基于模型的载人登月飞船系统设计应用探讨

彭 坤， 袁文强， 黄 震， 马晓兵， 郝 平

(1.北京空间飞行器总体设计部， 北京 100094； 2.杭州电子科技大学， 杭州 310058)

1 引言

载人航天工程项目庞大、系统复杂、可靠性安全性要求高、研制周期长、研制成本高，导致传统基于文档的系统工程设计方法文档数量和内容空前增加，文档间技术状态难以保证一致性，缺乏需求设计和验证的关联性，无法在设计阶段开展有效仿真验证等，迫切需要在系统工程设计方法上进行革新，释放设计人员在技术协调、关联追溯和迭代设计中消耗的生产力。

2007 年，国际系统工程协会(International Council on Systems Engineering，INCOSE)受软件工程成功的启发，提出了基于模型的系统工程方法(Model Based System Engineering，MBSE)，从设计之初就引入模型，由于其数据同源性、自顶向下正向设计、图形化模型无二义性、模型可关联追溯以及可早期仿真优化等优点，被广泛应用于航空和航天领域。 MBSE 方法的三大支柱分别为语言、工具和方法。 经过十几年的发展，INCOSE 在UML 语言基础上逐步确定了系统建模语言SysML，采用的软件工具主要为MagicDraw和Rhapsody。 当前MBSE 应用难点在于结合研制任务的系统建模方法及具体落地方案。

国外学者对MBSE 在航天领域的建模方法和应用研究主要从需求、方案权衡和仿真验证等角度进行。 在需求分析协调方面，Wagner将MBSE 方 法 应 用 到 Gateway 空 间 站， 通 过MagicDraw 软件协调Gateway 平台不同组成之间的功能、需求、接口；Bijan 等利用SysML 参数图来进行需求分析，使需求量化。 在方案权衡方面，Chadzynski 等利用MBSE 和SysML 语言开展方案自动权衡分析；Bleakley 等利用SysML语言进行权衡分析并确定正确方案，避免之前方法会遗漏设计模型的问题。 在仿真分析方面，Kretzenbacher 等将 MBSE 方 法 应 用 到MASCOT 小行星着陆系统中，利用活动图描述各分系统下降过程，利用参数图仿真计算；Kaslow等将MBSE 方法应用到立方星任务中，集成Matlab 和STK 进行学科工程模型建模和仿真，提出八步法定义立方星行为，并开发了一套立方星MBSE 参考模型，用于设计建造指定任务的立方星。 此外，国外学者还将MBSE 方法应用到航天任务的星间通信系统架构和地面系统设计上。

国内学者主要结合传统研制流程开展MBSE应用。 邵健构建了FireSAT 任务的需求模型和用例场景模型，以此推导出逻辑构架模型，开展了参数分析和方案优选，并进一步开展了立方星的全生命周期MBSE 应用研究；张有山等采用Cradle 软件，针对载人飞船交会对接任务研究了需求分析及系统设计的一般过程；韩凤宇等应用MBSE 理论指导航天器研制，提出了基于模型的跨专业协同设计模式；何巍等结合现有运载火箭研制模型，提出了基于模型的运载火箭总体设计框架及各专业总体设计集成验证；张柏楠等针对载人航天器研制现状提出了全生命周期模型体系，以及基于各类模型的研制流程。

2017 年，Morkevicius 等针对MBSE 建模方法缺失的问题，提出了MagicGrid 方法，基于矩阵视角框架建模，作为MagicDraw 软件的标准模板，并应用于微重力卫星系统上。 但不同项目的任务特点和产品特点不尽相同，因此MagicGrid方法还需结合具体项目特点，制定紧密结合项目研制的建模流程和方法。

