基于模型的系統(tǒng)工程方法在衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐

盧志昂 劉霞 毛寅軒 范海濤 趙滟

(1 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048) (2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

衛(wèi)星是復(fù)雜的工程系統(tǒng)，其研制過程需要應(yīng)用系統(tǒng)工程方法。在傳統(tǒng)的衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)過程中，主要采用的是基于文本的系統(tǒng)工程途徑，這種基于自然語言的系統(tǒng)描述雖然包含的信息量充足、具有較好的可讀性，但由眾多各類型文檔構(gòu)成的離散的系統(tǒng)信息在總體設(shè)計(jì)過程中反復(fù)迭代論證時(shí)不易保持信息一致性，也不易追溯，需要耗費(fèi)大量人力與時(shí)間，增加了開展系統(tǒng)工程活動(dòng)的困難性與復(fù)雜性。相較于傳統(tǒng)的基于文本的系統(tǒng)工程方法，基于模型的系統(tǒng)工程方法能夠以形式化的建模語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多層次分解，針對(duì)系統(tǒng)各個(gè)側(cè)面進(jìn)行信息描述，并且建立各模型信息間的聯(lián)系，形成自動(dòng)關(guān)聯(lián)可追溯的系統(tǒng)模型，能夠有效地解決信息追溯與一致性保證的問題[1]。同時(shí)，以圖形為主的形式化模型替代了傳統(tǒng)的文本文檔，能夠顯著地減少系統(tǒng)信息元素間的矛盾，增進(jìn)總體和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的協(xié)同效果，杜絕因理解歧義造成的系統(tǒng)開發(fā)更改損失。

SysML語言是MBSE方法的基礎(chǔ)之一，它是由系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)(International Council on Systems Engineering, INCOSE)和對(duì)象管理組織(Object Management Group, OMG)在統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language, UML)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展提出的新的標(biāo)準(zhǔn)建模語言[2]。美國國家航空航天局(NASA)應(yīng)用MBSE方法在立方體衛(wèi)星(CubeSat)[3]、火情預(yù)警衛(wèi)星(FireSat)[4]的設(shè)計(jì)中取得了重大突破，也反映了MBSE方法在衛(wèi)星研制中的優(yōu)勢(shì)。在我國，隨著近幾年MBSE方法的推廣，其在航空領(lǐng)域也取得了不少的成就，中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司“靈雀”項(xiàng)目就是MBSE方法在飛機(jī)設(shè)計(jì)研制中進(jìn)行應(yīng)用的一次成功嘗試。衛(wèi)星研制相較于飛機(jī)具有系統(tǒng)耦合度高、技術(shù)難度大、可靠性要求高的特點(diǎn)，盡管我國的航天工業(yè)幾十年來形成了相對(duì)穩(wěn)定的總體設(shè)計(jì)流程，但近些年來隨著衛(wèi)星研制數(shù)量的增加，多型號(hào)并舉，衛(wèi)星性能指標(biāo)要求也隨之升高。傳統(tǒng)的基于文本的系統(tǒng)工程效率低，關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)的問題日益顯著，亟需一種更加適應(yīng)未來的新型復(fù)雜衛(wèi)星快速研制的系統(tǒng)工程方法。MBSE方法利用自動(dòng)關(guān)聯(lián)可追溯的模型，從功能和性能兩條主線完成衛(wèi)星研制的正向設(shè)計(jì)，有利于實(shí)現(xiàn)模型的共用，進(jìn)而提升衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)效率。

本文主要基于No Magic公司的MagicGrid系統(tǒng)建模框架，該框架是MBSE方法的一種實(shí)現(xiàn)形式，注重對(duì)象的多層次分析，基于需求、行為、結(jié)構(gòu)和參數(shù)4個(gè)支柱，從頂層需求出發(fā)，對(duì)用戶級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的任務(wù)進(jìn)行分析，將MagicGrid系統(tǒng)建模框架和傳統(tǒng)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，應(yīng)用MBSE方法完成了微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)中的用戶期望分析、任務(wù)運(yùn)行方案定義、功能分析與物理劃分、性能參數(shù)的工程分析。

