基于DoDAF_2.02的...留升空中继通信系统需求分析_郎为民.pdf

2023年第6期基于DoDAF 2.02的系留升空中继通信系统需求分析郎为民，李宇鸽，廖非凡，王振义，邹力（国防科技大学信息通信学院，湖北省武汉市 430010）摘要随着技术的快速发展和标准的持续完善，系留升空中继通信系统的优势日益凸显，其应用领域越来越广，行业发展前景看好，对其业务需求和基本能力进行分析迫在眉睫。作为美国国防部体系结构框架发展的最新版本，DoDAF（美国国防部体系结构框架）2.02 可为系留升空中继通信系统生存周期的各环节提供指导。文章介绍 DoDAF 2.02 版本的主要内容，选择全景视点、能力视点、系统视点和标准视点，构建系留升空中继通信系统的体系结构框架模型，为系统的组织运用奠定坚实的基础。关键词系留升空中继通信系统；DoDAF（美国国防部体系结构框架）2.02；系留无人机；需求分析；视点0引言系留升空中继通信系统具有滞空时间长、部署速度快、开设成本低、覆盖区域大、通信质量好等优点，已经广泛应用于抢险救灾、安防反恐、应急中继和国防军事等领域。为了合理部署系留升空中继通信系统，实现与光纤通信网、卫星通信网、移动通信网的完美融合，满足各类用户话音、视频和数据通信的需求，需要对系留升空中继通信系统的业务需求和基本能力进行科学分析1-4。系留升空中继通信系统是一种管理和协调系留无人机完成滞空作业、定位导航、飞行控制、状态监控、故障报警、遥测遥控、信息传输、数据通信等多项任务的复杂系统。对于复杂系统来说，体系结构是系统部署需要考虑的关键问题，健壮可靠的体系结构关系着系统部署的成败。采用体系结构方法对系留升空中继通信系统进行完整描述，可以确保系统高效满足各类用户的应用需求，实现与光纤通信网、卫星通信网、移动通信网的互联互通和信息共享，提高系统部署质量，节省维护和使用成本。DoDAF（美国国防部体系结构框架）2.02 是美国国防部体系结构框架发展的最新版本，真正实现了以数据为中心，能够较好满足系留升空中继通信系统的组织运用需求。1DoDAF 2.02DoDAF 是由美国国防部制定的系统体系结构框架。DoDAF 方法起源于美军 C4ISR 体系结构框架，先后经历了 DoDAF 1.0、DoDAF 1.5 和 DoDAF2.0 等版本，当前的最新版本是 2010 年 8 月批准颁布的 DoDAF 2.02。DoDAF 发展历程如图 1 所示。DoDAF 2.02 版本的内容主要包括：背景、体系结构开发、元模型、视点与模型、呈现技术、DoDAF-DM2 配置管理和 IDEAS（国际国防企业体系结构规范）等。DoDAF 2.02 包括 8 个视点，即全景视点、能力视点、数据和信息视点、作战视点、项目视点、服务视点、标准视点和系统视点。围绕系留升空中继通信系统的业务需求和基本能力分析，本文选取全景视点、能力视点、系统视点和标准视点开展研究5-6。基金项目：装备综合研究计划2021年度研究类项目“系留升空中继通信系统组织运用研究”（ZBKY-ZH-2117），国防科技大学装备综合保障技术重点实验室基金项目“通信装备智能诊断与故障预测研究”（6142003190207），国家自然科学基金资助项目“节能无线认知传感器网络协同频谱感知安全研究”（61100240）。技 术 交 流12023年第6期2全景视点全景视点用于描述系留升空中继通信系统体系结构范围、背景和术语等顶层内容，阐明与其他体系结构的关系，是体系结构开发的依据和基础。它包括概述和摘要信息（AV-1）、综合词典（AV-2）两种模型。2.1概述和摘要信息（AV-1）模型概述和摘要信息（AV-1）模型用于描述系留升空中继通信系统体系结构标识、范围、开发目的和用途、背景等内容，能够为用户提供对多种体系结构进行引用、比较和参阅的概括信息。系留升空中继通信系统的概述和摘要信息模型介绍如下：1）体系结构标识a）体系结构名称：系留升空中继通信系统体系结构。b）体系结构描述：设计系留升空中继通信系统的全景、作战和系统视图。c）约束条件：符合相关国家标准和军用标准。2）范围a）要开发的体系结构视图和产品名称：概述和摘要信息视图（AV-1）、综合词典视图（AV-2）、高级作战概念视图（OV-1）、作战节点连接视图（OV-2）、作战信息交换矩阵视图（OV-3）、作战活动视图（OV-5）、系统组成视图（SV-1）、系统逻辑连接视图（SV-2a）、系统功能视图（SV4）。