立方體衛(wèi)星模型模擬后的各種權(quán)衡研究

CubeSat 是一種繞地球運(yùn)行的小型航天器。立方體衛(wèi)星的基本設(shè)計(jì)是一個(gè) 10 厘米（4 英寸）的立方體，質(zhì)量小于 1.33 千克（2.93 磅）。一旦進(jìn)入太空，這可以用于各種應(yīng)用。立方體衛(wèi)星是經(jīng)濟(jì)的，并且在很大程度上降低了發(fā)射成本。由于它很輕，所以你不需要很多燃料來(lái)搬運(yùn)它們。在大多數(shù)情況下，它們還與一顆更大的衛(wèi)星共用一個(gè)火箭，從而可以乘坐更重的有效載荷進(jìn)入太空。

起初，立方體衛(wèi)星專門用于低地球軌道，用于遙感或通信等應(yīng)用。目前它甚至被用于行星際任務(wù)。

對(duì)它們建模的關(guān)鍵在于所有任務(wù)都應(yīng)該在最后期限內(nèi)完成。早期的故障檢測(cè)和分析對(duì)于在集成到現(xiàn)實(shí)生活系統(tǒng)之前消除任何故障是必要的。它節(jié)省了設(shè)計(jì)者的成本、精力和時(shí)間。架構(gòu)探索將給出系統(tǒng)將如何工作的整體視圖。各種權(quán)衡和性能分析將使我們能夠達(dá)到指定的要求。

圖 1：VisualSim Architect 中 CubeSat 的架構(gòu)模型

圖 1 描繪了使用來(lái)自 Mirabilis Design Inc. 的稱為 VisualSim Architect 的建模和仿真軟件開(kāi)發(fā)的 CubeSat 模型。設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行各種權(quán)衡以進(jìn)行優(yōu)化和功能研究，以滿足特定要求，然后再實(shí)際實(shí)施即時(shí)的。設(shè)計(jì)人員可以清楚地了解性能和功率優(yōu)化，以計(jì)算權(quán)衡，例如故障和功能分析、安全性以及各種其他屬性。它有助于探索架構(gòu)并在早期階段糾正故障區(qū)域。

控制器在任務(wù)開(kāi)始前配置所有系統(tǒng)。與每個(gè)任務(wù)相關(guān)聯(lián)的是計(jì)劃時(shí)間、處理時(shí)間和最后期限。模塊化航天器 (MSV) 調(diào)度程序負(fù)責(zé)調(diào)度任務(wù)。調(diào)度器使用應(yīng)用傳感器接口模塊 (ASIM) 映射器將任務(wù)呈現(xiàn)給相應(yīng)的硬件單元。ASIM 由調(diào)度程序根據(jù)軌道號(hào)和表中定義的順序觸發(fā)。在這個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真中，有一個(gè)處理模塊可以監(jiān)控和記錄延遲、功耗和電池充電活動(dòng)。為每個(gè)任務(wù)定義的延遲用作子系統(tǒng)完成任務(wù)所需的時(shí)間。子系統(tǒng)映射器負(fù)責(zé)將進(jìn)程分配給各個(gè)子系統(tǒng)。

在模型模擬后觀察到各種觀察結(jié)果。下面給出的數(shù)字顯示了一些相關(guān)的圖。在仿真過(guò)程中，探針?lè)治隽穗S時(shí)間消耗的功率、電池充放電量、子系統(tǒng)活動(dòng)圖、每個(gè)任務(wù)的延遲和散熱。在本文所示的報(bào)告和圖中，任務(wù)是在子系統(tǒng)中順序執(zhí)行的。還有另一個(gè)選項(xiàng)可以并行執(zhí)行任務(wù)。由于該 Cubesat 的電池容量有限，并行執(zhí)行被禁用。觀察到的最長(zhǎng)任務(wù)的最大延遲為 485 秒。觀察到順序執(zhí)行的最大功率瞬時(shí)功率水平為 116.2 瓦。

圖 2：調(diào)度到 MSV 調(diào)度程序的任務(wù)

圖 3：模擬后生成的圖（禁用并行執(zhí)行）

圖 4：子系統(tǒng)繪圖儀

MSV 表列出了圖 2 中沒(méi)有活動(dòng)的軌道。從模擬結(jié)果中，我們可以注意到圖表在 0.6 到 0.8 百萬(wàn)秒之間出現(xiàn)了中斷。這是因?yàn)樵谲壍?1001 和 1459 之間沒(méi)有計(jì)劃發(fā)生事件，如圖 2 所示。我們?cè)谄渌腔顒?dòng)軌道期間沒(méi)有看到安靜區(qū)域。這是因?yàn)橄惹败壍乐械娜蝿?wù)沒(méi)有在截止日期內(nèi)完成并繼續(xù)執(zhí)行。這表明期限太短、處理能力不足或需要增加電力系統(tǒng)。額外的分析和使用相關(guān)的診斷引擎可以確定這三個(gè)的確切配置，以確保滿足所有最后期限。

