卫星设计，请从MBSE开始

卫星设计，请从MBSE开始

01. 背景

随着太空时代的迅速发展，创新技术也开始在太空可持续性和服务于偏远地区的太空应用中占有一席之地。这些技术已经逐步应用在在正在进行的太空探索项目、微型卫星和天文观测方面的快速发展。军、民、商更感兴趣的是卫星通信、广播和通过近地轨道卫星星座提供的互联网服务。可以更好地为军事行动、信息交互、通信交流、情报收发等提供更好地支撑，近地轨道（LEO：Low Earth Orbit）由于其提供全球覆盖和较低延迟的独特特性，正在成为几乎所有卫星星座的宿主。

由于LEO正被成千上万的卫星网络(如Starlink和OneWeb)组成的星座所占据，这些卫星网络的设计及其数据管理使星座变得更加设计复杂，成本昂贵、管理困难。为了将太空应用的优势提供给仍然无法获得互联网服务的偏远和农村地区，新的方法可以提供降低成本的措施。

采用最先进的以模型为中心的方法，例如基于模型的系统工程(MBSE)，对于降低传统的以文档为中心的系统工程方法（DBSE：Document-Based System Engineering ）无法提供的总体系统复杂性非常有帮助。模型驱动方法（MDA：Model-Driven Approach）使用不同的建模语言和工具与各种设计和分析软件集成来构建卫星网络的虚拟架构。它使卫星业务的物理系统和子系统数字化，使信息流能够无缝衔接。该方法为所有项目成员和所有利益相关方提供一致的信息、更新后的新信息和关键决策。系统本身的模型是卫星子系统或操作要素的图形和数学表示的简化版本，抽象现实以消除一些复杂性。这些模型帮助工程师在设计新系统时识别问题、丢失的信息、丢失的交互以及丢失的开发机会。这种系统的互联性使我们能够识别和平衡一个系统，并管理系统的复杂性。此外，适当的相互连接在项目开发的生命周期中提供模型更改时的可追溯性。

图 

最后，MBSE可以通过减少开发时间和设计更可靠的软件来节省卫星星座的成本。当MBSE操作得当时，其结果是降低了复杂性、开发时间和成本，从而将太空应用能够覆盖到农村和偏远地区。其次，数字孪生技术是指利用虚拟手段对物理系统进行描述和建模的过程和方法。该虚拟模型有助于实时模拟物理系统的行为，包括空间和地面段及其性能。通过数字孪生技术创建的模型可用于为太空设计的新型网络威胁的建模、开发和对抗，从而实现一个全新的研究路线。

卫星网络及其容量的扩大肯定会使国际服务提供商提供的互联网带宽有限的国家受益。这也将有利于位于小岛屿的发展中国家和内陆国家走向信息化和网络化时代，加快经济与文化的发展，以及与世界的对话与沟通。设计复杂性的降低意味着低成本，进而有助于以可负担的价格门槛为农村和偏远地区的中低收入消费者提供卫星互联网服务。这两个分支都处于各自领域的研究前沿，如果它们合并形成新的研究路线，将改变空间应用时代。

图  范围定义活动

系统上下文视图

02. 卫星设计概念与阶段

卫星设计是指设计人员应用航天动力学、结构力学、工程热物理、工程控制论、电子技术、计算机技术、推进技术等学科知识通过分析综合和创造思维，将设计要求转化为一组能完整描述卫星的参数的过程。

图 卫星总体方案设计流程

图 卫星设计的阶段划分

01，A阶段的主要工作

• 要完成任务合理的卫星配置是什么？
• 研制中有什么难点(重大成本、计划和技术问题)？
• 应该做哪些主要的比较研究和分析？
• 花费的成本是多少？
• 需要多长时间？

02，B阶段(详细定义阶段)

• 完成任务的最佳卫星设计方案是什么？为什么？
• 所包含的风险是什么？
• 实现的计划是什么？
• 成本估算是多少？
• 是否有为确保计划所必需的长周期项目？

03，C/D阶段(初样产品研制阶段)

• 完成各阶段的系统级功能测试；
• 热试验模拟测试；
• 力学环境测试？
• 与地面战的通信链路的检查？
• 任务模拟和环境实验？

04，E阶段(飞行产品研制阶段)

完成系统正样设计、飞行产品生产、各类环境试验、发射实施和射前测试以及在轨测试及应用维护。

 

未完待续

文章来源：MBSE知识库与应用案例