基于模型的系统工程方法在载人航天任务中的应用探讨

针对基于文档的航天任务设计中设计数据分散、一致性差、跟踪难度大等问题,引入了基于模型的系统工程(MBSE)方法。首先,介绍了MBSE方法理念,即通过构建图形化的模型来支持系统的需求捕获、设计、分析、验证和确认等全生命周期活动。然后,给出了MBSE方法的一般工作流程,即先构建系统的需求模型,用于指导功能模型、物理架构模型等的构建,按照事先制定好的逻辑规则建立模型间的关系,依靠模型间的关系实现设计过程中的关联性分析、参数查询等工作。最后,应用MBSE方法于载人飞船交会对接任务中。结果表明,此方法改善了人员沟通,提高了设计效率,降低了设计风险,可为MBSE方法在航天任务设计中的进一步应用提供参考。     

运载火箭基于模型的系统工程研究

阐述了航天系统工程概念的来源和实践方法,对基于模型的系统工程(Model Based Systems Engineering, MBSE)概念及其发展现状进行了综述。结合运载火箭的数字化研制进展,提出了运载火箭基于模型的系统工程设想及其可能产生的效益,分析了需要解决的关键技术、存在的问题与挑战,对未来发展进行了展望。     

航天器信息流数字化协同设计方法

目前航天器设计需求越来越复杂,参与设计方接口越来越多,导致传统的依靠独立串行、手工撰写方式完成的航天器信息流设计方法无法满足现代航天器设计要求。为此,文章提出基于网络的信息流数字化协同设计系统架构。通过在多个领域航天器建造过程中的推广应用表明:该方法能够有效提升航天器研制效率,在保证质量的同时减少研制成本,其实现方法和经验可为同类复杂、现代化工业制造系统的跨网络协同设计提供参考。     

基于协同设计中心的航天器系统工程实践

剖析了航天器系统工程的原理及组成要素,分析了基于协同设计中心开展航天器协同研制的团队、环境、模型及流程等核心要素,通过研究航天器系统工程和协同设计中心诸要素,实践了基于航天器系统工程原理的协同设计中心的应用,分析了基于协同设计中心建立集成产品开发团队(IPT)、制定研制流程、统一数据源等方式开展航天器协同研制,并收到了良好的应用效果,同时,在应用中发现如基于IPT的协同设计认识淡薄、软硬件协同性差等问题,提出了加强设计人员通过IPT方式开展协同设计的认识、改进协同研制的软硬件环境、持续提升基于统一数据源的协同设计能力、合理应用和梳理优化流程等改进建议。     

一种基于MBSE的小卫星测控分系统建模设计方法

基于模型的系统工程MBSE思想和信息化手段，以模型为核心、关系追溯为手段，集合测控分系统技术指标、设计经验等知识信息，提出一种基于MBSE的小卫星测控分系统建模设计解决方案。利用模型承载文档，显性化经验、信息、关系，形成基于模型的知识管理工具，提高工作效率，解放设计师，实现知识经验的数字化模型化承载，为小卫星测控分系统由经验设计向仿真设计转变，由基于文档到基于模型的研制模式转变，由实物验证向虚拟和实物验证相结合转变进行了探索和尝试。     

基于模型的系统工程的基本原理

正国外把基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE)视为系统工程的"革命"、"系统工程的未来"、"系统工程的转型"等。本文首先对"系统工程是组织管理的技术"这一定义进行分析,从根本上探究系统工程的本质是什么,进而从系统建模的角度认识系统工程与系统建模技术的关系,从系统建模技术的颠覆性发展来对比MBSE和传统系统工程,分析MBSE的基本原理,阐明其优势。     

基于模型的系统工程在航天产品研发中的研究与实践

目前,基于模型的系统工程(MBSE)在工业界尤其在复杂装备领域,受到广泛关注。利用MBSE技术,发达国家在提升航天产品制造效率、生产力及装备的开发和部署上已经走在了世界前列。因此,深入理解MBSE概念,发展适用于我国航天工业的MBSE技术迫在眉睫。对MBSE概念及发展现状进行了深入分析,并结合初步实践经验,提出了航天MBSE技术发展方向和建议。     

MBD技术在航天器研制中的应用探讨

概述了基于模型的定义(Model-based Definition,MBD)技术的研究和发展,分析了以MBD为载体的特征演化过程,作为航天器设计-制造一体化协同实现的基础。从MBD在航天器研制中的应用需求出发,构建了MBD协同平台框架,探讨了MBD模型成熟度管理的协同设计方法,提出了应用MBD研制模式所面临的技术、管理等问题,并给出了相应的建议。     

基于对象的航天器需求工程建设初探

介绍了需求工程的研究内容;针对传统基于文档的需求工程的缺陷与不足,提出并阐述了开展基于对象需求工程建设的必要性;根据航天器研制的特点,研究提出了基于对象的航天器需求工程建设体系结构;围绕体系结构重点研究需求描述方法和需求应用验证过程,结合某航天器基于对象的需求管理验证了基于对象的航天器需求工程思想的可行性和适用性,通过对象化管理需求和关联视图,关联矩阵等方式分析关联关系,验证了基于对象的需求工程,提高了需求管理颗粒度,增强了需求关联影响分析能力,为后续开展基于对象的需求工程应用实施提供了理论指导和实践探索。     