圖 5：?jiǎn)⒂貌⑿袌?zhí)行任務(wù)時(shí)觀察到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

在并行執(zhí)行中，它是在多個(gè)處理器上同時(shí)執(zhí)行同一任務(wù)，拆分為多個(gè)子任務(wù)，以便更快地獲得結(jié)果。而在順序執(zhí)行的情況下——一次通過(guò)，從開(kāi)始到結(jié)束，沒(méi)有其他處理執(zhí)行——而不是并發(fā)或并行。圖 5 顯示了在一個(gè)軌道內(nèi)并行執(zhí)行任務(wù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在這種情況下，任務(wù)在最后期限內(nèi)完成，空閑軌道顯示不活動(dòng)。與之前的用例相比，子系統(tǒng)中任務(wù)的執(zhí)行以更低的延遲完成。啟用并行執(zhí)行時(shí)觀察到的最大延遲為 462.5 秒。幾乎沒(méi)有任務(wù)溢出到附近的軌道上。

以功耗為代價(jià)獲得了巨大的性能改進(jìn)。當(dāng)然，并行執(zhí)行需要幾乎兩倍的峰值功率，并且需要更大的電池容量。

觀察到并行執(zhí)行時(shí)任何時(shí)刻消耗的最大功率為 224.6 瓦。原因是多個(gè)子系統(tǒng)同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)?？梢詫?duì)其他用例進(jìn)行額外的貿(mào)易研究，并且可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)結(jié)果的分析。這些類型的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型是系統(tǒng)和硬件架構(gòu)師的資產(chǎn)。

子系統(tǒng)繪圖儀通過(guò)突出顯示相應(yīng)的顏色線來(lái)顯示活動(dòng)系統(tǒng)。

圖 6：子系統(tǒng)繪圖儀

我們還可以看到，這種權(quán)衡研究讓架構(gòu)師深入了解這種設(shè)計(jì)的性能如何。它還提供了在設(shè)計(jì)工作的早期階段糾正任何錯(cuò)誤的規(guī)定。

為什么權(quán)衡研究很重要？

每個(gè)軌道都分配有一組任務(wù)，例如收集遙感圖像的特殊相機(jī)、從衛(wèi)星到地面的通信（稱為下行鏈路通信）以及記錄和傳輸儀器的讀數(shù)。完成特定任務(wù)的任期和地點(diǎn)是預(yù)先分配的。我們觀察到一些任務(wù)完成的時(shí)間比預(yù)期的要長(zhǎng)。例如，1000 號(hào)軌道在 540 萬(wàn)秒時(shí)完成，但實(shí)際任務(wù)直到 600 萬(wàn)秒才完成。這表示處理器速度較慢或電池容量不足。完成最后期限的能力對(duì)于衛(wèi)星的成功至關(guān)重要。這可以用一個(gè)例子來(lái)解釋。例如，衛(wèi)星需要在數(shù)據(jù)的特定時(shí)間在沒(méi)有云層覆蓋的情況下對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行遙感。如果未在規(guī)定期限內(nèi)完成圖像捕捉任務(wù)，實(shí)際覆蓋的區(qū)域?qū)⑴c目標(biāo)區(qū)域不同。在這種情況下，早期的故障檢測(cè)和分析變得很方便。

結(jié)論

建筑探索是CubeSat成功的非常關(guān)鍵的一步。CubeSat 必須符合特定標(biāo)準(zhǔn)?？刂埔蛩厥撬男螤?、大小和重量。預(yù)計(jì)它們會(huì)很便宜。在實(shí)際實(shí)施之前必須考慮各種因素。例如，如果設(shè)計(jì)師想要提高處理器的速度，這反過(guò)來(lái)又會(huì)增加模型的成本?；蛘邽榱嗽黾庸β?，可以安裝更大的太陽(yáng)能電池板。但它增加了模型的權(quán)重。Cubesat 使用防輻射電子元件，價(jià)格昂貴。對(duì)這些組件進(jìn)行測(cè)試的成本甚至更高。它應(yīng)該只用在它使用是合理的組件中。設(shè)計(jì)人員還必須確保系統(tǒng)在指定的期限內(nèi)運(yùn)行。需要一個(gè)可以完成整個(gè)操作和分析的單一環(huán)境。在其實(shí)時(shí)實(shí)施之前，每個(gè)參數(shù)都將被分析。這可以在相當(dāng)程度上降低成本影響。

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