基于MBSE的深空探測工程任務級需求建模

中圖分類號：V11 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0022-0

Abstract：Model-basedsytemsengineering（MBSE）canintegratediferentaspectsofasystemintoaunifiedmodel，acieve consistencyandsharingof informationacrossmultiplefields，andreducetheriskof information transfererrors.In depspace explorationenginering，misson-levelrequirementsmodelingistheprimarystepinsystemengineering，anditsqualityhasa significantimpactonsubsequentdeepspacedetectordevelopmenttasks.Duetotheparticularityofdeepspacedetectors， conventionalrequirementsmodelingmethodsarenotsuitablefordeepspaceexplorationprojects.Therefore，thispaperproposesa mission-levelrequirements modeling methodfordeepspaceexplorationenginering basedonMBSE，analyzesanddiscusseseach stepofrequirements modeling，anduses SysML modeling languagetoexplaintheimplementationofeach stepbasedonactualcases.

Keywords：deep space exploration;model-basedsystems engineering;requirements modeling;SysML；missionanalysis

深空探測是對月球及以遠的天體或空間開展的探測活動，深空探測任務是集需求分析、總體設計、產(chǎn)品研制等于一體的復雜系統(tǒng)工程，其研制過程是自頂向下、從無到有、由粗到細的螺旋式迭代過程。深空探測任務復雜、工程風險高、整體實施難度大、任務周期長及運營維護難，對工程總體設計工作、系統(tǒng)協(xié)調(diào)性和創(chuàng)新性等方面的統(tǒng)籌優(yōu)化提出了更高要求。

傳統(tǒng)的以文檔為核心的系統(tǒng)工程方法難以適應龐大而復雜的深空探測任務的工程需求。MBSE方法能夠提供更清晰、更準確的系統(tǒng)描述，減少錯誤和歧義，并加速設計和驗證的效率。目前，MBSE方法在國內(nèi)航空領域得到了廣泛應用，在深空探測任務中已經(jīng)在工程總體層面體系[1-2和航天器設計3-4方面發(fā)揮重要作用。

典型深空探測任務階段，存在著大量任務級需求和設計信息交互，對設計迭代和影響分析的要求前所未有。目前關于深空探測任務級需求建模的針對性研究較少，缺乏針對深空探測各階段復雜需求進行任務需求建模分析，這將導致前期需求分析不全面、后期產(chǎn)品設計不完備、返工頻繁、研制周期延長等問題。因此，本文提出一種基于MBSE的深空探測工程任務級需求建模方法，該方法采用模型化的方式進行任務分析，并將任務目標以及相關需求、約束轉(zhuǎn)換成明確、可標識的任務需求模型元素，然后以任務目標為基礎，開展能力體系分析，形成任務體系架構(gòu)和任務邏輯流程，最終形成任務級需求模型。本文以阿爾忒彌斯載人登月為例，對任務級需求建模流程進行說明。

1基于MBSE的深空探測工程任務級需求分析流程

本文以基于模型的系統(tǒng)工程方法（MBSE）開展設計分析，整體技術路線如圖1所示，通過該技術路線，對各系統(tǒng)指標、結(jié)構(gòu)和接口等需求進行模型化表達；基于需求之間的關聯(lián)關系構(gòu)建任務級需求模型與任務級設計模型之間的集成與追溯，并基于模型完成系統(tǒng)設計到任務需求的閉環(huán)驗證

1.1 任務使命分析

任務使命分析是從太空探索的戰(zhàn)略意義及深空探測工程的整體規(guī)劃出發(fā)，以任務頂層規(guī)劃為輸入，結(jié)合當前及未來預期的國際態(tài)勢、發(fā)展趨勢及已有的研究和任務成果等內(nèi)容，并參考任務預期投入，確定任務的核心使命，形成任務的整體邊界、約束，從而指導后續(xù)設計。建模過程分3步：戰(zhàn)略規(guī)劃分析、國內(nèi)外發(fā)展趨勢分析、實施基礎分析。

1.2 任務目標分析

任務目標分析主要是以任務使命分析的成果為輸入梳理任務實現(xiàn)全生命周期流程中的參與者和影響者，調(diào)研兩者對于任務整體的訴求；隨后基于當前技術、經(jīng)濟、政治等必要因素，對所有訴求進行整體分析和權衡，初步得到任務的整體可行自標體系，同時向下游傳遞任務實施階段，作為任務場景分析的輸人項。主要步驟包括：任務階段、研制階段、利益相關方梳理、利益相關方訴求、任務約束分析和任務目標確定。

1.3 能力需求分析

能力體系分析將以任務目標以及任務實施階段為輸人，通過任務場景分析、任務場景細化、任務能力分析以及任務指標分析等手段完成任務必要能力及關鍵技術指標的提取，最終形成對應的任務能力體系。

