衛星設計，請從MBSE開始

01. 背景

隨著太空時代的迅速發展，創新技術也開始在太空可持續性和服務于偏遠地區的太空應用中占有一席之地。這些技術已經逐步應用在在正在進行的太空探索項目、微型衛星和天文觀測方面的快速發展。軍、民、商更感興趣的是衛星通信、廣播和通過近地軌道衛星星座提供的互聯網服務。可以更好地為軍事行動、信息交互、通信交流、情報收發等提供更好地支撐，近地軌道（LEO：Low Earth Orbit）由于其提供全球覆蓋和較低延遲的獨特特性，正在成為幾乎所有衛星星座的宿主。

由于LEO正被成千上萬的衛星網絡(如Starlink和OneWeb)組成的星座所占據，這些衛星網絡的設計及其數據管理使星座變得更加設計復雜，成本昂貴、管理困難。為了將太空應用的優勢提供給仍然無法獲得互聯網服務的偏遠和農村地區，新的方法可以提供降低成本的措施。

采用最先進的以模型為中心的方法，例如基于模型的系統工程(MBSE)，對于降低傳統的以文檔為中心的系統工程方法（DBSE：Document-Based System Engineering ）無法提供的總體系統復雜性非常有幫助。模型驅動方法（MDA：Model-Driven Approach）使用不同的建模語言和工具與各種設計和分析軟件集成來構建衛星網絡的虛擬架構。它使衛星業務的物理系統和子系統數字化，使信息流能夠無縫銜接。該方法為所有項目成員和所有利益相關方提供一致的信息、更新后的新信息和關鍵決策。系統本身的模型是衛星子系統或操作要素的圖形和數學表示的簡化版本，抽象現實以消除一些復雜性。這些模型幫助工程師在設計新系統時識別問題、丟失的信息、丟失的交互以及丟失的開發機會。這種系統的互聯性使我們能夠識別和平衡一個系統，并管理系統的復雜性。此外，適當的相互連接在項目開發的生命周期中提供模型更改時的可追溯性。

圖 

最后，MBSE可以通過減少開發時間和設計更可靠的軟件來節省衛星星座的成本。當MBSE操作得當時，其結果是降低了復雜性、開發時間和成本，從而將太空應用能夠覆蓋到農村和偏遠地區。其次，數字孿生技術是指利用虛擬手段對物理系統進行描述和建模的過程和方法。該虛擬模型有助于實時模擬物理系統的行為，包括空間和地面段及其性能。通過數字孿生技術創建的模型可用于為太空設計的新型網絡威脅的建模、開發和對抗，從而實現一個全新的研究路線。

衛星網絡及其容量的擴大肯定會使國際服務提供商提供的互聯網帶寬有限的國家受益。這也將有利于位于小島嶼的發展中國家和內陸國家走向信息化和網絡化時代，加快經濟與文化的發展，以及與世界的對話與溝通。設計復雜性的降低意味著低成本，進而有助于以可負擔的價格門檻為農村和偏遠地區的中低收入消費者提供衛星互聯網服務。這兩個分支都處于各自領域的研究前沿，如果它們合并形成新的研究路線，將改變空間應用時代。

圖  范圍定義活動

系統上下文視圖

02. 衛星設計概念與階段

衛星設計是指設計人員應用航天動力學、結構力學、工程熱物理、工程控制論、電子技術、計算機技術、推進技術等學科知識通過分析綜合和創造思維，將設計要求轉化為一組能完整描述衛星的參數的過程。

圖 衛星總體方案設計流程

圖 衛星設計的階段劃分

01，A階段的主要工作

• 要完成任務合理的衛星配置是什么？
• 研制中有什么難點(重大成本、計劃和技術問題)？
• 應該做哪些主要的比較研究和分析？
• 花費的成本是多少？
• 需要多長時間？

02，B階段(詳細定義階段)

• 完成任務的最佳衛星設計方案是什么？為什么？
• 所包含的風險是什么？
• 實現的計劃是什么？
• 成本估算是多少？
• 是否有為確保計劃所必需的長周期項目？

03，C/D階段(初樣產品研制階段)

• 完成各階段的系統級功能測試；
• 熱試驗模擬測試；
• 力學環境測試？
• 與地面戰的通信鏈路的檢查？
• 任務模擬和環境實驗？

04，E階段(飛行產品研制階段)

完成系統正樣設計、飛行產品生產、各類環境試驗、發射實施和射前測試以及在軌測試及應用維護。

 

未完待續

文章來源：MBSE知識庫與應用案例