基于MBSE的大型天线系统设计方法

陈志平，万永伟，何昱辉，李春光，凌 曦，孙哲杰

(1.杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310018；2.西安空间无线电技术研究所，陕西 西安 710100)

0 引 言

随着我国探月工程、“北斗”卫星系统、暗能量探测和“天问系列”行星探测的不断推进，天线产品经历了纯机械系统到机电一体化、机电软件等多学科高度综合的过程，其功能和结构愈加复杂[1]。传统大型天线设计方法虽有相对成熟的研制流程，但设计中仍存在一些不足，如各设计阶段传递的信息不一致且存在大量冗余，协调工作十分繁重等。特别是设计初始阶段缺少严谨的正向逻辑推演，需求、功能及架构分析不足，缺少有效分解验证，导致产品研制流程难以闭环，设计方案的频繁更改也难以保证各个阶段信息传递的一致性和追溯性。为了解决这些问题，国际大型天线项目如欧洲极大望远镜(European Extremely Large Telescope，E-ELT)、大麦哲伦望远镜(The Giant Magellan Telescope，GMT)积极实践和推进基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering，MBSE)，建立了大量系统模型以验证大型望远镜所需的功能和性能要求[2-3]。Robert等[4]在E-ELT初步设计阶段，探索大型望远镜的系统建模方法，建立了系统体系结构规则，实现了可验证的系统设计目标并按时高质量地交付项目。David等[5]在GMT中探索集成建模体系，通过MBSE进行控制分析和有限元模型分析，得到风载的初步性能结果。2017年，国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)将系统建模语言(System Modeling Language，SysML)标准化后，进一步加速了模型驱动技术的发展[6]。美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)采用MBSE方法展开积极实践，提升了项目的经济性，提高了研发质量，缩短了研发周期[7-9]。

近年来，MBSE在航空航天、复杂机电产品领域的应用研究越来越多，但在大型天线领域的相关研究仍处于探索阶段。本文主要研究MBSE在大型天线设计中的应用，基于SysML语言，从理论分析、模型设计和验证分析等方面着手，完善传统设计方法前期阶段的不足，以得到一套无歧义、数据源统一、各指标需求可追溯验证的设计方案。

1 MBSE应用分析

1.1 MBSE设计流程

图1 V型设计流程

MBSE以可视化数据模型为基础，通过需求驱动系统的分析、设计、制造、生产、试验、验证和售后等工作，从概念阶段开始，贯穿整个系统的生命周期。其中最为经典的V型设计流程如图1所示。V型设计从需求阶段开始定义产品设计初期各个方面的需求，在方案早期阶段提供一个通用的、无二义的信息传递方式，通过模型优化迭代来实现产品的系统设计，缩短了设计研发周期[10]。

1.2 天线设计的MBSE方法

采用MBSE的天线设计方法从需求分析、功能分解、架构生成3个方面，对研制过程进行表征，保证需求、功能、架构间信息传递的一致性。设计前期的需求分析驱动功能分解，架构生成承载系统功能并满足利益相关者的需求，通过各个设计阶段严密逻辑关系以保证信息的可追溯性和可验证性。

需求分析阶段如图2所示，包括需求分析和需求建模两个阶段，两者相辅相成。通过需求分析来识别利益相关者，采用问题、问题域获知手段，如查阅相关领域文献、咨询相关研发团队等，经过归纳、整理，得到项目背景、招标文件等输入需求。需求建模对涉众需求进行甄别，明确主次，取舍权衡，采用用例图、需求图逐层逐级分解为系统级需求、子系统级需求。最终分解出系统的行为、能力、传递信息等功能需求和经济性、可靠性、安全性等性能需求。其中性能需求描述系统行为的达成度即有效性测量指标(Measures of Effectiveness, MOE)。

图2 需求分析示意图

功能分解阶段如图3所示，对系统用例、功能需求和MOE进行分析，提炼出顶层功能活动并通过一系列场景进行描述、定义，通过用例、活动图将顶层功能活动分解并明确系统功能和性能度量(Measures of Performance, MOP)。系统功能对应功能需求，MOP对应MOE。对功能进行流程、状态分析，确定功能的实现行为和技术性能指标(Technical Performance Measures, TPM)。