b）适用时间：长期。3）体系结构开发目的和用途a）体系结构需求阐述：厘清影响系留升空中继通信系统使用效能的影响因素，分析系留升空中继通信系统的能力、接口、功能需求。b）论证分析的内容：系留升空中继通信系统的作战需求和能力需求。c）用途：通过充分融合光通信网、卫星通信网、移动通信网与系留升空中继通信系统等各类通信手段，为各类用户提供视频、话音和数据通信。4）体系结构背景a）使命任务：通信载荷搭载于系留无人机平台，具有无线通信接入及组网控制功能，实现视频、话音、数据接入与中继转发，实现无线通信覆盖和快速开通，满足保障地域内无线通信覆盖和快速开通的使用需求。b）目标：通过系留线缆与地面站电源相连，为无人机提供不间断的电力供应，确保无人机在空中长时间定点悬停飞行，提供 7 24 h 的通信中继服务。c）遵循的规则、条例：民用系留无人机系统通用要求。2.2综合词典（AV-2）模型综合词典（AV-2）模型用于描述系留升空中继通信系统的术语、数据分类和元数据等内容，记录并解释体系结构开发和设计过程中使用的所有术语和缩略语的定义及其特征描述。它可为用户提供有益参考，以帮助用户阅读和理解已开发的体系结构。综合词典（AV-2）模型术语名称及定义见表 1。3能力视点能力视点用于描述系留升空中继通信系统的能力需求、交付时间和能力部署，充分体现与整体构想表 1综合词典（AV-2）模型术语名称及定义术语名称术语定义系留无人机系留无人机是在多旋翼无人机、无人直升机等飞行器的基础上，通过地面电源和系留线缆供电，使无人机不受电池电量的限制而实现长时间滞空飞行，长时间地执行空中作业系留线缆一种能够传输电力和数据的电缆收放线装置一种能自动或手动地对线缆进行收线、排线和放线的线缆收纳控制装置机载备用电源一种不间断电源，在机载电源异常时，为无人机系统提供短期应急工作电源。备用电源来自机载备用电池图 1DoDAF 发展历程技 术 交 流22023年第6期图 2能力分类（CV-2）模型图 3系统接口描述（SV-1）模型技 术 交 流相关的使命目标，主要包括 7 个模型，即构想（CV-1）、能力分类（CV-2）、能力阶段（CV-3）、能力关系（CV-4）、能力与组织开发映射（CV-5）、能力与作战活动映射（CV-6）、能力与服务映射（CV-7）等模型。本文主要研究能力分类（CV-2）模型。能力分类（CV-2）模型用于描述系留升空中继通信系统的能力类型，可提供当前和未来能力的功能层次结构，来识别能力要求、规划能力构成、编码能力元素、分析能力差距。能力分类（CV-2）模型如图 2 所示。系留升空中继通信系统的能力由电力供应、信息通信、业务支撑和体系融合等能力构成7。其中，电力供应能力体现在市电供应、发电供应和电池供应等方面，信息通信能力体现在终端连接、网络覆盖、信息传输质量、信道带宽和传输速率等方面，业务支撑能力体现在语音传输、文电传输、短信传输和视频传输等方面，体系融合能力体现在与光纤网、卫星网和移动网的融合方面。4系统视点系统视点用于描述系留升空中继通信系统的构成要素、系统功能、系统间的连接关系、系统间的数据交换等内容，重点关注特定物理（地理）位置下的特定物理系统，主要包括 13 个模型，即系统接口描述（SV-1）、系统资源流描述（SV-2）、系统间矩阵（SV-3）、系统功能描述（SV-4）、系统功能与作战活动映射矩阵（SV-5a）、系统与作战活动映射矩阵（SV-5b）、系统资源流矩阵（SV-6）、系统性能参数矩阵（SV-7）、系统发展描述（SV-8）、系统关键技术预测（SV-9）、系统规则模型（SV-10a）、系统状态 转 移 描 述（SV-10b）和 系 统 事 件 跟 踪 描 述（SV-10c）等模型。本文重点研究系统接口描述（SV-1）、系统功能描述（SV-4）和系统关键技术预测（SV-9）3 个模型。4.1系统接口描述（SV-1）模型系统接口描述（SV-1）模型用于描述系留升空中继通信系统的构成和交互，它包括为用户提供中继通信服务的子系统和系统节点。系统接口描述（SV-1）模型如图 3 所示。系留升空中继通信系统通常由系留无人机平台、数据链、地面设备和任务载荷等部分组成。