基于主控骨架體系的衛星三維協同設計技術研究

姚 駿 王志瑾 袁金如

?

基于主控骨架體系的衛星三維協同設計技術研究

姚 駿1，2王志瑾1袁金如2

（1. 南京航空航天大學，南京 210016；2. 上海衛星工程研究所，上海 201109）

提出了基于主控骨架體系的衛星三維協同設計方法，以整星主控骨架為統一源頭，將關鍵幾何尺寸與基準縱向派生形成各專業骨架模型，利用各專業接口骨架模型實現接口信息橫向傳遞，由此開展協同設計。該方法在某衛星工程研制中得到了全面應用，顯著提高了整星三維協同設計效率和質量控制水平，具有較大的推廣應用價值。

衛星；三維協同設計；主控骨架

1 引言

衛星構型組成復雜、專業覆蓋廣泛，研制過程中技術狀態變更、迭代、優化等高度交叉重疊，屬于典型的跨專業、跨領域、跨單位協同開發的產品[1]。

隨著數字化技術的發展，基于三維設計環境開展的衛星協同設計已經全面應用，越來越多的設計信息依賴三維模型表達，使得三維數字化模型承載的設計信息日趨復雜和多樣[2～5]。總體構型布局模型作為整星系統設計的頂層模型，需要承載傳統模式下表達各艙段組成及艙板搭接關系的整星構型設計信息、星上設備布局狀態信息，同時需向各專業傳遞設計意圖和設計狀態信息。這種集中而復雜的信息承載直接導致總體構型布局模型所表達的信息、記錄的參數超量繁多，模型體量龐大，三維協同設計過程中極易出現因總體構型布局模型承載超量設計信息而無法對整星狀態進行有效快速的迭代修改和優化調整，嚴重影響了總體與各專業的設計協同和信息交互，給衛星研制帶來極高的技術風險和隱患。

鑒于以上問題，本文提出了基于主控骨架體系的衛星三維協同設計方法，以主控骨架為載體，利用外部復制幾何派生出各專業骨架模型，通過整星關鍵幾何尺寸與基準驅動，實現主控骨架模型向各專業骨架模型的縱向快速修改迭代；基于各專業骨架模型，開展布局設計并提取元件安裝接口信息，以各專業接口骨架模型為載體，進行專業間接口信息橫向傳遞，降低了接口傳遞的模型體量。由此，形成了衛星“縱”與“橫”兩個維度的主控骨架體系，在此基礎上開展各專業間的三維協同設計。

2 衛星三維協同設計現狀

三維協同設計是指總體及各專業在三維設計環境下進行的分布式并行協調設計，包括設計表達、設計約束和設計協調等三個核心要素。這三個核心要素反映到設計模式上，主要體現在三個方面：一是上下級設計表達之間的縱向控制關系；二是并行設計之間的橫向約束關系；三是各專業間可能產生設計沖突的協調關系。

當前，衛星總體負責整星構型（骨架）和單機布局設計，結構、熱控、電路、推進等專業基于整星構型布局模型分別開展衛星結構、熱控、電纜網、推進管路協同設計，最后由總體實現整星模型完整集成。其中，整星構型和單機布局模型是耦合在一起的。整星協同設計時，總體與各專業之間存在大量信息交互、迭代，各種技術狀態變化引起衛星總體骨架經常發生變更，導致各專業模型狀態不穩定，繼而影響整星協同設計效率和質量。

從三維協同設計要素和模式上看，其本質上歸屬于自頂向下設計理念范疇。目前，國內外對于自頂向下設計理念進行了不同程度的研究，特別是在多骨架模型方面取得了建設性的成果[6～8]。基于多骨架模型的自頂向下設計方法，即在產品橫向設計上采用多功能骨架模型，對設計參數進行分類管理，形成有效的設計參數受控發布；在產品縱向設計上采用多層次骨架模型，對設計參數進行分層控制，避免設計單元重用時的參照關系混亂。由此，在傳統的基于單一骨架作為傳遞設計意圖載體的基礎上，多骨架模型對設計參數進行分類管理和分層控制，從而實現設計參數的受控發布。但是，針對衛星這種復雜的、特殊的系統性工程產品，重點需要突破總體與各專業、各專業之間直接協同設計的瓶頸，單純采用多骨架模型作為傳遞設計意圖載體，并不能完全解決設計過程中的迭代問題。

3 基于主控骨架體系的衛星三維協同設計方法

本文提出的基于主控骨架體系的衛星三維協同設計方法，高度契合當前衛星系統設計中的需求，在設計意圖的傳遞和交互上進行縱深式和橫跨式的層級并行控制，在整星構型布局模型基礎上剝離其所承載的具體設計信息及相應的內容和參數，統籌提取衛星系統設計時的核心信息并進行頂層控制和約束，形成整星主控骨架體系并開展三維協同設計。

