裴照宇，康焱,*，马继楠，赵晨，马晓珊

1. 中国国家航天局 探月与航天工程中心，北京 100190

2. 深空探测实验室，北京 100190

3. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094

4. 中国航天科技集团有限公司第八研究院，上海 201108

5. 中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190

月球作为地球唯一的天然卫星，因其独一无二的位置资源、极具特点的环境资源、丰富的物质资源，是人类进行空间探测和开发利用太空的首选目标。月球科学研究对推动空间科学发展具有重要作用。月球资源开发利用对人类的可持续发展具有重要意义[1]。

近年来，中国月球探测取得了举世瞩目的成就，嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、再入返回飞行试验、嫦娥四号、嫦娥五号“六战六捷”，圆满实现“绕、落、回”三步走战略目标，初步具备从跟跑向并跑、领跑转变的能力。从2016年起，中国在与国外航天机构会谈时即开始宣介月球科研站，倡议共建国际月球科研站(International Lunar Research Station，ILRS)。ILRS是指由多国参与，按照“共商共建共享”的原则，在月面建设和运营的科学实验设施，支持开展长期、较大规模的月球轨道与月面探测、天文与对地观测、基础科学实验、资源开发利用和技术验证等[1]。

当前，ILRS已成为中国首批国际大科学工程培育项目。2021年3月，中俄两国政府签署了《关于合作建设国际月球科研站的谅解备忘录》[2]，启动国际月球科研站的合作；4月，中俄双方发布《中国国家航天局和俄罗斯国家航天集团公司关于合作建设国际月球科研站的联合声明》，发布ILRS合作伙伴指南。中俄将与国际其他伙伴联合开展科学目标研究、工程可行性论证和联合方案设计，提出组织管理模式和运行机制等，共商共建共享ILRS[1]。

ILRS作为建设在月面的支持长期、可持续的月球探测和月球资源开发利用的基础设施和共享平台，较之单次探测方式，技术难度更大、任务周期更长，科学与工程迭代和耦合度更高。以外太空领域国际规则和技术标准为基础，探索完整、先进的大型国际空间探测复杂系统工程的协同论证技术体系，定义模块化、标准化、可扩展的ILRS实施方案，是将ILRS打造成国际先进、技术可行、分工合理的国际大科学工程的关键，面临如下挑战：

1) ILRS任务以月球科学探测与资源开发利用为牵引，兼顾月球地质探测、空间物理与环境探测、资源原位利用等多方面科学和工程目标，任务持续性、平台扩展性要求高，具有“多目标”特点，需通过构建模型驱动的协同论证方法，强化ILRS的体系效能，提升工程总体的技术把控与科学决策能力。

2) ILRS任务要求在大动态复杂月球环境下开展多项科学研究和多样化作业活动，在日地月耦合空间复杂环境内执行月球表面发射、月球表面运输等复杂任务，涉及到轨道力学、空间通信、发射动力学、机构动力学、控制与流热等多专业机理知识，具有“多学科”特点，需要通过统一建模实现交叉领域机理的描述和全面验证。

3) ILRS任务涉及多个国家或组织的任务目标、优势技术和产品资源的协同，由运载火箭、发射场、遥测系统、地面应用和探测器等5大系统协同建设，具有“多主体”特点，协同方式复杂、模型接口形式多样，需构建统一的标准规范体系和开放、自主的协同论证环境，支撑跨国团队的开放协同。

4) 面向ILRS全生命周期的任务要求，要求多专业团队协同开展论证工作，构建多层级复杂系统的需求、架构和仿真模型，大型团队协同、全生命周期持续验证对模型的表达、传递、应用提出了严格要求，需要建立长周期、大规模系统的模型传递与应用机制。

面对ILRS的上述特点和挑战，传统的设计模式已经难以满足系统论证研制需求，迫切需要新方法、新手段进行研制模式转型。基于模型的系统工程(Model Based System Engineering, MBSE)是解决这一问题的重要手段和方法[3-5]。

