卢志昂 刘霞 毛寅轩 范海涛 赵滟

(1 中国航天系统科学与工程研究院，北京 100048) (2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

卫星是复杂的工程系统，其研制过程需要应用系统工程方法。在传统的卫星总体设计过程中，主要采用的是基于文本的系统工程途径，这种基于自然语言的系统描述虽然包含的信息量充足、具有较好的可读性，但由众多各类型文档构成的离散的系统信息在总体设计过程中反复迭代论证时不易保持信息一致性，也不易追溯，需要耗费大量人力与时间，增加了开展系统工程活动的困难性与复杂性。相较于传统的基于文本的系统工程方法，基于模型的系统工程方法能够以形式化的建模语言对系统进行多层次分解，针对系统各个侧面进行信息描述，并且建立各模型信息间的联系，形成自动关联可追溯的系统模型，能够有效地解决信息追溯与一致性保证的问题[1]。同时，以图形为主的形式化模型替代了传统的文本文档，能够显著地减少系统信息元素间的矛盾，增进总体和分系统设计人员的协同效果，杜绝因理解歧义造成的系统开发更改损失。

SysML语言是MBSE方法的基础之一，它是由系统工程学会(International Council on Systems Engineering, INCOSE)和对象管理组织(Object Management Group, OMG)在统一建模语言(Unified Modeling Language, UML)的基础上进行扩展提出的新的标准建模语言[2]。美国国家航空航天局(NASA)应用MBSE方法在立方体卫星(CubeSat)[3]、火情预警卫星(FireSat)[4]的设计中取得了重大突破，也反映了MBSE方法在卫星研制中的优势。在我国，随着近几年MBSE方法的推广，其在航空领域也取得了不少的成就，中国商用飞机有限责任公司“灵雀”项目就是MBSE方法在飞机设计研制中进行应用的一次成功尝试。卫星研制相较于飞机具有系统耦合度高、技术难度大、可靠性要求高的特点，尽管我国的航天工业几十年来形成了相对稳定的总体设计流程，但近些年来随着卫星研制数量的增加，多型号并举，卫星性能指标要求也随之升高。传统的基于文本的系统工程效率低，关联性不强的问题日益显著，亟需一种更加适应未来的新型复杂卫星快速研制的系统工程方法。MBSE方法利用自动关联可追溯的模型，从功能和性能两条主线完成卫星研制的正向设计，有利于实现模型的共用，进而提升卫星总体设计效率。

本文主要基于No Magic公司的MagicGrid系统建模框架，该框架是MBSE方法的一种实现形式，注重对象的多层次分析，基于需求、行为、结构和参数4个支柱，从顶层需求出发，对用户级和系统级的任务进行分析，将MagicGrid系统建模框架和传统卫星总体设计方法相结合，应用MBSE方法完成了微重力科学实验卫星总体设计中的用户期望分析、任务运行方案定义、功能分析与物理划分、性能参数的工程分析。

1 卫星研制中的总体设计流程与方法

1.1 MagicGrid系统建模框架介绍

MagicGrid系统建模框架是No Magic公司在传统的系统工程活动流基础上进行层次细分后提出的新的MBSE框架。MBSE模型的4个支柱为需求、行为、结构、参数。MagicGrid系统建模框架也是从这4个支柱出发，通过对MBSE系统模型的构建和迭代分析，实现对系统工程的需求-功能-逻辑-物理(分别对应需求、行为、结构、参数4个支柱)设计步骤的综合，形成规范化的建模流程，如图1所示。

注：表示分析与设计。

图1 MagicGrid系统建模框架

Fig.1 MagicGrid system modeling framework

MagicGrid系统建模框架由概念、问题和方案3个层级所构成，形成一个增量迭代式活动流。在模型驱动开发过程中，概念层级代表了用户需求输入，在问题层级中进行迭代分析，最后在方案层级得到工程系统模型输出。

(1)概念层级：是从用户需求出发，建立顶层行为用例和用户之间的联系，并搭建起整个系统的结构框架，并初步建立概念层级的效能指标参数模型。

(2)问题层级：从概念层级建立的行为用例出发，通过功能分析对问题层级的功能点进行定义，形成反映系统内部各模块行为和交互情况的白盒结构模型，建立起问题层级的效能指标参数模型。

(3)方案层级：该层级是将工程系统的功能要求和参数约束落实到部件层级，定义系统的物理结构，完成方案层级的需求、结构、行为和参数的分析。

1.2 面向卫星总体设计的建模方法

卫星的总体设计需要从用户需求出发，遵循系统工程整体性、层次性和研制阶段性的原则，产出符合效益要求，满足空间环境约束，具有高可靠性和高安全性的卫星系统[5]。卫星研制非常复杂，本文主要聚焦以下几个卫星系统的任务分析过程的主要环节开展研究与讨论。