3.1 基于主控骨架體系的縱向協同

在進行跨專業的分布式協同設計時，定義清晰明確的設計基準，將這一設計基準固化并傳遞至所有相關專業。

在傳統的自頂向下設計模式中，首先按照各專業劃分模塊，并在頂層模型或骨架模型中定義各專業接口關系；然后在一定層級的設計模型中進行設計表達約定（包含幾何包絡、設計參數、設計規范等），主要載體形式為三維骨架或二維布局圖等。雖然這種方式較為直觀并能實現預定義，但由于信息承載量限制，通常只能應用于關鍵設計信息的控制和傳遞。

通過對整星構型設計要素的提取剝離，對原本作為設計基準和參數源頭的總體骨架模型進行深度挖掘，將負責表達整星基準、外形包絡、主承力結構、艙板搭接關系和涉及專業間約束的穿艙孔等信息內容予以整合，固化成主控骨架；同時，將總體專業骨架模型中承載星上設備布局狀態信息降維，形成總體專業骨架模型，如圖1所示。

圖1 主控骨架與專業骨架縱向傳遞關系

基于主控骨架模型體系，對整星設計基準進行有效減負，確保設計基準的定義清晰明確；對總體專業骨架模型進行降維，將原本高度耦合的設計表達予以解耦并分級區分，在主控骨架和總體專業骨架模型之間形成縱向控制關系，確保自頂向下的控制關系嚴格單向；對主控骨架模型進行縱向控制，確保各專業間設計基準來源統一，避免設計基準傳遞混亂和失控。

3.2 基于主控骨架體系的橫向協同

橫向協同時，各專業詳細設計需要將其間存在的約束傳遞并在各自狀態中予以響應。由于物理上的獨立分布，設計過程中各專業之間的交互協調往往不夠充分，且各專業設計進程不一，相互之間的設計優先級不明確，多專業的平行設計難以開展。在這種情況下，各專業間的雙向約束往往無法充分傳遞，極易引起本專業狀態確定后與其他專業產生設計沖突。

基于主控骨架體系進行協同設計，可以利用主控骨架所定義的單向統一設計基準，直接建立各專業平行設計狀態下的協同設計環境。將各專業輸入/輸出的接口信息進行整合，一方面提取不占用物理接口的非空間占位信息，將該類信息在源模型中進行相應的特殊標記并整合到各專業骨架模型中，借用各專業骨架模型作為傳遞載體實現各專業間的橫向約束傳遞；另一方面，按照分類原則收集各專業的各類接口信息，并將這些接口信息全部整合到各專業接口骨架模型中，以各專業接口骨架模型作為傳遞載體實現各專業間的橫向約束傳遞。從圖2看出，基于主控骨架體系的橫向協同，將各專業間設計約束信息的傳遞和交互，全部約束在利用主控骨架所定義的單向統一設計基準和各專業平行設計狀態下的協同設計環境下，分別由接口骨架、接口模型作為載體實施。

圖2 基于主控骨架的橫向協同

4 基于主控骨架體系的衛星三維協同設計應用

4.1 主控骨架體系的建立和縱向控制

衛星建立主控骨架體系，根據構型特點將整星骨架模型劃分為整星、艙段、艙板三個層級，見圖3。

圖3 主控骨架分層表達的信息

整星骨架主要表達整星構型、艙板構型、艙段位置尺寸、艙板位置尺寸、艙板主要尺寸、承力筒主要尺寸等信息，如衛星基準坐標、衛星基準面、衛星輪廓、艙段基準坐標、承力筒輪廓、衛星艙板輪廓、艙板厚度、搭接關系等。艙段骨架主要從整星骨架中繼承艙段所屬艙板構型、艙板位置尺寸、艙板主要尺寸等信息來表達艙段的主要尺寸信息，如艙段基準坐標、承力筒骨架曲面、艙板骨架曲面、艙板厚度、搭接關系等。艙板骨架主要表達艙板細化的尺寸等信息，如艙板基準坐標、艙板開口、穿艙孔、壓緊點安裝座等。

按照以上分層，既保證了信息的有效傳遞，又加強了關鍵信息的縱向控制，圖4為主控骨架模型的構建過程。

圖4 主控骨架模型的構建過程

4.2 主控骨架體系的設計基準分發

圖5 基于主控骨架派生的各專業模型

主控骨架作為其他五個專業的父級骨架，承擔整星的構型工作。除體現幾何輪廓外，主控骨架模型還體現整星的艙段分配及裝配層級關系，梳理整星的拓撲關系如圖5所示，主控骨架模型有完整精確的衛星輪廓尺寸，也有明確的層級裝配關系。主控骨架模型如進行構型調整，其他各專業的模型在構型層面隨之更新；主控骨架模型如進行拓撲關系調整，其他各專業的模型在拓撲關系層面可以更新。