美国、欧洲以及国内相关研究机构对MBSE的流程、方法、工具和应用等问题进行了深入的研究和探索，国际系统工程学会(the International Council on Systems Engineering, INCOSE)在2015年发布了《系统工程手册4.0》[6]，将系统工程的技术流程归类为14个流程，目前国际上已经形成INCOSE的面向对象的系统工程(Object-Oriented Systems Engineering Method， OOSEM)方法[7]、达索的MagicGrid方法[8]、IBM的HarmonySE方法[9]等通用MBSE方法。面对复杂航天任务MBSE实践过程中的多团队协同难题，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration， NASA)、欧洲空间局(The European Space Agency， ESA)等机构结合前期的工程实践，提出在单点工具基础上，构建支持网络化协同的MBSE一体化集成环境，以解决各类工具间数据交换、上下游协同等难题。自2017年起，NASA的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)开始打造OpenCAE[10]/OpenMBEE[11]平台，通过建设广泛的工具接口，打通航天系统研发过程中的工具链，实现多平台的异步协同。ESA开展了虚拟航天器项目(Virtual Spacecraft Design，VSD)[12]，建设统一的系统论证共享数据源，实现多用户对系统各类参数的快速读写访问和权限控制，以支持多专业系统论证过程的异步、并行协同。

通过以上MBSE方法研究与工程实践工作，国内外研究机构已经积累了MBSE的通用标准、方法、规范、工具，并在航天领域开展了具体的应用实践，能够为ILRS的设计论证提供系统工程方法基础。然而，现有的MBSE方法、工具难以有效支撑ILRS的多目标、平台化、长周期的国际协同论证、设计与运营，亟需建设新一代国际月球科研站协同论证体系。

本文针对上述挑战，提出方法、模型、标准、工具相结合的国际月球科研站协同论证体系，以方法为路径，描述论证过程不同阶段过程的建模任务以及工具需求；以模型为基础，通过多阶段、多层级系统模型支撑任务、需求、功能、架构等多维度的系统设计和验证；以工具为支撑，打通设计、仿真、需求、管理等工具间接口，支持跨团队跨平台的协同建模工作；以规范为指导，形成面向ILRS多团队、多专业协同过程的标准规范要求，从而保证系统模型接口的规范性、架构的一致性、机理的准确性和验证的持续性，为ILRS建设提供协同设计、验证与评估手段和决策依据，支持ILRS国际团队的共商共建共享。

本文阐述ILRS数字化协同论证方法以及ILRS论证阶段活动划分以及各阶段中的模型和输出物要求；提出ILRS系统多领域全息模型体系，论述多层级、多领域、多阶段模型的建模与应用方法；介绍ILRS协同论证标准规范，并解释协同论证过程中的标准规范建设内容与作用；论述ILRS协同论证环境的工具链、接口等技术框架及其工程应用的技术路线与实践情况。

1 ILRS数字化协同论证方法

如图1所示，ILRS的协同论证可以分为使命任务定义与需求分析、概念架构定义与可行性论证、联合实施方案与综合评估等3个阶段6过程，各阶段过程之间具有明确的传递顺序，每个流程阶段对模型、文件的粒度都有具体要求，每个流程阶段起始、终止时刻建立评审节点，支持流程内部或者流程间的反馈迭代。可行性论证、联合方案设计2个阶段终止节点设置评审门，根据评审结果能够返回到使命与任务定义、任务需求分析、系统概念研究3个阶段，综合评估阶段结束后，根据评审结果，能够返回到联合方案设计或者可行性论证阶段。

图2所示的ILRS协同论证体系以模型为基础，定义了多专业国际化联合团队在不同流程的业务活动，结合国际化的标准建模语言构建多领域、多层级统一模型库，描述系统任务、需求、功能、架构等元素，支撑系统设计验证，实现知识积累；通过标准规范约束建模或论证过程的输入、输出、边界、颗粒度和方式，支持满足多阶段间、多工具间、多团队间的模型传递与协同；通过开放自主的软件工具开展需求分析、架构设计、仿真验证等业务工作，打通工具间的模型接口，实现并行协同论证软件环境的开发构建，支持国际化大型团队的协同论证。

