基于MBSE的衛(wèi)星設(shè)計(jì)(2)

01. 衛(wèi)星設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

以衛(wèi)星任務(wù)要求為依據(jù)，綜合利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果，以系統(tǒng)工程和優(yōu)化的方法，用工程語(yǔ)言（建造規(guī)范、技術(shù)文件和圖樣）的形式指導(dǎo)衛(wèi)星的制造、試驗(yàn)和使用。同時(shí)它也是研究衛(wèi)星設(shè)計(jì)理論、方法和設(shè)計(jì)過程的一門綜合性技術(shù)科學(xué)。衛(wèi)星設(shè)計(jì)從衛(wèi)星頂層開始，再到以下層次有序地進(jìn)行。

頂層設(shè)計(jì)（總體設(shè)計(jì)）是對(duì)衛(wèi)星任務(wù)進(jìn)行分析，確定實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求的技術(shù)途徑和技術(shù)方案以及系統(tǒng)組成，然后對(duì)下層次（分系統(tǒng)）提出技術(shù)指標(biāo)要求。分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則根據(jù)總體設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，先進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，確定分系統(tǒng)的配置，再進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，以指導(dǎo)分系統(tǒng)的制造、試驗(yàn)和使用。

衛(wèi)星設(shè)計(jì)還必須考慮在衛(wèi)星組裝成一個(gè)產(chǎn)品后，進(jìn)行一系列的地面試驗(yàn)（電性能測(cè)試和環(huán)境試驗(yàn)），試驗(yàn)衛(wèi)星工作的協(xié)調(diào)性和可靠性。衛(wèi)星進(jìn)行飛行試驗(yàn)時(shí)，要進(jìn)行衛(wèi)星在軌測(cè)試，待達(dá)到預(yù)定使用要求時(shí)，再交付給用戶，至此衛(wèi)星設(shè)計(jì)才算完成。

在開發(fā)新衛(wèi)星的道路上，從設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證直至制造與部署，每一步都至關(guān)重要。發(fā)射成本的不斷降低、可重復(fù)使用火箭的發(fā)展推動(dòng)當(dāng)今的衛(wèi)星行業(yè)掀起新的變革。

小衛(wèi)星數(shù)字化設(shè)計(jì)

根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)量，通常將小于1000kg的衛(wèi)星稱為廣義的小衛(wèi)星，500~1000kg的稱為小衛(wèi)星，100~500kg的稱為微小衛(wèi)星，10~100kg的稱為顯微衛(wèi)星，小于10kg的稱為納米衛(wèi)星。與大衛(wèi)星相比，小衛(wèi)星具有先進(jìn)、快速、低廉、可靠等特點(diǎn)。小衛(wèi)星不只是簡(jiǎn)單意義上的質(zhì)量輕，而是高度集成化技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，伴隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了星上控制與處理計(jì)算機(jī)小型化。通常，小衛(wèi)星可在不到1年內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、發(fā)射、在軌運(yùn)行的全過程。發(fā)射一顆小衛(wèi)星包括發(fā)射價(jià)格在內(nèi)約3000萬(wàn)人民幣，不僅價(jià)格低廉，而且風(fēng)險(xiǎn)小，一般小衛(wèi)星壽命在10年以上。

1997年，我國(guó)的“現(xiàn)代小衛(wèi)星”開拓了一種與過去不同的衛(wèi)星內(nèi)部業(yè)務(wù)管理的方法，創(chuàng)建了一個(gè)新的衛(wèi)星平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)，稱為“小衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)”。它實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的信息共享和星內(nèi)業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理。它使衛(wèi)星設(shè)計(jì)從頂層開始，用四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)文檔規(guī)范了全星設(shè)備之間的信息接口，用它們來約束星上設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收、環(huán)境試驗(yàn)和在軌運(yùn)行的操控。在借鑒工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分考慮小衛(wèi)星的技術(shù)特點(diǎn)，將遙測(cè)、遙控、程控、時(shí)統(tǒng)、星上設(shè)備操控、飛行任務(wù)調(diào)度、安全自主控制等多項(xiàng)衛(wèi)星內(nèi)部業(yè)務(wù)的管理集成于統(tǒng)一的系統(tǒng)之中，形成一個(gè)小衛(wèi)星的重要信息和決策中樞，作為衛(wèi)星總體部在星上的代理。星務(wù)系統(tǒng)利用將微計(jì)算機(jī)的可程控接口芯片內(nèi)嵌到各設(shè)備中的技術(shù)和星上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)分布式的小衛(wèi)星綜合自動(dòng)化，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、大數(shù)據(jù)和智能化等多方面的優(yōu)勢(shì)，完成了整星的運(yùn)行管理、自主控制和信息處理。在各分系統(tǒng)和設(shè)備中存在衛(wèi)星總體的代理，在總體內(nèi)也有對(duì)各分系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)操控的渠道，使星上各種設(shè)備相互融合、上下相通、綜合一體。實(shí)踐證明，這是一條成功達(dá)到“多、快、好、省”地建造和應(yīng)用小衛(wèi)星的技術(shù)途徑。

