基于MBSE技術的航天器電氣系統設計技術

馮忠偉，王 征，丁 琳，朱 紅

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

數字航天是未來我國航天事業發展的主要方向，包括航天數字化產品、數字化研制、數字化管理和數字化產業協同發展等方方面面，是實現航天產業智能化發展、實現航天強國的必由之路。基于模型的系統工程(MBSE)是數字航天發展大背景下一種全新的系統工程模式，MBSE是用于支持系統需求、設計、分析、驗證與確認等活動的建模行為的形式化應用，從概念設計階段開始貫穿系統全生命周期[1-5，6-12]。MBSE的應用實施要求對現有的科研管理流程進行優化，以模型為中心代替文本為中心，將大大提升科研管理的標準化、精細化、一致性水平，同時也將改變系統管理的視角、載體和習慣。

航天器上的電氣系統是整器的能源、信息中樞系統，電氣系統與航天器整體方案關系密切，從論證、設計、研制、測試、驗收、在軌運行等環節貫穿航天器全生命周期[10-11，14]。飛行器管理系統又是航天器電氣系統的核心，主要實現整器時序邏輯管理、數據管理、時間管理及勤務管理等內容，基于飛行器管理系統實現的功能，其在設計過程中與總體耦合緊密，整器的頂層需求直接影響飛行器管理系統的實現方案，在設計過程中存在需求、功能及方案設計之間的反復迭代過程。

傳統的以文本為中心的系統工程上下游協同復雜，信息關聯度差，方案更新迭代流程復雜，不利于未來航天器飛行器管理系統優化設計及改進。基于MBSE開展飛行器管理系統設計從頂層建立整器飛行器管理系統模型，包括需求定義、功能定義、邏輯實現及物理連接等，在各層級間采用模型進行需求和設計結果傳遞，實現模型驅動下各層級的高效協同工作，達到方案快速設計、驗證的閉環目的。

1 總體建設思路

依據系統工程開發過程的“V”字模式，以飛行器管理系統為具體研究對象，搭建基于模型的飛行器管理系統總體設計平臺。平臺支持在飛行管理系統設計過程中依次進行需求定義，功能設計及分配，系統架構邏輯設計，系統架構邏輯實現(包括組件邏輯設計和總線設計)，系統物理實現，并將各層次設計成果關聯，建立需求驅動的正向設計過程[13-20]。

圖1 總體建設思路

在飛行器管理系統開發過程中，需求貫穿整個項目的研發過程，是整個設計方案的來源和約束，也是對設計進行驗證的最終準則。

需求分析是系統設計工作的頂層工作。系統工程的第一步是進行需求分析與捕獲，并確定適用的國標、軍標、院所設計準則、設計規范要求、設計師手冊等頂層文件，將需求分析轉換成系統的設計需求。在定義系統需求時，根據需求后續實現方式，將系統需求分成功能需求和性能需求兩類進行管理。功能需求是對于功能設計提出的設計要求，功能設計人員根據具體的要求進行功能分解；性能需求是對組件的結構、硬件參數提出的設計要求，組件設計人員分別根據性能需求，確定組件硬件部分要滿足的設計要求。

當設計過程中，系統接收到的設計要求有變更時，對于變更的部分會再次進行需求捕獲、需求分析和需求定義的過程，并分解成功能需求和性能需求進行后續設計，保證整個系統開發過程中的系統需求的一致性。

功能定義層確定系統擁有的功能點，根據功能需求，確定功能點要滿足的各個設計要求。系統邏輯設計根據分解后各功能點的設計要求進行系統架構設計。在功能設計要求傳遞給系統邏輯設計前，需要建立功能設計要求與系統功能需求的追溯關系，保證每個系統功能需求都有功能去承載、實現，避免設計過程出現遺漏。此外，當功能需求出現變更時，追溯關系能幫助進行變更分析，保證設計過程的一致性。