1.1 ILRS使命任务定义与需求分析

在使命任务定义与需求分析分析阶段，以ILRS系统月球科学探测和资源开发利用为主要目标，基于统一架构、面向工程总体视角，构建工程总体层级的使命任务视图、概念视图、需求视图，包括战略使命、任务设想、外部环境、任务场景和体系能力需求等模型，综合描述利益攸关方、系统边界、运行场景、系统功能指标等多种内外部要素，基于多视图对使命、需求、概念进行可视化表达与分析，实现ILRS使命任务、系统需求、技术指标以及顶层概念的初始设计与交互验证如图3所示。

1) 构建ILRS体系使命任务视图。从科学和工程2个维度的不同视角，构建空间科学探测、月球资源开发利用、技术试验、系统运行维护等4类使命任务模型，初步定义建设位置、连续运行时间、寿命、总有效载荷以及总经费预算等相关参数或顶层约束，支持ILRS任务体系的使命分析、需求定义和初始概念设计。

2) 构建ILRS体系需求视图。从使命任务视图识别出的利益攸关方出发，首先将使命任务分析结果转化为利益相关方要求，根据需求建模和条目化描述规范，结合需求模型与使命任务视图之间的迭代与追溯关系，将利益相关方需求转化为系统需求，完整地描述任务过程、运载能力、月球表面采集和探测能力、运输能力等技术指标要求，开展需求覆盖完整性与追溯性分析。

3) 构建ILRS体系概念视图。定义能源供给与存储、通信与导航、地月往返转移、科学探测、资源开发与利用等功能区的初步参数或技术指标，以及任务执行过程中系统与外部环境之间的能源、信息、物流交互接口，描述ILRS系统的任务执行能力、状态变化以及行为逻辑，支持任务逻辑仿真并初步分析ILRS概念架构与使命、需求之间的覆盖性与满足性。

4) 通过资源视图表达已有技术基础、成本预算、时间周期等项目基础资源或约束条件，描述使命任务、概念、需求模型之间的能力支持、能力需求、任务实现、任务满足等关系，并通过公式计算或逻辑仿真的形式进行约束检查，确认使命任务分析、需求定义的合理性和可实现性。

图2 ILRS数字化协同论证体系架构

图3 ILRS任务使命定义与需求分析流程

Fig.3 ILRS mission definition and demand analysisprocess

1.2 ILRS概念架构定义与可行性论证

在概念架构定义与可行性论证阶段，以工程总体技术指标、系统与各模块需求为输入，以ILRS系统初始概念设计为目标，将ILRS总体架构分解为各系统结构设计要求，通过规范的需求、接口、参数、行为、约束建模过程，由各专业团队并行开展概念架构设计工作，并行定义探测器群集、测控通信系统、运载火箭系统、地面应用系统等技术方案，集成为ILRS系统整体模型，从成本、可行性、可靠性、安全性等维度开展可行性分析与验证，形成ILRS概念架构方案。各层级、专业团队的并行关系如图4所示。

1) 扩展ILRS体系概念架构视图。建设可扩展、可重构、可伸缩的设计仿真模型框架，工程总体架构模型按照系统架构、任务场景、研制阶段可以继续拆分为大量可复用的业务模型，包括：科学探测、月面通信、月地输运等任务模型，探测器群集、测控通信系统、运载火箭系统、地面应用系统等系统模型，光照、轨道、地形、温度等环境模型。基于统一模型框架，构建体系架构模型接口与多粒度系统架构接口的映射关系，将建模任务分配到探测器群集、运载火箭系统、发射场系统、测控系统和地面应用系统等，实现各层级模型的快速替换与复用，在系统论证的不同节点，基于不同系统或设备选型方式可以生成多组探测任务方案模型，以支持后续的可行性论证、方案权衡等工作。