1.4任務架構(gòu)初步設計

任務架構(gòu)定義了系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)、模塊劃分以及它們之間的相互關系，確保系統(tǒng)能夠高效地實現(xiàn)任務目標。系統(tǒng)工程師通過綜合考慮任務需求和能力需求，制定初步的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，明確系統(tǒng)的功能組織，劃分它們之間的協(xié)作關系。建模過程分4步：能力聚類、能力指標構(gòu)建、系統(tǒng)架構(gòu)設計和系統(tǒng)接口設計。

1.5任務邏輯流程初步設計

完成任務架構(gòu)設計后，需要對系統(tǒng)的邏輯流程進行初步規(guī)劃和設計，確立系統(tǒng)中各模塊或子系統(tǒng)之間的交互邏輯，以及數(shù)據(jù)流動的路徑，以此來清晰展現(xiàn)系統(tǒng)中各模塊或子系統(tǒng)之間的關系和數(shù)據(jù)流動路徑，確立系統(tǒng)的整體框架和邏輯結(jié)構(gòu)。

1.6 需求下發(fā)與集成

在任務級需求模型分析完備后，需要將需求模型下發(fā)給各個系統(tǒng)，完成任務系統(tǒng)級設計。在該階段將各大系統(tǒng)設計結(jié)果，如性能指標、能力指標、接口和其他設計約束以模塊的形式進行承載，繼而下發(fā)。另外，基于模型生成文檔功能模塊將模型中必要的元素及屬性轉(zhuǎn)換成word文檔下發(fā)。

2 應用實例

本文以阿爾忒彌斯3號為例，采用提出的任務級需求建模流程開展建模實踐，并對MBSE建模方法進行闡釋，為后續(xù)深空探測工程的落地應用和實踐提供參考。

2.1任務使命分析

從阿爾忒彌斯3號整體規(guī)劃出發(fā)，先明確整體戰(zhàn)略規(guī)劃，主要運用的視圖及元素包括：需求圖、關聯(lián)關系以及相關自定義元素。其中采用需求圖承載整個分析過程、采用自定義元素分別表達戰(zhàn)略規(guī)劃以及阿爾忒彌斯3號的任務使命、利用關聯(lián)關系表達戰(zhàn)略規(guī)劃和任務使命之間的依賴關系。

然后對國內(nèi)外發(fā)展趨勢進行分析，整個分析過程由需求圖承載國內(nèi)外趨勢發(fā)展的分析結(jié)果；利用自定義元素“態(tài)勢分析、發(fā)展趨勢”分別表達發(fā)展趨勢和國際整體態(tài)勢的分析結(jié)果，同時運用包含關系表示分析結(jié)果之間的層級關系。

最后要進行工程基礎分析，整個分析過程以需求圖及《實施基礎》為載體，將航天工程前期經(jīng)驗梳理作為當前任務設計的技術支持項。在實施基礎分析過程中，承載分析結(jié)果的視圖是需求圖，而型號任務元素用于表達往期型號的代號以及任務。最終通過上述戰(zhàn)略規(guī)劃、國際態(tài)勢等過程，分析得到阿爾忒彌斯3號的任務方向。

2.2 任務目標分析

阿爾忒彌斯3號任務實施階段使用狀態(tài)機圖承載對阿爾忒彌斯3號的分析結(jié)果，使用狀態(tài)元素承載發(fā)射段、轉(zhuǎn)移段、著陸段和返回段4個任務階段，并用轉(zhuǎn)換關系描述4個階段狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。研制階段如圖2所示，使用模塊元素承載阿爾忒彌斯3號的任務以及各研制階段；使用值屬性元素承載各階段對應的周期、工作項任務屬性；使用組成關系來描述阿爾忒彌斯3號的研制階段。

利益相關方在模型表達上采用執(zhí)行者元素來承載，采用關聯(lián)關系表達與階段有關的利益相關方，依次基于任務使命以及任務實施階段進行分析捕獲各利益相關方，并對所有利益相關方進行梳理，將同類型的利益相關方放入相同的包結(jié)構(gòu)下以此歸類，使用包圖來展示各包元素下的利益相關方。利益相關方訴求在模型表達上用需求元素表達相關方訴求，用關聯(lián)表達利益相關方與需求之間的關系。分析提取訴求完備后采用需求表的形式對訴求集中展示。

任務約束分析在模型表達上利用需求圖承載項目上對應的工程、科學以及環(huán)境等約束，利用需求元素表達約束的內(nèi)容。以利益相關方梳理、利益相關方訴求為輸入，以任務約束分析為指導，最終得到技術可行的任務核心指標。模型表達上用需求圖來描述任務目標架構(gòu)，用需求元素承載任務目標等，用包含關系來描述任務目標的架構(gòu)關系。

2.3 能力需求分析

任務場景分析主要通過用例圖呈現(xiàn)整個分析結(jié)果，采用模塊表述整個任務場景的設計邊界，以用例元素表達關鍵任務場景，以實施階段視圖為基礎，對復雜的任務場景進行分解，使用用例元素承載子項場景。阿爾忒彌斯3號在著陸段的主要工作場景包括：預定區(qū)域軟著陸、宇航員出艙、艙外活動和起飛上升。

