基于模型的系統工程方法在衛星總體設計中的應用實踐

盧志昂 劉霞 毛寅軒 范海濤 趙滟

(1 中國航天系統科學與工程研究院，北京 100048) (2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

衛星是復雜的工程系統，其研制過程需要應用系統工程方法。在傳統的衛星總體設計過程中，主要采用的是基于文本的系統工程途徑，這種基于自然語言的系統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成的離散的系統信息在總體設計過程中反復迭代論證時不易保持信息一致性，也不易追溯，需要耗費大量人力與時間，增加了開展系統工程活動的困難性與復雜性。相較于傳統的基于文本的系統工程方法，基于模型的系統工程方法能夠以形式化的建模語言對系統進行多層次分解，針對系統各個側面進行信息描述，并且建立各模型信息間的聯系，形成自動關聯可追溯的系統模型，能夠有效地解決信息追溯與一致性保證的問題[1]。同時，以圖形為主的形式化模型替代了傳統的文本文檔，能夠顯著地減少系統信息元素間的矛盾，增進總體和分系統設計人員的協同效果，杜絕因理解歧義造成的系統開發更改損失。

SysML語言是MBSE方法的基礎之一，它是由系統工程學會(International Council on Systems Engineering, INCOSE)和對象管理組織(Object Management Group, OMG)在統一建模語言(Unified Modeling Language, UML)的基礎上進行擴展提出的新的標準建模語言[2]。美國國家航空航天局(NASA)應用MBSE方法在立方體衛星(CubeSat)[3]、火情預警衛星(FireSat)[4]的設計中取得了重大突破，也反映了MBSE方法在衛星研制中的優勢。在我國，隨著近幾年MBSE方法的推廣，其在航空領域也取得了不少的成就，中國商用飛機有限責任公司“靈雀”項目就是MBSE方法在飛機設計研制中進行應用的一次成功嘗試。衛星研制相較于飛機具有系統耦合度高、技術難度大、可靠性要求高的特點，盡管我國的航天工業幾十年來形成了相對穩定的總體設計流程，但近些年來隨著衛星研制數量的增加，多型號并舉，衛星性能指標要求也隨之升高。傳統的基于文本的系統工程效率低，關聯性不強的問題日益顯著，亟需一種更加適應未來的新型復雜衛星快速研制的系統工程方法。MBSE方法利用自動關聯可追溯的模型，從功能和性能兩條主線完成衛星研制的正向設計，有利于實現模型的共用，進而提升衛星總體設計效率。

本文主要基于No Magic公司的MagicGrid系統建模框架，該框架是MBSE方法的一種實現形式，注重對象的多層次分析，基于需求、行為、結構和參數4個支柱，從頂層需求出發，對用戶級和系統級的任務進行分析，將MagicGrid系統建模框架和傳統衛星總體設計方法相結合，應用MBSE方法完成了微重力科學實驗衛星總體設計中的用戶期望分析、任務運行方案定義、功能分析與物理劃分、性能參數的工程分析。

1 衛星研制中的總體設計流程與方法

1.1 MagicGrid系統建模框架介紹

MagicGrid系統建模框架是No Magic公司在傳統的系統工程活動流基礎上進行層次細分后提出的新的MBSE框架。MBSE模型的4個支柱為需求、行為、結構、參數。MagicGrid系統建模框架也是從這4個支柱出發，通過對MBSE系統模型的構建和迭代分析，實現對系統工程的需求-功能-邏輯-物理(分別對應需求、行為、結構、參數4個支柱)設計步驟的綜合，形成規范化的建模流程，如圖1所示。

注：表示分析與設計。

圖1 MagicGrid系統建模框架

Fig.1 MagicGrid system modeling framework

MagicGrid系統建模框架由概念、問題和方案3個層級所構成，形成一個增量迭代式活動流。在模型驅動開發過程中，概念層級代表了用戶需求輸入，在問題層級中進行迭代分析，最后在方案層級得到工程系統模型輸出。