图4 ILRS概念架构定义并行流程

2) 构建接口模型谱系。建设基于统一架构模型的可配置接口体系，构建多类型、多层级、多粒度的架构接口模型，支持体系架构模型的参数化配置。定义ILRS各系统或功能区(模块)之间的信息、能量、物质等几大类接口类型，包含类型、单位、长度变量等信息，以及输入、输出、输入输出、连接等不同的接口方式，实现基于类型的接口模型声明和复用。与ILRS协同论证标准规范相结合，构建标准化、系列化的结构、电气、信息等接口模型谱系，满足ILRS各层级模型传递、扩展、重构、复用等要求，支持更加全面的系统分析与评估。

3) 构建分系统架构视图。构建设计、仿真等多种任务阶段公用的概念抽象模型，描述关键参数、技术指标、输入输出接口、系统行为等各种模型共用的系统要素，通过统一的数据结构描述ILRS任务的需求、功能、架构、接口，实现底层参数的一致性，支持ILRS系统架构模型向各功能区或分系统模型的并行扩展。在抽象模型基础上，可以增加探测器群集、测控通信系统、运载火箭系统、地面应用系统等系统或功能区的外廓、载荷、重心等结构信息，扩展其架构信息，形成架构设计与仿真建模，实现多系统国际联合团队的并行设计与论证。

4) 构建可行性论证视图。工程总体根据ILRS概念架构的需求、参数和接口模型，将技术指标要求分配到各分系统，各分系统并行开展设计、分析与论证，完成分系统功能效能分析与评价，验证各个分系统的可行性，并将设计论证结果返回到系统和工程总体。基于各个分系统之间的能量、信息等接口关系，集成构建多领域统一的工程总体和系统分析模型，结合多领域集成仿真，描述各分系统之间的相互作用机理以及资源分配与任务协同机制，针对功能、成本、风险、可靠性、安全性等多种量化指标，实现成本、风险、可靠性等可行性评估工作。

1.3 ILRS联合方案设计与综合评估

在联合方案设计与综合评估阶段，以ILRS架构方案设计为目标，首先开展工程总体概念设计，并行论证探测器、运载火箭、地面应用系统、测控系统、月面系统等详细设计方案，结合已经建成的技术和平台基础，设计ILRS的发射以及阶段性运行方案，构建多阶段ILRS任务与系统模型，开展多任务、多层级的总体可行性论证，最终输出可行性方案，如图5所示。

图5 ILRS联合方案设计与综合评估流程

1) 构建ILRS实施方案视图。面向科学与工程目标，基于ILRS概念架构方案，建立ILRS系统建设的多阶段发射和运行模型，探测器群集、测控通信系统、运载火箭系统、地面应用系统等系统分别开展方案设计工作，各分系统与模块团队并行开展建设、运行方案设计，并由工程总体进行模型集成，支持实施方案的论证与评估。

2) 开展多方案分析权衡。根据工程总体使命任务、需求定义以及各系统功能要求，构建全任务场景的测试案例与评估方法，描述月面起飞与着陆、地月往返转移、科学探测、ILRS中转等过程的目标、环境、过程、指令、参数以及对应的系统响应情况，定义工程总体功能效能的评估标准与方法，基于系统总体的功能逻辑模型、多领域仿真模型，通过仿真结果与技术指标的相互验证，开展多方案验证评估与权衡。

3) 确定分系统的评估标准与方法，以总体和系统架构确定系统上下文和功能要求为输入，定义探测器系统的目标位置、轨道参数、环境参数、通信接口协议、带宽等指标，描述系统验证指标与工程总体指标之间的关系，基于分系统的多领域模型、专业详细模型进行虚拟仿真验证，开展各分系统或模块的方案验证与评估。

4) 面向使命任务和系统需求和技术指标，根据ILRS架构方案与实施方案，编制项目任务的工作分解结构(Work Breakdown Structure， WBS)，定义详细设计、制造实现、测试验证、任务发射、运行维护、科学探测等技术活动，识别能源长期供给、探测器全自主运行、大型设施的月面布设与组装、大冲量冲击着陆缓冲、月基引导精准着陆等关键技术，并制定保障计划，为任务实施、技术状态等管理活动提供基线。

