基于MBSE 的航天器建模應(yīng)用研究

蔣維，駱佳巍，王振東

（1.中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610213；2.浙江迪捷軟件科技有限公司，浙江 紹興 312000）

自從國際系統(tǒng)工程學(xué)會（International Council on Systems Engineering，INCOSE）在2007年提出基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）后，MBSE 在航空、航天、船舶等領(lǐng)域的研究逐漸深入，而航天器研制作為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有研制周期長，質(zhì)量與可靠性要求高、科研風(fēng)險高，管理難度大等特點，傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程方法已很難適應(yīng)目前我國航天器研制數(shù)量大幅增加，研制周期不斷縮短的情況，迫切需要利用MBSE 方法對我國的航天器研制流程進行創(chuàng)新。為了加強MBSE 在航天器研制中的推廣落地和積累實操經(jīng)驗，本文針對火災(zāi)衛(wèi)星的案例，以MBSE 方法為指導(dǎo)，使用MagicDraw19.0 工具，利用SysML 的需求圖、活動圖、時序圖、_狀態(tài)機圖等，對航天器任務(wù)的任務(wù)分析、任務(wù)上下文、需求、接口、行為等方面分別進行捕獲建模，最后通過建立一個相機開機對地拍攝的大場景仿真，對模型進行了集成仿真，驗證建模邏輯過程是否合理。

1 航天器任務(wù)分析建模

本節(jié)首先識別火災(zāi)衛(wèi)星項目的利益相關(guān)者，然后對衛(wèi)星任務(wù)的任務(wù)需求、任務(wù)上下文、任務(wù)行為、任務(wù)事件進行分析和建模。

1.1 識別利益相關(guān)者及其關(guān)注問題

該項目的利益相關(guān)者有林業(yè)局、消防局、投資商、航天器開發(fā)商、航天器運營商等，其關(guān)注的問題如表1 所示。

表1 項目的利益相關(guān)者及其關(guān)注問題

利 用SysML 的stakeholer、viewpoint、view 元 素 依次創(chuàng)建上表中的利益相關(guān)者，如圖1 所示。

圖1 任務(wù)的利益相關(guān)者建模

進一步以用例圖從另一個角度對利益相關(guān)者的關(guān)注問題進行建模，如林業(yè)局以最小財政支出探測和監(jiān)控森林火災(zāi)，運營商實時提供森林火災(zāi)數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、維持衛(wèi)星正常運行等，如圖2 所示。

圖2 相關(guān)利益者的用例圖建模

1.2 捕獲任務(wù)需求

該衛(wèi)星項目的任務(wù)需要考慮系統(tǒng)性能、覆蓋率、識別性、時效性、多任務(wù)、指控要求、生命周期、系統(tǒng)可用性、生存率、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、用戶設(shè)備、成本、計劃、風(fēng)險等需求，利用需求圖對任務(wù)需求進行建模，如圖3 所示。

圖3 任務(wù)需求建模

1.3 任務(wù)上下文建模

任務(wù)上下文需要考慮的主要有地球環(huán)境、空間環(huán)境、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、消防局、航天器、航天生產(chǎn)部門等，每個元素下又有相關(guān)的考慮因素，如地球環(huán)境需要進一步考慮觀測區(qū)域的火情和天氣條件，航天生產(chǎn)部門有發(fā)射場、運載火箭、航天器、地面站、中繼星等元素，具體以模塊定義圖進行建模，如圖4 所示。

圖4 任務(wù)上下文模塊定義圖建模

1.4 定義任務(wù)行為

項目任務(wù)的執(zhí)行內(nèi)容主要有發(fā)射航天器、分離航天器、軌道控制、機構(gòu)展開、維持航天器運營、提供觀測數(shù)據(jù)等行為，航天器的運營又包括接收地面指令、遙測數(shù)據(jù)下發(fā)、電源管理、控制熱環(huán)境和故障管理等活動。以活動圖對其進行建模，如圖5、圖6 所示。

圖5 項目任務(wù)行為活動圖建模

圖6 航天器運營活動圖建模

1.5 任務(wù)事件時間線建模

任務(wù)的主要事件按時間順序依次為發(fā)射場火箭發(fā)射衛(wèi)星進入太空，航天器分離、天線展開、太陽翼展開、地面站對衛(wèi)星進行在軌飛控，最后衛(wèi)星失效脫離軌道。其中地面站對衛(wèi)星飛控的主要內(nèi)容是根據(jù)用戶的觀測要求，遙控衛(wèi)星對觀測區(qū)域進行探測，然后將探測數(shù)據(jù)數(shù)傳給地面站進行處理，最后處理結(jié)果給用戶。以時序圖的形式對衛(wèi)星任務(wù)的主要事件進行建模，如圖7 所示。