1)任务分析中几个主要环节

(1)从用户需求出发，通过任务分析，将任务需求转化为任务级系统的功能以及性能参数，成为系统级的设计要求。

(2)将分析得到的任务级性能指标要求作为顶层约束，通过工程分析，推导并得出卫星系统总体设计指标，并分配到分系统中成为分系统的设计指标。

(3)完成卫星部件级物理逻辑架构的设计。

(4)提出卫星产品的成熟模型，并验证其功能性能是否完全满足用户的要求。

2)MBSE方法

传统卫星的总体设计过程主要是以性能指标为线索，对系统各层级进行串联。卫星的物理架构设计主要体现在针对性能指标的分析过程，而其逻辑架构设计主要体现在功能分析过程中。卫星总体设计流程尽管能够保证完成用户在卫星性能参数上的要求，但用户功能需求的逻辑验证不易实现。现行过程顶层缺乏功能模型，注重部件层次关于卫星技术的分析，导致功能逻辑论证的缺失。而MBSE方法在模型的支持下，既能保证卫星任务在物理指标上的合理性，又能体现总体设计过程的逻辑完备性。因此，本文将MagicGrid系统建模框架和传统卫星总体设计方法相结合，提出了一种面向卫星总体设计的MBSE方法，如图2所示。

MBSE方法从层级上将系统区分为用户级、任务级、系统级和分系统级。本研究聚焦于卫星总体设计方法，不涉及具体专业工程的内容，建模主要围绕前3个层级开展，对分系统级的设计过程不加详述。

(1)用户期望定义。用户的期望是建立卫星总体设计的基础，其主要流程包括确定利益相关方和明确用户的期望[6]。卫星研制的用户期望指的是用户的初始需求，这也是卫星开展总体设计的出发点。由于用户提出的期望颗粒度不同，在MBSE方法中隶属层级也可能有所不同，需要对期望进行筛选和分解，对具有数值属性的性能需求作为卫星任务的性能指标约束，功能性的需求作为卫星任务功能设计需求。

(2)卫星任务运行方案。卫星任务的设计需求是建立任务运行方案的出发点，任务运行方案和运行体系在任务层级中用例分析和系统范围与边界过程中体现。与其他复杂系统工程任务分析不同的是：在卫星任务中，其运行方案包括发射、入轨、在轨、返回、留轨等阶段，而卫星轨道以及卫星运行所在的空间环境是需要独立考虑的任务运行要素。通过对卫星任务的用例进行迭代分析，明确系统运行的范围与边界，并构建系统运行的体系。

(3)系统功能划分与物理划分。在明确了任务范围边界和卫星系统的性能参数要求后，首先需要对卫星系统的功能划分做出定义。系统工程中功能划分的方法有多种，包括使用工作模式、使用功能要求、使用组织结构等。而卫星的总体设计中主要是基于系统运行的逻辑过程实现其功能划分[5]。当卫星系统的功能点明确之后，可以对各个功能点之间的接口及交互关系进行定义。物理体系将相关系统划分成分系统或组件，将通过功能划分得到功能点分配到各个物理组件中，就能实现功能要求和物理组件的追溯。

(4)性能参数的工程分析。用户提出的在性能上的指标要求，经过任务指标分解成为任务层的参数需求，并作为卫星系统级的指标约束进行工程分析，形成卫星总体参数分析。在卫星总体设计中，用户对任务的约束既作为设计的原始依据，又作为最终目标。

注：表示分析与设计；表示验证与确认；①～④分别对应1.2节2)MBSE方法中的(1)～(4)。

图2 面向卫星总体设计的MBSE方法

Fig.2 MBSE method for satellite integrative design

2 MBSE在微重力科学实验卫星总体设计中的应用

面对航天任务在空间环境下的科学探测和实验的需求，我国一直在推进科学实验卫星的研制。其中，微重力科学实验卫星可以为在空间站上的科学实验以及未来空间生产提供重要的基础性研究，受到国内航天机构和科研院所的关注，其系统包含多器组合，交互接口关系复杂、耦合度高，且飞行过程复杂，受空间环境制约较大。

传统的卫星研制过程主要基于文档的形式，各类报告数量多，包括早期的纸质文档和后期的电子文档，其非形式化的特点导致信息间的不一致性，增加错误发生的风险。而MBSE方法通过用户期望分析以构建任务要求模型和用例模型，从需求模型和用例场景推导出卫星任务的逻辑架构模型，并以需求模型和逻辑模型为基础构建物理架构模型进行性能参数分析，这些一致性的模型将所有设计信息紧密结合得到一个统一的系统模型，实现多学科的高效和准确沟通，保证设计信息的一致性。