完成系統的功能點定義及功能點的設計要求后，下一個階段就是進行系統方案設計。在進行系統方案設計時，采用基于功能的設計針對每個功能，通過“傳感器-控制單元-執行器”的方式定義系統功能實現方案，確定系統有哪些邏輯模塊構成，邏輯模塊之間傳遞的信號流，并且明確信號之間的控制邏輯關系。當在其他項目中有的相同/類似的功能要求時，可以直接復用功能設計方案，可有效提高設計的復用性。

系統邏輯設計方案確定后，需要考慮如何去具體實現。邏輯設計階段定義的各個邏輯模塊分別由哪些組件去實現，確定組件的軟件架構。此外，還需要確定組件間傳遞的信號，進行總線設計。總線設計要求考慮總線的具體選型，包括總線的物理實現、拓撲結構、節點數量等，總線的物理實現綜合考慮總線負載需求、環境適應性、未來可擴展性等需求，拓撲結構考慮總線管理器設置、遠置終端設置、總線冗余配置等具體方案，節點數量在整器具體需求的基礎上考慮一定的余量。

系統邏輯實現階段完成后，可以確定各組件的邏輯模塊、信號、系統通訊協議。系統通信協議明確了總線上各個終端之間的信息交互的基本框架，包括數據格式、握手機制及數據重傳機制等。數據格式綜合考慮對整器各系統數據管理需求的兼容性、可擴展性及對數據的容錯能力，握手機制考慮A/B兩終端之間數據的可靠傳輸，確保在極限負載壓力下數據傳輸不出錯，數據重傳機制重點考慮飛行器上關鍵數據在出現錯誤情況下的重傳實現方案。

在完成系統邏輯設計與實現之后，軟件組件間的信號需要按實際的總線生成相應的總線信號，通過對總線信號打包成報文消息之后，需要對總線協議的選擇、報文消息設計等進行仿真驗證，考核在不同任務工況下總線功能及性能滿足情況，并對極限工況進行測試，通過仿真分析對總線設計進行反饋迭代，達到飛行器管理系統優化設計目的。

在最后的物理實現階段，需要確定組件的硬件接口和連接關系，并根據性能要求確定組件參數。飛行器管理系統硬件接口包括供電接口、指令接口、數據接口、時間接口及通信接口等形式，硬件設計過程中針對硬件的具體電路形式、連接形式、冗余設計等具體內容開展詳細設計，明確不同組件間的相互連接關系。為后續電纜網等硬件設計提供實現基礎。

2 詳細設計方案

2.1 總體方案

課題以SystemWeaver為開發平臺，以航天器飛行器管理系統為具體設計對象，利用MBSE思路開展正向設計，具體涉及的設計階段包括系統需求識別、功能定義、系統設計(邏輯原理設計、單機設計)、電氣連接。

以系統設計層代表某個開發的項目，考慮到未來對“V”模式右半部分測試的擴展性，因此，在系統設計層下通過電子電氣系統設計層管理電子電氣系統開發過程，未來如果要將測試部分融入平臺時，將會有與電子電氣系統設計層平行的測試層。

按照需求-功能-系統-組件的平臺建設思路，結合SystemWeaver工具建模方式和設計分工，在電子電氣系統設計層下又分成以下幾個層級：

1)需求分析：定義系統需求；

2)功能定義：梳理系統需要實現的各項功能，確定功能設計要求；

3)系統邏輯架構：根據功能設計要求，確定系統實現方案，具體分成兩層完成；

4)系統邏輯設計：對功能進行邏輯原理設計，確定功能實現方案；

5)系統邏輯實現：確定各個組件承擔的邏輯模塊，確定系統信號列表，完成總線設計

6)系統物理實現：定義組件的硬件Pin，定義Pin之間連接關系，完成電氣原理設計。

此外，在設計過程中，不同設計層次之間輸入輸出對象之間是存在關聯的。因此，協同設計平臺內需要建立數據對象的關聯性，保證不同層次設計規范的關聯性。在SystemWeaver平臺內，有兩種成熟的數據之間的關聯性創建方式，第一種方式是上層對象對下層對象的關聯，此關聯是將上層的設計產物份分配給下層，用于下層的后續開發，第二種方式是下層對象對上層對象的追溯，保證上層的設計要求都能被下層需求滿足，不會出現遺漏。