本文基于MagicGrid 思想和SysML 语言规则，结合载人登月飞船任务特点，给出了一种MBSE 建模流程和落地方案，从需求、架构、行为和参数仿真4 个维度进行飞船系统级建模。 从利益相关方和核心业务目标出发，自顶向下开展需求分析。 同时，根据系统需求和飞行器通用功能，将功能要求落实到系统组成和内部结构中，定义系统的逻辑架构，进而利用行为图开展载人登月飞船地月转移段飞行方案分析和动态逻辑仿真，明确组合体状态、大系统间接口信号以及详细功能需求。 此外，利用MagicDraw 平台参数图集成Matlab 软件，进行变轨速度增量和推进剂消耗等总体参数设计与轨道设计性能仿真的联合设计工作，实现总体方案的快速迭代。 最后，以飞行模式为例开展方案权衡分析，利用活动图建立4 种登月飞行模式，并开展飞行模式多方案比较建模，用于总体方案技术途径决策。

2 需求分析

2.1 任务需求分析

按照基于模型的系统工程设计思路，首先从业务层出发，针对利益相关方和核心业务目标，识别利益相关者，并确定任务所需要解决的问题，逐项分解出任务需求。 对于登月任务而言，与其相关的大系统环境如图1 所示。

图1 载人登月任务大系统和环境Fig.1 The systems and environment for manned Lunar mission

结合上级用户及各大系统环境，针对每个利益相关方，采用SysML 提供的需求图对来自利益相关方的需要进行建模，如图2 所示。 通过MagicDraw 软件的表格功能，可对利益相关方需求进行条目化展示和管理(需求表)，如图3所示。

图2 利益相关方需求图Fig.2 Diagram of stakeholder needs

图3 条目化利益相关方需求Fig.3 Itemized stakeholder needs

此外，为搭建整个登月飞船系统的生命周期模型，捕获遗漏的利益相关方需求，本文以直接奔月飞行模式的Apollo 工程为例，采用状态机图对载人登月飞船全生命周期过程进行建模，如图4所示。 其中，发射及运行阶段是一个复合状态，是载人登月飞船的重点阶段。

图4 载人登月飞行器生命周期分析Fig.4 Life cycle analysis of manned Lunar landing vehicle system

以地月轨道转移阶段为例，建立顶层行为用例和利益相关方之间的关联，通过用例图定义利益相关方与目标系统的交互场景，定义了载人登月飞船的系统边界，如图5 所示。

图5 用例和任务需求关联建模Fig.5 Relational modeling of use cases and mission requirements

通过用例图建立的顶层用例与任务需求之间的关联，可以通过依赖矩阵建立追溯关系，便于后续分析需求满足的覆盖性和变更域分析，如图6所示。

图6 用例与任务需求追溯关系Fig. 6 The traceability between use case and mission requirements

2.2 系统需求分析

通过功能分析对载人登月飞船的功能点进行定义，形成系统需求。 对每个用例场景进行功能初步分解，得到初级功能分解架构。 针对地月轨道转移段变轨用例，对其进行白盒分析，得到此场景的系统4 个主要功能，如图7 所示。

图7 载人登月飞行器地月轨道转移阶段功能分解Fig.7 Function decomposition of manned Lunar landing vehicle system during Earth-to-Moon transfer section

针对每个利益相关方的任务需求，对其进行派生，得到若干个系统需求，如图8 所示。

图8 利益相关方需求派生出系统需求Fig.8 System requirements derived from stakeholder requirements

在进一步系统需求分析中，还应通过活动图对飞行方案进行深入的功能分析，得到完整的白盒阶段功能分解架构。 同时，还应考虑载人登月飞船研制过程的通用需求。

3 系统架构设计

根据系统需求和飞行器通用功能将功能要求落实到系统组成和内部结构中，定义系统的逻辑结构。

3.1 系统总体架构

通过块定义图(Block Definition Diagram，BDD)可定义系统的总体架构。 根据第2 节系统需求和功能模块，可将载人登月飞船初步划分为图9 所示分系统。 并采用Constraint Block 定义质量约束、成本约束、轨道转移时间约束。

