基于Arcadia/Capella的雷達系統設計方法

彭新家，馬振康

(中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

進入21世紀后，數字化理念和技術手段開始大量涌入工業制造領域，推動著工業制造數字化轉型?；谀Ｐ偷南到y工程(Model-Based System Engineering，簡稱MBSE)理念的出現，逐漸呈現出了區別于傳統基于文檔的系統工程(Document-Based System Engineering，簡稱DBSE)理念的優勢。它將以文檔為主要載體、以自然語言為描述手段的傳統方式，轉變成了以模型為主要載體、以建模語言為描述手段的方式，能夠有效解決大型復雜工業產品在論證、設計、開發和制造時，帶來的表意模糊、上下游傳遞不夠精準、設計協同困難以及技術狀態難以追溯等技術和管理方面的問題。

MBSE設計理念最早出現在航空、航天及汽車制造等領域，近些年也不斷在復雜電子裝備中進行實踐與應用，而雷達作為在國防軍事電子裝備中占有重要地位的產品，也在推廣應用中。架構分析與設計集成(Architecture Analysis and Design Integrated Approach，簡稱Arcadia)方法論作為MBSE設計理念最新的工程實踐，基于SysML擴展的建模語言，通過以特定建模工具Capella為支撐，可涵蓋雷達作戰任務分析、需求指標管理、系統總體設計、分系統詳細設計、制造試驗、維護運行支持等全過程階段。

本文圍繞雷達系統，介紹了基于Arcadia/Capella方法，完成雷達系統建模設計、需求工程化設計、系統綜合設計驗證以及系統工程生命周期管理等研究，為雷達系統全壽命周期活動提供了重要支撐?；贏rcadia/Capella方法的工程運用探索，符合雷達系統設計未來發展趨勢，具有重要的研究意義。

1 Arcadia/Capella設計方法概述

MBSE的概念最早于1993年被提出，2007年在國際系統工程學會(INCOSE)上進行定義并開始推廣。在2010年后，進入快速發展階段。在發展過程中，MBSE的“三要素”(語言、方法論和工具)也在不斷更新迭代、不斷擴展。建模語言先后出現了統一建模語言(UML)、系統建模語言(SysML)、特定域建模語言(DSML)等，建模方法論也先后出現了Harmony-SE方法、OOSEM方法、DSM方法等，而依托建模語言和建模方法論推出的建模工具更是層出不窮，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公司開始基于Arcadia方法論開發Capella建模工具，并于2014年開發出來，推動了Capella生態圈建設[1-4]。

Thales公司依據Arcadia方法論建立的ARCADIA SysML語言，該語言中模型元素和視圖能覆蓋SysML相應的元素和視圖，并且結合工程實際對SysML進行了封裝優化，在繼承SysML語言優點的同時，增強功能分析能力，采用系統思維，并結合了美國國防部架構框架(DoDAF)的相關理念。該建模語言操作方便，并且更為符合設計工程師的使用習慣，解決了基于UML的SysML語言傾向軟件思維的問題，減少了設計工程師對傳統SysML語法的學習和理解時間[5]。

脫胎于Arcadia方法的Capella可為設計工程師的建?；顒犹峁┫驅?，通常在開發過程中分為4個工作層級：運行分析(Operational Analysis，OA)、系統分析(System Analysis，SA)、邏輯架構(Logical Architecture，LA)和物理架構(Physical Architecture，PA)。通過上述4個工作層級，將系統需求模型化，分析系統的用戶需求(如作戰過程等)、系統的需求(如使命任務等)、確定分系統組成以及各分系統物理組成等。

2 基于Arcadia/Capella的雷達系統設計方法

雷達作為國防電子裝備的重要組成部分，涉及電訊、軟件、結構、環控、工藝等跨專業多學科協同，是典型的復雜系統。在以MBSE設計理念對雷達系統設計開發時，需針對雷達自身特點，建立一套涉及雷達全流程的技術開發和管理的體系平臺。

本文在進行雷達系統設計時，遵循Arcadia方法論，以Capella建模工具為載體，重點從雷達全壽命周期中的概念論證設計階段、方案設計階段和初步技術設計階段，圍繞雷達系統建模、需求工程化、雷達系統綜合設計驗證和雷達系統工程生命周期管理等幾個方面展開。針對某雷達的MBSE方案框架見圖1。

圖1 某雷達的MBSE方案框架

圍繞上述MBSE方案框架，在概念論證階段以低空反導模式為主線進行雷達能力論證建模分析，捕獲低空反導模式下的雷達主要能力要求，并通過與Matlab的集成進行雷達威力等的驗算。方案設計和初步設計階段承接論證階段的系統模型和數據進行基于模型的雷達總體需求分析，捕獲雷達開發的總體性能需求、功能需求、技術開發需求等。