1 衛(wèi)星研制中的總體設(shè)計(jì)流程與方法

1.1 MagicGrid系統(tǒng)建模框架介紹

MagicGrid系統(tǒng)建?？蚣苁荖o Magic公司在傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程活動(dòng)流基礎(chǔ)上進(jìn)行層次細(xì)分后提出的新的MBSE框架。MBSE模型的4個(gè)支柱為需求、行為、結(jié)構(gòu)、參數(shù)。MagicGrid系統(tǒng)建?？蚣芤彩菑倪@4個(gè)支柱出發(fā)，通過對(duì)MBSE系統(tǒng)模型的構(gòu)建和迭代分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工程的需求-功能-邏輯-物理(分別對(duì)應(yīng)需求、行為、結(jié)構(gòu)、參數(shù)4個(gè)支柱)設(shè)計(jì)步驟的綜合，形成規(guī)范化的建模流程，如圖1所示。

注：表示分析與設(shè)計(jì)。

圖1 MagicGrid系統(tǒng)建?？蚣?/p>

Fig.1 MagicGrid system modeling framework

MagicGrid系統(tǒng)建?？蚣苡筛拍睢栴}和方案3個(gè)層級(jí)所構(gòu)成，形成一個(gè)增量迭代式活動(dòng)流。在模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)過程中，概念層級(jí)代表了用戶需求輸入，在問題層級(jí)中進(jìn)行迭代分析，最后在方案層級(jí)得到工程系統(tǒng)模型輸出。

(1)概念層級(jí)：是從用戶需求出發(fā)，建立頂層行為用例和用戶之間的聯(lián)系，并搭建起整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，并初步建立概念層級(jí)的效能指標(biāo)參數(shù)模型。

(2)問題層級(jí)：從概念層級(jí)建立的行為用例出發(fā)，通過功能分析對(duì)問題層級(jí)的功能點(diǎn)進(jìn)行定義，形成反映系統(tǒng)內(nèi)部各模塊行為和交互情況的白盒結(jié)構(gòu)模型，建立起問題層級(jí)的效能指標(biāo)參數(shù)模型。

(3)方案層級(jí)：該層級(jí)是將工程系統(tǒng)的功能要求和參數(shù)約束落實(shí)到部件層級(jí)，定義系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，完成方案層級(jí)的需求、結(jié)構(gòu)、行為和參數(shù)的分析。

1.2 面向衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的建模方法

衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)需要從用戶需求出發(fā)，遵循系統(tǒng)工程整體性、層次性和研制階段性的原則，產(chǎn)出符合效益要求，滿足空間環(huán)境約束，具有高可靠性和高安全性的衛(wèi)星系統(tǒng)[5]。衛(wèi)星研制非常復(fù)雜，本文主要聚焦以下幾個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的任務(wù)分析過程的主要環(huán)節(jié)開展研究與討論。

1)任務(wù)分析中幾個(gè)主要環(huán)節(jié)

(1)從用戶需求出發(fā)，通過任務(wù)分析，將任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為任務(wù)級(jí)系統(tǒng)的功能以及性能參數(shù)，成為系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)要求。

(2)將分析得到的任務(wù)級(jí)性能指標(biāo)要求作為頂層約束，通過工程分析，推導(dǎo)并得出衛(wèi)星系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)指標(biāo)，并分配到分系統(tǒng)中成為分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

