[论文赏析]基于MBSE的卫星通信系统建模与仿真

为了加强MBSE在航天器研制生产中的推广落地，这篇论文从基于 MBSE 的开发流程和方法入手，对火灾卫星航天器的任务分析、任务上下文、需求、接口、行为等方面进行了详细的建模分析。最后，通过对模型的集成仿真验证，验证了模型的逻辑合理。结果表明，相较传统DBSE方法，MBSE可以更好地确保航天器设计过程中设计信息的一致性，提高工作效率，降低航天器研发成本，加速推广应用。

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补充介绍

NASA长期致力于提高小型航天器的能力和可靠性，特别是在深空环境下。小型航天器有助于NASA通过新型的和成本更低的任务架构实现科学和探索目标，包括基于小型航天器集成的架构，或用小型航天器增强大型常规航天器的架构。NASA期望通过MBSE方法和工具实现这一目标。具体包括以下方面：

定义、设计、开发、分析、执行和验证未来的小型航天器任务。 通过开发先进的方法和工具，实现更快速、全面、深入和集成的航天器设计，贯穿整个项目生命周期，从概念到系统操作和任务结束处理。这些功能应该利用正在NASA中进行试验的MBSE方法，并支持不同模型类型和各种规程工具的敏捷集成。

为未来任务的设计提供跨学科系统分析。 这包括对这些任务的决策建模和规划支持。这种模型也可用于评估技术替代方案和影响、科学评估方法以及规划和/或建筑贸易，包括由多艘航天器组成的潜在任务架构。

具体感兴趣的领域列出如下。鼓励强调或处理多个领域的方法。建议建议申请人熟悉最新情况，并尽可能利用现有标准：

• 具备快速权衡空间评估和可视化 、理解和结果/选项比较的能力。
• 以用户为中心的模型交互方法 ，用于吸引不具备重要MBSE专业知识的领域专家。
• 自动化生成传统系统工程工件 ，包括需求和接口文档。
• 航天器任务的模拟和执行 ，利用ALF、FUML、PSSM、PSCS等在行为建模和执行方面的进展。
• 评估系统性能裕度(技术和程序) 。
• 系统和规程特定模型之间的模型交换、可跟踪性和配置管理 ，例如，与CAD、FEM工具的集成等。
• 系统模型与数据分析平台的集成 ，用于报告和查询模型信息。

随着NASA继续在自身的项目和计划的制定和发展中更多地使用模型，有反复出现的挑战需要解决。这些建模解决方案，包括更大的建模广度(例如，成本/进度)、深度(可伸缩性)、可变保真度(精度/准确性vs.计算时间)、权衡空间探索(如何评估大量备案)、交互(用户如何与工具交互)以及将它们联系在一起的过程。重点不是具体的工具，而是实现上述功能的能力和方法的演示。虽然目前的重点是小型航天器，但这些工具和技术将越来越适用于NASA的大型任务。预期的技术成熟度水平所包含的可交付成果包括工具集成的新原型、可视化和访问方法、最佳实践模式、可重用库和模型验证框架。

知识类型

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火灾卫星的SysML模型图

本文针对火灾卫星的案例，以MBSE方法为指导，使用MagicDraw19.0 工具，利用 SysML的需求图、活动图、时序图、状态机图等，对航天器任务的任务分析、任务上下文、需求、接口、行为等方面分别进行捕获建模，最后通过建立一个相机开机对地拍摄的大场景仿真，对模型进行了集成仿真，验证建模逻辑过程是否合理。

利用 SysML 的 stakeholer、viewpoint、view 元素依次创建上表中的利益相关者，如图1所示。

利益相关者建模图

进一步以用例图从另一个角度对利益相关者的关注问题进行建模，如林业局以最小财政支出探测和监控森林火灾，运营商实时提供森林火灾数据、保存数据、维持卫星正常运行等，如图 2 所示。

图 相关利益者的用例图建模

作者通过17张SysML模型图解释了火灾卫星的MBSE工程全过程，感兴趣的读者可以下载文末的原文深入解读。

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读者结论

从总共推荐的三篇论文中可以看出MBSE的一个脉络：MBSE的框架是什么（也就是MBSE能解决什么问题），具体的应用领域以及具体的解决办法（围绕具体的建模语言SysML展开），相对较为完善的构成了一个工程化问题的解决思路。从这点上来讲，具有一定的推广意义和价值。

当然这里的MBSE是针对航天领域。对于具体的行业领域，我们还要具体问题具体分析，需要有具体深入的领域知识，清晰地利益相关方需求，才能更好地利用MBSE工具和方法为工作实践提供更好地帮助和解决方案。

可以回味的两篇公众号推荐文章：

1.[论文赏析]面向复杂产品研制的MBSE 体系架构及其发展趋势研究

2.[论文赏析]一种基于 MBSE 的小卫星测控分系统建模设计方法

参考文献

本期论文下载：2021-QK-基于MBSE的卫星通信系统建模与仿真.pdf

 文章来源MBSE知识库与应用案例