基于主控骨架体系的卫星三维协同设计技术研究

姚 骏 王志瑾 袁金如



基于主控骨架体系的卫星三维协同设计技术研究

姚 骏1，2王志瑾1袁金如2

（1. 南京航空航天大学，南京 210016；2. 上海卫星工程研究所，上海 201109）

提出了基于主控骨架体系的卫星三维协同设计方法，以整星主控骨架为统一源头，将关键几何尺寸与基准纵向派生形成各专业骨架模型，利用各专业接口骨架模型实现接口信息横向传递，由此开展协同设计。该方法在某卫星工程研制中得到了全面应用，显著提高了整星三维协同设计效率和质量控制水平，具有较大的推广应用价值。

卫星；三维协同设计；主控骨架

1 引言

卫星构型组成复杂、专业覆盖广泛，研制过程中技术状态变更、迭代、优化等高度交叉重叠，属于典型的跨专业、跨领域、跨单位协同开发的产品[1]。

随着数字化技术的发展，基于三维设计环境开展的卫星协同设计已经全面应用，越来越多的设计信息依赖三维模型表达，使得三维数字化模型承载的设计信息日趋复杂和多样[2～5]。总体构型布局模型作为整星系统设计的顶层模型，需要承载传统模式下表达各舱段组成及舱板搭接关系的整星构型设计信息、星上设备布局状态信息，同时需向各专业传递设计意图和设计状态信息。这种集中而复杂的信息承载直接导致总体构型布局模型所表达的信息、记录的参数超量繁多，模型体量庞大，三维协同设计过程中极易出现因总体构型布局模型承载超量设计信息而无法对整星状态进行有效快速的迭代修改和优化调整，严重影响了总体与各专业的设计协同和信息交互，给卫星研制带来极高的技术风险和隐患。

鉴于以上问题，本文提出了基于主控骨架体系的卫星三维协同设计方法，以主控骨架为载体，利用外部复制几何派生出各专业骨架模型，通过整星关键几何尺寸与基准驱动，实现主控骨架模型向各专业骨架模型的纵向快速修改迭代；基于各专业骨架模型，开展布局设计并提取元件安装接口信息，以各专业接口骨架模型为载体，进行专业间接口信息横向传递，降低了接口传递的模型体量。由此，形成了卫星“纵”与“横”两个维度的主控骨架体系，在此基础上开展各专业间的三维协同设计。

2 卫星三维协同设计现状

三维协同设计是指总体及各专业在三维设计环境下进行的分布式并行协调设计，包括设计表达、设计约束和设计协调等三个核心要素。这三个核心要素反映到设计模式上，主要体现在三个方面：一是上下级设计表达之间的纵向控制关系；二是并行设计之间的横向约束关系；三是各专业间可能产生设计冲突的协调关系。

当前，卫星总体负责整星构型（骨架）和单机布局设计，结构、热控、电路、推进等专业基于整星构型布局模型分别开展卫星结构、热控、电缆网、推进管路协同设计，最后由总体实现整星模型完整集成。其中，整星构型和单机布局模型是耦合在一起的。整星协同设计时，总体与各专业之间存在大量信息交互、迭代，各种技术状态变化引起卫星总体骨架经常发生变更，导致各专业模型状态不稳定，继而影响整星协同设计效率和质量。

从三维协同设计要素和模式上看，其本质上归属于自顶向下设计理念范畴。目前，国内外对于自顶向下设计理念进行了不同程度的研究，特别是在多骨架模型方面取得了建设性的成果[6～8]。基于多骨架模型的自顶向下设计方法，即在产品横向设计上采用多功能骨架模型，对设计参数进行分类管理，形成有效的设计参数受控发布；在产品纵向设计上采用多层次骨架模型，对设计参数进行分层控制，避免设计单元重用时的参照关系混乱。由此，在传统的基于单一骨架作为传递设计意图载体的基础上，多骨架模型对设计参数进行分类管理和分层控制，从而实现设计参数的受控发布。但是，针对卫星这种复杂的、特殊的系统性工程产品，重点需要突破总体与各专业、各专业之间直接协同设计的瓶颈，单纯采用多骨架模型作为传递设计意图载体，并不能完全解决设计过程中的迭代问题。