(3)完成衛(wèi)星部件級(jí)物理邏輯架構(gòu)的設(shè)計(jì)。

(4)提出衛(wèi)星產(chǎn)品的成熟模型，并驗(yàn)證其功能性能是否完全滿足用戶的要求。

2)MBSE方法

傳統(tǒng)衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)過程主要是以性能指標(biāo)為線索，對(duì)系統(tǒng)各層級(jí)進(jìn)行串聯(lián)。衛(wèi)星的物理架構(gòu)設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在針對(duì)性能指標(biāo)的分析過程，而其邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在功能分析過程中。衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)流程盡管能夠保證完成用戶在衛(wèi)星性能參數(shù)上的要求，但用戶功能需求的邏輯驗(yàn)證不易實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)行過程頂層缺乏功能模型，注重部件層次關(guān)于衛(wèi)星技術(shù)的分析，導(dǎo)致功能邏輯論證的缺失。而MBSE方法在模型的支持下，既能保證衛(wèi)星任務(wù)在物理指標(biāo)上的合理性，又能體現(xiàn)總體設(shè)計(jì)過程的邏輯完備性。因此，本文將MagicGrid系統(tǒng)建?？蚣芎蛡鹘y(tǒng)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，提出了一種面向衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的MBSE方法，如圖2所示。

MBSE方法從層級(jí)上將系統(tǒng)區(qū)分為用戶級(jí)、任務(wù)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和分系統(tǒng)級(jí)。本研究聚焦于衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)方法，不涉及具體專業(yè)工程的內(nèi)容，建模主要圍繞前3個(gè)層級(jí)開展，對(duì)分系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)過程不加詳述。

(1)用戶期望定義。用戶的期望是建立衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其主要流程包括確定利益相關(guān)方和明確用戶的期望[6]。衛(wèi)星研制的用戶期望指的是用戶的初始需求，這也是衛(wèi)星開展總體設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。由于用戶提出的期望顆粒度不同，在MBSE方法中隸屬層級(jí)也可能有所不同，需要對(duì)期望進(jìn)行篩選和分解，對(duì)具有數(shù)值屬性的性能需求作為衛(wèi)星任務(wù)的性能指標(biāo)約束，功能性的需求作為衛(wèi)星任務(wù)功能設(shè)計(jì)需求。

(2)衛(wèi)星任務(wù)運(yùn)行方案。衛(wèi)星任務(wù)的設(shè)計(jì)需求是建立任務(wù)運(yùn)行方案的出發(fā)點(diǎn)，任務(wù)運(yùn)行方案和運(yùn)行體系在任務(wù)層級(jí)中用例分析和系統(tǒng)范圍與邊界過程中體現(xiàn)。與其他復(fù)雜系統(tǒng)工程任務(wù)分析不同的是：在衛(wèi)星任務(wù)中，其運(yùn)行方案包括發(fā)射、入軌、在軌、返回、留軌等階段，而衛(wèi)星軌道以及衛(wèi)星運(yùn)行所在的空間環(huán)境是需要獨(dú)立考慮的任務(wù)運(yùn)行要素。通過對(duì)衛(wèi)星任務(wù)的用例進(jìn)行迭代分析，明確系統(tǒng)運(yùn)行的范圍與邊界，并構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行的體系。

(3)系統(tǒng)功能劃分與物理劃分。在明確了任務(wù)范圍邊界和衛(wèi)星系統(tǒng)的性能參數(shù)要求后，首先需要對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的功能劃分做出定義。系統(tǒng)工程中功能劃分的方法有多種，包括使用工作模式、使用功能要求、使用組織結(jié)構(gòu)等。而衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)中主要是基于系統(tǒng)運(yùn)行的邏輯過程實(shí)現(xiàn)其功能劃分[5]。當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)的功能點(diǎn)明確之后，可以對(duì)各個(gè)功能點(diǎn)之間的接口及交互關(guān)系進(jìn)行定義。物理體系將相關(guān)系統(tǒng)劃分成分系統(tǒng)或組件，將通過功能劃分得到功能點(diǎn)分配到各個(gè)物理組件中，就能實(shí)現(xiàn)功能要求和物理組件的追溯。