小衛(wèi)星數(shù)字化流程

根據(jù)小衛(wèi)星數(shù)字化研制特點(diǎn)，一般將小衛(wèi)星的研制分為5個(gè)階段：預(yù)研階段、方案階段、初樣階段、正樣階段、在軌應(yīng)用階段，各個(gè)研制階段的主要研制內(nèi)容和流程如圖所示。5個(gè)階段包含了小衛(wèi)星數(shù)字化設(shè)計(jì)的全過程，其中，數(shù)字化樣機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)、仿真分析、工藝設(shè)計(jì)、整星裝配、整星測(cè)試等主要研制內(nèi)容包含在初樣階段和正樣階段的研制過程中。

小衛(wèi)星數(shù)字化設(shè)計(jì)以并行工程、協(xié)同設(shè)計(jì)工作模式為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)交互和信息共享為核心，通過數(shù)字化統(tǒng)一模型驅(qū)動(dòng)整個(gè)設(shè)計(jì)、仿真、制造流程。當(dāng)前小衛(wèi)星數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展，小衛(wèi)星數(shù)字化設(shè)計(jì)的發(fā)展還與小衛(wèi)星數(shù)字化設(shè)計(jì)流程管理的水平密切相關(guān)。

采用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法，完善航天型號(hào)產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同研制環(huán)境，強(qiáng)化虛擬設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證應(yīng)用，全三維研制模式和仿真系統(tǒng)，讓試驗(yàn)衛(wèi)星從硬件到功能性能都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化仿真，越來越接近一臺(tái)“數(shù)字化小衛(wèi)星”；小到元器件和電纜接口的數(shù)字化管理。提高設(shè)計(jì)效率。構(gòu)建小衛(wèi)星智能制造體系，針對(duì)小衛(wèi)星多品種、小批量特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的柔性化、智能化以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的精細(xì)化管理，提高生產(chǎn)質(zhì)量。構(gòu)建小衛(wèi)星敏捷服務(wù)和精準(zhǔn)保障體系，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生技術(shù)的裝備綜合保障、小衛(wèi)星集群化在軌運(yùn)行管理，提高運(yùn)營(yíng)效益。

設(shè)計(jì)流程從信息化到數(shù)字化，再到智能化

流程的信息化是數(shù)字化的基礎(chǔ)，沒有信息化，相關(guān)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)沒有被采集下來，數(shù)字化就不可能實(shí)現(xiàn)。通過信息化和數(shù)字化對(duì)原有的傳統(tǒng)流程進(jìn)行改造。

主要體現(xiàn)在：

1、任務(wù)目標(biāo)分解

2、載荷設(shè)計(jì)

3、軌道設(shè)計(jì)

摘錄自《衛(wèi)星工程概論》

【參考文獻(xiàn)】

1. http://www.spacechina.com/n25/n148/n272/n348309/c104955/content.html

2. 小衛(wèi)星數(shù)字化設(shè)計(jì)流程管理與優(yōu)化研究

   https://articles.e-works.net.cn/pdm/article142332.htm#:~:text=5%E4%B8%AA%E9%98%B6%E6%AE%B5%E5%8C%85%E5%90%AB%E4%BA%86%E5%B0%8F,%E6%AE%B5%E7%9A%84%E7%A0%94%E5%88%B6%E8%BF%87%E7%A8%8B%E4%B8%AD%E3%80%82

3. 《NASA系統(tǒng)工程手冊(cè)（第2版）》

4. 《星務(wù)小衛(wèi)星技術(shù)》

5. 《航天科技：全面實(shí)施數(shù)字航天戰(zhàn)略 為航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)提供堅(jiān)強(qiáng)支撐》http://www.sasac.gov.cn/n4470048/n13461446/n15927611/n15927638/n16135038/c16305905/content.html

 

未完待續(xù)

 文章來源MBSE知識(shí)庫(kù)與應(yīng)用案例