基于MBSE的卫星设计(2)

01. 卫星设计主要内容

以卫星任务要求为依据，综合利用现代科学技术成果，以系统工程和优化的方法，用工程语言（建造规范、技术文件和图样）的形式指导卫星的制造、试验和使用。同时它也是研究卫星设计理论、方法和设计过程的一门综合性技术科学。卫星设计从卫星顶层开始，再到以下层次有序地进行。

顶层设计（总体设计）是对卫星任务进行分析，确定实现任务要求的技术途径和技术方案以及系统组成，然后对下层次（分系统）提出技术指标要求。分系统的设计则根据总体设计的技术要求，先进行方案设计，确定分系统的配置，再进行工程设计，以指导分系统的制造、试验和使用。

卫星设计还必须考虑在卫星组装成一个产品后，进行一系列的地面试验（电性能测试和环境试验），试验卫星工作的协调性和可靠性。卫星进行飞行试验时，要进行卫星在轨测试，待达到预定使用要求时，再交付给用户，至此卫星设计才算完成。

在开发新卫星的道路上，从设计、仿真、验证直至制造与部署，每一步都至关重要。发射成本的不断降低、可重复使用火箭的发展推动当今的卫星行业掀起新的变革。

小卫星数字化设计

根据卫星质量，通常将小于1000kg的卫星称为广义的小卫星，500~1000kg的称为小卫星，100~500kg的称为微小卫星，10~100kg的称为显微卫星，小于10kg的称为纳米卫星。与大卫星相比，小卫星具有先进、快速、低廉、可靠等特点。小卫星不只是简单意义上的质量轻，而是高度集成化技术和自动化技术的应用，伴随着计算机的迅速发展，逐步实现了星上控制与处理计算机小型化。通常，小卫星可在不到1年内实现设计、制造、发射、在轨运行的全过程。发射一颗小卫星包括发射价格在内约3000万人民币，不仅价格低廉，而且风险小，一般小卫星寿命在10年以上。

1997年，我国的“现代小卫星”开拓了一种与过去不同的卫星内部业务管理的方法，创建了一个新的卫星平台服务系统，称为“小卫星星务系统”。它实现了卫星的信息共享和星内业务的统一管理。它使卫星设计从顶层开始，用四个标准文档规范了全星设备之间的信息接口，用它们来约束星上设备的设计、制造、验收、环境试验和在轨运行的操控。在借鉴工业自动化技术的基础上，充分考虑小卫星的技术特点，将遥测、遥控、程控、时统、星上设备操控、飞行任务调度、安全自主控制等多项卫星内部业务的管理集成于统一的系统之中，形成一个小卫星的重要信息和决策中枢，作为卫星总体部在星上的代理。星务系统利用将微计算机的可程控接口芯片内嵌到各设备中的技术和星上网，实现了多机分布式的小卫星综合自动化，体现了网络计算、大数据和智能化等多方面的优势，完成了整星的运行管理、自主控制和信息处理。在各分系统和设备中存在卫星总体的代理，在总体内也有对各分系统和设备实现操控的渠道，使星上各种设备相互融合、上下相通、综合一体。实践证明，这是一条成功达到“多、快、好、省”地建造和应用小卫星的技术途径。

小卫星数字化流程

根据小卫星数字化研制特点，一般将小卫星的研制分为5个阶段：预研阶段、方案阶段、初样阶段、正样阶段、在轨应用阶段，各个研制阶段的主要研制内容和流程如图所示。5个阶段包含了小卫星数字化设计的全过程，其中，数字化样机详细设计、仿真分析、工艺设计、整星装配、整星测试等主要研制内容包含在初样阶段和正样阶段的研制过程中。

小卫星数字化设计以并行工程、协同设计工作模式为基础，以数据交互和信息共享为核心，通过数字化统一模型驱动整个设计、仿真、制造流程。当前小卫星数字化设计已经取得了重大的进展，小卫星数字化设计的发展还与小卫星数字化设计流程管理的水平密切相关。

采用基于模型的系统工程（MBSE）方法，完善航天型号产品数字化协同研制环境，强化虚拟设计与仿真验证应用，全三维研制模式和仿真系统，让试验卫星从硬件到功能性能都实现数字化仿真，越来越接近一台“数字化小卫星”；小到元器件和电缆接口的数字化管理。提高设计效率。构建小卫星智能制造体系，针对小卫星多品种、小批量特点，实现生产过程的柔性化、智能化以及生产现场的精细化管理，提高生产质量。构建小卫星敏捷服务和精准保障体系，实现基于数字孪生技术的装备综合保障、小卫星集群化在轨运行管理，提高运营效益。

设计流程从信息化到数字化，再到智能化

流程的信息化是数字化的基础，没有信息化，相关环节的数据没有被采集下来，数字化就不可能实现。通过信息化和数字化对原有的传统流程进行改造。

主要体现在：

1、任务目标分解

2、载荷设计

3、轨道设计

摘录自《卫星工程概论》

【参考文献】

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

2. 小卫星数字化设计流程管理与优化研究

   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系统工程手册（第2版）》

4. 《星务小卫星技术》

5. 《航天科技：全面实施数字航天战略 为航天强国建设提供坚强支撑》http://www.sasac.gov.cn/n4470048/n13461446/n15927611/n15927638/n16135038/c16305905/content.html

 

未完待续

 文章来源MBSE知识库与应用案例