3 基于主控骨架体系的卫星三维协同设计方法

本文提出的基于主控骨架体系的卫星三维协同设计方法，高度契合当前卫星系统设计中的需求，在设计意图的传递和交互上进行纵深式和横跨式的层级并行控制，在整星构型布局模型基础上剥离其所承载的具体设计信息及相应的内容和参数，统筹提取卫星系统设计时的核心信息并进行顶层控制和约束，形成整星主控骨架体系并开展三维协同设计。

3.1 基于主控骨架体系的纵向协同

在进行跨专业的分布式协同设计时，定义清晰明确的设计基准，将这一设计基准固化并传递至所有相关专业。

在传统的自顶向下设计模式中，首先按照各专业划分模块，并在顶层模型或骨架模型中定义各专业接口关系；然后在一定层级的设计模型中进行设计表达约定（包含几何包络、设计参数、设计规范等），主要载体形式为三维骨架或二维布局图等。虽然这种方式较为直观并能实现预定义，但由于信息承载量限制，通常只能应用于关键设计信息的控制和传递。

通过对整星构型设计要素的提取剥离，对原本作为设计基准和参数源头的总体骨架模型进行深度挖掘，将负责表达整星基准、外形包络、主承力结构、舱板搭接关系和涉及专业间约束的穿舱孔等信息内容予以整合，固化成主控骨架；同时，将总体专业骨架模型中承载星上设备布局状态信息降维，形成总体专业骨架模型，如图1所示。

图1 主控骨架与专业骨架纵向传递关系

基于主控骨架模型体系，对整星设计基准进行有效减负，确保设计基准的定义清晰明确；对总体专业骨架模型进行降维，将原本高度耦合的设计表达予以解耦并分级区分，在主控骨架和总体专业骨架模型之间形成纵向控制关系，确保自顶向下的控制关系严格单向；对主控骨架模型进行纵向控制，确保各专业间设计基准来源统一，避免设计基准传递混乱和失控。

3.2 基于主控骨架体系的横向协同

横向协同时，各专业详细设计需要将其间存在的约束传递并在各自状态中予以响应。由于物理上的独立分布，设计过程中各专业之间的交互协调往往不够充分，且各专业设计进程不一，相互之间的设计优先级不明确，多专业的平行设计难以开展。在这种情况下，各专业间的双向约束往往无法充分传递，极易引起本专业状态确定后与其他专业产生设计冲突。

基于主控骨架体系进行协同设计，可以利用主控骨架所定义的单向统一设计基准，直接建立各专业平行设计状态下的协同设计环境。将各专业输入/输出的接口信息进行整合，一方面提取不占用物理接口的非空间占位信息，将该类信息在源模型中进行相应的特殊标记并整合到各专业骨架模型中，借用各专业骨架模型作为传递载体实现各专业间的横向约束传递；另一方面，按照分类原则收集各专业的各类接口信息，并将这些接口信息全部整合到各专业接口骨架模型中，以各专业接口骨架模型作为传递载体实现各专业间的横向约束传递。从图2看出，基于主控骨架体系的横向协同，将各专业间设计约束信息的传递和交互，全部约束在利用主控骨架所定义的单向统一设计基准和各专业平行设计状态下的协同设计环境下，分别由接口骨架、接口模型作为载体实施。

图2 基于主控骨架的横向协同

4 基于主控骨架体系的卫星三维协同设计应用

4.1 主控骨架体系的建立和纵向控制

卫星建立主控骨架体系，根据构型特点将整星骨架模型划分为整星、舱段、舱板三个层级，见图3。

图3 主控骨架分层表达的信息

整星骨架主要表达整星构型、舱板构型、舱段位置尺寸、舱板位置尺寸、舱板主要尺寸、承力筒主要尺寸等信息，如卫星基准坐标、卫星基准面、卫星轮廓、舱段基准坐标、承力筒轮廓、卫星舱板轮廓、舱板厚度、搭接关系等。舱段骨架主要从整星骨架中继承舱段所属舱板构型、舱板位置尺寸、舱板主要尺寸等信息来表达舱段的主要尺寸信息，如舱段基准坐标、承力筒骨架曲面、舱板骨架曲面、舱板厚度、搭接关系等。舱板骨架主要表达舱板细化的尺寸等信息，如舱板基准坐标、舱板开口、穿舱孔、压紧点安装座等。