2.2 系統需求

需求分析層是系統設計最頂層的工作。設計師在分析、捕獲完系統設計需求后，會按照系統需求實現的方式，在系統需求分析層下創建系統功能需求和系統性能需求來定義系統需求，對系統需求進行條目化管理。

該部分實現系統需求的結構化管理，可以與其他需求管理工具(如DOORS等)進行數據的快速交互。結構化需求管理可以對需求進行快速捕獲和識別，對需求變化進行快速響應，實現頂層需求的完整有效傳遞。

飛行器管理系統作為整器的頂層管理系統，與飛行器整體功能、任務密切相關，飛行器整器的任務需求決定了飛行器管理系統的頂層需求。以空間某類型飛行器為例，飛行器整器需求包括進出空間、在軌長期運行、在軌有效載荷任務支持等，作為整器頂層管理系統的飛行器管理系統，從需求層面涵蓋時間管理、供配電管理、數據管理及勤務管理等方面需求，以滿足航天飛行器的長期在軌運行、時序管理、任務調度等方面的需求。

利用Systemweaver進行飛行器管理系統需求創建及管理，作為項目工作的第一層級，針對每項需求定義其需求內涵，向上同飛行器整器的需求建立對應關系，根據整器的頂層需求具備需求快速定義能力，向下同下游功能定義建立映射關系，在實際方案設計過程中可以根據具體需求的變化增加或減少需求條目，在增加或減少需求條目時同步增加或刪除與后續層級的關聯，達到至頂向下快速傳遞信息的目的。

2.3 功能定義

在SystemWeaver平臺中，系統需求定義完成之后，第二步驟工作是開展功能定義及分配。從系統需求到功能定義需要基于現有標準規范、技術文件、類似型號的研制經驗等先驗知識。以飛行器管理系統為例，在系統需求階段識別包括時間管理、供配電管理、數據管理及勤務管理、加解密管理等需求，針對這些需求結合相似系統研制經驗，定義時間基準維護、配電管理、信息采集、遙測、遙控、電源管理、加解密管理等功能，在功能定義之上又可以定義不同的子功能，并通過SystemWeaver提供的層級間連接關系建立需求和功能之間的映射關系。

時間基準管理要求飛行器管理系統提供穩定的時間基準，該時間基準的穩定度要求優于一定量級，且具備與地面時間基準比對的條件，時間基準通過廣播等手段進行發布，為飛行器上各系統提供統一時間參考，同時為滿足可靠性要求，設計時間基準的冗余備份，提供主份時鐘故障情況下的應急措施。供配電管理按為整器上用電設備提供能源輸出，根據飛行時序及任務管理需求，實現能源輸出的通斷管理，考慮負載的短路風險，對關鍵設備增加熔斷措施，確保在發生故障時可以有效隔離故障，為保證供電可靠性，對于可控支路進行保通和保斷設計。數據管理包括遙測數據管理和數傳數據管理，按照數據傳輸路徑，可以分為信息采集、組幀(包)、傳輸、校驗、存儲等方面的需求，對有實時性需求的數據，需要考慮數據管理各個環節的最大允許時延，飛行器上另一大類數據包括視頻數據及載荷數據，這類數據傳輸容量較大，重點考慮數據傳輸的各個環節上的最大吞吐能力，兼顧瞬時數據容量。勤務管理針對器上主備份切換、關鍵設備狀態監測、心跳管理、設備重啟等進行統一管理，勤務管理設計的好壞直接決定飛行器各系統正常運行的可靠性和容錯性，勤務管理的設計既要保證關鍵功能的正常實現，同時不能過多占用器上資源。加解密管理是為器上數據、指令安全設計的相關軟硬件功能，包括遙控指令解密、遙測及數傳數據加密功能，加解密方案設計在數據協議設計基礎上明確加解密區域以及密鑰管理方案。

