呂迎迎，王 歡，齊慶璽，賀建良

（光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471000）

0 引言

面臨戰(zhàn)場環(huán)境的高度對抗性、不確定性和動(dòng)態(tài)性，無人機(jī)作戰(zhàn)樣式已逐步從單平臺(tái)作戰(zhàn)向多平臺(tái)“集群”作戰(zhàn)方向發(fā)展［1-4］。正如美國空軍顧問指出的：“未來作戰(zhàn)飛行器應(yīng)當(dāng)以成群而非單獨(dú)的方式行動(dòng)”。集群協(xié)同探測是指戰(zhàn)場空間內(nèi)各無人平臺(tái)共享信息、協(xié)作完成目標(biāo)探測的任務(wù)執(zhí)行方式。

美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架DoDAF 作為一種頂層的方法論框架為武器裝備體系模型提供驗(yàn)證手段，以殺傷鏈的優(yōu)化為目的，支撐從作戰(zhàn)概念、武器裝備體系分析到武器平臺(tái)的論證［5-6］。STK（Satellite Tool Kit，衛(wèi)星仿真工具包）是美國Analytical Graphics 公司推出的面向航天領(lǐng)域商品化衛(wèi)星系統(tǒng)分析軟件，近幾年因其在視景與任務(wù)推演仿真中的快速便捷性而逐漸被航空領(lǐng)域應(yīng)用［7-10］。

本文針對無人集群協(xié)同探測系統(tǒng)進(jìn)行功能架構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯自洽驗(yàn)證、作戰(zhàn)想定方案設(shè)計(jì)以及基于STK 的作戰(zhàn)概念視景仿真，通過對相關(guān)DoDAF模型進(jìn)行推演分析，首次實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)邏輯模型的互聯(lián)互通，為驗(yàn)證體系邏輯模型與作戰(zhàn)想定模型的一致性奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 無人集群協(xié)同探測總體架構(gòu)

無人機(jī)集群協(xié)同探測系統(tǒng)由大量的無人機(jī)基于開放式系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行綜合集成，以動(dòng)態(tài)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母兄畔橹行?，以單探測感知平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)作戰(zhàn)能力為支撐的協(xié)同探測體系。

以X 架集群無人機(jī)協(xié)同探測為例，設(shè)計(jì)集群協(xié)同探測總體架構(gòu)，提出一種分級集散式協(xié)同探測與統(tǒng)一態(tài)勢感知?jiǎng)討B(tài)自適應(yīng)重組總體架構(gòu)［11］。該架構(gòu)分為以下3 層。

集散式集群編隊(duì)與編隊(duì)內(nèi)部動(dòng)態(tài)自適應(yīng)探測與感知層：根據(jù)集群無人機(jī)探測任務(wù)需求、數(shù)量、平臺(tái)通信和信息處理能力等分成若干個(gè)編隊(duì)，在每個(gè)編隊(duì)內(nèi)分為若干個(gè)任務(wù)編組，并動(dòng)態(tài)自適應(yīng)確定一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)。編隊(duì)內(nèi)每個(gè)編組采用分布式架構(gòu)完成自適應(yīng)協(xié)同探測與信息處理，編隊(duì)內(nèi)中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對每個(gè)組資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度與管理，并融合處理各組回傳的信息，形成編隊(duì)內(nèi)統(tǒng)一態(tài)勢信息。

集中式集群編隊(duì)中心節(jié)點(diǎn)探測與感知層：對編隊(duì)級的探測資源管理、控制與信息處理。該層動(dòng)態(tài)自適應(yīng)確定一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對每個(gè)編隊(duì)的中心節(jié)點(diǎn)管理與控制，并融合處理編隊(duì)中心節(jié)點(diǎn)信息，形成編隊(duì)間的統(tǒng)一態(tài)勢。

集中協(xié)同探測與感知管理層：對整個(gè)集群探測任務(wù)的管理與控制，并融合處理集群態(tài)勢信息，形成體系級的統(tǒng)一態(tài)勢。

2 集群協(xié)同探測模式設(shè)計(jì)

集群無人系統(tǒng)利用分布式協(xié)同目標(biāo)探測系統(tǒng)獲得大范圍、遠(yuǎn)距離、全天候、全天時(shí)的目標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高精度定位和綜合識(shí)別。大型運(yùn)輸機(jī)攜帶大量配備不同傳感器的小型無人機(jī)，并在特定時(shí)機(jī)釋放無人集群。根據(jù)無人系統(tǒng)分布式協(xié)同目標(biāo)探測系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)集群協(xié)同探測模式如下［12-13］：