图9 载人登月飞船系统架构Fig.9 System architecture of manned Lunar spacecraft

对于载人登月飞船系统级设计，需要建立各分系统模块，定义各分系统之间的接口(机、电、信、热、控等)，构建各个分系统之间用于交互的物质流、信号流和数据流。 通过SysML 的内部块图(Internal Block Diagram， IBD)定义载人登月飞船的内部结构，展示各个子系统之间的内部端口连接及其信息流动，如图10 所示。

图10 载人登月飞船内部关系Fig.10 The internal relations of manned Lunar spacecraft

同时通过分系统间信息流和物质流分析，得到相应的分系统接口模型，自动生成各分系统的接口信息和流属性信息。 图11 所示为推进分系统的相关接口信息。

图11 载人登月飞船推进分系统接口信息Fig. 11 Interface information of propulsion subsystem in manned Lunar spacecraft

3.2 分系统架构

分系统设计在系统总体架构的基础上，根据系统总体规定的分系统接口，进行单机组成架构设计，实现分系统功能逻辑。

针对分系统的每个行为场景，可梳理归纳分系统行为模式，采用SysML 提供的状态机图构造分系统的逻辑过程模型。 图12 显示推进分系统可以进行几种模式切换，每种模型又可进行层层细化分解。

图12 推进分系统状态机图Fig.12 State machine diagram of propulsion subsystem

4 飞行方案设计

需求和架构都是静态的，还需要行为模型对载人登月飞船功能实现进行验证和补充。 本文以Apollo 飞船地月转移段飞行方案为例，利用行为图开展载人登月飞船地月转移过程建模和动态逻辑仿真工作，实时显示登月飞行器的组合体状态及相互间的信号传递。 一般可采用状态机图、活动图和序列图来描述动态过程。 状态机图描述飞行过程中各部分工作模式的切换情况；活动图着重描述飞行方案的飞行事件及时序；序列图着重描述各组成的交互关系。 本文着重介绍状态机图和活动图来，用以描述整体飞行方案。

4.1 基于状态机图的飞行方案设计与仿真

1)建立飞行器的状态机图，定义其状态模型。 建立整个登月飞行器(含载人登月飞船和登月舱)的状态机图(图13)，并定义状态之间的跃迁信号和事件，以模拟地月轨道转移飞行方案。

图13 载人登月飞船状态机图Fig. 13 State machine diagram of manned Lunar spacecraft

2)建立飞行方案仿真模型和界面。 通过Simulation Configuration Diagram 建立地月轨道转移仿真系统以及载人飞船的实时状态图(图14)。需要提前定义好各状态的图形， 利用User Interface Modeling Diagram 建立仿真的UI 界面(图15)，且建立按键的信号关系(Signal)。

图14 地月轨道转移仿真构造图Fig.14 Diagram of simulation structure of Earth-Moon orbit transfer

图15 地月轨道转移UI 界面图Fig. 15 User interface diagram of Earth-Moon orbit transfer

3)进行飞行方案仿真。 通过界面的信号控制，进行地月轨道转移段飞行方案的动态逻辑仿真，并显示出登月飞行器组合体状态变化情况，如图16 所示。

图16 基于状态机图的飞行方案仿真Fig.16 Simulation of flight scheme based on state machine diagram

4.2 基于活动图的飞行方案设计与仿真

除采用状态机图仿真飞行方案，还可基于活动图进行飞行方案设计和仿真，并且还可在活动图中设置泳道，使飞行动作与其实施主体关联。图17 中利用泳道图分析地月轨道转移过程各大系统之间的信息交互关系及动态仿真过程。

图17 基于活动图的飞行方案仿真Fig. 17 Simulation of flight scheme based on activity diagram

5 参数优化仿真

通过需求、架构和活动基本完成了载人登月飞船功能设计和验证，下一步要通过参数仿真进一步确定飞船的关键总体参数和重要性能指标。目前MagicDraw 平台可调用Modelica、Maple 和Matlab 软件进行计算。

