基于模型的載人登月飛船系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用探討

彭 坤， 袁文強(qiáng)， 黃 震， 馬曉兵， 郝 平

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部， 北京 100094； 2.杭州電子科技大學(xué)， 杭州 310058)

1 引言

載人航天工程項(xiàng)目龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性安全性要求高、研制周期長、研制成本高，導(dǎo)致傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法文檔數(shù)量和內(nèi)容空前增加，文檔間技術(shù)狀態(tài)難以保證一致性，缺乏需求設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的關(guān)聯(lián)性，無法在設(shè)計(jì)階段開展有效仿真驗(yàn)證等，迫切需要在系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法上進(jìn)行革新，釋放設(shè)計(jì)人員在技術(shù)協(xié)調(diào)、關(guān)聯(lián)追溯和迭代設(shè)計(jì)中消耗的生產(chǎn)力。

2007 年，國際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)(International Council on Systems Engineering，INCOSE)受軟件工程成功的啟發(fā)，提出了基于模型的系統(tǒng)工程方法(Model Based System Engineering，MBSE)，從設(shè)計(jì)之初就引入模型，由于其數(shù)據(jù)同源性、自頂向下正向設(shè)計(jì)、圖形化模型無二義性、模型可關(guān)聯(lián)追溯以及可早期仿真優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域。 MBSE 方法的三大支柱分別為語言、工具和方法。 經(jīng)過十幾年的發(fā)展，INCOSE 在UML 語言基礎(chǔ)上逐步確定了系統(tǒng)建模語言SysML，采用的軟件工具主要為MagicDraw和Rhapsody。 當(dāng)前MBSE 應(yīng)用難點(diǎn)在于結(jié)合研制任務(wù)的系統(tǒng)建模方法及具體落地方案。

國外學(xué)者對(duì)MBSE 在航天領(lǐng)域的建模方法和應(yīng)用研究主要從需求、方案權(quán)衡和仿真驗(yàn)證等角度進(jìn)行。 在需求分析協(xié)調(diào)方面，Wagner將MBSE 方 法 應(yīng) 用 到 Gateway 空 間 站， 通 過MagicDraw 軟件協(xié)調(diào)Gateway 平臺(tái)不同組成之間的功能、需求、接口；Bijan 等利用SysML 參數(shù)圖來進(jìn)行需求分析，使需求量化。 在方案權(quán)衡方面，Chadzynski 等利用MBSE 和SysML 語言開展方案自動(dòng)權(quán)衡分析；Bleakley 等利用SysML語言進(jìn)行權(quán)衡分析并確定正確方案，避免之前方法會(huì)遺漏設(shè)計(jì)模型的問題。 在仿真分析方面，Kretzenbacher 等將 MBSE 方 法 應(yīng) 用 到MASCOT 小行星著陸系統(tǒng)中，利用活動(dòng)圖描述各分系統(tǒng)下降過程，利用參數(shù)圖仿真計(jì)算；Kaslow等將MBSE 方法應(yīng)用到立方星任務(wù)中，集成Matlab 和STK 進(jìn)行學(xué)科工程模型建模和仿真，提出八步法定義立方星行為，并開發(fā)了一套立方星MBSE 參考模型，用于設(shè)計(jì)建造指定任務(wù)的立方星。 此外，國外學(xué)者還將MBSE 方法應(yīng)用到航天任務(wù)的星間通信系統(tǒng)架構(gòu)和地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。

國內(nèi)學(xué)者主要結(jié)合傳統(tǒng)研制流程開展MBSE應(yīng)用。 邵健構(gòu)建了FireSAT 任務(wù)的需求模型和用例場景模型，以此推導(dǎo)出邏輯構(gòu)架模型，開展了參數(shù)分析和方案優(yōu)選，并進(jìn)一步開展了立方星的全生命周期MBSE 應(yīng)用研究；張有山等采用Cradle 軟件，針對(duì)載人飛船交會(huì)對(duì)接任務(wù)研究了需求分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過程；韓鳳宇等應(yīng)用MBSE 理論指導(dǎo)航天器研制，提出了基于模型的跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)模式；何巍等結(jié)合現(xiàn)有運(yùn)載火箭研制模型，提出了基于模型的運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)框架及各專業(yè)總體設(shè)計(jì)集成驗(yàn)證；張柏楠等針對(duì)載人航天器研制現(xiàn)狀提出了全生命周期模型體系，以及基于各類模型的研制流程。