按照以上分层，既保证了信息的有效传递，又加强了关键信息的纵向控制，图4为主控骨架模型的构建过程。

图4 主控骨架模型的构建过程

4.2 主控骨架体系的设计基准分发

图5 基于主控骨架派生的各专业模型

主控骨架作为其他五个专业的父级骨架，承担整星的构型工作。除体现几何轮廓外，主控骨架模型还体现整星的舱段分配及装配层级关系，梳理整星的拓扑关系如图5所示，主控骨架模型有完整精确的卫星轮廓尺寸，也有明确的层级装配关系。主控骨架模型如进行构型调整，其他各专业的模型在构型层面随之更新；主控骨架模型如进行拓扑关系调整，其他各专业的模型在拓扑关系层面可以更新。

4.3 主控骨架体系的横向并行设计

基于主控骨架体系的多专业协同，各专业横向设计之间也具有统一的设计基准。卫星总体、电路、热控、推进、结构等专业同时作为主控骨架模型的直接子级，具有相同的构型设计参照和接口信息。

横向协同设计时，对非空间占位的接口信息进行整理，如结构舱板安装孔开孔信息、热控喷漆避让脚印信息等。将该类信息在源模型中进行特殊标记，以骨架模型作为传递载体来收集各类接口信息。由于接口骨架中只收集了必要的接口信息，摒弃了冗余信息，缩减了传递数据量，既降低了对计算机资源的要求，又避免冗余信息的干扰。

结构舱板设计模型收集接口骨架中所包含的空间点集、曲面面组等信息，并直接向结构部件实体化模型映射，通过三维特征编辑，实现结构部件自动化实体模型创建，如图6、图7所示。

图6 基于接口骨架的安装接口信息提取

图7 基于接口骨架开展结构设计的舱板模型

4.4 某型号应用情况

基于主控骨架体系的卫星三维协同设计方法，在某卫星详细工程设计中得到了应用验证，圆满实现了从整星到单机的自顶向下以及从单机到整星的自底向上的双向数字化协同设计，涵盖了总体布局、结构、热控、电缆网等多个专业。图8为该卫星基于主控骨架体系的三维协同设计模型。

图8 某卫星基于主控骨架体系的三维协同设计模型

5 结束语

某卫星设计中的应用实践表明，利用主控骨架体系开展三维协同设计，有效加强了设计表达的传递和交互，实现了设计表达的纵向控制、横向并行和设计冲突的平抑调和，逻辑关系清楚，各级分工明确。

基于主控骨架体系的三维协同设计，体现了设计上下游的高内聚、设计专业间低耦合的状态，适应了“分布、并行、协同”的数字化要求，显著提高了卫星设计效率和工作质量。目前该方法已在多个卫星型号上成功应用，可推广应用至其他航天器、飞机、船舶等大型复杂工程产品。

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2 韩凤宇，林益明，范海涛. 基于模型的系统工程在航天器研制中的研究与实践[J]. 航天器工程，2014(6)：119～125

3 刘看旺. 全三维研制技术推动飞机研制体系变革[J]. 航空制造技术，2011(Z1)：78～82

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6 范玉青，梅中义，陶剑. 大型飞机数字化制造工程[M]. 北京：中航工业出版社，2011

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Research on Three-dimensional Collaborative Whole-satellite Design Method Based on Master Control Skeleton System

Yao Jun1, 2Wang Zhijin1Yuan Jinru2

(1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016; 2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109)

This paper elaborates on a three-dimensional collaborative whole-satellite design method based on a master control skeleton system. With the master control skeleton system as the uniform source, its key geometrical sizes and benchmarks can derive synchronously the skeleton models for all involved multiple specialties. With the master control skeleton system at the core of all the multi-specialty skeleton systems, the interfaces of each specialty’s skeleton system can be used to transfer interface information, which enables a three-dimensional collaborative design both horizontally and vertically. Such a method has been adopted comprehensively in a satellite design, which significantly improved the efficiency of the three-dimensional collaborative whole-satellite design and quality control. Therefore, it is worth wider applying.

satellite；three-dimensional collaborative design；master control skeleton

姚骏（1973），研究员，航天器工程专业；研究方向：数字化设计与仿真、卫星结构与机构设计等。

2019-04-28