在载人登月飞船参数设计中，变轨速度增量和推进剂消耗是极其重要指标，直接决定了任务的可行性，需要进行轨道设计计算。 本文以载人登月任务中的地月转移段自由返回轨道为例，利用MagicDraw 平台集成Matlab 软件，将基于Matlab/STK 的自由返回轨道设计函数作为约束块，嵌入到功能分析模块中，并建立参数图匹配输入输出参数，如图18 所示。

图18 系统总体参数与轨道联合设计Fig.18 Integrated design of system parameters and the orbit

在MagicDraw 中设置近地轨道高度、环月轨道高度、飞船初始质量、发动机比冲，并调用Matlab/STK 的自由返回轨道设计函数，计算自由返回轨道及近月制动速度增量和推进剂消耗，计算过程如图19 所示。 自由返回轨道轨迹如图20所示，其中近月制动速度增量和推进剂消耗结果见图20 右下角。

图19 MagicDraw 调用Matlab 计算变轨参数Fig.19 Calculation of orbit transfer parameters via MagicDraw by calling Matlab

图20 自由返回轨道轨迹和变轨结果Fig.20 Free return trajectory and orbit transfer results

当近地轨道和环月轨道参数发生变化，可直接在MagicDraw 平台修改参数，进行联合仿真，快速设计出复杂的自由返回轨道结果，并返回推进剂消耗量至总体参数中。 这种参数联合仿真设计方法将任务层面总体参数(变轨速度增量和推进剂消耗)设计与性能分析层面轨道设计仿真相结合，实现总体方案的快速迭代。

6 飞行模式方案权衡

在载人登月飞船设计中，会面临大量设计方案的多方案权衡比较问题。 本文以载人登月飞行模式为例，利用活动图建立4 种登月飞行模式，并开展飞行模式的多方案比较建模。

首先建立载人登月任务基本飞行阶段，并基于基本飞行阶段建立直接奔月模式、近地轨道交会对接模式、环月轨道交会对接模式以及近地＋环月轨道交会对接模式，如图21 所示。

图21 4 种不同飞行模式活动图Fig.21 Activity diagrams of four different flight modes

在块定义图中建立奔月飞行模式及权衡要素，包括飞行阶段个数、交会对接个数、对火箭要求等，如图22 所示。 同时建立权衡分析模块，利用状态机图建立权衡计算和比较逻辑，并创建飞行模式实例进行权衡比较仿真，如图23 所示。

图22 登月飞行模式权衡建模Fig.22 Tradeoff modeling of Lunar landing flight mode

图23 飞行模式权衡选择结果Fig.23 Tradeoff selection results of flight modes

7 结论

本文基于MagicDraw 软件将载人登月飞船正向设计过程按照需求、架构、行为和参数仿真4 个维度进行了基于模型的系统工程方法应用的初步探讨，为后续载人登月飞行器基于模型的系统工程应用提供参考。

1)利用利益相关方分析和飞行场景分析可分解出载人登月飞船的系统需求，并建立需求与利益相关方和场景之间的追溯关系。

2)以功能分析为基础，在块定义图中进行飞船架构建模，分解出各分系统，并利用内部块图分析分系统之间的接口关系，形成接口模型。

3)利用状态机图和活动图建立飞船地月转移段的飞行方案模型并进行动态仿真，进一步验证飞船功能。

4)MagicDraw 软件可调用Matlab 等仿真计算软件，将飞船总体参数设计与复杂的轨道计算结合，打通了设计参数和计算参数的壁垒，实现参数快速迭代优化。

5)利用MagicDraw 软件可建立多方案权衡比较模型架构，可实现诸如载人登月飞行模式等技术途径选择的多方案比较和确定。