(4)性能參數(shù)的工程分析。用戶提出的在性能上的指標(biāo)要求，經(jīng)過任務(wù)指標(biāo)分解成為任務(wù)層的參數(shù)需求，并作為衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)的指標(biāo)約束進(jìn)行工程分析，形成衛(wèi)星總體參數(shù)分析。在衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)中，用戶對(duì)任務(wù)的約束既作為設(shè)計(jì)的原始依據(jù)，又作為最終目標(biāo)。

注：表示分析與設(shè)計(jì)；表示驗(yàn)證與確認(rèn)；①～④分別對(duì)應(yīng)1.2節(jié)2)MBSE方法中的(1)～(4)。

圖2 面向衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的MBSE方法

Fig.2 MBSE method for satellite integrative design

2 MBSE在微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

面對(duì)航天任務(wù)在空間環(huán)境下的科學(xué)探測和實(shí)驗(yàn)的需求，我國一直在推進(jìn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的研制。其中，微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星可以為在空間站上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及未來空間生產(chǎn)提供重要的基礎(chǔ)性研究，受到國內(nèi)航天機(jī)構(gòu)和科研院所的關(guān)注，其系統(tǒng)包含多器組合，交互接口關(guān)系復(fù)雜、耦合度高，且飛行過程復(fù)雜，受空間環(huán)境制約較大。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星研制過程主要基于文檔的形式，各類報(bào)告數(shù)量多，包括早期的紙質(zhì)文檔和后期的電子文檔，其非形式化的特點(diǎn)導(dǎo)致信息間的不一致性，增加錯(cuò)誤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。而MBSE方法通過用戶期望分析以構(gòu)建任務(wù)要求模型和用例模型，從需求模型和用例場景推導(dǎo)出衛(wèi)星任務(wù)的邏輯架構(gòu)模型，并以需求模型和邏輯模型為基礎(chǔ)構(gòu)建物理架構(gòu)模型進(jìn)行性能參數(shù)分析，這些一致性的模型將所有設(shè)計(jì)信息緊密結(jié)合得到一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的高效和準(zhǔn)確溝通，保證設(shè)計(jì)信息的一致性。

2.1 用戶期望定義

用戶期望的出發(fā)點(diǎn)是所有和系統(tǒng)有關(guān)的用戶需求信息，在MBSE中，模型化的語言描述可以形成結(jié)構(gòu)化的需求框架，微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的用戶需求是“某科研院所需要一種能夠長期保持的微重力環(huán)境來開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)”，而這也是該衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的頂層需求。對(duì)于設(shè)計(jì)人員，首先考慮的是如何滿足需求，明確采用的實(shí)現(xiàn)方案為微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，并對(duì)用戶的需求進(jìn)行分析并分解，來明確和確認(rèn)并細(xì)化衛(wèi)星任務(wù)的總體目的和目標(biāo)，例如溫度環(huán)境需求、微重力保障需求、時(shí)間鏈保障需求、信息支持需求、能源保障需求和飛行時(shí)間需求，而微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的環(huán)境保障需求包括準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)和微振動(dòng)下的微重力需求以及溫度環(huán)境需求，要求整星達(dá)到10-6gn量級(jí)，1～300 Hz振動(dòng)下優(yōu)于10-4gn量級(jí)，溫度要求保持在(20±5)℃范圍內(nèi)，其他需求包括飛行時(shí)間為12～20天，在軌階段載荷平均功耗400 W，數(shù)據(jù)傳輸日均不小于15 Gbyte，峰值不小于20 Gbyte，在發(fā)射前10 h完成載荷安裝等，如圖3所示。本文從微重力環(huán)境保障需求出發(fā)，開展對(duì)衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)。