重點(diǎn)防衛(wèi)區(qū)域空域警戒：空中探測集群根據(jù)我方重點(diǎn)防衛(wèi)區(qū)域、周邊空防力量打擊范圍以及響應(yīng)時(shí)間等因素，將多無人系統(tǒng)構(gòu)建為具有較高任務(wù)余量的空防警戒系統(tǒng)。

廣域引導(dǎo)搜索：集群在天基及預(yù)警系統(tǒng)的信息支援和引導(dǎo)下，面向敵方可能來襲的方向廣域搜索，利用多種機(jī)載設(shè)備進(jìn)行復(fù)合實(shí)時(shí)偵察。

圖1 協(xié)同探測模式圖示

任務(wù)自適應(yīng)探測：根據(jù)對目標(biāo)群的前期探測、識(shí)別和意圖分析調(diào)整群體任務(wù)，面向作戰(zhàn)需求部署適合平臺(tái)對特定目標(biāo)前出抵近進(jìn)行探測，可采取人工智能方法判斷敵方行為意圖并調(diào)整我方集群的探測方式。

協(xié)同目標(biāo)定位與綜合識(shí)別：集群在前期獲得的探測信息指引下，對已初步定位來襲目標(biāo)群的空域集中探測資源進(jìn)行深度探測與識(shí)別，為后續(xù)攻擊提供火控級信息。

未知環(huán)境對海/地廣域搜索：在高空偵查無人機(jī)的配合下，對指定未知區(qū)域進(jìn)行廣域偵查，獲得區(qū)域的情報(bào)，并對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行持續(xù)、高效搜索，完成對目標(biāo)的精準(zhǔn)識(shí)別與跟蹤。

3 無人機(jī)集群協(xié)同探測典型作戰(zhàn)場景描述

通過對作戰(zhàn)概念進(jìn)行分析，選取若干的可覆蓋典型作戰(zhàn)概念的任務(wù)場景，對我方集群和敵方的行為過程逐一細(xì)化，形成無人協(xié)同探測作戰(zhàn)任務(wù)場景描述如下：

天基偵察衛(wèi)星對某海域進(jìn)行偵察監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)不明身份軍事力量后，將衛(wèi)星監(jiān)視畫面?zhèn)魉椭恋孛嬷笓]控制所。地面指揮控制中心進(jìn)行圖像識(shí)別確認(rèn)目標(biāo)后，完成戰(zhàn)場態(tài)勢評估、戰(zhàn)斗力需求評估等地面規(guī)劃過程，隨后將作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行下達(dá)。

根據(jù)規(guī)劃結(jié)果，運(yùn)輸機(jī)裝載一定數(shù)目攜帶相應(yīng)載荷的小型無人機(jī)群；預(yù)警機(jī)完成機(jī)載設(shè)備自檢過程，隨后啟動(dòng)飛行任務(wù)規(guī)劃過程，根據(jù)離線數(shù)據(jù)規(guī)劃出到待命空域的可行航路。

運(yùn)輸機(jī)和預(yù)警機(jī)編隊(duì)從前沿基地起飛至集結(jié)空域，運(yùn)輸機(jī)釋放無人機(jī)集群后，回轉(zhuǎn)至安全空域巡航待命；無人集群成員實(shí)現(xiàn)自組織編隊(duì)構(gòu)建，規(guī)劃航路，向任務(wù)空域巡飛。陸基/艦基/空基出動(dòng)無人集群，按照各自任務(wù)實(shí)現(xiàn)自主編組并按警戒隊(duì)形巡飛，形成以地面指揮中心為中心的空域警戒圈，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)防衛(wèi)區(qū)域空域警戒。

預(yù)警機(jī)開啟機(jī)上預(yù)警探測設(shè)備，獲取到敵空中編隊(duì)的位置和數(shù)量等信息后，開啟探測任務(wù)生成和規(guī)劃過程，下令無人機(jī)探測集群前往敵方空域?qū)嵤V域引導(dǎo)搜索。

集群根據(jù)廣域引導(dǎo)搜索獲取的最新方位信息，基于任務(wù)需求實(shí)現(xiàn)功能區(qū)塊重組，并重構(gòu)空中隊(duì)型，實(shí)施任務(wù)自適應(yīng)探測。各編隊(duì)獲取的信息進(jìn)行分級融合后，針對優(yōu)先打擊目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同目標(biāo)定位與綜合識(shí)別，并向任務(wù)系統(tǒng)提供火控級探測信息。