2 ILRS系统多领域全息模型体系

ILRS论证方案的描述、验证、评估需要以多领域模型为基础，各层级、各团队之间的数据传递也是以模块化模型为载体，需要覆盖阶段、层级、专业3个维度。阶段维度主要是指ILRS系统论证的阶段过程，根据论证过程实现模型流转、传递与迭代；层级维度是指系统组成结构层级，任务、系统、模块、组件间的需求、指标逐级分解，设计与仿真模型自底向上集成，具有复杂系统的涌现特性，满足设计过程的可追溯性、完整性和正确性；专业层级则指ILRS任务运行过程中能源、通信、测控、热控等多领域的协同特性。

本论文面向ILRS的研制流程、组成架构与技术特点，参照霍尔三维系统模型结构[13-14]，定义覆盖环境、指标、架构、接口、功能、机理相融合的统一数据结构，开发如图6所示的多层次、多专业、多阶段的多领域全息模型体系，实现对ILRS系统多阶段、多任务、多层级协同论证过程提供完整的数字模型支持，保证跨专业、跨团队协同论证过程的数据模型一致性和互操作性。

图6 基于霍尔三维结构的ILRS全息模型体系

2.1 ILRS多层级模型结构

建设科学与工程任务、运行环境、航天器系统、分系统与单机模块等多层次的统一模型架构，覆盖任务、系统、模块和通用组件等多个模型层级，同时要兼顾环境类模型，支持科学目标、工程目标、系统运行效能、分系统功能性能等不同流程阶段、不同层次的设计与分析工作，各流程阶段所需建设的模型内容如图7所示。

图7 面向研制流程的模型结构

在任务层级，建立载荷发射、轨道飞行、着陆位置选取、科学探测、运行维护等任务模型，定义任务执行参数与剖面，针对性的开展分析与验证。建立日照、轨道、导航、温度、地形等环境参数模型，用于描述任务执行过程中由于空间位置、环境变化导致的模型参数变化。在系统层级，建立运载火箭、探测器、有效载荷等系统模型，用于描述火箭和探测器的推进、轨道控制、姿态保持等功能以及各系统的结构组成和接口，支持系统设计与验证。在模块层级建立敏感器、控制器、执行器、通信模组等功能模块模型，支持各专业设计知识的复用。在通用组件层级，建立多领域接口模型、逻辑运算与数学模型、控制和电气等元件模型等基础组件模型，为各层级建模提供更丰富的补充。

多层级ILRS模型体系满足建模标准规范的要求，通过可复用的接口组件进行连接，与全局统一的模型架构相匹配，支持多任务并行的模型传递、集成、扩展与持续验证要求。

2.2 ILRS多领域统一模型

本论文面向月球表面科学探测、资源采集、技术试验等科学目标，面向指挥中枢、通信、能源供给等多个功能模块，覆盖通信、能源、测控、导航、热控等多个专业领域，建设包括结构、参数、行为、接口在内的完整的系统设计与仿真模型，如图8所示。

图8 ILRS系统多领域统一模型

ILRS系统各层级的模型库，具有高度的模块化特点，可以通过理论分析、同类模型对比、试验数据对比验证、相近系统实测数据标定等形式开展模型验证，提高仿真结果的可靠性。进一步建设运载火箭、探测器、有效载荷、轨道环境等多系统异构集成的任务级模型，针对星箭分离等具体应用场景的多种任务执行情况和调整方案，面向轨道动力学、空间通信等专业，基于设计模型和仿真数据开展较为详细的分析，从而支持不同载荷条件下对载荷发射能力、环月轨道载荷到达能力等技术指标的验证与评估。

2.3 ILRS数据模型传递与协同

科学、工程各团队开展协同论证工作时，需要频繁进行数据模型的传递、同步与集成应用，如前文所述，多层次、多领域模型之间可以通过统一的模型架构和规范的模型接口实现关联、重构。与之同理，进一步建立统一的数据模型协同总线，基于架构模型构建系统基线，基于接口模型实现多层级多领域模型的关联与集成，从而支持ILRS协同论证，如图9所示。结合模型格式转换工具，能够支持包含数据文件在内的更加广泛的集散式数据应用与管理，支持跨平台工具的协同，保证数据应用的规范性和一致性，支持工程总体、科学总体、国际团队、系统工程师、专业分析等多角色跨团队并行协同。