(1)概念層級：是從用戶需求出發，建立頂層行為用例和用戶之間的聯系，并搭建起整個系統的結構框架，并初步建立概念層級的效能指標參數模型。

(2)問題層級：從概念層級建立的行為用例出發，通過功能分析對問題層級的功能點進行定義，形成反映系統內部各模塊行為和交互情況的白盒結構模型，建立起問題層級的效能指標參數模型。

(3)方案層級：該層級是將工程系統的功能要求和參數約束落實到部件層級，定義系統的物理結構，完成方案層級的需求、結構、行為和參數的分析。

1.2 面向衛星總體設計的建模方法

衛星的總體設計需要從用戶需求出發，遵循系統工程整體性、層次性和研制階段性的原則，產出符合效益要求，滿足空間環境約束，具有高可靠性和高安全性的衛星系統[5]。衛星研制非常復雜，本文主要聚焦以下幾個衛星系統的任務分析過程的主要環節開展研究與討論。

1)任務分析中幾個主要環節

(1)從用戶需求出發，通過任務分析，將任務需求轉化為任務級系統的功能以及性能參數，成為系統級的設計要求。

(2)將分析得到的任務級性能指標要求作為頂層約束，通過工程分析，推導并得出衛星系統總體設計指標，并分配到分系統中成為分系統的設計指標。

(3)完成衛星部件級物理邏輯架構的設計。

(4)提出衛星產品的成熟模型，并驗證其功能性能是否完全滿足用戶的要求。

2)MBSE方法

傳統衛星的總體設計過程主要是以性能指標為線索，對系統各層級進行串聯。衛星的物理架構設計主要體現在針對性能指標的分析過程，而其邏輯架構設計主要體現在功能分析過程中。衛星總體設計流程盡管能夠保證完成用戶在衛星性能參數上的要求，但用戶功能需求的邏輯驗證不易實現。現行過程頂層缺乏功能模型，注重部件層次關于衛星技術的分析，導致功能邏輯論證的缺失。而MBSE方法在模型的支持下，既能保證衛星任務在物理指標上的合理性，又能體現總體設計過程的邏輯完備性。因此，本文將MagicGrid系統建模框架和傳統衛星總體設計方法相結合，提出了一種面向衛星總體設計的MBSE方法，如圖2所示。

MBSE方法從層級上將系統區分為用戶級、任務級、系統級和分系統級。本研究聚焦于衛星總體設計方法，不涉及具體專業工程的內容，建模主要圍繞前3個層級開展，對分系統級的設計過程不加詳述。

(1)用戶期望定義。用戶的期望是建立衛星總體設計的基礎，其主要流程包括確定利益相關方和明確用戶的期望[6]。衛星研制的用戶期望指的是用戶的初始需求，這也是衛星開展總體設計的出發點。由于用戶提出的期望顆粒度不同，在MBSE方法中隸屬層級也可能有所不同，需要對期望進行篩選和分解，對具有數值屬性的性能需求作為衛星任務的性能指標約束，功能性的需求作為衛星任務功能設計需求。

(2)衛星任務運行方案。衛星任務的設計需求是建立任務運行方案的出發點，任務運行方案和運行體系在任務層級中用例分析和系統范圍與邊界過程中體現。與其他復雜系統工程任務分析不同的是：在衛星任務中，其運行方案包括發射、入軌、在軌、返回、留軌等階段，而衛星軌道以及衛星運行所在的空間環境是需要獨立考慮的任務運行要素。通過對衛星任務的用例進行迭代分析，明確系統運行的范圍與邊界，并構建系統運行的體系。

