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欧美航天器产品开发过程及仿真验证方法

欧美航天器产品开发阶段划分:
阶段1: 项目预研
       制造商分析完成任务所需的卫星系统需求。
       该阶段的主要任务是完成‘任务需求评审’,开始为卫星系统顶层架构定义需求。这就意味着,卫星本身的设计需求要考虑:载荷供电、星地数据传输、aocs、整星供电、热控系统;初始设计仅为纯粹的预算分析(电池容量、数据存储容量等的估算),需要精确的星地交互仿真(轨道为主)。
阶段2: 确定组件需求
       如 aocs算法需求、组件设计的定性/定量需求、全系统结构/热/电源控制功能的定性/定量需求、载荷及控制的功能/性能需求、星载软件需求。明确轨道、系统、运营、载荷功能需求后,与最终用户一起进行‘系统需求评审’。开始系统级设计:初步开发姿轨控制算法,卫星拓扑结构,电气架构cad图,热、机械结构有关计算。
阶段3: 真正的定义阶段
       巩固系统级设计。定义组件/子系统,供应商psp1-n级。该阶段的工作包括:
• 子系统供应商生产部件
• 部件和系统布局的详设
• egse (electrical ground support equipment)开发和测试
• 星载软件的开发和测试
• 测试过程的开发和确认(development and validation of test procedures)
• 单元和子系统测试
阶段4:生产阶段
       结束时完成整星装配调试,卫星可运行。阶段结束时,需完成所有设备验证测试、集成测试、系统验证测试(包括热真空舱、震动台、emc测试),确保所有部件、电子器件/焊接/粘合等制造过程都符合航天标准。该阶段的工作内容包括:
• 软件验证
• 系统集成和测试
• 运作和功能方面的确认 (validation regarding operational and functional)
• 飞行操作程序的开发与验证(development and verification of flight procedures)
阶段5:运营阶段
       整星制造商需要在提供系统、载荷校准等支持。该阶段的工作包括:
• 地面部件(地面站/船、指挥中心)确认(ground segment validation)
• 操作训练
• 发射
• 在轨运行
• 有效载荷标定
• 性能评估
• 主供应商提供技术问题解答支持
阶段6:停运、销毁

航天器产品仿真验证
       mdve(基于模型开发验证环境)是美国航天器产品验证的主要手段。根据产品开发阶段而采用不同的仿真方法。而这种方法更类似于搭积木。

       仿真验证横跨阶段3~阶段5三个阶段,从全系统均是数学模型开始,至全系统全部实现为真实产品,再至航天器上天运行。不同的产品周期下,其仿真手段和目的不尽相同。下面按照产品开发——运营的时间顺序,来分解各阶段的仿真验证方法。
• 算法在环
       目的:算法验证,使用卫星和太空环境的完全功能模型,利用相关模型,测试上一步设计的控制算法。
  ♦  算法与模型之间传输物理信号,不是实际数据包(当前数据接口未定义)
  ♦  模型编译为c++,仿真器ood,算法编译成目标代码一般为c
  ♦  控制台可控制obc模型和仿真器(启、停、参数传输、故障注入)
 
• 软件在环(software-in-the-loop)
       目的:软件验证 – svf(software verification facility ),软件开发svf, 全系统工作模式测试svf。
       该阶段是整个航天器开发流程中非常关键的一环。svf的组成:
  ♦  星载软件obsw:操作系统、完备控制代码、接口驱动、地面站通讯算法
  ♦  星载计算机obc功能模型
  ♦  卫星模型:算法在环阶段模型基础上增加、细化模型,采用真实接口和数据协议模型,部件间的连接关系
  ♦  控制台:单元测试、集成测试、debugger功能、接口与星地通信一致tm/tc(ccsds标准)、手写控制台程序、core-egse
  ♦  地面站:系统测试
       仿真方法如下图所示:
       说明:
  ♦  obc的模型更细致——所有部件包括微处理器(cpu)及其功能、io;根据硬件描述稳定实现的理想模型
  ♦  obsw将下载至obc中运行
  ♦  svf不仅可用于对obsw测试,而且可用于监控卫星所有功能
  ♦  较fvb阶段,svf的模型需:硬件端口确定并且使用数据协议传输信号
  ♦  tm/tc-fe(telemetry /telecommand-frontend):模拟地面雷达发射站与obc的通讯;模拟遥控和遥测指令发送、接收

• 信号级hil,控制器在环(controller-in-the-loop)
       此阶段星载计算机为以成为真实产品,或原型样机,其余设备及子系统均为模型。该阶段的其目的是测试星载计算机软件与硬件兼容性

• 功率级/硬件级hil
       组成:电气功能模型,敏感器激励设备、特殊供电等,控制台控制;
       目的:逐步接入设备,替代模型,直到完成所有设备hw/sw的兼容性测试

• 运营期使用的仿真器(simulator for operations support)
       组成:与sil阶段相同。
       目的:
  ♦  训练;
  ♦  用于测试卫星软件升级/补丁,通过再上传;
  ♦  模拟卫星故障,进行地面仿真,查找原因。
       仿真系统来源:供应商或运行商自行开发

 

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