图9 ILRS模型数据的协同方式

3 ILRS协同论证标准规范

本论文面向协同论证活动通用流程，制定如表1所示的ILRS协同论证技术体系的标准规范体系，约定系统之间、专业之间、团队之间的活动、模型、文件和数据接口，打通系统大总体与探测器、运载火箭、科学研究、测控系统等多分系统之间的结构与技术接口。国际化团队之间遵从标准规范与接口要求，能够实现不同工具、不同建模习惯背景下的模型传递、交换与集成，同时还能够保证相关知识产权的保护，保证国际团队合作的高效协同与互信。

1) 基于模型的深空探测任务设计与验证标准规范体系框架，形成层次清晰、结构合理的标准规范顶层架构。

2) 面向协同流程的通用模型标准规范，形成ILRS多领域多层级建模的基本术语、语言规范、代码编写、验证、确认与保证(Verification, Validation, and Authentication)等基础标准规范。

3) 面向协同流程的通用工具标准规范，形成ILRS多专业多平台工具的功能、语言、通信和应用程序接口(Application Programming Interface, API)、文件格式等通用要求。

4) 面向ILRS任务论证的过程活动标准，形成满足ILRS不同论证阶段活动的特定应用的技术和管理规范。

基于表1所述的标准规范体系，通过多维度、面向流程的标准规范，通过对建模工具、建模语言、建模方法、模型形式的要求，保证建模过程的可控性；通过对模型验证、技术方案验证的规范要求，保证模型的正确性、可信性以及ILRS设计方案的合理性、可靠性以及可行性验证的充分性。

表1 协同设计论证标准规范

4 ILRS协同论证环境

ILRS等复杂工程系统论证过程需要描述日地月耦合空间环境、月面发射、探测、通信、运输等复杂任务场景和多层次、多领域系统机理，要求建设如图10所示的满足ILRS任务整体复杂性要求的完整工具链，同时面对多团队的协同，需要建设网络化并行协同管理工具，实现不同角色、不同工具之间的模型数据共享，满足数据快速更新、共享、集成应用的需要，从而支持科学团队、工程团队开展并行论证工作。

图10 ILRS协同设计验证工具体系

本论文构建通用软件平台促进科研创新、任务开展、知识积累，通过软件工具的标准性保证组织间高效高质量协作、通过开放性保证国际团队协同的扩展性、通过自主性保证技术安全。建设设计、仿真、验证、协同、管理相集成的复杂系统设计论证工具体系，满足国际月球空间站等复杂系统的协同论证与技术管理需求。

1) 在工程总体层面，建设使命任务分析、需求分析、架构设计、任务仿真评估、方案权衡等工具软件，开展多种科学探测任务、资源采集返回任务的建模描述与评估，实现技术指标定义、系统需求分解与分配、实施路线的定义与优化等。

2) 在系统总体层面，部署系统架构分析、需求管理、系统仿真验证等软件，开展探测器、运载火箭、发射场系统、测控系统、地面应用等系统的设计论证工作。

3) 在专业技术层面，开展工程平台、各系统的能源、控制、运输等专项任务设计与分系统设计，构建专业详细设计和仿真模型，开展成本、风险以及可靠性等指标验证评估，建设专业设计仿真软件和各类系统分析软件，支持各专业层级的任务分析与系统评估。

4) 建设多专业、多层级的并行协同环境，建立面向多层级、多学科工具的API接口体系，基于通用数据和模型接口，支持跨系统、跨平台的协同论证，实现模型数据传递、共享、应用、验证，并保证模型的一致性和规范性。