2.1 雷達系統建模設計

用戶需求作為雷達建模的輸入，通過用戶需求和雷達戰技指標，在Capella建模工具內，開展雷達運行分析、系統分析、邏輯架構和物理架構建模，最終完成雷達產品結構分解。

為了設計過程方便，在開源Capella工具中開發指標體系建模與管理軟件，承擔與功能邏輯模型相關聯的定量指標的分析、建模與計算，實現將雷達的戰術指標關聯到初始化的OA中的運行活動模型，實現雷達的所有總體指標到SA中的系統功能模型的關聯、所有分系統指標到LA中的邏輯功能模型的關聯，實現雷達總體指標向分系統指標的分配和指標核算。圖2為基于Arcadia/Capella的雷達建模流程。

圖2 基于Arcadia/Capella建模流程圖

以某雷達的建模過程為例，結合Arcadia方法論可以有效遞歸傳遞的特點，利用Capella中系統到子系統的轉換(System to Subsystem Transition)功能，將雷達總體向各子系統的模型進行傳遞，各子系統從系統分析、邏輯架構和物理架構(PA)3個層級開展建模。

圖3為信號處理子系統在物理架構層級的物理架構視圖(PAB)，該視圖定義了信號處理的邏輯接口和物理接口。通過以上雷達總體和其子系統在4個層級的系統建模，可在雷達方案論證階段，以模型完成總體需求定義，確?？傮w需求的完整性和一致性；通過建模理清復雜的邏輯關系，避免不可行的原理，將雷達系統內部交互接口梳理得更清晰。

圖3 某雷達信號處理子系統物理架構視圖(PAB)

2.2 雷達需求工程化設計

Arcadia方法論的核心是基于需求驅動的，雷達在基于模型開展系統設計時，同樣由需求牽引。作為設計的開端，通過多重渠道、不同形式獲取用戶需求。因存在用戶參與度不夠、期望值不切實際，且需求會存在不斷變更和迭代完善的情況，在需求開發和管理的過程中，一般會引入需求開發和管理工具，運用比較廣泛的工具有IBM Rational DOORS、3SL Cradle、Siemens TeamCenter RM等。這些工具，以不同的方式將不同類型的需求信息進行歸類存儲，并通過建立相互關聯關系，實現開發過程中的需求可追溯，以及需求變更管理等。同樣，通過選用指標參數管理工具，實現雷達戰技指標的管理[6]。

為了將雷達系統的需求管理過程變得簡單，并且可以追溯，將采用分層次的方法對雷達進行分解，將雷達的項目、需求、研發工作分為項目層、產品層、分系統層來進行管理，雷達的系統工程研制流程是在每一層完成循環迭代的過程。

基于雷達體系構建完整的需求管理體系，使用不同的需求結構樹分別管理利益相關方需求規范、雷達需求規范、雷達驗證需求規范和設計驗證需求規范，最終形成雷達的需求規范定義，某雷達的需求規范定義如圖4所示。

圖4 雷達需求規范定義

2.3 雷達系統綜合設計驗證

雷達的設計過程中，需求定義、系統建模、系統仿真、專業設計、多學科仿真在不同的環境中進行。服務與頂層的系統技術管理流程和專業設計流程，要求設計分析和設計驗證環境必須貫通并行，同時又要保證獨立運行的性能。因此，基于系統工程架構定義功能設計、系統設計、方案設計、專業與學科設計的并行上下文環境。

通過將Capella中構建的雷達系統架構，利用系統工程平臺轉換成雷達系統功能架構，將雷達系統功能接口、功能聯接進行模型化定義，并實現功能架構共享。某雷達系統的綜合設計架構如圖5所示。

圖5 雷達系統綜合設計架構構成

同樣，雷達系統架構在LA層級定義明確了雷達系統構成，利用系統工程平臺將其轉換為雷達系統邏輯架構，在邏輯塊間定義信息流與邏輯接口。在該架構中，通過在邏輯塊定義內部和外部的驗證設計模型，可進行邏輯算法仿真驗證。利用系統工程平臺集成Matlab工具，可在雷達系統邏輯架構中封裝.m文件，在線執行雷達系統仿真程序，并將仿真結果自動回傳到系統工程平臺中。

以雷達系統的天線子系統為例，在雷達系統邏輯架構中，通過集成HFSS軟件，以標準仿真腳本實現天線參數化建模，通過輸入天線參數(如天線的幾何參數)、仿真設置進行自動的求解計算，并自動輸出天線的S參數、Z參數、方向圖等仿真結果文件。

在雷達系統綜合架構中，將雷達系統邏輯架構(LA)層級轉換為雷達系統仿真架構，在系統仿真架構中進行系統級多物理仿真的方案配置與接口集成配置；同時將雷達系統架構中確定系統內部物理功能構成的物理架構(PA)層級，同步到系統仿真架構，并進行系統內部多物理仿真集成進行配置。在雷達系統仿真架構中，通過系統工程平臺進行異構工具集成與多學科仿真，解決了雷達涉及到的多學科耦合仿真驗證難的問題。