我方對敵空編隊(duì)實(shí)施協(xié)同攻擊過程中，協(xié)同編隊(duì)提出電子支援任務(wù)需求，干擾集群前出抵近敵作戰(zhàn)組群，干擾壓縮敵方雷達(dá)探測距離，破壞或降低敵方通訊鏈路，提高我方攻擊組群生存效率。

4 基于DoDAF 的集群協(xié)同探測功能架構(gòu)建模

基于DoDAF 的體系架構(gòu)建模過程從抽象到具體，自頂向下進(jìn)行。DoDAF 定義了一系列視圖產(chǎn)品，包括作戰(zhàn)視圖OV、能力視圖CV 和系統(tǒng)視圖SV等，根據(jù)體系建模需求在DoDAF 視圖產(chǎn)品中選取適當(dāng)視圖產(chǎn)品［4］。

本文基于DoDAF1.5 建模體系框架，利用Rhapsody 中的DoDAF 概要文件，從集群協(xié)同探測作戰(zhàn)需求出發(fā)，通過設(shè)計(jì)可執(zhí)行的DoDAF 視圖模型和作戰(zhàn)想定方案，對無人系統(tǒng)在協(xié)同探測體系中的功能需求進(jìn)行分析，以確保需求的完整性和正確性。

4.1 構(gòu)建作戰(zhàn)視圖OV

首先應(yīng)運(yùn)用高層作戰(zhàn)概念圖（OV-1）對無人集群協(xié)同探測任務(wù)執(zhí)行環(huán)境做出描述，依據(jù)協(xié)同探測任務(wù)作戰(zhàn)目的以及想定，提煉5 個(gè)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)：聯(lián)合指揮控制節(jié)點(diǎn)JCC、空中指揮節(jié)點(diǎn)AWACS、運(yùn)載節(jié)點(diǎn)Carrier、探測節(jié)點(diǎn)Detection 和通訊節(jié)點(diǎn)SATCOM；5 個(gè)任務(wù)目標(biāo)分別對應(yīng)于不同的無人集群協(xié)同探測模式，由此繪制如圖2 所示的作戰(zhàn)概念圖OV-1。

圖2 高層作戰(zhàn)概念圖OV-1

針對協(xié)同探測系統(tǒng)任務(wù)概念圖中的每個(gè)任務(wù)目標(biāo)分別繪制作戰(zhàn)活動(dòng)模型圖OV-5，如圖3 所示。各個(gè)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)在協(xié)同目標(biāo)定位與綜合識(shí)別中所承擔(dān)的任務(wù)通過泳道的形式進(jìn)行了區(qū)分。

圖3 協(xié)同目標(biāo)定位與綜合識(shí)別作戰(zhàn)模型圖（OV-5）

針對每個(gè)任務(wù)目標(biāo)，設(shè)計(jì)任務(wù)執(zhí)行過程中作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的生存周期以及在時(shí)間軸維度上的交互關(guān)系，即構(gòu)建事件追蹤描述圖OV-6c，如圖4 所示。利用事件追蹤描述圖提供無人系統(tǒng)協(xié)同探測資源和功能流的一種時(shí)序檢驗(yàn)，并利用生命周期的概念來定義系統(tǒng)的交互作用。

圖4 廣域引導(dǎo)搜索事件追蹤描述圖OV-6c

在OV-6c 和OV-2 模型的基礎(chǔ)上，對每個(gè)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖OV-6b，利用該圖建立作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)在各種事件觸發(fā)機(jī)制下的狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況、狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中所執(zhí)行相互關(guān)聯(lián)的一系列行動(dòng)和操作以及資源流和數(shù)據(jù)流的流向。OV-6b為可執(zhí)行的框架，通過動(dòng)態(tài)生成的仿真事件追蹤描述圖OV-6c 與原始設(shè)計(jì)版本進(jìn)行比較，驗(yàn)證OV 建模過程中邏輯設(shè)計(jì)的正確性。