2017 年，Morkevicius 等針對(duì)MBSE 建模方法缺失的問題，提出了MagicGrid 方法，基于矩陣視角框架建模，作為MagicDraw 軟件的標(biāo)準(zhǔn)模板，并應(yīng)用于微重力衛(wèi)星系統(tǒng)上。 但不同項(xiàng)目的任務(wù)特點(diǎn)和產(chǎn)品特點(diǎn)不盡相同，因此MagicGrid方法還需結(jié)合具體項(xiàng)目特點(diǎn)，制定緊密結(jié)合項(xiàng)目研制的建模流程和方法。

本文基于MagicGrid 思想和SysML 語言規(guī)則，結(jié)合載人登月飛船任務(wù)特點(diǎn)，給出了一種MBSE 建模流程和落地方案，從需求、架構(gòu)、行為和參數(shù)仿真4 個(gè)維度進(jìn)行飛船系統(tǒng)級(jí)建模。 從利益相關(guān)方和核心業(yè)務(wù)目標(biāo)出發(fā)，自頂向下開展需求分析。 同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)需求和飛行器通用功能，將功能要求落實(shí)到系統(tǒng)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，定義系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)，進(jìn)而利用行為圖開展載人登月飛船地月轉(zhuǎn)移段飛行方案分析和動(dòng)態(tài)邏輯仿真，明確組合體狀態(tài)、大系統(tǒng)間接口信號(hào)以及詳細(xì)功能需求。 此外，利用MagicDraw 平臺(tái)參數(shù)圖集成Matlab 軟件，進(jìn)行變軌速度增量和推進(jìn)劑消耗等總體參數(shù)設(shè)計(jì)與軌道設(shè)計(jì)性能仿真的聯(lián)合設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)總體方案的快速迭代。 最后，以飛行模式為例開展方案權(quán)衡分析，利用活動(dòng)圖建立4 種登月飛行模式，并開展飛行模式多方案比較建模，用于總體方案技術(shù)途徑?jīng)Q策。

2 需求分析

2.1 任務(wù)需求分析

按照基于模型的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)思路，首先從業(yè)務(wù)層出發(fā)，針對(duì)利益相關(guān)方和核心業(yè)務(wù)目標(biāo)，識(shí)別利益相關(guān)者，并確定任務(wù)所需要解決的問題，逐項(xiàng)分解出任務(wù)需求。 對(duì)于登月任務(wù)而言，與其相關(guān)的大系統(tǒng)環(huán)境如圖1 所示。

圖1 載人登月任務(wù)大系統(tǒng)和環(huán)境Fig.1 The systems and environment for manned Lunar mission

結(jié)合上級(jí)用戶及各大系統(tǒng)環(huán)境，針對(duì)每個(gè)利益相關(guān)方，采用SysML 提供的需求圖對(duì)來自利益相關(guān)方的需要進(jìn)行建模，如圖2 所示。 通過MagicDraw 軟件的表格功能，可對(duì)利益相關(guān)方需求進(jìn)行條目化展示和管理(需求表)，如圖3所示。

圖2 利益相關(guān)方需求圖Fig.2 Diagram of stakeholder needs

圖3 條目化利益相關(guān)方需求Fig.3 Itemized stakeholder needs

此外，為搭建整個(gè)登月飛船系統(tǒng)的生命周期模型，捕獲遺漏的利益相關(guān)方需求，本文以直接奔月飛行模式的Apollo 工程為例，采用狀態(tài)機(jī)圖對(duì)載人登月飛船全生命周期過程進(jìn)行建模，如圖4所示。 其中，發(fā)射及運(yùn)行階段是一個(gè)復(fù)合狀態(tài)，是載人登月飛船的重點(diǎn)階段。

圖4 載人登月飛行器生命周期分析Fig.4 Life cycle analysis of manned Lunar landing vehicle system

以地月軌道轉(zhuǎn)移階段為例，建立頂層行為用例和利益相關(guān)方之間的關(guān)聯(lián)，通過用例圖定義利益相關(guān)方與目標(biāo)系統(tǒng)的交互場景，定義了載人登月飛船的系統(tǒng)邊界，如圖5 所示。

圖5 用例和任務(wù)需求關(guān)聯(lián)建模Fig.5 Relational modeling of use cases and mission requirements