5 工程应用实践

面向ILRS以及其他复杂航天系统方案协同论证阶段的具体应用，本论文基于当前阶段的国际月球科研站建设方案，构建国际月球科研站协同论证的多要素模型，针对科学试验任务，以及系统工程大总体，探测器系统、运载火箭系统、地面测控系统等系统架构组成，综合多专业知识与模型积累，面向使命任务分析、场景定义、技术方案论证、可行性设计等不同阶段流程，以网络化、分布式的协同建模、设计、论证与仿真为手段，基于多领域系统建模与应用，开展平台方案的协同论证。以ILRS任务方案论证为例，按照如图11所示的协同论证过程开展工作，已经实现了ILRS任务场景、系统架构、功能的设计，能够完整地描述系统平台逻辑与结构、科学探测和技术验证的各项任务过程，满足各阶段任务要求。

图11 ILRS平台方案的协同论证过程

1) 月球探测使命任务定义与需求分析。从月球起源理论、空间物理、化学、资源探测与采集等科学目标出发，建立使命任务、需求、概念、资源4类共12个模型图，描述系统顶层任务、定义系统运行场景，提炼出国际月球科研站的使命级目标和试验级目标，通过如图12所示的多种视图模型的相互关联与验证，实现ILRS使命任务分析、各系统需求和技术指标定义。

具体包括：① 通过需求树、需求表定义科学探测、技术试验等科学目标作为ILRS的核心使命任务，针对每一条使命任务建立一个用例图，识别地质探测与采集、月面运输等行为与月面地形和物质的交互关系。② 通过内部模块图、模块定义图等架构设计模型定义ILRS系统的初始概念架构，描述其与环境的接口和交互关系，包括引力与加速度、辐射、干扰、光照等。③ 描述ILRS空间探测、运行时间、载荷采样返回等能力需求以及行为的逻辑过程，定义能力需求和技术指标。④ 通过系统参数、指标以及约束模型定义ILRS任务的资源视图，描述经费、周期、可复用软硬件资源等任务资源或约束条件。⑤ ILRS使命任务、各系统技术指标、顶层参数设计、能力要求以及资源约束通过参数进行定义，与资源视图中的约束模型相关联，通过资源视图，初步确认系统顶层概念的合理性。

图12 ILRS使命任务定义与需求分析

2) ILRS概念架构定义与可行性论证。从ILRS系统初始的顶层概念设计出发，建立并细化如图13所示的ILRS整体和各个系统的多层级架构方案模型，通过设计仿真模型结合的形式，开展虚拟仿真验证，并结合成本、可靠性分析实现对ILRS概念架构的可行性验证。

图13 ILRS多层级架构模型

具体包括：① 基于内部模块图(Internal Block Diagram， IBD)和块定义图(Block Definition Diagram， BDD)，进行ILRS功能与逻辑架构模型的分析、分解与定义，进一步完善各模块间的接口、参数输入输出关系、各项系统功能或能力的参数指标；② 从能源保障能力、通信与导航能力、交通运输能力、运营管理能力、防护保护能力5个方面建立系统各专业模型，从不同专业的维度，开展ILRS平台方案的设计，定义各系统、各专业的技术方案与技术参数；③ 通过状态图、时序图等白盒行为图描述科学探测、系统运行维护的任务的运行逻辑，丰富ILRS各系统的状态与事件响应机制，实现对平台技术方案的细化设计；④ 基于系统架构、各专业的设计模型，建立ILRS各个关键任务剖面以及各个系统的仿真模型，通过仿真模型验证各项任务过程的可实现性、技术可行性，进一步开展成本与可靠性分析，完成系统概念架构的可行性论证。

3) ILRS联合方案设计与综合评估。根据ILRS预期的科学和工程探测任务，对联合科学探测、联合技术验证的实施方式、约束条件和可行性进行分析，建立任务功能模块与接口以及系统机理与任务场景模型，开展ILRS系统综合评估，全面分析约束条件、外部接口、技术指标要求、任务可行性、经济可行性、可靠性安全性、风险与系统功能性能等，从而确定ILRS系统的建设路线与运行方案。