4.2 構(gòu)建系統(tǒng)視圖SV

針對作戰(zhàn)視圖OV 設(shè)計(jì)可獲取到相應(yīng)的作戰(zhàn)活動(dòng)，首先進(jìn)行協(xié)同探測系統(tǒng)方案選擇，確定可參與的作戰(zhàn)兵力實(shí)體、探測系統(tǒng)或載荷類型，將OV 輸出的每個(gè)符合系統(tǒng)功能邏輯的作戰(zhàn)活動(dòng)即其與協(xié)同探測子系統(tǒng)活動(dòng)之間的映射，然后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)活動(dòng)到實(shí)際的物理平臺(tái)之間的分配，通過將作戰(zhàn)活動(dòng)分配至一個(gè)或若干個(gè)武器系統(tǒng)配合完成，便可得到集群協(xié)同探測系統(tǒng)的兵力配備方案。該過程的核心是將作戰(zhàn)模型白盒化，需要考慮作戰(zhàn)能力需求與現(xiàn)有兵力（載荷）性能指標(biāo)之間的一致性。

通過系統(tǒng)功能圖SV-4 將作戰(zhàn)活動(dòng)映射到相應(yīng)的協(xié)同探測系統(tǒng)的系統(tǒng)活動(dòng)，然后將系統(tǒng)活動(dòng)分配到實(shí)際的作戰(zhàn)平臺(tái)。如圖5 所示，根據(jù)協(xié)同探測需求，協(xié)同探測需要SAR 雷達(dá)、光雷、無線電雷達(dá)載荷以及高空偵察無人機(jī)協(xié)同實(shí)現(xiàn)。

圖5 協(xié)同探測系統(tǒng)功能視圖SV-4

為完善各個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)功能架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)過程，細(xì)化協(xié)同探測作戰(zhàn)場景，利用SV-8 系統(tǒng)演進(jìn)圖描述作戰(zhàn)活動(dòng)到系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分配關(guān)系，如下頁圖6 所示。

利用SV-10c 將協(xié)同探測系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)化為一系列節(jié)點(diǎn)對象之間的交互，使系統(tǒng)功能進(jìn)一步精細(xì)表達(dá)，要求SV-10c 描述系統(tǒng)功能在執(zhí)行時(shí)可能遇到的每一種情況。

完成系統(tǒng)事件追蹤描述SV-10c 后，如圖7 所示，對每個(gè)SV-10c 中的所有元素（包含變量、操作和交互事件）進(jìn)行自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，生成系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)直接接口關(guān)系圖SV-1，如圖8 所示。SV-1 描述系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的連接和面向數(shù)據(jù)流的信息交互。

4.3 邏輯自洽性驗(yàn)證

圖6 SV-8 系統(tǒng)演進(jìn)圖

圖7 平臺(tái)組網(wǎng)場景系統(tǒng)事件追蹤SV-10c

系統(tǒng)模型完成設(shè)計(jì)之后，需要對模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證的主要內(nèi)容包括：體系功能架構(gòu)設(shè)計(jì)的邏輯正確性，描述的功能是否按照預(yù)期的順序執(zhí)行。

建立探測系統(tǒng)邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換分析圖SV-10b，如下頁圖9 所示，根據(jù)無人機(jī)群協(xié)同探測的業(yè)務(wù)流程配置每個(gè)狀態(tài)的執(zhí)行操作以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)的觸發(fā)事件或是滿足條件。將DoDAF 視圖模型中節(jié)點(diǎn)、能力、關(guān)聯(lián)關(guān)系、活動(dòng)、時(shí)序、狀態(tài)等作為對象模型，利用Rhapsody 自帶OXF 引擎，采用統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，自動(dòng)生成可執(zhí)行的代碼框架。

圖8 系統(tǒng)接口關(guān)系圖SV-1

采用系統(tǒng)事件消息驅(qū)動(dòng)的方式對體系功能架構(gòu)動(dòng)態(tài)行為邏輯進(jìn)行驗(yàn)證，該階段采取人在回路的驗(yàn)證方式，通過用戶（參與者）手動(dòng)生成激勵(lì)事件，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，通過分析動(dòng)態(tài)執(zhí)行過程中的事件追蹤圖，對比動(dòng)態(tài)執(zhí)行模型與預(yù)期邏輯之間不符合之處，完成邏輯自洽性驗(yàn)證的同時(shí)對功能架構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代。

5 無人集群探測協(xié)同推演平臺(tái)

通過邏輯自洽性仿真能夠?qū)δＰ蛢?nèi)部的邏輯正確性進(jìn)行驗(yàn)證，但是無法完全說明集群協(xié)同探測系統(tǒng)功能架構(gòu)、作戰(zhàn)想定、作戰(zhàn)概念的需求過渡是一致的［16-20］。因此，需要將體系功能框架、作戰(zhàn)想定和作戰(zhàn)概念視景進(jìn)行協(xié)同推演，對需求一致性進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 利用STK 構(gòu)建三維協(xié)同探測推演模型