通過用例圖建立的頂層用例與任務(wù)需求之間的關(guān)聯(lián)，可以通過依賴矩陣建立追溯關(guān)系，便于后續(xù)分析需求滿足的覆蓋性和變更域分析，如圖6所示。

圖6 用例與任務(wù)需求追溯關(guān)系Fig. 6 The traceability between use case and mission requirements

2.2 系統(tǒng)需求分析

通過功能分析對(duì)載人登月飛船的功能點(diǎn)進(jìn)行定義，形成系統(tǒng)需求。 對(duì)每個(gè)用例場景進(jìn)行功能初步分解，得到初級(jí)功能分解架構(gòu)。 針對(duì)地月軌道轉(zhuǎn)移段變軌用例，對(duì)其進(jìn)行白盒分析，得到此場景的系統(tǒng)4 個(gè)主要功能，如圖7 所示。

圖7 載人登月飛行器地月軌道轉(zhuǎn)移階段功能分解Fig.7 Function decomposition of manned Lunar landing vehicle system during Earth-to-Moon transfer section

針對(duì)每個(gè)利益相關(guān)方的任務(wù)需求，對(duì)其進(jìn)行派生，得到若干個(gè)系統(tǒng)需求，如圖8 所示。

圖8 利益相關(guān)方需求派生出系統(tǒng)需求Fig.8 System requirements derived from stakeholder requirements

在進(jìn)一步系統(tǒng)需求分析中，還應(yīng)通過活動(dòng)圖對(duì)飛行方案進(jìn)行深入的功能分析，得到完整的白盒階段功能分解架構(gòu)。 同時(shí)，還應(yīng)考慮載人登月飛船研制過程的通用需求。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求和飛行器通用功能將功能要求落實(shí)到系統(tǒng)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，定義系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)。

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過塊定義圖(Block Definition Diagram，BDD)可定義系統(tǒng)的總體架構(gòu)。 根據(jù)第2 節(jié)系統(tǒng)需求和功能模塊，可將載人登月飛船初步劃分為圖9 所示分系統(tǒng)。 并采用Constraint Block 定義質(zhì)量約束、成本約束、軌道轉(zhuǎn)移時(shí)間約束。

圖9 載人登月飛船系統(tǒng)架構(gòu)Fig.9 System architecture of manned Lunar spacecraft

對(duì)于載人登月飛船系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，需要建立各分系統(tǒng)模塊，定義各分系統(tǒng)之間的接口(機(jī)、電、信、熱、控等)，構(gòu)建各個(gè)分系統(tǒng)之間用于交互的物質(zhì)流、信號(hào)流和數(shù)據(jù)流。 通過SysML 的內(nèi)部塊圖(Internal Block Diagram， IBD)定義載人登月飛船的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，展示各個(gè)子系統(tǒng)之間的內(nèi)部端口連接及其信息流動(dòng)，如圖10 所示。

圖10 載人登月飛船內(nèi)部關(guān)系Fig.10 The internal relations of manned Lunar spacecraft

同時(shí)通過分系統(tǒng)間信息流和物質(zhì)流分析，得到相應(yīng)的分系統(tǒng)接口模型，自動(dòng)生成各分系統(tǒng)的接口信息和流屬性信息。 圖11 所示為推進(jìn)分系統(tǒng)的相關(guān)接口信息。

圖11 載人登月飛船推進(jìn)分系統(tǒng)接口信息Fig. 11 Interface information of propulsion subsystem in manned Lunar spacecraft

3.2 分系統(tǒng)架構(gòu)

分系統(tǒng)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)總體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)總體規(guī)定的分系統(tǒng)接口，進(jìn)行單機(jī)組成架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)功能邏輯。

針對(duì)分系統(tǒng)的每個(gè)行為場景，可梳理歸納分系統(tǒng)行為模式，采用SysML 提供的狀態(tài)機(jī)圖構(gòu)造分系統(tǒng)的邏輯過程模型。 圖12 顯示推進(jìn)分系統(tǒng)可以進(jìn)行幾種模式切換，每種模型又可進(jìn)行層層細(xì)化分解。

圖12 推進(jìn)分系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)圖Fig.12 State machine diagram of propulsion subsystem

4 飛行方案設(shè)計(jì)

