規(guī)則模型

作戰(zhàn)規(guī)則模型OV-6a描述了空間機器人執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時所需要遵循的約束規(guī)則,即作戰(zhàn)活動進入下一節(jié)點需滿足的條件。對于空間機器人作戰(zhàn)任務(wù)而言,只有當(dāng)服務(wù)指令和目標(biāo)、平臺的實時軌道數(shù)據(jù)等信息都傳遞到平臺指控中心時,才能進行軌道轉(zhuǎn)移,與目標(biāo)交會,對機械臂進行運動規(guī)劃。具體規(guī)則模型如圖7所示。

圖6 空間機器人作戰(zhàn)活動次級活動模型

表2 信息交換矩陣OV-3

圖7 作戰(zhàn)規(guī)則模型OV-6a

7)系統(tǒng)功能描述圖

系統(tǒng)功能描述圖SV-4描述系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能之間的數(shù)據(jù)流。建立系統(tǒng)功能描述圖的主要目的是對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流和輸入輸出有一個清楚的描述,如圖8所示。

圖8 在軌服務(wù)系統(tǒng)功能圖SV-4

3 建立系統(tǒng)功能跟蹤矩陣

SV-5系統(tǒng)功能跟蹤矩陣將系統(tǒng)對應(yīng)的能力或者系統(tǒng)功能對應(yīng)到作戰(zhàn)活動[9]。作戰(zhàn)活動從OV-5中的葉子活動獲得,系統(tǒng)功能從SV-4中獲得,將空間機器人作戰(zhàn)任務(wù)作戰(zhàn)活動和系統(tǒng)功能關(guān)聯(lián)起來,形成二維關(guān)系如表3所示。通過SV-5映射系統(tǒng)功能和作戰(zhàn)活動的關(guān)系,將作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型聯(lián)系起來。

表3 系統(tǒng)功能跟蹤矩陣SV-5

4 結(jié)束語

本文利用 DoDAF標(biāo)準對空間機器人的在軌服務(wù)進行了建模,建立了高層作戰(zhàn)活動圖 OV-1、作戰(zhàn)活動節(jié)點連接圖OV-2、組織結(jié)構(gòu)圖OV-4、作戰(zhàn)活動模型OV-5、作戰(zhàn)活動信息交換矩陣OV-3、作戰(zhàn)規(guī)則模型OV-6a、作戰(zhàn)活動系統(tǒng)功能圖SV-4和系統(tǒng)功能跟蹤矩陣 SV-5,有效地分析了空間機器人在軌服務(wù)的任務(wù)流程,對空間機器人在軌服務(wù)仿真開發(fā)和實際應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建的細致研究具有應(yīng)用價值。

[1]崔乃剛,王平,郭繼峰,等. 空間在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展綜述[J].宇航學(xué)報,2007,28(4):805-811.

[2]DoD Architecture Framework Working Group,DoD Architecture Framework Version 1.0,Volume I:Definitions and Guideliness[R].The United States:Department of Defense,2004.

[3]DoD Architecture Framework Working Group,DoD Architecture Framework Version 1.0,Volume II:Product Descriptions[R].The United States:Department of Defense,2004.

[4]史建偉,蔡遠文,邢曉辰.基于DoDAF的在軌維護與服務(wù)系統(tǒng)需求分析[J].航天控制,2011,29(4):88-93.

[5]趙煦,梁濤.基于活動方法論的復(fù)雜系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建模[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(33):8277-8281.

[6]熊生龍,陳春,倪慶華.基于UML的系統(tǒng)視圖描述[J].艦船電子工程2009,29(6):38-42.

[7]李鼎,曲愛華.基于活動的系統(tǒng)作戰(zhàn)需求分析方法[J].指揮控制與仿真,2009,31(6):19-22.

[8]劉鋼,李赟,老松楊,等.基于DoDAF的編隊導(dǎo)彈航路規(guī)劃體系結(jié)構(gòu)建模[J].火力與指揮控制,2011,36(4):26-29.

[9]姚勇,李智.基于DoDAF的C2BMC系統(tǒng)作戰(zhàn)視圖研究[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2011,22(3):76-81.