(3)系統功能劃分與物理劃分。在明確了任務范圍邊界和衛星系統的性能參數要求后，首先需要對衛星系統的功能劃分做出定義。系統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、使用組織結構等。而衛星的總體設計中主要是基于系統運行的邏輯過程實現其功能劃分[5]。當衛星系統的功能點明確之后，可以對各個功能點之間的接口及交互關系進行定義。物理體系將相關系統劃分成分系統或組件，將通過功能劃分得到功能點分配到各個物理組件中，就能實現功能要求和物理組件的追溯。

(4)性能參數的工程分析。用戶提出的在性能上的指標要求，經過任務指標分解成為任務層的參數需求，并作為衛星系統級的指標約束進行工程分析，形成衛星總體參數分析。在衛星總體設計中，用戶對任務的約束既作為設計的原始依據，又作為最終目標。

注：表示分析與設計；表示驗證與確認；①～④分別對應1.2節2)MBSE方法中的(1)～(4)。

圖2 面向衛星總體設計的MBSE方法

Fig.2 MBSE method for satellite integrative design

2 MBSE在微重力科學實驗衛星總體設計中的應用

面對航天任務在空間環境下的科學探測和實驗的需求，我國一直在推進科學實驗衛星的研制。其中，微重力科學實驗衛星可以為在空間站上的科學實驗以及未來空間生產提供重要的基礎性研究，受到國內航天機構和科研院所的關注，其系統包含多器組合，交互接口關系復雜、耦合度高，且飛行過程復雜，受空間環境制約較大。

傳統的衛星研制過程主要基于文檔的形式，各類報告數量多，包括早期的紙質文檔和后期的電子文檔，其非形式化的特點導致信息間的不一致性，增加錯誤發生的風險。而MBSE方法通過用戶期望分析以構建任務要求模型和用例模型，從需求模型和用例場景推導出衛星任務的邏輯架構模型，并以需求模型和邏輯模型為基礎構建物理架構模型進行性能參數分析，這些一致性的模型將所有設計信息緊密結合得到一個統一的系統模型，實現多學科的高效和準確溝通，保證設計信息的一致性。

2.1 用戶期望定義

用戶期望的出發點是所有和系統有關的用戶需求信息，在MBSE中，模型化的語言描述可以形成結構化的需求框架，微重力科學實驗衛星的用戶需求是“某科研院所需要一種能夠長期保持的微重力環境來開展科學實驗”，而這也是該衛星總體設計的頂層需求。對于設計人員，首先考慮的是如何滿足需求，明確采用的實現方案為微重力科學實驗衛星，并對用戶的需求進行分析并分解，來明確和確認并細化衛星任務的總體目的和目標，例如溫度環境需求、微重力保障需求、時間鏈保障需求、信息支持需求、能源保障需求和飛行時間需求，而微重力科學實驗衛星的環境保障需求包括準穩態和微振動下的微重力需求以及溫度環境需求，要求整星達到10-6gn量級，1～300 Hz振動下優于10-4gn量級，溫度要求保持在(20±5)℃范圍內，其他需求包括飛行時間為12～20天，在軌階段載荷平均功耗400 W，數據傳輸日均不小于15 Gbyte，峰值不小于20 Gbyte，在發射前10 h完成載荷安裝等，如圖3所示。本文從微重力環境保障需求出發，開展對衛星的總體設計。

圖3 衛星用戶期望模型Fig.3 Satellite stakeholder requirement model

2.2 衛星任務運行方案

基于分析后的用戶期望，應該對衛星任務運行方案有一個清晰的描述[7]。在MBSE方法中，用例場景對整個任務的執行過程進行描述，是對任務運行邊界分析的依據。在對微重力科學實驗衛星功能剖面進行分析時，主要依據運行邏輯順序對用例場景進行分解，用例包括發射前準備、發射入軌、在軌運行、返回再入和留軌運行5個主要場景，其中與用戶相關的場景為在軌運行、返回再入和留軌運行，如圖4所示。