圖7 任務(wù)事件的時序圖建模

2 航天器的需求、外部接口、行為、模塊定義建模

根據(jù)任務(wù)需求的分析，定義火災(zāi)衛(wèi)星航天器的需求、外部接口、行為、框架，并依次進行建模分析。

2.1 航天器的需求分析建模

根據(jù)任務(wù)的需求和用例，對衛(wèi)星的需求進行分析，衛(wèi)星的需求分析主要包括覆蓋性、探測時效性、虛警率、成像質(zhì)量、目標定位精度、天氣條件等要求，以需求圖對航天器的需求建模如圖8 所示。

圖8 航天器需求圖

2.2 航天器的外部接口建模

航天器的外部接口有電接口、機械接口、熱接口、射頻接口及其他物理接口等，以內(nèi)部模塊圖對衛(wèi)星的外部接口進行建模，先創(chuàng)建若干個數(shù)據(jù)類型，如力、加速度、角速率、數(shù)據(jù)率、電能、力矩、磁場、數(shù)傳速率、太陽輻射等，如圖9 所示。

圖9 數(shù)據(jù)類型

然后在Spacecraft 上創(chuàng)建Port，通過connector 將這些數(shù)據(jù)添加到衛(wèi)星端口上，構(gòu)建航天器與外部相關(guān)方的端口連接。如圖10 所示。

圖10 航天器與相關(guān)方的外部端口建模

2.3 航天器的行為建模

用狀態(tài)機圖，捕獲衛(wèi)星的行為，體現(xiàn)衛(wèi)星在不同工作模式間的轉(zhuǎn)換，如器箭分離、太陽翼天線展開、地面指控、在軌觀測、數(shù)傳數(shù)據(jù)等。如圖11 所示。

圖11 航天器的行為建模

2.4 航天器的模塊建模

根據(jù)前面對航天器的需求分析、外部接口、行為建模，利用SysML 的模塊定義圖對航天器建模，航天器包括值屬性、操作定義、端口定義、狀態(tài)定義等，其中端口定義衛(wèi)星接口，操作定義衛(wèi)星功能，值屬性定義衛(wèi)星性能，狀態(tài)機定義衛(wèi)星狀態(tài)，如圖12 所示。

圖12 航天器的模塊定義

3 建立場景仿真驗證

本節(jié)通過一個相機開機對地拍攝的場景來驗證建模邏輯是否正確，同時使用SysML 的模塊定義圖、內(nèi)部模塊圖、狀態(tài)機圖、活動圖等進行聯(lián)合仿真。該場景包含衛(wèi)星工程、火災(zāi)衛(wèi)星、地面控制中心三個模塊，場景的邏輯是：當?shù)孛嬲颈O(jiān)測拍攝地球窗口期到了后，地面站發(fā)送開始拍攝地球信號給火災(zāi)衛(wèi)星，衛(wèi)星的AOCS 收到信號后，檢查衛(wèi)星當前狀態(tài)是否滿足拍攝條件，如果滿足，則發(fā)送滿足拍攝條件給相機，衛(wèi)星相機開始工作。

場景的框架、衛(wèi)星工程內(nèi)部定義、各部分狀態(tài)、場景實例分別如圖13 ～16 所示。

圖13 場景框架

建立仿真配置圖，并將衛(wèi)星工程實例拖到仿真配置圖中的執(zhí)行目標上，點擊運行按鈕，結(jié)果如圖17 所示，相機開始工作，說明建模邏輯正確。

圖17 場景運行結(jié)果

4 結(jié)語

通過對火災(zāi)衛(wèi)星的動手建模實踐，積累了實操經(jīng)驗，MBSE 相較傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程研制，利用圖形化、結(jié)構(gòu)化的方式將任務(wù)需求、任務(wù)內(nèi)容、航天器需求、接口、行為模式等進行建模，在研制過程中確保了設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性，提高了可靠性，提高了生產(chǎn)效率，縮短研制周期，應(yīng)該在以后的航天器研制工作中積極推廣，助推航天器科研生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級；與此同時，建模過程中，有大量的手動輸入數(shù)據(jù)和重復(fù)操作，希望以后可以開發(fā)自動化建模工具，進一步提高建模效率。

圖14 衛(wèi)星工程內(nèi)部模塊圖

圖15 各部分的狀態(tài)機圖

圖16 衛(wèi)星工程實例