當功能需求分配到功能后，功能設計人員需要將功能需求內容分解成各個功能點的設計要求。對于每個功能點的設計需求，對頂層功能需求進行追溯及握手，保證功能開發的需求符合性，此后，應將功能需求分解到具體系統功能設計區域中，進行功能實現方案的設計。

2.4 系統設計

針對系統定義的各項功能點，根據分解后的設計要求，進行功能實現方案設計。確定滿足功能所需要邏輯組件模塊、傳感器邏輯模塊和執行器邏輯組件，以及這些模塊之間或者功能設計區域間傳遞的信號(輸入輸出)關系。

對于傳遞的每個信號，確定信號類型，并在模塊下面創建設計要求，定義信號控制邏輯。在SystemWeaver中，可以在設計要求描述中，建立對信號的鏈接，保證信號的一致性。模塊設計要求會與系統功能要求進行追溯，保證功能要求都能被設計滿足。

基于時間管理功能定義，考慮時間基準維護、廣播、比對等需求，一種可行的時間管理系統設計架構如圖2所示，時間管理系統以總線形式構成硬件架構，通過總線上協議約定不同終端之間的時間同步機制。飛行器管理系統的主備份鐘為高穩定度的時鐘系統，穩定度優于10-9，通過地面遙控或者器上GPS授時方式建立器上絕對時間基準，飛行器管理系統通過總線形式向控制系統、測控系統、電源等系統廣播時間信息，各系統根據自身需求周期性獲取廣播時間，以此維護。通過該方式建立起整器的時間基準，從而保證整器時序邏輯的正確性。

基于整器配電管理功能定義，進行配電管理功能設計，考慮因素包括配電路數分配、配電形式確定(直供電/可控支路)、可控支路的通斷控制電路形式、配電支路可靠性設計、配電器接地設計等內容。配電路數分配要求根據整器的用電需求進行分類統計，明確全部供電支路的用電特性、功耗、關鍵特性等內容，針對長期工作的關鍵設備，考慮采用直供電形式，降低斷電風險。針對可控配電支路，對開關電路形式的選擇是設計的關鍵要求，包括繼電器控制電路、MOS管控制電路及SSPC控制電路等，具體電路形式需結合項目實際情況最終明確。在控制電路設計過程中，綜合考慮元器件的降額等因素，降額參數包括電壓、電流、結溫等參數。配電器接地要求結合整器接地形式考慮采用浮地、柔性接地及接地等方式。

整器的數據包括遙測數據、視頻數據、數傳數據等。遙測數據體現器上設備的關鍵特性，要求考慮實時性、容錯性等要求；視頻數據用于監測飛行器在軌運行過程中關鍵動作過程，要求考慮視頻分辨率等因素；數傳數據一般為載荷等設備提供大容量事后分析數據，考慮數據的覆蓋性等因素。在數據管理功能設計過程中針對數據采集、數據封裝、數據傳輸、校驗及存儲等進行分別設計。數據采集重點考慮傳感器配置，數據封裝考慮統一數據格式形式，兼顧通用性及可擴展性，數據傳輸考慮傳輸硬件形式、傳輸過程中的握手形式等因素，校驗確保經傳輸后數據的正確性。

勤務管理為飛行器提供內務管理的一般性服務，包括針對冗余設備的主備切換管理，關鍵設備的心跳管理等，勤務管理要求在消耗有限資源的情況下，準確可靠地實現相關功能。

加解密功能可以設計單獨的加解密單機，也可以將加解密功能集成到單機內部，設計加解密功能模塊的輸入輸出信號，加解密模塊的資源分配要滿足最大數據吞吐量的需求。

2.5 電氣連接

在電子電氣系統中，某個具體功能的原理設計最終通過組件軟件和硬件來實現。SystemWeaver中可以定義組件邏輯架構設計，并且能統計出系統間的信號列表，用于進行網絡設計。