衛星任務由衛星系統、火箭系統、發射場系統、地面測控系統、地面運控系統和用戶地面系統共同完成。而在衛星總體設計流程中，衛星的軌道設計和空間環境因素是單獨考慮的外部條件。任務框架抽象地描述了系統的結構組成，明確了系統的層級區分，反映了系統與系統之間的聯系，如圖5所示。

圖4 微重力科學實驗衛星用例模型Fig.4 Microgravity science experimental satellite use case model

圖5 微重力科學實驗衛星任務系統框架模型Fig.5 Microgravity science experimental satellite mission system framework model

微重力科學實驗衛星的用戶主要希望能夠產生一種能夠長期保持的微重力環境來支撐其科學實驗，并獲得相應數據來進行科學分析，所以應分析微重力科學實驗衛星的相關性能特點。

性能特點是綜合反映衛星平臺在完成飛行任務和用戶需求時，所需具備的能力指標和技術特性。除了衛星軌道和空間環境要素外，衛星平臺自身也需要具備相應的任務級能力，例如微重力科學實驗衛星質量為3000 kg，任務單次載荷承受力為1000 kg，單次任務飛行時間為12～20天，數據下傳碼率120 Mbit/s，返回日的返回窗口，西安測控站和太原數傳站都需要進行確定，如圖6所示。

圖6 微重力科學實驗衛星任務級需求模型Fig.6 Microgravity science experimental satellite mission-level requirements model

2.3 系統功能劃分和物理劃分

在通過2.1和2.2節對于衛星任務的用戶級和任務級需求、任務運行方案分析之后，應該建立對于系統級的邏輯架構描述。

MBSE方法中的功能分析基于SysML的活動圖、序列圖，是用例分析的一種延續，是一類面向過程的技術，重點是對系統內部功能點的分析。功能建模主要對行為的輸入輸出順序以及條件做出表達，并對其中的動作流進行定義，對邏輯分系統制定劃分并將動作流分配到制定的邏輯分系統內[8]。

圖7為微重力科學實驗衛星在軌運行階段“軌道控制”功能分析模型的部分示意圖，對其在軌運行用例使用活動圖進行描述，可以分解成姿態調整、載荷實驗、校時、測控、數傳等幾個關鍵行為，這些行為活動又分別成為衛星系統、地面測控系統和地面運控和支撐系統的功能點，而將衛星系統的姿態控制功能點展開成序列圖，可以較好地分析衛星和地面測控系統之間的交互關系,通過對微重力科學實驗衛星的功能分析，可以進一步指導衛星詳細設計，同時也可以從功能上對用戶需求進行驗證。

圖7 微重力科學實驗衛星部分系統功能分析模型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，此時的各種功能已經被分配到各個系統中，例如調姿時間接收、衛星姿態接收、采集星上參數、發送遙測信息等屬于衛星系統所具備的功能，而發送調姿時間、發送目標姿態、發送內存下卸指令、發送調姿指令屬于地面測控系統應該具備的功能，如圖8所示。

圖8 微重力科學實驗衛星功能劃分模型Fig.8 Microgravity science experimental satellite functional partition model

通過對整個功能體系迭代應用相同的流程，就能定義出這個工程項目的功能結構框架，同時需要對衛星系統根據物理要素進行劃分，確定子系統或組件，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。衛星系統按照通常的物理劃分可以定義為衛星平臺和有效載荷。衛星平臺包括姿態與軌道控制分系統、測控分系統、返回與回收分系統、電源分系統、熱控分系統、總體電路分系統、推進分系統以及衛星平臺的結構和機構。有效載荷包括有效載荷姿態確定與指向、有效載荷校準源、有效載荷指令控制、數據傳輸分系統、有效載荷數據處理以及有效載荷的結構和機構，如圖9所示。

功能體系定義了系統該做什么，而物理體系定義了系統由哪些部分組成，下一步需要建立起兩者之間的聯系，即對物理分系統分配功能。圖10反映了將微重力科學實驗衛星映射到分系統的部分示例，之前分析得出的衛星系統所應該具備的調姿功能分配到衛星姿態控制分系統中完成，溫控功能由衛星熱控分系統完成，載荷供電功能由電源分系統完成。而調姿功能來源于用戶層的環境保障需求、溫控更來源于溫度環境需求、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構的追溯關系。