2.1 用户期望定义

用户期望的出发点是所有和系统有关的用户需求信息，在MBSE中，模型化的语言描述可以形成结构化的需求框架，微重力科学实验卫星的用户需求是“某科研院所需要一种能够长期保持的微重力环境来开展科学实验”，而这也是该卫星总体设计的顶层需求。对于设计人员，首先考虑的是如何满足需求，明确采用的实现方案为微重力科学实验卫星，并对用户的需求进行分析并分解，来明确和确认并细化卫星任务的总体目的和目标，例如温度环境需求、微重力保障需求、时间链保障需求、信息支持需求、能源保障需求和飞行时间需求，而微重力科学实验卫星的环境保障需求包括准稳态和微振动下的微重力需求以及温度环境需求，要求整星达到10-6gn量级，1～300 Hz振动下优于10-4gn量级，温度要求保持在(20±5)℃范围内，其他需求包括飞行时间为12～20天，在轨阶段载荷平均功耗400 W，数据传输日均不小于15 Gbyte，峰值不小于20 Gbyte，在发射前10 h完成载荷安装等，如图3所示。本文从微重力环境保障需求出发，开展对卫星的总体设计。

图3 卫星用户期望模型Fig.3 Satellite stakeholder requirement model

2.2 卫星任务运行方案

基于分析后的用户期望，应该对卫星任务运行方案有一个清晰的描述[7]。在MBSE方法中，用例场景对整个任务的执行过程进行描述，是对任务运行边界分析的依据。在对微重力科学实验卫星功能剖面进行分析时，主要依据运行逻辑顺序对用例场景进行分解，用例包括发射前准备、发射入轨、在轨运行、返回再入和留轨运行5个主要场景，其中与用户相关的场景为在轨运行、返回再入和留轨运行，如图4所示。

卫星任务由卫星系统、火箭系统、发射场系统、地面测控系统、地面运控系统和用户地面系统共同完成。而在卫星总体设计流程中，卫星的轨道设计和空间环境因素是单独考虑的外部条件。任务框架抽象地描述了系统的结构组成，明确了系统的层级区分，反映了系统与系统之间的联系，如图5所示。

图4 微重力科学实验卫星用例模型Fig.4 Microgravity science experimental satellite use case model

图5 微重力科学实验卫星任务系统框架模型Fig.5 Microgravity science experimental satellite mission system framework model

微重力科学实验卫星的用户主要希望能够产生一种能够长期保持的微重力环境来支撑其科学实验，并获得相应数据来进行科学分析，所以应分析微重力科学实验卫星的相关性能特点。

性能特点是综合反映卫星平台在完成飞行任务和用户需求时，所需具备的能力指标和技术特性。除了卫星轨道和空间环境要素外，卫星平台自身也需要具备相应的任务级能力，例如微重力科学实验卫星质量为3000 kg，任务单次载荷承受力为1000 kg，单次任务飞行时间为12～20天，数据下传码率120 Mbit/s，返回日的返回窗口，西安测控站和太原数传站都需要进行确定，如图6所示。

图6 微重力科学实验卫星任务级需求模型Fig.6 Microgravity science experimental satellite mission-level requirements model

2.3 系统功能划分和物理划分

在通过2.1和2.2节对于卫星任务的用户级和任务级需求、任务运行方案分析之后，应该建立对于系统级的逻辑架构描述。

MBSE方法中的功能分析基于SysML的活动图、序列图，是用例分析的一种延续，是一类面向过程的技术，重点是对系统内部功能点的分析。功能建模主要对行为的输入输出顺序以及条件做出表达，并对其中的动作流进行定义，对逻辑分系统制定划分并将动作流分配到制定的逻辑分系统内[8]。

图7为微重力科学实验卫星在轨运行阶段“轨道控制”功能分析模型的部分示意图，对其在轨运行用例使用活动图进行描述，可以分解成姿态调整、载荷实验、校时、测控、数传等几个关键行为，这些行为活动又分别成为卫星系统、地面测控系统和地面运控和支撑系统的功能点，而将卫星系统的姿态控制功能点展开成序列图，可以较好地分析卫星和地面测控系统之间的交互关系,通过对微重力科学实验卫星的功能分析，可以进一步指导卫星详细设计，同时也可以从功能上对用户需求进行验证。

图7 微重力科学实验卫星部分系统功能分析模型Fig.7 System function analysis model for part of microgravity science experimental satellite

所有功能及其输入输出的完备集通过功能分析后完成定义，此时的各种功能已经被分配到各个系统中，例如调姿时间接收、卫星姿态接收、采集星上参数、发送遥测信息等属于卫星系统所具备的功能，而发送调姿时间、发送目标姿态、发送内存下卸指令、发送调姿指令属于地面测控系统应该具备的功能，如图8所示。

图8 微重力科学实验卫星功能划分模型Fig.8 Microgravity science experimental satellite functional partition model