其中，系留无人机平台包括机体、动力系统、电气系统、电源监控系统、飞控与导航系统，数据链包括机载数据终端和地面数据终端，地面设备包括地面电源、系留32023年第6期图 4系统功能描述（SV-4）模型图 5系统关键技术预测（SV-9）模型技 术 交 流线缆、收放线装置和地面控制单元，任务载荷可以是基站或电台。在外部连接方面，任务载荷可以与光纤通信网、卫星通信网和移动通信网实现互联互通，地面电源可以与发电机或市电连接。4.2系统功能描述（SV-4）模型系统功能描述（SV-4）模型用于从系统功能和数据流的角度来描述系留升空中继通信系统主要功能之间的层次结构关系，可确保系统功能分解到合适的粒度，以及功能间数据关系的完整性。系统功能描述（SV-4）模型如图 4 所示。系留升空中继通信系统的功能可以通过四大构成要素（系留无人机平台、数据链、地面设备和任务载荷）的功能来体现。其中，系留无人机平台的功能包括一键起落、飞行控制、断系自动降落、状态监控、系统自检、故障实时报警、北斗定位测向等，数据链功能包括遥控通信、遥测通信、跟踪定位和信息传输等，地面设备功能包括电力供应、数据通信、系留线缆自动收放、数据采集与处理、电源监控等，任务载荷功能包括信道提供、互联互通、时钟同步、视频通信、话音通信、文电通信和数据通信等。4.3系统关键技术预测（SV-9）模型系留升空中继通信系统关键技术预测（SV-9）用于描述既定时间范围内与系留升空中继通信系统相关新生技术的可用性和发展趋势，包括实际可以预测的新技术或已知技术当前状态并能对其进行改进的技术，为系统设计、使用和维护人员提供对系统技术体制的预测。系统关键技术预测（SV-9）模型如图 5 所示。42023年第6期系留升空中继通信系统的关键技术由电气、动力、飞控与导航以及通信等技术构成。其中，电气技术包括地面电气、机载电气、电源监控和系留线缆等技术，动力技术包括电机、电机控制和螺旋桨等技术，飞控与导航技术包括飞行控制、导航、定位、跟踪等技术，通信技术包括遥控通信、遥测通信和信息传输等技术。5标准视点标准视点用于描述支持系留升空中继通信系统实现的技术标准，是技术体制构建的基础。涵盖了理论、操作、业务、技术或行业标准、规则和指南，主要包括 2 个模型，即标准配置（StdV-1）模型和标准预测（StdV-2）模型。本文重点研究标准配置（StdV-1）模型。标准配置（StdV-1）模型用于定义系留升空中继通信系统设计和实现过程中，需要遵循的各种技术、操作和业务标准、协议、指南、策略。标准配置（StdV-1）模型如图 6 所示。系留升空中继通信系统的标准体系由基础通用标准、管理标准、技术标准和行业应用标准构成。其中，基础通用标准主要包括术语定义、分级分类、编码、身份识别、安全等，目的是建立统一的规范语言及方法；管理标准包括研发、注册、鉴定、制造、配发、运行和退役报废相关的规范化文件；技术标准包括系统级、分系统级和部件级的无人机规范化文件；行业应用标准包括涉及农业、电力、警用、测绘、航拍、物流、遥感、应急管理、国防军事等行业的无人机规范化文件。6结束语文章以系留升空中继通信系统的业务需求和基本能力为输入，基于 DoDAF 2.02 体系结构框架，选取全景视点、能力视点、系统视点和标准视点等部分主要视点，建立系留升空中继通信系统的体系结构框架模型，为系留升空中继通信系统的组织运用奠定了坚实的基础。参考文献1郑华利，靳朝，雷超.系留无人机通信中继系统作战应用研究 J.兵工自动化，2022，41（11）：73-76.2郎为民，田尚保，邹力，等.系留升空中继通信系统组网模式研究 J.电信快报，2022（2）：1-4.3郎为民，田尚保，李宇鸽，等.升空中继通信系统研究 J.电信快报，2022（3）：1-5.4郎为民，李宇鸽，王振义，等.系留无人机通信问题研究J.电信快报，2023（1）：1-4，13.5中央军委装备发展部.GJB/Z 185-2017：军事电子信息系统需求开发指南 S.2017.6中国人民解放军总装备部.GJB/Z 156-2011：军用电子信息系统体系结构设计指南 S.7罗杰，苏兵，迟铭，等.改进 ADC 模型的空中无人通信平台作战效能评估 J.火力与指挥控制，2022，47（5）：124-129.郎为民（1976），男，研究员，硕士生导师，博士，主要研究方向为元宇宙、智能与无人系统和大数据。收稿日期：2023-04-25图 6标准配置（StdV-1）模型技 术 交 流5