在系統邏輯設計完成后，下一步是將設計好的邏輯模塊分配到對應的組件中，由組件承接此部分的設計內容，不同的組件對應不同的硬件設備，構成組成單機的基本要素。

考慮到設計過程的備份問題，在創建組件時，引入了組件系統的概念對不同備份的組件邏輯模塊進行管理，在統計時，同一類組建邏輯模塊的下的不同實例不會互相影響檢查結果，提高數據的準確性。當設計師完成一個組件模塊設計后，如果這個組件要備份，可以通過克隆的方式創建需要備份的組件。

當邏輯模塊分配完成后，即可確定組件之間和組件內部的信號傳遞關系。設計師可以在SystemWeaver 看到組件之間和內部信號傳遞關系。

SystemWeaver內可以定義系統網絡拓撲結構，確定系統中需要的總線類型、數量，每個總線上的節點，得到系統網絡拓撲圖。

在組件電氣設計完成后，將組件的邏輯設計內容和硬件設計內容關聯，形成組件的設計任務書，從協同設計平臺中導出對應的設計任務書傳遞給組件開發院所。

在飛行器管理系統設計階段，將時間管理、配電管理、數據管理及勤務管理等功能具體對應到相應的飛行器管理計算機、遠程終端等設備上，飛行器管理計算機和不同的遠程終端設備之間具備不同形式的連接，包括指令連接、遙測采集連接、供電連接、總線連接等形式。利用Systemweaver提供的電氣連接工具將不同的單機/設備之間的接口建立物理連接關系，實現整器物理拓撲關系。通過電氣連接實現從最初的需求分析到物理實現的基本過程，整個過程通過上下層之間的映射關系建立聯動，頂層需求的變化可以及時、快速傳遞至到物理實現層，達到快速設計的目的。

通過Systemeaver進行電氣連接設計時，需要綜合考慮電纜選型、電纜走向及成束等因素，電纜選型主要考慮電纜的電流承載能力、絕緣層防護、屏蔽防護等因素，在實現電氣連接的基礎上盡量減少電纜重量。針對關鍵信號要求考慮雙絕緣防護設計。電纜成束主要考慮不同種類電纜之間的電磁兼容問題，大電流電纜要求具備較好的散熱能力，避免接近器上熱源，微弱信號電纜避免和強電電纜集成在一束里面，避免發生信號干擾問題。

基于Systemeaver實現的電氣連接可以導出通過其他工程軟件開展進一步設計。例如通過CHS進行電纜網設計，最終輸出電纜網設計圖紙，達到一體化設計目的。同樣將Systemeaver實現的電氣連接導出通過OMNeT++進行網絡特性仿真分析，得到總線負載等特性。

3 結束語

MBSE是在數字化大背景下應運而生的一種新的系統設計方法，從需求分析、功能定義、系統設計及電氣連接環節建立完整的系統設計流程，通過映射方法建立不同層級之間的緊密耦合關系，達到系統需求到物理實現的信息快速傳遞，實現系統方案的快速優化和迭代。

飛行器管理系統是航天器的能源、信息及控制中樞系統，飛行器管理系統設計的需求輸入多源，可選方案眾多，且設計輸入隨研制的推進變化較為頻繁，傳統的基于文檔的設計方法在應對設計輸入變化時反應滯后，且在信息傳遞過程中容易出現信息誤碼，將MBSE技術應用于航天器飛行器管理系統設計通過模型進行驅動，在輸入變化時設計模型驅動整個設計流程的相關環節作出對應變化，達到系統閉環目的，從而實現系統方案的快速迭代和優化。