4.3 主控骨架體系的橫向并行設計

基于主控骨架體系的多專業協同，各專業橫向設計之間也具有統一的設計基準。衛星總體、電路、熱控、推進、結構等專業同時作為主控骨架模型的直接子級，具有相同的構型設計參照和接口信息。

橫向協同設計時，對非空間占位的接口信息進行整理，如結構艙板安裝孔開孔信息、熱控噴漆避讓腳印信息等。將該類信息在源模型中進行特殊標記，以骨架模型作為傳遞載體來收集各類接口信息。由于接口骨架中只收集了必要的接口信息，摒棄了冗余信息，縮減了傳遞數據量，既降低了對計算機資源的要求，又避免冗余信息的干擾。

結構艙板設計模型收集接口骨架中所包含的空間點集、曲面面組等信息，并直接向結構部件實體化模型映射，通過三維特征編輯，實現結構部件自動化實體模型創建，如圖6、圖7所示。

圖6 基于接口骨架的安裝接口信息提取

圖7 基于接口骨架開展結構設計的艙板模型

4.4 某型號應用情況

基于主控骨架體系的衛星三維協同設計方法，在某衛星詳細工程設計中得到了應用驗證，圓滿實現了從整星到單機的自頂向下以及從單機到整星的自底向上的雙向數字化協同設計，涵蓋了總體布局、結構、熱控、電纜網等多個專業。圖8為該衛星基于主控骨架體系的三維協同設計模型。

圖8 某衛星基于主控骨架體系的三維協同設計模型

5 結束語

某衛星設計中的應用實踐表明，利用主控骨架體系開展三維協同設計，有效加強了設計表達的傳遞和交互，實現了設計表達的縱向控制、橫向并行和設計沖突的平抑調和，邏輯關系清楚，各級分工明確。

基于主控骨架體系的三維協同設計，體現了設計上下游的高內聚、設計專業間低耦合的狀態，適應了“分布、并行、協同”的數字化要求，顯著提高了衛星設計效率和工作質量。目前該方法已在多個衛星型號上成功應用，可推廣應用至其他航天器、飛機、船舶等大型復雜工程產品。

1 陳月根. 航天器數字化設計基礎[M]. 北京：中國科學技術出版社，2010.3

2 韓鳳宇，林益明，范海濤. 基于模型的系統工程在航天器研制中的研究與實踐[J]. 航天器工程，2014(6)：119～125

3 劉看旺. 全三維研制技術推動飛機研制體系變革[J]. 航空制造技術，2011(Z1)：78～82

4 秦紅強，王猛，楊亞龍，等. 液體火箭發動機三維數字化協同設計研究[J]. 火箭推進，2016(3)：76～80

5 羅婷婷，楊偉俊. 基于骨架模型的航空發動機自頂向下設計方法研究[J]. 數字軍工，2013(5)：26～30

6 范玉青，梅中義，陶劍. 大型飛機數字化制造工程[M]. 北京：中航工業出版社，2011

7 楊金軍，姚駿，彭海闊，等. 基于Top—Down模式的航天器結構快速設計方法研究[J]. 航天制造技術，2015(6)：37～41

8 李飛，章樂平，王志勇，等. 航天器數字化協同設計技術研究[J]. 導彈與航天運載技術，2013，324(1)：71～74

Research on Three-dimensional Collaborative Whole-satellite Design Method Based on Master Control Skeleton System

Yao Jun1, 2Wang Zhijin1Yuan Jinru2

(1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016; 2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109)

This paper elaborates on a three-dimensional collaborative whole-satellite design method based on a master control skeleton system. With the master control skeleton system as the uniform source, its key geometrical sizes and benchmarks can derive synchronously the skeleton models for all involved multiple specialties. With the master control skeleton system at the core of all the multi-specialty skeleton systems, the interfaces of each specialty’s skeleton system can be used to transfer interface information, which enables a three-dimensional collaborative design both horizontally and vertically. Such a method has been adopted comprehensively in a satellite design, which significantly improved the efficiency of the three-dimensional collaborative whole-satellite design and quality control. Therefore, it is worth wider applying.

satellite；three-dimensional collaborative design；master control skeleton

姚駿（1973），研究員，航天器工程專業；研究方向：數字化設計與仿真、衛星結構與機構設計等。

2019-04-28