需求和架構(gòu)都是靜態(tài)的，還需要行為模型對(duì)載人登月飛船功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。 本文以Apollo 飛船地月轉(zhuǎn)移段飛行方案為例，利用行為圖開展載人登月飛船地月轉(zhuǎn)移過程建模和動(dòng)態(tài)邏輯仿真工作，實(shí)時(shí)顯示登月飛行器的組合體狀態(tài)及相互間的信號(hào)傳遞。 一般可采用狀態(tài)機(jī)圖、活動(dòng)圖和序列圖來描述動(dòng)態(tài)過程。 狀態(tài)機(jī)圖描述飛行過程中各部分工作模式的切換情況；活動(dòng)圖著重描述飛行方案的飛行事件及時(shí)序；序列圖著重描述各組成的交互關(guān)系。 本文著重介紹狀態(tài)機(jī)圖和活動(dòng)圖來，用以描述整體飛行方案。

4.1 基于狀態(tài)機(jī)圖的飛行方案設(shè)計(jì)與仿真

1)建立飛行器的狀態(tài)機(jī)圖，定義其狀態(tài)模型。 建立整個(gè)登月飛行器(含載人登月飛船和登月艙)的狀態(tài)機(jī)圖(圖13)，并定義狀態(tài)之間的躍遷信號(hào)和事件，以模擬地月軌道轉(zhuǎn)移飛行方案。

圖13 載人登月飛船狀態(tài)機(jī)圖Fig. 13 State machine diagram of manned Lunar spacecraft

2)建立飛行方案仿真模型和界面。 通過Simulation Configuration Diagram 建立地月軌道轉(zhuǎn)移仿真系統(tǒng)以及載人飛船的實(shí)時(shí)狀態(tài)圖(圖14)。需要提前定義好各狀態(tài)的圖形， 利用User Interface Modeling Diagram 建立仿真的UI 界面(圖15)，且建立按鍵的信號(hào)關(guān)系(Signal)。

圖14 地月軌道轉(zhuǎn)移仿真構(gòu)造圖Fig.14 Diagram of simulation structure of Earth-Moon orbit transfer

圖15 地月軌道轉(zhuǎn)移UI 界面圖Fig. 15 User interface diagram of Earth-Moon orbit transfer

3)進(jìn)行飛行方案仿真。 通過界面的信號(hào)控制，進(jìn)行地月軌道轉(zhuǎn)移段飛行方案的動(dòng)態(tài)邏輯仿真，并顯示出登月飛行器組合體狀態(tài)變化情況，如圖16 所示。

圖16 基于狀態(tài)機(jī)圖的飛行方案仿真Fig.16 Simulation of flight scheme based on state machine diagram

4.2 基于活動(dòng)圖的飛行方案設(shè)計(jì)與仿真

除采用狀態(tài)機(jī)圖仿真飛行方案，還可基于活動(dòng)圖進(jìn)行飛行方案設(shè)計(jì)和仿真，并且還可在活動(dòng)圖中設(shè)置泳道，使飛行動(dòng)作與其實(shí)施主體關(guān)聯(lián)。圖17 中利用泳道圖分析地月軌道轉(zhuǎn)移過程各大系統(tǒng)之間的信息交互關(guān)系及動(dòng)態(tài)仿真過程。

圖17 基于活動(dòng)圖的飛行方案仿真Fig. 17 Simulation of flight scheme based on activity diagram

5 參數(shù)優(yōu)化仿真

通過需求、架構(gòu)和活動(dòng)基本完成了載人登月飛船功能設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，下一步要通過參數(shù)仿真進(jìn)一步確定飛船的關(guān)鍵總體參數(shù)和重要性能指標(biāo)。目前MagicDraw 平臺(tái)可調(diào)用Modelica、Maple 和Matlab 軟件進(jìn)行計(jì)算。

在載人登月飛船參數(shù)設(shè)計(jì)中，變軌速度增量和推進(jìn)劑消耗是極其重要指標(biāo)，直接決定了任務(wù)的可行性，需要進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)計(jì)算。 本文以載人登月任務(wù)中的地月轉(zhuǎn)移段自由返回軌道為例，利用MagicDraw 平臺(tái)集成Matlab 軟件，將基于Matlab/STK 的自由返回軌道設(shè)計(jì)函數(shù)作為約束塊，嵌入到功能分析模塊中，并建立參數(shù)圖匹配輸入輸出參數(shù)，如圖18 所示。

圖18 系統(tǒng)總體參數(shù)與軌道聯(lián)合設(shè)計(jì)Fig.18 Integrated design of system parameters and the orbit