作戰(zhàn)推演場景輸入信息來源于典型協(xié)同探測系統(tǒng)視圖模型。結(jié)合武器單元三維模型及地理信息模型，構(gòu)建STK 三維場景［21-24］，步驟如下：

1）戰(zhàn)場和兵力數(shù)據(jù)加載：針對任務(wù)場景選擇合適的戰(zhàn)場環(huán)境，加載相關(guān)地理特征數(shù)據(jù)；基于已生成的三維兵力模型，設(shè)置兵力模型的機(jī)動(dòng)特性、裝配關(guān)系等屬性參數(shù)；

2）作戰(zhàn)概念標(biāo)繪：提供仿真推演中裝備的周期性態(tài)勢信息和突發(fā)性指控信息顯示；

3）作戰(zhàn)平臺(tái)航跡規(guī)劃：對作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行性能指標(biāo)和其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，完成作戰(zhàn)體系中平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)。

5.2 數(shù)據(jù)交互模塊開發(fā)

在STK/Connect 模塊提供的連接庫函數(shù)中涵蓋了建立通信連接，發(fā)送STK 控制指令和傳輸信息的所使用各種API 函數(shù)，因此，可以通過STK/connect模塊實(shí)現(xiàn)STK 與外部應(yīng)用程序連接。

利用VisualStudio 開發(fā)協(xié)同推演平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互模塊，該模塊作用如下：

圖9 系統(tǒng)邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換分析圖SV-10b

圖10 動(dòng)態(tài)推演過程中的DoDAF 模型與STK 場景

1）為協(xié)同推演提供統(tǒng)一的仿真時(shí)鐘；

2）在協(xié)同推演過程中使用軟件界面控制仿真運(yùn)行、暫停、繼續(xù)和停止等操作；

3）利用STK/Connect 模塊對STK 平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)、協(xié)同推演時(shí)對數(shù)據(jù)（端口）進(jìn)行采集、在線監(jiān)視，以及向STK 場景傳輸場景控制命令；

4）生成推演過程中各種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的事件或消息，并觸發(fā)DoDAF 中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

5.3 構(gòu)建協(xié)同探測推演平臺(tái)

在STK 戰(zhàn)場態(tài)勢模擬過程中，數(shù)據(jù)交互模塊對集群協(xié)同探測場景推演過程中與DoDAF 模型觸發(fā)事件對應(yīng)的模型實(shí)體參數(shù)條件進(jìn)行采樣，根據(jù)兵力實(shí)體的姿態(tài)、位置、狀態(tài)及相互的時(shí)空關(guān)系判斷事件是否觸發(fā)。

如果觸發(fā)條件滿足，數(shù)據(jù)交互模塊一方面通過TCP/UDP 協(xié)議向DoDAF 模型發(fā)送事件或消息激勵(lì)，以驅(qū)動(dòng)DoDAF 模型中相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；另一方面，通過Connect API 函數(shù)向STK 發(fā)送三維實(shí)體仿真控制指令（例如，雷達(dá)由邊掃描邊跟蹤模式轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕?biāo)跟蹤模式），或更新實(shí)體的軌跡參數(shù)等，以繼續(xù)推動(dòng)仿真進(jìn)程，即實(shí)現(xiàn)邏輯模型與作戰(zhàn)場景模型之間交互驅(qū)動(dòng)與仿真，如圖10所示，圖中的DoDAF 高亮部分為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所處的狀態(tài)。

6 結(jié)論

利用DoDAF 與STK 聯(lián)合的方式實(shí)現(xiàn)無人集群協(xié)同探測體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與論證，該方法基于作戰(zhàn)任務(wù)，按照黑盒（作戰(zhàn)視圖OV）與白盒（系統(tǒng)視圖SV）兩個(gè)過程，采用自頂向下的分析方法實(shí)現(xiàn)能力分解過程，是系統(tǒng)工程思路的擴(kuò)展。

下一步工作將實(shí)現(xiàn)DoDAF 系統(tǒng)論證過程與基于MBSE 的系統(tǒng)需求分析、功能分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，將Rhapsody 自動(dòng)生成的代碼框架在產(chǎn)品中加載與運(yùn)行，完善自頂向下的系統(tǒng)論證-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)等一系列方法論。