圖3 衛(wèi)星用戶期望模型Fig.3 Satellite stakeholder requirement model

2.2 衛(wèi)星任務(wù)運(yùn)行方案

基于分析后的用戶期望，應(yīng)該對(duì)衛(wèi)星任務(wù)運(yùn)行方案有一個(gè)清晰的描述[7]。在MBSE方法中，用例場景對(duì)整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行過程進(jìn)行描述，是對(duì)任務(wù)運(yùn)行邊界分析的依據(jù)。在對(duì)微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星功能剖面進(jìn)行分析時(shí)，主要依據(jù)運(yùn)行邏輯順序?qū)τ美龍鼍斑M(jìn)行分解，用例包括發(fā)射前準(zhǔn)備、發(fā)射入軌、在軌運(yùn)行、返回再入和留軌運(yùn)行5個(gè)主要場景，其中與用戶相關(guān)的場景為在軌運(yùn)行、返回再入和留軌運(yùn)行，如圖4所示。

衛(wèi)星任務(wù)由衛(wèi)星系統(tǒng)、火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、地面測控系統(tǒng)、地面運(yùn)控系統(tǒng)和用戶地面系統(tǒng)共同完成。而在衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)流程中，衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)和空間環(huán)境因素是單獨(dú)考慮的外部條件。任務(wù)框架抽象地描述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，明確了系統(tǒng)的層級(jí)區(qū)分，反映了系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的聯(lián)系，如圖5所示。

圖4 微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星用例模型Fig.4 Microgravity science experimental satellite use case model

圖5 微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)系統(tǒng)框架模型Fig.5 Microgravity science experimental satellite mission system framework model

微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的用戶主要希望能夠產(chǎn)生一種能夠長期保持的微重力環(huán)境來支撐其科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)來進(jìn)行科學(xué)分析，所以應(yīng)分析微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的相關(guān)性能特點(diǎn)。

性能特點(diǎn)是綜合反映衛(wèi)星平臺(tái)在完成飛行任務(wù)和用戶需求時(shí)，所需具備的能力指標(biāo)和技術(shù)特性。除了衛(wèi)星軌道和空間環(huán)境要素外，衛(wèi)星平臺(tái)自身也需要具備相應(yīng)的任務(wù)級(jí)能力，例如微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星質(zhì)量為3000 kg，任務(wù)單次載荷承受力為1000 kg，單次任務(wù)飛行時(shí)間為12～20天，數(shù)據(jù)下傳碼率120 Mbit/s，返回日的返回窗口，西安測控站和太原數(shù)傳站都需要進(jìn)行確定，如圖6所示。

圖6 微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)級(jí)需求模型Fig.6 Microgravity science experimental satellite mission-level requirements model

2.3 系統(tǒng)功能劃分和物理劃分

在通過2.1和2.2節(jié)對(duì)于衛(wèi)星任務(wù)的用戶級(jí)和任務(wù)級(jí)需求、任務(wù)運(yùn)行方案分析之后，應(yīng)該建立對(duì)于系統(tǒng)級(jí)的邏輯架構(gòu)描述。

MBSE方法中的功能分析基于SysML的活動(dòng)圖、序列圖，是用例分析的一種延續(xù)，是一類面向過程的技術(shù)，重點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部功能點(diǎn)的分析。功能建模主要對(duì)行為的輸入輸出順序以及條件做出表達(dá)，并對(duì)其中的動(dòng)作流進(jìn)行定義，對(duì)邏輯分系統(tǒng)制定劃分并將動(dòng)作流分配到制定的邏輯分系統(tǒng)內(nèi)[8]。

圖7為微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在軌運(yùn)行階段“軌道控制”功能分析模型的部分示意圖，對(duì)其在軌運(yùn)行用例使用活動(dòng)圖進(jìn)行描述，可以分解成姿態(tài)調(diào)整、載荷實(shí)驗(yàn)、校時(shí)、測控、數(shù)傳等幾個(gè)關(guān)鍵行為，這些行為活動(dòng)又分別成為衛(wèi)星系統(tǒng)、地面測控系統(tǒng)和地面運(yùn)控和支撐系統(tǒng)的功能點(diǎn)，而將衛(wèi)星系統(tǒng)的姿態(tài)控制功能點(diǎn)展開成序列圖，可以較好地分析衛(wèi)星和地面測控系統(tǒng)之間的交互關(guān)系,通過對(duì)微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的功能分析，可以進(jìn)一步指導(dǎo)衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以從功能上對(duì)用戶需求進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星部分系統(tǒng)功能分析模型Fig.7 System function analysis model for part of microgravity science experimental satellite