具体包括：① 根据ILRS系统概念架构，确定各模块对应的发射载荷，并确定各系统模块部署的依赖关系，描述为ILRS发射任务与实施方案的任务需求；② 结合使命任务定义与需求分析阶段的资源视图，前期探月工程设备的可复用情况，通过架构视图建立初始阶段的架构模型，作为实施方案的初始模型；③ 根据平台方案的载荷要求，基于运载火箭、发射场系统、测控系统等多领域模型，建设多次发射任务的任务方案和发射系统架构模型；④ 结合系统能力以及资金预算的资源约束条件，规划各系统模块发射的先后顺序以及时间窗口，通过时序图建立实施路线模型；⑤ 根据实施路线模型的几次发射窗口，基于模块定义图和内部模块图，建立各个阶段的ILRS架构模型，生成如图14所示的白盒活动图，从而确定各阶段ILRS系统的任务执行能力；⑥ 面向不同任务要求、不同实施阶段，建立如图15所示的系统发射任务和平台运行的仿真模型，将仿真结果与技术指标、使命任务要求、资源约束进行对比分析，从而实现对联合实施方案的综合评估。

图14 ILRS建设路线模型

图15 发射与飞行过程仿真

6 结 论

ILRS国际合作范围广、科学领域多、体系复杂、任务周期长，构建科学合理的全生命周期模型体系和基于模型、架构驱动的国际性航天工程数字化协同论证体系是有效开展国际间的联合论证、协同设计与联合探测的关键。ILRS的实施以及国际化系统设计论证系统的研发，将进一步推动MBSE、系统协同建模与仿真验证、并行工程等技术和方法研究，大幅提升我国基础研发能力水平，自主突破和掌握新一代数字化仿真软件的核心技术，大幅提升自主创新能力与水平。

1) 方法层面，形成了跨领域、跨层级、跨阶段和跨团队的数字化协同论证方法总体框架，针对使命任务分析、需求定义、概念设计、可行性论证等不同流程阶段，规定所需的系统设计要素和分析、验证工作，完成多个流程阶段的设计验证闭环，实现流程阶段间的模型交付、确认，支持多系统、多专业团队协同参与，根据专业、角色、岗位、权限、国别等差异，开展任务分工与协作。针对ILRS工程目标与科学目标并重、多系统协同、多团队协作的特点，在标准规范、协同环境的支持下，实现专业、团队间的多方案并行定义、集成、管理、评价和论证。

2) 模型层面，从层次、专业、阶段3个维度建立了ILRS工程多领域全息模型，覆盖任务、功能、架构、机理等类型的系统模型，在不同工具、专业、团队之间，遵循国际通用的设计、仿真语言规范，以及面向国际合作的模型传递与接口规范，用面向对象的、图形化、可视化的系统建模语言描述系统多层级元素，基于模型实现任务分解、分配、传递与集成验证，与传统的基于文件的协作方式相结合，支持复杂系统协同论证的全流程活动和知识积累与应用。

3) 标准层面，建立多层级、多阶段的ILRS协同论证标准规范体系，从面向ILRS平台论证任务应用标准和MBSE活动通用标准两方面，研究与任务实际研制流程紧密结合的、具有可操作性的标准、规范与指南。通过规范的系统论证活动约束保证论证过程质量，通过系统建模语言和应用规范保证联合团队多专业模型的一致性和匹配性，通过系统及模型的参数接口规范保证跨地域团队技术方案的集成性，促进国际联合团队共商、共建、共享。

4) 工具层面，建立了跨岗位、跨阶段的ILRS系统协同论证环境，针对使命任务与需求分析、概念架构定义、协同论证与综合评估等具体环节建设相应的需求管理类工具、功能分析与架构设计类工具、系统建模与联合仿真类工具、模型协同与管理类工具，定义多种工具之间的数据和模型转换接口，开发统一数据源和模型架构和模型数据协同管理模块，实现多平台、多岗位间的模型数据同步和管理，解决ILRS协同论证中的工具间数据交换、上下游协同、模型一致性/完整性/有效性保障等问题。