基于MBSE 的航天器建模應用研究

蔣維，駱佳巍，王振東

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

自從國際系統工程學會（International Council on Systems Engineering，INCOSE）在2007年提出基于模型的系統工程（MBSE）后，MBSE 在航空、航天、船舶等領域的研究逐漸深入，而航天器研制作為復雜的系統工程，具有研制周期長，質量與可靠性要求高、科研風險高，管理難度大等特點，傳統的基于文檔的系統工程方法已很難適應目前我國航天器研制數量大幅增加，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新。為了加強MBSE 在航天器研制中的推廣落地和積累實操經驗，本文針對火災衛星的案例，以MBSE 方法為指導，使用MagicDraw19.0 工具，利用SysML 的需求圖、活動圖、時序圖、_狀態機圖等，對航天器任務的任務分析、任務上下文、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 航天器任務分析建模

本節首先識別火災衛星項目的利益相關者，然后對衛星任務的任務需求、任務上下文、任務行為、任務事件進行分析和建模。

1.1 識別利益相關者及其關注問題

該項目的利益相關者有林業局、消防局、投資商、航天器開發商、航天器運營商等，其關注的問題如表1 所示。

表1 項目的利益相關者及其關注問題

利 用SysML 的stakeholer、viewpoint、view 元 素 依次創建上表中的利益相關者，如圖1 所示。

圖1 任務的利益相關者建模

進一步以用例圖從另一個角度對利益相關者的關注問題進行建模，如林業局以最小財政支出探測和監控森林火災，運營商實時提供森林火災數據、保存數據、維持衛星正常運行等，如圖2 所示。

圖2 相關利益者的用例圖建模

1.2 捕獲任務需求

該衛星項目的任務需要考慮系統性能、覆蓋率、識別性、時效性、多任務、指控要求、生命周期、系統可用性、生存率、數據發布、數據格式轉換、用戶設備、成本、計劃、風險等需求，利用需求圖對任務需求進行建模，如圖3 所示。

圖3 任務需求建模

1.3 任務上下文建模

任務上下文需要考慮的主要有地球環境、空間環境、GPS 導航系統、消防局、航天器、航天生產部門等，每個元素下又有相關的考慮因素，如地球環境需要進一步考慮觀測區域的火情和天氣條件，航天生產部門有發射場、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 任務上下文模塊定義圖建模

1.4 定義任務行為

項目任務的執行內容主要有發射航天器、分離航天器、軌道控制、機構展開、維持航天器運營、提供觀測數據等行為，航天器的運營又包括接收地面指令、遙測數據下發、電源管理、控制熱環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 項目任務行為活動圖建模

圖6 航天器運營活動圖建模

1.5 任務事件時間線建模

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

圖7 任務事件的時序圖建模

2 航天器的需求、外部接口、行為、模塊定義建模

根據任務需求的分析，定義火災衛星航天器的需求、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

根據任務的需求和用例，對衛星的需求進行分析，衛星的需求分析主要包括覆蓋性、探測時效性、虛警率、成像質量、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，以內部模塊圖對衛星的外部接口進行建模，先創建若干個數據類型，如力、加速度、角速率、數據率、電能、力矩、磁場、數傳速率、太陽輻射等，如圖9 所示。

圖9 數據類型

然后在Spacecraft 上創建Port，通過connector 將這些數據添加到衛星端口上，構建航天器與外部相關方的端口連接。如圖10 所示。

圖10 航天器與相關方的外部端口建模

2.3 航天器的行為建模

用狀態機圖，捕獲衛星的行為，體現衛星在不同工作模式間的轉換，如器箭分離、太陽翼天線展開、地面指控、在軌觀測、數傳數據等。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、狀態定義等，其中端口定義衛星接口，操作定義衛星功能，值屬性定義衛星性能，狀態機定義衛星狀態，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、內部模塊圖、狀態機圖、活動圖等進行聯合仿真。該場景包含衛星工程、火災衛星、地面控制中心三個模塊，場景的邏輯是：當地面站監測拍攝地球窗口期到了后，地面站發送開始拍攝地球信號給火災衛星，衛星的AOCS 收到信號后，檢查衛星當前狀態是否滿足拍攝條件，如果滿足，則發送滿足拍攝條件給相機，衛星相機開始工作。

場景的框架、衛星工程內部定義、各部分狀態、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，并將衛星工程實例拖到仿真配置圖中的執行目標上，點擊運行按鈕，結果如圖17 所示，相機開始工作，說明建模邏輯正確。

圖17 場景運行結果

4 結語

通過對火災衛星的動手建模實踐，積累了實操經驗，MBSE 相較傳統的基于文檔的系統工程研制，利用圖形化、結構化的方式將任務需求、任務內容、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計數據的一致性，提高了可靠性，提高了生產效率，縮短研制周期，應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模式轉型升級；與此同時，建模過程中，有大量的手動輸入數據和重復操作，希望以后可以開發自動化建模工具，進一步提高建模效率。

圖14 衛星工程內部模塊圖

圖15 各部分的狀態機圖

圖16 衛星工程實例