所有功能及其輸入輸出的完備集通過功能分析后完成定義，此時(shí)的各種功能已經(jīng)被分配到各個(gè)系統(tǒng)中，例如調(diào)姿時(shí)間接收、衛(wèi)星姿態(tài)接收、采集星上參數(shù)、發(fā)送遙測信息等屬于衛(wèi)星系統(tǒng)所具備的功能，而發(fā)送調(diào)姿時(shí)間、發(fā)送目標(biāo)姿態(tài)、發(fā)送內(nèi)存下卸指令、發(fā)送調(diào)姿指令屬于地面測控系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能，如圖8所示。

圖8 微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星功能劃分模型Fig.8 Microgravity science experimental satellite functional partition model

通過對(duì)整個(gè)功能體系迭代應(yīng)用相同的流程，就能定義出這個(gè)工程項(xiàng)目的功能結(jié)構(gòu)框架，同時(shí)需要對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)根據(jù)物理要素進(jìn)行劃分，確定子系統(tǒng)或組件，并將迭代出功能體系分配到這些物理要素中，建立物理要素間的接口。衛(wèi)星系統(tǒng)按照通常的物理劃分可以定義為衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷。衛(wèi)星平臺(tái)包括姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)、返回與回收分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、總體電路分系統(tǒng)、推進(jìn)分系統(tǒng)以及衛(wèi)星平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)。有效載荷包括有效載荷姿態(tài)確定與指向、有效載荷校準(zhǔn)源、有效載荷指令控制、數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)、有效載荷數(shù)據(jù)處理以及有效載荷的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)，如圖9所示。

功能體系定義了系統(tǒng)該做什么，而物理體系定義了系統(tǒng)由哪些部分組成，下一步需要建立起兩者之間的聯(lián)系，即對(duì)物理分系統(tǒng)分配功能。圖10反映了將微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星映射到分系統(tǒng)的部分示例，之前分析得出的衛(wèi)星系統(tǒng)所應(yīng)該具備的調(diào)姿功能分配到衛(wèi)星姿態(tài)控制分系統(tǒng)中完成，溫控功能由衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)完成，載荷供電功能由電源分系統(tǒng)完成。而調(diào)姿功能來源于用戶層的環(huán)境保障需求、溫控更來源于溫度環(huán)境需求、載荷加電功能來源于能源保障需求。通過MBSE模型可以反映從需求到功能到結(jié)構(gòu)的追溯關(guān)系。

在完成衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)后，需要對(duì)頂層用戶需求的滿足情況進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，MBSE方法可以采用追溯性矩陣的形式對(duì)需求和系統(tǒng)的映射關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。圖11為微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星用戶需求與衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證矩陣。

圖9 微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星物理結(jié)構(gòu)模型Fig.9 Microgravity science experimental satellite physical structure model

圖10 微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星需求-功能-結(jié)構(gòu)追溯模型Fig.10 Microgravity science experiment satellite requirement-function-structure traceability model

2.4 性能參數(shù)的工程分析

性能指標(biāo)是串聯(lián)衛(wèi)星工程的重要參數(shù)，用以描述系統(tǒng)的運(yùn)行情況。性能指標(biāo)的需求反應(yīng)了用戶在功能性上的要求或者可以用數(shù)值表達(dá)的系統(tǒng)目標(biāo)，在頂層建立的需求性能指標(biāo)可以在部件級(jí)進(jìn)行檢驗(yàn)。MBSE方法中，參數(shù)圖是重要的工程分析手段，它可以將數(shù)學(xué)公式與行為結(jié)構(gòu)模型結(jié)合，完成指標(biāo)的優(yōu)化評(píng)價(jià)選擇、權(quán)衡分析以及可靠性分析等。