然后對任務場景進行細化，預定區(qū)域軟著陸場景細化如圖3所示，該主場景的邏輯主線為從“著陸前準備\"子場景開始依次執(zhí)行“制動與下降、著陸點確認以及垂直著陸”，4個子場景在執(zhí)行過程中均存在“星艦HLS測控（輸入以及數(shù)據(jù)監(jiān)測及處理（輸出）\"的參與。模型表達上采用“調(diào)用行為動作”元素表達“預定區(qū)域軟著陸”下的子場景，以控制流元素表達子場景的執(zhí)行順序，以對象流表達子場景間的介質(zhì)交互關系。

以任務場景細化過程中得到的場景執(zhí)行邏輯為輸入，以任務環(huán)境、技術等約束作為分析支撐項，對任務能力進行分析，模型表達上由模塊定義圖承載任務能力分析過程。采用自定義元素“能力”表達任務場景的能力、采用模塊元素表達系統(tǒng)架構(gòu)，同時利用精化關系表達子場景與能力間的關聯(lián)關系、利用滿足關系表達能力與架構(gòu)的關聯(lián)關系。

最后對分析得到能力所涵蓋的需求條目以及可以量化的需求指標，分析得到任務指標，模型表達上由模塊定義圖承載任務指標分析過程。采用“定制需求”元素表達能力分析出來的指標，同時利用追蹤關系表達能力與指標間的關聯(lián)關系。

2.4任務架構(gòu)初步設計

任務架構(gòu)初步設計包括：能力聚類、能力指標構(gòu)建、系統(tǒng)架構(gòu)設計以及系統(tǒng)接口設計4部分內(nèi)容。

能力聚類運用模塊定義圖描述能力聚類的過程在模塊定義圖中呈現(xiàn)任務能力分析中得到的全部的能力，之后將能力分配給對應的器，采用滿足關系表明某一個能力可以被某一個器滿足。能力指標構(gòu)建采用追溯圖表示阿爾忒彌斯3號和能力的分配關系，以及通過能力派生指標需求的映射關系，之后通過模塊定義圖描述能力指標的承載過程。系統(tǒng)架構(gòu)設計通過模塊定義圖，采用滿足關系將能力進行匯總，隨后將各能力的實現(xiàn)架構(gòu)匯總形成系統(tǒng)初步架構(gòu)。任務接口設計通過“泳道”元素在活動圖中分析識別各系統(tǒng)間的交互接口以及傳遞介質(zhì)等，隨后利用內(nèi)部模塊圖承載各系統(tǒng)間的接口及物質(zhì)交互關系。最后通過連接器將端口進行連接表明大系統(tǒng)之間是進行交互的以及該接口傳遞的內(nèi)容。

2.5 任務邏輯流程初步設計

任務邏輯流程設計是基于得到的架構(gòu)設計模型、能力分配模型、場景分析模型，結(jié)合任務方案設計的結(jié)果，對阿爾忒彌斯3號以及環(huán)境要素詳細分析，最終實現(xiàn)任務全流程的初步設計，得到任務飛行方案。

如圖4所示，阿爾忒彌斯3號飛行方案包括發(fā)射段、轉(zhuǎn)移段、著陸段以及返回段4大階段，其中發(fā)射段按流程又可細分為發(fā)射準備段、發(fā)射飛行段、進人低地球軌道；轉(zhuǎn)移段按流程可細分為軌道提升、軌道轉(zhuǎn)移、飛行；著陸段按流程可細分為交會對接段、著陸下降段、陸地工作段、陸地上升段；返回段按流程可細分為交會對接段、等待段、轉(zhuǎn)移段、返回地球段和著陸段。

2.6 需求下發(fā)與集成

在任務級需求模型分析完備后，需要將需求模型下發(fā)給各個系統(tǒng)，各系統(tǒng)進行詳細設計。在各系統(tǒng)總體聯(lián)合分系統(tǒng)總體進行方案設計之后，系統(tǒng)總體將數(shù)字化的設計方案提交至工程總體，工程總體進行模型集成工作，將各系統(tǒng)詳設模型集成到工程總體原有模型當中。在這過程中可以進行初步的靜態(tài)驗證，包括系統(tǒng)約束的滿足情況、系統(tǒng)間接口的匹配情況等。

3結(jié)束語

本文針對深空探測器提出了一種可行的基于MBSE的任務級需求建模方法，分析討論了需求建模的各個步驟，并使用SysML建模語言結(jié)合阿爾忒彌斯3號載人登月案例對步驟的每個環(huán)節(jié)的實現(xiàn)進行說明。未來工作針對深空探測工程的后續(xù)工作展開研究，如系統(tǒng)設計實現(xiàn)、產(chǎn)品設計實現(xiàn)、技術管理和工程管理等。

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