图3 功能分解及架构生成示意图

架构生成阶段是对系统功能和MOP进行分配，结合该领域的系统设计经验抽象出系统逻辑架构。将逻辑架构展开，使用活动图泳道将行为映射到分系统组件，并分配技术性能指标向下游设计师传递设计要求，最终得到系统物理架构。

2 基于MBSE的天线系统设计

2.1 天线需求分析及建模

依据天线研制总要求，大型可动式抛物柱面天线的口径为40 m，轴向长度140 m，分为3个天线单元，俯仰转动范围±45°。细化系统级用例及利益相关者如图4所示。系统级用例场景描述需求获取、方案评估、系统设计等研制过程，识别利益相关者并对其进行细化，如用户在研制过程中扮演提出需求的角色，包括科学家、天文学家、学者、天文台和操作者等，从而识别利益相关者需求。

图4 天线系统级用例及利益相关者细化

将利益相关者需求进行提炼和权衡，得到系统级需求。确定系统级需求后，对系统级用例进行分解，通过场景反复迭代分析，描述系统、子系统、外部环境、人员间的关系，提炼子系统级需求，并导入到需求模型中，建立三级条目化需求如图5所示。

图5 天线三级条目化需求

通过对用例场景的细化分解，结合天线系统设计经验，按照不同侧重点将天线发散的需求圈定范围，进而对天线需求进行捕获和分解，构建天线子系统需求如图6所示，主要包含接口需求、馈源网络需求、天线机械结构需求等，其中天线机械结构需求分为保精度加速度、天线锁定位置、馈源调节能力等，性能需求分为可靠性、安全性、环境适应性等。

图6 天线子系统需求图

需求图是对需求间继承、泛化、组成关系的表示，而不是对需求条目化的简单复述，通过这种形式将利益相关者需求、系统级需求、子系统级需求不断细化分解，进而建立需求三级模型，可视化程度高，便于追溯管理。

2.2 天线功能分解及架构生成

将文字描述的子系统需求具象为系统实际运行过程，建立系统顶层功能用例并将需求分配到具体行为中，构建顶层功能用例如图7所示。其中，观测要求需满足性能需求，天线控制需满足伺服控制需求，数据传输需满足接口需求。

图7 天线顶层功能用例

对系统行为进行分解并建立活动图，详细描述天线功能场景，最终每个功能对应一个或多个活动和场景，实现子系统级需求的承载。将天线观测功能展开，描述天线运行过程，明确各功能间的关系和执行顺序，将观测功能分解为如图8。获取工作计划和目标参数后，通过控制系统设定参数等待任务执行，任务开始后控制天线到达预定位置，修正指向模型跟踪目标、实时调整反射面位置采集观测数据，同时对整个过程进行监控记录，任务结束后生成报告。

图8 观测功能分解

需求分析和顶层功能分解后，使用活动图泳道对观测流程进行分配，得到系统逻辑架构如图9所示。将获取工作计划和目标轨道数据、编制计划下发参数、生成任务执行报告等功能分配到辅助设备单元，同理可划分出伺服控制单元、机械结构单元、天线标校单元、馈源网络单元和测试标校单元。将安全性、维修性、保障性等MOE承载到系统，将尺寸、重量、寿命、等MOP承载到分系统，建立系统逻辑架构如图10所示。

图9 逻辑架构分配

图10 逻辑架构生成

确定系统逻辑架构后，对系统功能进一步分解，细化作为物理架构功能分配的输入源，物理架构分配得到如图11所示，将天线运行过程分解，并通过泳道将自锁装置、缓冲器、限位器等功能分配给座架结构，将观测、速度检查、负载检测等功能分配给天线反射体，同理将组成模块进一步分配，如滚动导轨分为滚珠、下V静导轨、上V动导轨。将组件数、单块重量、精度等TPM承载到组件，生成系统物理架构，如图12所示。

