基于MBSE 的航天器建模应用研究

蒋维，骆佳巍，王振东

（1.中国核动力研究设计院，四川 成都 610213；2.浙江迪捷软件科技有限公司，浙江 绍兴 312000）

自从国际系统工程学会（International Council on Systems Engineering，INCOSE）在2007年提出基于模型的系统工程（MBSE）后，MBSE 在航空、航天、船舶等领域的研究逐渐深入，而航天器研制作为复杂的系统工程，具有研制周期长，质量与可靠性要求高、科研风险高，管理难度大等特点，传统的基于文档的系统工程方法已很难适应目前我国航天器研制数量大幅增加，研制周期不断缩短的情况，迫切需要利用MBSE 方法对我国的航天器研制流程进行创新。为了加强MBSE 在航天器研制中的推广落地和积累实操经验，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。

1 航天器任务分析建模

本节首先识别火灾卫星项目的利益相关者，然后对卫星任务的任务需求、任务上下文、任务行为、任务事件进行分析和建模。

1.1 识别利益相关者及其关注问题

该项目的利益相关者有林业局、消防局、投资商、航天器开发商、航天器运营商等，其关注的问题如表1 所示。

表1 项目的利益相关者及其关注问题

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。

图1 任务的利益相关者建模

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2 相关利益者的用例图建模

1.2 捕获任务需求

该卫星项目的任务需要考虑系统性能、覆盖率、识别性、时效性、多任务、指控要求、生命周期、系统可用性、生存率、数据发布、数据格式转换、用户设备、成本、计划、风险等需求，利用需求图对任务需求进行建模，如图3 所示。

图3 任务需求建模

1.3 任务上下文建模

任务上下文需要考虑的主要有地球环境、空间环境、GPS 导航系统、消防局、航天器、航天生产部门等，每个元素下又有相关的考虑因素，如地球环境需要进一步考虑观测区域的火情和天气条件，航天生产部门有发射场、运载火箭、航天器、地面站、中继星等元素，具体以模块定义图进行建模，如图4 所示。

图4 任务上下文模块定义图建模

1.4 定义任务行为

项目任务的执行内容主要有发射航天器、分离航天器、轨道控制、机构展开、维持航天器运营、提供观测数据等行为，航天器的运营又包括接收地面指令、遥测数据下发、电源管理、控制热环境和故障管理等活动。以活动图对其进行建模，如图5、图6 所示。

图5 项目任务行为活动图建模

图6 航天器运营活动图建模

1.5 任务事件时间线建模

任务的主要事件按时间顺序依次为发射场火箭发射卫星进入太空，航天器分离、天线展开、太阳翼展开、地面站对卫星进行在轨飞控，最后卫星失效脱离轨道。其中地面站对卫星飞控的主要内容是根据用户的观测要求，遥控卫星对观测区域进行探测，然后将探测数据数传给地面站进行处理，最后处理结果给用户。以时序图的形式对卫星任务的主要事件进行建模，如图7 所示。

图7 任务事件的时序图建模

2 航天器的需求、外部接口、行为、模块定义建模

根据任务需求的分析，定义火灾卫星航天器的需求、外部接口、行为、框架，并依次进行建模分析。

2.1 航天器的需求分析建模

根据任务的需求和用例，对卫星的需求进行分析，卫星的需求分析主要包括覆盖性、探测时效性、虚警率、成像质量、目标定位精度、天气条件等要求，以需求图对航天器的需求建模如图8 所示。

图8 航天器需求图

2.2 航天器的外部接口建模

航天器的外部接口有电接口、机械接口、热接口、射频接口及其他物理接口等，以内部模块图对卫星的外部接口进行建模，先创建若干个数据类型，如力、加速度、角速率、数据率、电能、力矩、磁场、数传速率、太阳辐射等，如图9 所示。

图9 数据类型

然后在Spacecraft 上创建Port，通过connector 将这些数据添加到卫星端口上，构建航天器与外部相关方的端口连接。如图10 所示。

图10 航天器与相关方的外部端口建模

2.3 航天器的行为建模

用状态机图，捕获卫星的行为，体现卫星在不同工作模式间的转换，如器箭分离、太阳翼天线展开、地面指控、在轨观测、数传数据等。如图11 所示。

图11 航天器的行为建模

2.4 航天器的模块建模

根据前面对航天器的需求分析、外部接口、行为建模，利用SysML 的模块定义图对航天器建模，航天器包括值属性、操作定义、端口定义、状态定义等，其中端口定义卫星接口，操作定义卫星功能，值属性定义卫星性能，状态机定义卫星状态，如图12 所示。

图12 航天器的模块定义

3 建立场景仿真验证

本节通过一个相机开机对地拍摄的场景来验证建模逻辑是否正确，同时使用SysML 的模块定义图、内部模块图、状态机图、活动图等进行联合仿真。该场景包含卫星工程、火灾卫星、地面控制中心三个模块，场景的逻辑是：当地面站监测拍摄地球窗口期到了后，地面站发送开始拍摄地球信号给火灾卫星，卫星的AOCS 收到信号后，检查卫星当前状态是否满足拍摄条件，如果满足，则发送满足拍摄条件给相机，卫星相机开始工作。

场景的框架、卫星工程内部定义、各部分状态、场景实例分别如图13 ～16 所示。

图13 场景框架

建立仿真配置图，并将卫星工程实例拖到仿真配置图中的执行目标上，点击运行按钮，结果如图17 所示，相机开始工作，说明建模逻辑正确。

图17 场景运行结果

4 结语

通过对火灾卫星的动手建模实践，积累了实操经验，MBSE 相较传统的基于文档的系统工程研制，利用图形化、结构化的方式将任务需求、任务内容、航天器需求、接口、行为模式等进行建模，在研制过程中确保了设计数据的一致性，提高了可靠性，提高了生产效率，缩短研制周期，应该在以后的航天器研制工作中积极推广，助推航天器科研生产模式转型升级；与此同时，建模过程中，有大量的手动输入数据和重复操作，希望以后可以开发自动化建模工具，进一步提高建模效率。

图14 卫星工程内部模块图

图15 各部分的状态机图

图16 卫星工程实例