微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星設(shè)計(jì)中，軌道參數(shù)、衛(wèi)星質(zhì)量、姿態(tài)控制等一系列參數(shù)是總體設(shè)計(jì)人員在做衛(wèi)星頂層設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的性能指標(biāo)，而衛(wèi)星的微重力環(huán)境需求是用戶性能參數(shù)的出發(fā)點(diǎn)，即準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)微重力需求達(dá)到整星10-6gn量級(jí)，微振動(dòng)微重力需求在1～300 Hz范圍優(yōu)于10-4gn。從微重力需求出發(fā)，分別建立姿態(tài)不穩(wěn)定度、姿控發(fā)動(dòng)機(jī)、軌道控制、大氣阻力引起加速度變化的過程分析參數(shù)模型，如圖12所示?；谏鲜黾s束指標(biāo)，定出姿態(tài)穩(wěn)定度、姿控推力器推力、軌道高度、姿態(tài)機(jī)動(dòng)角速度等衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，完成指標(biāo)需求在系統(tǒng)層級(jí)的追溯性驗(yàn)證。

圖12 性能指標(biāo)參數(shù)模型Fig.12 Performance parameter model

2.5 衛(wèi)星系統(tǒng)模型間的聯(lián)系

基于MBSE方法的衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)從需求、行為、結(jié)構(gòu)、參數(shù)4個(gè)支柱對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)模型進(jìn)行構(gòu)建，模型元素之間存在緊密聯(lián)系，如圖13所示。需求產(chǎn)生對(duì)參數(shù)的約束，功能行為分配到結(jié)構(gòu)，參數(shù)的值屬性在結(jié)構(gòu)中綁定，結(jié)構(gòu)滿足需求。系統(tǒng)模型作為基于MBSE方法的衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的核心，提供了衛(wèi)星分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和確認(rèn)的信息來源，通過設(shè)計(jì)信息的可追溯聯(lián)系，任何需求和設(shè)計(jì)的更改都能在所有模型中反映，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的快速驗(yàn)證，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，提升總體與分系統(tǒng)之間的溝通效率。

圖13 微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型Fig.13 Microgravity science experiment satellite integrative design system model

3 結(jié)束語

隨著近年來基于模型的系統(tǒng)工程方法在國內(nèi)外航空、航天工程實(shí)踐中的應(yīng)用越來越廣，相比傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程方法，其建模語言表達(dá)清晰、模型追溯性強(qiáng)、系統(tǒng)元素關(guān)聯(lián)性好的優(yōu)點(diǎn)越來越被總體設(shè)計(jì)人員所接受[9]。

本文采用MBSE方法，以微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)為例，對(duì)其過程進(jìn)行研究，基于MagicGrid系統(tǒng)建模框架，設(shè)計(jì)了適合衛(wèi)星任務(wù)的總體設(shè)計(jì)流程，通過圖形化的SysML語言對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的需求、行為、結(jié)構(gòu)和參數(shù)4個(gè)支柱進(jìn)行分層次描述，完成了對(duì)系統(tǒng)需求、系統(tǒng)框架、邏輯架構(gòu)和性能指標(biāo)的分析工作。本研究從頂層需求出發(fā)，對(duì)用戶級(jí)需求進(jìn)行功能與性能分解，分別得到滿足衛(wèi)星任務(wù)的系統(tǒng)邏輯模型和工程分析模型，并針對(duì)微重力保障需求在系統(tǒng)層級(jí)進(jìn)行了閉環(huán)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。該方法能夠在系統(tǒng)論證設(shè)計(jì)迭代過程中保證系統(tǒng)多方面信息與邏輯的一致性，能夠有效支撐衛(wèi)星工程論證與總體設(shè)計(jì)，是一套針對(duì)衛(wèi)星工程總體設(shè)計(jì)行之有效的方法。

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