立方体卫星模型模拟后的各种权衡研究

CubeSat 是一种绕地球运行的小型航天器。立方体卫星的基本设计是一个 10 厘米（4 英寸）的立方体，质量小于 1.33 千克（2.93 磅）。一旦进入太空，这可以用于各种应用。立方体卫星是经济的，并且在很大程度上降低了发射成本。由于它很轻，所以你不需要很多燃料来搬运它们。在大多数情况下，它们还与一颗更大的卫星共用一个火箭，从而可以乘坐更重的有效载荷进入太空。

起初，立方体卫星专门用于低地球轨道，用于遥感或通信等应用。目前它甚至被用于行星际任务。

对它们建模的关键在于所有任务都应该在最后期限内完成。早期的故障检测和分析对于在集成到现实生活系统之前消除任何故障是必要的。它节省了设计者的成本、精力和时间。架构探索将给出系统将如何工作的整体视图。各种权衡和性能分析将使我们能够达到指定的要求。

图 1：VisualSim Architect 中 CubeSat 的架构模型

图 1 描绘了使用来自 Mirabilis Design Inc. 的称为 VisualSim Architect 的建模和仿真软件开发的 CubeSat 模型。设计人员可以进行各种实验，进行各种权衡以进行优化和功能研究，以满足特定要求，然后再实际实施即时的。设计人员可以清楚地了解性能和功率优化，以计算权衡，例如故障和功能分析、安全性以及各种其他属性。它有助于探索架构并在早期阶段纠正故障区域。

控制器在任务开始前配置所有系统。与每个任务相关联的是计划时间、处理时间和最后期限。模块化航天器 (MSV) 调度程序负责调度任务。调度器使用应用传感器接口模块 (ASIM) 映射器将任务呈现给相应的硬件单元。ASIM 由调度程序根据轨道号和表中定义的顺序触发。在这个动态系统仿真中，有一个处理模块可以监控和记录延迟、功耗和电池充电活动。为每个任务定义的延迟用作子系统完成任务所需的时间。子系统映射器负责将进程分配给各个子系统。

在模型模拟后观察到各种观察结果。下面给出的数字显示了一些相关的图。在仿真过程中，探针分析了随时间消耗的功率、电池充放电量、子系统活动图、每个任务的延迟和散热。在本文所示的报告和图中，任务是在子系统中顺序执行的。还有另一个选项可以并行执行任务。由于该 Cubesat 的电池容量有限，并行执行被禁用。观察到的最长任务的最大延迟为 485 秒。观察到顺序执行的最大功率瞬时功率水平为 116.2 瓦。

图 2：调度到 MSV 调度程序的任务

图 3：模拟后生成的图（禁用并行执行）

图 4：子系统绘图仪

MSV 表列出了图 2 中没有活动的轨道。从模拟结果中，我们可以注意到图表在 0.6 到 0.8 百万秒之间出现了中断。这是因为在轨道 1001 和 1459 之间没有计划发生事件，如图 2 所示。我们在其他非活动轨道期间没有看到安静区域。这是因为先前轨道中的任务没有在截止日期内完成并继续执行。这表明期限太短、处理能力不足或需要增加电力系统。额外的分析和使用相关的诊断引擎可以确定这三个的确切配置，以确保满足所有最后期限。

图 5：启用并行执行任务时观察到的统计数据

在并行执行中，它是在多个处理器上同时执行同一任务，拆分为多个子任务，以便更快地获得结果。而在顺序执行的情况下——一次通过，从开始到结束，没有其他处理执行——而不是并发或并行。图 5 显示了在一个轨道内并行执行任务的统计数据。在这种情况下，任务在最后期限内完成，空闲轨道显示不活动。与之前的用例相比，子系统中任务的执行以更低的延迟完成。启用并行执行时观察到的最大延迟为 462.5 秒。几乎没有任务溢出到附近的轨道上。

以功耗为代价获得了巨大的性能改进。当然，并行执行需要几乎两倍的峰值功率，并且需要更大的电池容量。

观察到并行执行时任何时刻消耗的最大功率为 224.6 瓦。原因是多个子系统同时处于活动状态。可以对其他用例进行额外的贸易研究，并且可以在很短的时间内完成对结果的分析。这些类型的动态系统模型是系统和硬件架构师的资产。

子系统绘图仪通过突出显示相应的颜色线来显示活动系统。

图 6：子系统绘图仪

我们还可以看到，这种权衡研究让架构师深入了解这种设计的性能如何。它还提供了在设计工作的早期阶段纠正任何错误的规定。

为什么权衡研究很重要？

每个轨道都分配有一组任务，例如收集遥感图像的特殊相机、从卫星到地面的通信（称为下行链路通信）以及记录和传输仪器的读数。完成特定任务的任期和地点是预先分配的。我们观察到一些任务完成的时间比预期的要长。例如，1000 号轨道在 540 万秒时完成，但实际任务直到 600 万秒才完成。这表示处理器速度较慢或电池容量不足。完成最后期限的能力对于卫星的成功至关重要。这可以用一个例子来解释。例如，卫星需要在数据的特定时间在没有云层覆盖的情况下对特定区域进行遥感。如果未在规定期限内完成图像捕捉任务，实际覆盖的区域将与目标区域不同。在这种情况下，早期的故障检测和分析变得很方便。

结论

建筑探索是CubeSat成功的非常关键的一步。CubeSat 必须符合特定标准。控制因素是它的形状、大小和重量。预计它们会很便宜。在实际实施之前必须考虑各种因素。例如，如果设计师想要提高处理器的速度，这反过来又会增加模型的成本。或者为了增加功率，可以安装更大的太阳能电池板。但它增加了模型的权重。Cubesat 使用防辐射电子元件，价格昂贵。对这些组件进行测试的成本甚至更高。它应该只用在它使用是合理的组件中。设计人员还必须确保系统在指定的期限内运行。需要一个可以完成整个操作和分析的单一环境。在其实时实施之前，每个参数都将被分析。这可以在相当程度上降低成本影响。

文章来源：eeweb

编辑：ymf