在完成衛星的總體設計后，需要對頂層用戶需求的滿足情況進行驗證和確認，MBSE方法可以采用追溯性矩陣的形式對需求和系統的映射關系進行驗證。圖11為微重力科學實驗衛星用戶需求與衛星系統結構的驗證矩陣。

圖9 微重力科學實驗衛星物理結構模型Fig.9 Microgravity science experimental satellite physical structure model

圖10 微重力科學實驗衛星需求-功能-結構追溯模型Fig.10 Microgravity science experiment satellite requirement-function-structure traceability model

2.4 性能參數的工程分析

性能指標是串聯衛星工程的重要參數，用以描述系統的運行情況。性能指標的需求反應了用戶在功能性上的要求或者可以用數值表達的系統目標，在頂層建立的需求性能指標可以在部件級進行檢驗。MBSE方法中，參數圖是重要的工程分析手段，它可以將數學公式與行為結構模型結合，完成指標的優化評價選擇、權衡分析以及可靠性分析等。

微重力科學實驗衛星設計中，軌道參數、衛星質量、姿態控制等一系列參數是總體設計人員在做衛星頂層設計時需要考慮的性能指標，而衛星的微重力環境需求是用戶性能參數的出發點，即準穩態微重力需求達到整星10-6gn量級，微振動微重力需求在1～300 Hz范圍優于10-4gn。從微重力需求出發，分別建立姿態不穩定度、姿控發動機、軌道控制、大氣阻力引起加速度變化的過程分析參數模型，如圖12所示。基于上述約束指標，定出姿態穩定度、姿控推力器推力、軌道高度、姿態機動角速度等衛星系統的設計指標，完成指標需求在系統層級的追溯性驗證。

圖12 性能指標參數模型Fig.12 Performance parameter model

2.5 衛星系統模型間的聯系

基于MBSE方法的衛星總體設計從需求、行為、結構、參數4個支柱對衛星系統模型進行構建，模型元素之間存在緊密聯系，如圖13所示。需求產生對參數的約束，功能行為分配到結構，參數的值屬性在結構中綁定，結構滿足需求。系統模型作為基于MBSE方法的衛星總體設計的核心，提供了衛星分析、設計、驗證和確認的信息來源，通過設計信息的可追溯聯系，任何需求和設計的更改都能在所有模型中反映，實現對衛星總體設計的快速驗證，提高系統設計的正確性，提升總體與分系統之間的溝通效率。

圖13 微重力科學實驗衛星總體設計系統模型Fig.13 Microgravity science experiment satellite integrative design system model

3 結束語

隨著近年來基于模型的系統工程方法在國內外航空、航天工程實踐中的應用越來越廣，相比傳統的基于文檔的系統工程方法，其建模語言表達清晰、模型追溯性強、系統元素關聯性好的優點越來越被總體設計人員所接受[9]。

本文采用MBSE方法，以微重力科學實驗衛星的總體設計為例，對其過程進行研究，基于MagicGrid系統建模框架，設計了適合衛星任務的總體設計流程，通過圖形化的SysML語言對衛星系統的需求、行為、結構和參數4個支柱進行分層次描述，完成了對系統需求、系統框架、邏輯架構和性能指標的分析工作。本研究從頂層需求出發，對用戶級需求進行功能與性能分解，分別得到滿足衛星任務的系統邏輯模型和工程分析模型，并針對微重力保障需求在系統層級進行了閉環設計和驗證。該方法能夠在系統論證設計迭代過程中保證系統多方面信息與邏輯的一致性，能夠有效支撐衛星工程論證與總體設計，是一套針對衛星工程總體設計行之有效的方法。

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