图11 物理架构分配

图12 物理架构生成

随着各分系统不断向下的分解、细化，这一过程依据不同颗粒度，可分解到不同的系统组成单元。

3 天线系统设计变更分析与案例验证

3.1 变更分析

系统架构生成后向下游提交设计要求，待下游反馈详细设计信息后生成实例，在系统层级对可视化模型进行分析，从而完善方案设计阶段的不足。通过参数图、内部块图建立分析模型，在系统层级进行权衡分析，如图13所示。确定系统架构后计算MOP，可采用2种方式进行系统级权衡分析。一是启发下游设计，将总体指标预先分配至各分系统，得到各组件TPM参考范围，对其选型赋值，只要优于或满足参考范围，则输出详细设计方案；反之，则继续迭代直到满足要求。二是验证下游设计，将专业设计信息TPM导入系统模型，进行模型分析，若满足初始MOP则满足需求，输出详细设计方案；反之，则反馈下游重新设计。

图13 权衡分析示意图

分析验证后通过追溯矩阵，严格定义需求、MOE、功能、MOP、架构、TPM间的关联关系，保证信息传递的一致性。在系统模型分析后，当需求发生变化或组件变更时，可轻易通过逻辑关系获得涉及变更的元素，便于需求变更分析，缩短了变更周期，提高了设计效率。

3.2 案例验证

以天线运行关键传动部件分析为例，建立传动部分核心组件-滚珠分析模型如图14所示。在MBSE中将传统经验公式封装到模型，通过分析模型调用计算工具进行计算，方案设计阶段只需修改相应参数即可进行验证，其大致过程为：圆弧滚动导轨与单排回转轴承相似，负载为额定静容量，采用额定静容量计算其滚珠尺寸及性能参数。

图14 传动件-滚珠分析模型

(1)

式中，d为滚动体直径，单位为mm；C为额定静容量，单位为N；f为滚道硬度系数；z为滚动体个数；a为滚道接触角，取值为45°。一般情况下，滚珠平衡位置应承受天线反射体所有重量，且满足2倍以上安全系统，故取C=9.2×105N，f=30 N/mm2，考虑极端情况下只有5个滚珠承重，故z=5。滚珠分析结果如图15(a)所示，通过计算得到滚珠直径d≥93 mm，即选用GCr15型号的滚珠直径必须大于93 mm才能满足系统需求，得到天线系统滚珠最佳排布方式为3组，每组21颗如图15(b)所示。

图15 传动件-滚珠分析结果

在需求分析阶段，MBSE方法对需求进行结构化、模块化设计，建立需求追溯、需求功能追溯矩阵如图16、图17所示，对需求进行定义、分解和分配，建立不间断双向关联链和协同机制保证利益相关者共享追溯信息，实现需求的一站式导入和捕获、端到端的全局需求追溯及需求变更流程管理，方便于设计方案的分析、修改和验证。

通过系统模型自动追溯利益相关者需求、系统需求、功能及架构的继承及满足关系，得到天线系统关联关系，系统模型变更关系分析如图18所示。若自顶向下分析，当需求改变或提出新需求时，从利益相关者需求、系统需求、天线功能和架构的传递过程中，逐层逐级分析受需求变更影响的天线功能、性能和架构设计；若自底向上分析，当某个组件如滚珠方案改变时，通过变更关系得到受到影响的系统架构、功能、性能和需求，如滚动导轨、机械结构单元、天线观测、主反射面形式、巡天观测需求等。

图16 三级需求追溯矩阵

图17 需求功能追溯矩阵

图18 系统模型变更关系分析

4 结束语

本文结合项目实践经验，提出一种应用MBSE的大型天线系统设计方法，并以40 m×140 m的大型可动式抛物柱面天线研究设计为例，建立三级需求模型，解决传统设计方法需求分析不足问题；以需求驱动设计，需求、行为、功能和指标相互关联，解决传统设计方法溯源、查找、修改难等问题；通过方案阶段进行系统级分析验证，解决传统设计方法在前期难以闭环问题。结果表明基于MBSE的系统模型可以统一多学科异构知识进行协同设计，减少了冗余，设计方案满足用户需要、达到设计要求。后续将在大型天线研发项目中不断实践，充实知识资料库，建立大型天线系统三级模型库，以缩短研发周期，节约研制成本，提高设计效率。