基于数据的火箭总体设计方法研究及软件实现

为了提升火箭总体设计能力,通过集成化的设计工具实现设计方法的统一和规范,解决总体设计流程通过文档传递速度慢、缺乏统一接口和设计工具、设计效率低的痛点问题,提出基于数据驱动的运载火箭总体协同设计方法,并开发软件实现应用。遵循基于模型的系统工程（Model Based System Engineering,MBSE）理念,通过制定专业间接口数据规范,构建总体多专业协同设计数据物料清单(Bill of Materials, BOM),形成统一数据接口,围绕统一数据BOM模型开展协同设计工作,成功应用于总体协同设计工作中的多个场景,实现设计过程数据同源、状态变化同知。基于数据的总体协同设计方法,设计效率显著提升,设计精度与传统设计方法整体相当,局部更优。     

一种基于一致性理论的航天器编队飞行协同控制方法

为提高航天器编队飞行控制的协同性,研究了基于一致性理论的航天器编 队飞行协同控制方法。首先,讨论了航天器编队飞行中的一致性问题;其次,建立了航天器 编队飞行六自由度动力学模型;然后,应用一致性理论设计了非线性控制律,通过仿真验证 了控制方法有效,并且可以适用于动态的航天器编队飞行通信拓扑结构。
     

基于证据理论的航天器异常状态融合监测方法

利用多传感器数据对在轨航天器的状态进行监测时,多源信息具有的不确定性会导致通道间判定的不一致,目前工程上主要采用依靠专家经验进一步分析的方法,人工干预增加了判定结果的主观性,导致监测效率不高。本文针对此类问题提出了一种基于证据理论的融合方法,用以实现自动监测。设计了6种监测异常状态的信度函数,通过比较分析,最终选定根式函数,并根据数据特点进行了分段改进;结合工程需求介绍了参数设定原则。用此方法处理在轨航天器下传的多传感器数据,监测结果与现有人工判定结果相符,融合监测方法的有效性得以验证。     

航天器总装工艺组册规划与实施

近几年来我国航天器的研制任务迅速增长,传统的单型号研制模式正逐渐地被小批量与研制相结合的混线制造模式所取代。总装工艺组册规划作为一种与航天器小批量总装相适应的生产组织方式,在总装中取得了良好的应用效果。文章总结了总装工艺组册规划及实施的若干经验,同时提出了继续深入应用的思路。     

How we will go to Mars

This article studies the efficiency of ejecting waste generated by the life support system (LSS) of a manned spacecraft to reduce initial mass on low earth orbit. The spacecraft is used for a long-duration interplanetary mission and is equipped with either a chemical or a nuclear-thermal propulsion system. For this study we simulate an optimal control problem for a given spacecraft maneuver. An impulsive approximation of the optimal interplanetary spacecraft trajectory is assumed, which allows us to reduce the general optimal control problem to hierarchic structure of 'outer' and 'inner' subproblems. This structure is analyzed using the Pontryagin's Maximum principle. Numerical results, illustrating the efficiency of waste ejection are shown for typical Earth-Mars transfer trajectories. This results confirm in theory that using a waste ejection system makes an early manned Mars mission possible without having to design and build new, advanced biological LSS.     

具有跳变控制输入的航天器反追踪控制方法

针对航天器沿着其固定的椭圆弹道飞行而容易被追踪和拦截的问题,提出了一种基于跳变控制输入的航天器反追踪模型参考跟踪控制器的设计方法。结合随机稳定和模型参考跟踪的定义,给出了航天器反追踪模型参考跟踪控制问题的数学描述。基于跳变系统的随机稳定性理论和模型参考跟踪控制方法,设计了具有随机稳定性的反馈镇定控制器和具有自由参数优化的前馈控制器。以航天器反追踪为例进行了数值仿真,仿真结果说明了所提出的控制方法的有效性。     

系统框架建模逻辑思路探索（英文）

China's space technology has gradually improved from the early stages' introduction, absorption and re-innovation based on backward design to independent innovation based on forward design. It is necessary to develop a new approach of systems engineering to improve the quality and efficiency of space systems design considering the large number of original design problems expected in the future. Adopting Model-Based Systems Engineering(MBSE) and Digital Twin method are important development initiatives in the field of modern engineering design. In the initial phase of system design, it is necessary to generate firm system architecture models based on the needs of stakeholders. The quality of the system design in this phase has a great impact on the detailed design and implementation for the subsequent system, and also plays an important role in the performance, development progress and cost of the whole system. Through the collaboration of cross-professional teams, modeling and model execution, comparing the model execution with expected results, MBSE has enabled digital model-level verification and validation before test verification and validation based on physical products, thus improving the design exactness, completeness and greatly reducing design errors or defects. This paper explores the logical ideas behind modeling of system architectures in order to promote the adoption of MBSE in the field of space systems.     

欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划粒子群算法

研究欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划问题。众所周知航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位，当其中一轮失效，航天器动力学方程表现为不可控。在系统角动量为零的情况下，系统的姿态控制问题可转化为无漂移系统的运动规划问题。基于粒子群优化技术设计了欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划算法。通过数值仿真，并和遗传算法进行了比较，结果表明该方法对欠驱动航天器姿态运动规划是有效的。