本文以機相掃雷達在轉動過程中天線波瓣方位的分析驗證為例。通過系統工程平臺集成不同機構工具，建立雷達天線座動力學模型，并結合有限元模型及各向激勵完成剛柔耦合模型建模，通過動力學計算輸出天線結構變形數據。

將變形后的雷達天線網格模型進行天線電磁場仿真網格創建，通過定義天線激勵源，進行電磁場遠場仿真，獲取雷達遠場天線波瓣。將最終的電磁場仿真結果回傳到系統工程平臺，從而完成雷達在轉動過程中天線波瓣方位的分析驗證。某雷達在轉動過程中天線波瓣方位的分析驗證如圖6所示。

圖6 某雷達在轉動過程中天線波瓣方位的分析驗證

2.4 雷達系統工程生命周期管理

雷達系統工程生命周期管理，是雷達基于MBSE開發的重要組成部分。系統工程基于雷達全生命周期應用和管理要求定義7類模型，即系統模型、管理模型、理論模型、專業模型、仿真模型、實體模型以及試驗模型。模型基于統一數據庫進行存儲管理，系統中創建模型的對象基于業務應用要求進行擴展，獨立進行模型規范定義、生命周期管理要求定義以及流程定義。

為了實現數據/狀態記錄的準確性、完整性和過程關聯性/可追溯性，有必要建立針對雷達的模型數據庫。將雷達開發過程中形成的雷達系統各類模型進行可視化集中，方便調用、驗證及傳遞，從而最終實現在正確的時間將正確的模型數據傳遞給正確的人，以進行正確的使用。

3 虛擬集成雷達設計思考

在采用MBSE理念開發雷達時，往往會想到獲取虛擬集成雷達。通過高保真度的虛擬集成仿真，保證集成設計的正確性。而在基于Arcadia/Capella設計方法開展工作時，實際上在分析設計階段，是針對雷達的需求分析、功能分析、邏輯分析和架構設計的不斷分解及建立相互關聯的過程，包含著濃重的解耦思想。

而要實現虛擬集成雷達的開發，則需要建立一個具有完備性和高算力的雷達系統集成仿真平臺，實現涉及雷達系統的所有多學科、多專業異構模型在較高實時性下的集成仿真，是一個集成耦合的思想。目前來看，這仍屬于行業內的難題。

針對上述問題，對虛擬集成雷達的設計進行了探討研究。虛擬集成雷達的設計思路如下：首先，需針對系統集成仿真平臺完成集成仿真接口定義，將涉及到有關聯的各ECAD和MCAD等仿真軟件平臺貫通，能夠實現數據模型間的連續傳遞。另外，需建立涉及開發雷達所含專業的完備模型庫，且該模型庫中的模型均完成校模驗模，滿足可重用要求，無需在調用過程中再對模型進行驗證及標定。

最后，為了在雷達系統集成仿真平臺仿真過程中具有時效性，在合理時間內完成對雷達系統的各方面性能和指標完成驗證和評估，可對其中涉及到的控制及電路等模型，進行簡化模型的階數。通過采用模型降階(reduced-order model，ROM)技術，將用微分方程、差分方程或時間序列分析等方法建立的模型，忽略其高階項，獲取低階模型，從而將作為復雜系統的雷達在一定條件下轉化為較小規模的近似低階系統。在降階系統與原雷達復雜系統誤差足夠小的前提下，盡可能保持原雷達復雜系統的穩定性、無源性和結構特性等。最終，實現虛擬集成雷達的穩定高效運行[7]。

4 結束語

本文通過借鑒MBSE的思想，介紹了基于Arcadia方法論和Capella建模工具的雷達數字化系統設計方法。該方法在需求管理工具等的支撐下，在Capella建模工具中完成了雷達系統架構的建模，實現了雷達系統在概念論證設計階段、方案設計階段和初步技術設計階段中的需求、功能、邏輯和物理架構的分析和設計。通過系統工程平臺進行異構工具集成與多學科仿真，實現了針對雷達系統的多學科協同設計手段。通過建立雷達模型數據庫，完成雷達多顆粒度的可追溯性連續閉環驗證，實現了雷達模型生命周期內的高效精細化管理。最后，針對虛擬集成雷達的未來設計需求，提出了基于模型降階技術的雷達系統仿真平臺架構設想，供后續開展進一步研究。

本文雖介紹了雷達數字化設計的方法流程，但在雷達綜合設計驗證等環節，還需要在后續的不斷實踐過程中進行完善細化，形成面向雷達復雜系統的更加高效完備的設計方法和理念。