通过对整个功能体系迭代应用相同的流程，就能定义出这个工程项目的功能结构框架，同时需要对卫星系统根据物理要素进行划分，确定子系统或组件，并将迭代出功能体系分配到这些物理要素中，建立物理要素间的接口。卫星系统按照通常的物理划分可以定义为卫星平台和有效载荷。卫星平台包括姿态与轨道控制分系统、测控分系统、返回与回收分系统、电源分系统、热控分系统、总体电路分系统、推进分系统以及卫星平台的结构和机构。有效载荷包括有效载荷姿态确定与指向、有效载荷校准源、有效载荷指令控制、数据传输分系统、有效载荷数据处理以及有效载荷的结构和机构，如图9所示。

功能体系定义了系统该做什么，而物理体系定义了系统由哪些部分组成，下一步需要建立起两者之间的联系，即对物理分系统分配功能。图10反映了将微重力科学实验卫星映射到分系统的部分示例，之前分析得出的卫星系统所应该具备的调姿功能分配到卫星姿态控制分系统中完成，温控功能由卫星热控分系统完成，载荷供电功能由电源分系统完成。而调姿功能来源于用户层的环境保障需求、温控更来源于温度环境需求、载荷加电功能来源于能源保障需求。通过MBSE模型可以反映从需求到功能到结构的追溯关系。

在完成卫星的总体设计后，需要对顶层用户需求的满足情况进行验证和确认，MBSE方法可以采用追溯性矩阵的形式对需求和系统的映射关系进行验证。图11为微重力科学实验卫星用户需求与卫星系统结构的验证矩阵。

图9 微重力科学实验卫星物理结构模型Fig.9 Microgravity science experimental satellite physical structure model

图10 微重力科学实验卫星需求-功能-结构追溯模型Fig.10 Microgravity science experiment satellite requirement-function-structure traceability model

2.4 性能参数的工程分析

性能指标是串联卫星工程的重要参数，用以描述系统的运行情况。性能指标的需求反应了用户在功能性上的要求或者可以用数值表达的系统目标，在顶层建立的需求性能指标可以在部件级进行检验。MBSE方法中，参数图是重要的工程分析手段，它可以将数学公式与行为结构模型结合，完成指标的优化评价选择、权衡分析以及可靠性分析等。

微重力科学实验卫星设计中，轨道参数、卫星质量、姿态控制等一系列参数是总体设计人员在做卫星顶层设计时需要考虑的性能指标，而卫星的微重力环境需求是用户性能参数的出发点，即准稳态微重力需求达到整星10-6gn量级，微振动微重力需求在1～300 Hz范围优于10-4gn。从微重力需求出发，分别建立姿态不稳定度、姿控发动机、轨道控制、大气阻力引起加速度变化的过程分析参数模型，如图12所示。基于上述约束指标，定出姿态稳定度、姿控推力器推力、轨道高度、姿态机动角速度等卫星系统的设计指标，完成指标需求在系统层级的追溯性验证。

图12 性能指标参数模型Fig.12 Performance parameter model

2.5 卫星系统模型间的联系

基于MBSE方法的卫星总体设计从需求、行为、结构、参数4个支柱对卫星系统模型进行构建，模型元素之间存在紧密联系，如图13所示。需求产生对参数的约束，功能行为分配到结构，参数的值属性在结构中绑定，结构满足需求。系统模型作为基于MBSE方法的卫星总体设计的核心，提供了卫星分析、设计、验证和确认的信息来源，通过设计信息的可追溯联系，任何需求和设计的更改都能在所有模型中反映，实现对卫星总体设计的快速验证，提高系统设计的正确性，提升总体与分系统之间的沟通效率。

图13 微重力科学实验卫星总体设计系统模型Fig.13 Microgravity science experiment satellite integrative design system model

3 结束语

随着近年来基于模型的系统工程方法在国内外航空、航天工程实践中的应用越来越广，相比传统的基于文档的系统工程方法，其建模语言表达清晰、模型追溯性强、系统元素关联性好的优点越来越被总体设计人员所接受[9]。

本文采用MBSE方法，以微重力科学实验卫星的总体设计为例，对其过程进行研究，基于MagicGrid系统建模框架，设计了适合卫星任务的总体设计流程，通过图形化的SysML语言对卫星系统的需求、行为、结构和参数4个支柱进行分层次描述，完成了对系统需求、系统框架、逻辑架构和性能指标的分析工作。本研究从顶层需求出发，对用户级需求进行功能与性能分解，分别得到满足卫星任务的系统逻辑模型和工程分析模型，并针对微重力保障需求在系统层级进行了闭环设计和验证。该方法能够在系统论证设计迭代过程中保证系统多方面信息与逻辑的一致性，能够有效支撑卫星工程论证与总体设计，是一套针对卫星工程总体设计行之有效的方法。

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