在MagicDraw 中設(shè)置近地軌道高度、環(huán)月軌道高度、飛船初始質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)比沖，并調(diào)用Matlab/STK 的自由返回軌道設(shè)計(jì)函數(shù)，計(jì)算自由返回軌道及近月制動(dòng)速度增量和推進(jìn)劑消耗，計(jì)算過程如圖19 所示。 自由返回軌道軌跡如圖20所示，其中近月制動(dòng)速度增量和推進(jìn)劑消耗結(jié)果見圖20 右下角。

圖19 MagicDraw 調(diào)用Matlab 計(jì)算變軌參數(shù)Fig.19 Calculation of orbit transfer parameters via MagicDraw by calling Matlab

圖20 自由返回軌道軌跡和變軌結(jié)果Fig.20 Free return trajectory and orbit transfer results

當(dāng)近地軌道和環(huán)月軌道參數(shù)發(fā)生變化，可直接在MagicDraw 平臺(tái)修改參數(shù)，進(jìn)行聯(lián)合仿真，快速設(shè)計(jì)出復(fù)雜的自由返回軌道結(jié)果，并返回推進(jìn)劑消耗量至總體參數(shù)中。 這種參數(shù)聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)方法將任務(wù)層面總體參數(shù)(變軌速度增量和推進(jìn)劑消耗)設(shè)計(jì)與性能分析層面軌道設(shè)計(jì)仿真相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)總體方案的快速迭代。

6 飛行模式方案權(quán)衡

在載人登月飛船設(shè)計(jì)中，會(huì)面臨大量設(shè)計(jì)方案的多方案權(quán)衡比較問題。 本文以載人登月飛行模式為例，利用活動(dòng)圖建立4 種登月飛行模式，并開展飛行模式的多方案比較建模。

首先建立載人登月任務(wù)基本飛行階段，并基于基本飛行階段建立直接奔月模式、近地軌道交會(huì)對(duì)接模式、環(huán)月軌道交會(huì)對(duì)接模式以及近地＋環(huán)月軌道交會(huì)對(duì)接模式，如圖21 所示。

圖21 4 種不同飛行模式活動(dòng)圖Fig.21 Activity diagrams of four different flight modes

在塊定義圖中建立奔月飛行模式及權(quán)衡要素，包括飛行階段個(gè)數(shù)、交會(huì)對(duì)接個(gè)數(shù)、對(duì)火箭要求等，如圖22 所示。 同時(shí)建立權(quán)衡分析模塊，利用狀態(tài)機(jī)圖建立權(quán)衡計(jì)算和比較邏輯，并創(chuàng)建飛行模式實(shí)例進(jìn)行權(quán)衡比較仿真，如圖23 所示。

圖22 登月飛行模式權(quán)衡建模Fig.22 Tradeoff modeling of Lunar landing flight mode

圖23 飛行模式權(quán)衡選擇結(jié)果Fig.23 Tradeoff selection results of flight modes

7 結(jié)論

本文基于MagicDraw 軟件將載人登月飛船正向設(shè)計(jì)過程按照需求、架構(gòu)、行為和參數(shù)仿真4 個(gè)維度進(jìn)行了基于模型的系統(tǒng)工程方法應(yīng)用的初步探討，為后續(xù)載人登月飛行器基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)用提供參考。

1)利用利益相關(guān)方分析和飛行場景分析可分解出載人登月飛船的系統(tǒng)需求，并建立需求與利益相關(guān)方和場景之間的追溯關(guān)系。

2)以功能分析為基礎(chǔ)，在塊定義圖中進(jìn)行飛船架構(gòu)建模，分解出各分系統(tǒng)，并利用內(nèi)部塊圖分析分系統(tǒng)之間的接口關(guān)系，形成接口模型。

3)利用狀態(tài)機(jī)圖和活動(dòng)圖建立飛船地月轉(zhuǎn)移段的飛行方案模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證飛船功能。

4)MagicDraw 軟件可調(diào)用Matlab 等仿真計(jì)算軟件，將飛船總體參數(shù)設(shè)計(jì)與復(fù)雜的軌道計(jì)算結(jié)合，打通了設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算參數(shù)的壁壘，實(shí)現(xiàn)參數(shù)快速迭代優(yōu)化。

5)利用MagicDraw 軟件可建立多方案權(quán)衡比較模型架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)諸如載人登月飛行模式等技術(shù)途徑選擇的多方案比較和確定。