MATLAB 和 Simulink 在航天系统领域的应用

MATLAB® 和 Simulink® 使航空航天工程师能够加快开发流程,改善团队间的沟通。 系统和子系统工程师可以使用 MATLAB 和 Simulink 执行以下操作:

  • 在时域中执行基于需求的任务确认
  • 使用多学科航天器模型运行系统蒙特卡洛 (Monte-Carlo) 仿真
  • 执行权衡研究,以进行航天器尺寸和硬件的选择
  • 分析航天器遥测和有效载荷数据
  • 设计详细的导航、制导和控制 (GNC) 算法
  • 创建光伏 (PV) 发电子系统模型并设计电力电子元件
  • 分析射频和数字通信子系统以及在 FPGA 上部署算法
  • 生成符合航天工业标准的嵌入式 C 和 C++ 代码
  • 执行飞行软件验证和确认

“相比其他产品,MATLAB 和 Simulink 帮助我们节省了大约 90% 的成本,而且能够灵活编码,从而支持我们开发自己的模块,同时能够充分理解所做假设,这在向其他团队报告结果时显得非常重要。”

Patrick Harvey, Virgin Orbit

MATLAB 和 Simulink 在空间系统领域的应用

导航、制导与控制 (GNC)

借助 MATLAB 和 Simulink,控制工程师可以在软件实现前使用受控对象模型测试其控制算法,因此无需借助昂贵的原型,也能开发出复杂的设计。可以针对多个物理配置(如卫星设计的公共总线架构)进行设计。工程师可以在同一个环境内开展以下工作:

  • 构建并共享 GNC 模型
  • 对控件和机械设计更改的系统级效果进行整合和仿真
  • 复用生成的飞行代码和测试用例
  • 使用现有设计和工具整合新的设计

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动力系统

动力系统工程师可以使用 MATLAB 和 Simulink 执行多种任务,例如,运行仿真以进行任务功率曲线分析,预测电池老化对系统造成的影响,以及执行电气元件(如 DC-DC 变流器)的详细设计。

使用提供的模块,或者根据设计需求创建自定义模块,可以快速模拟创建电气元件和系统(如太阳能电池阵列和电压调节器)。工程师便可对模型进行仿真,求解相关的复杂方程组,而无需编写低级代码,而且还能够立即可视化结果。另外,还可以在模型中添加热效应和姿态效应,实现在一个环境中执行多域仿真。

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通信系统

通信系统工程师将 MATLAB 和 Simulink 作为一个通用设计环境,在其中开发、分析和实现航天器的通信系统。工程师可以使用 MATLAB 和 Simulink 创建信号链元件(包括射频、天线和数字元件)原型。然后将多个团队的成果合并成一个系统级可执行模型。

工程师可以在系统层面快速发现问题,并检验实验室中难以出现的假设情况。  随着设计的成熟,工程师可以自动针对嵌入式处理器生成 C 代码或针对 FPGA 生成 HDL 代码

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系统工程

系统工程师使用 MATLAB 和 Simulink 执行动态分析。他们可以使用可执行的多域航天器和地面系统模型进行需求确认和验证,提供有关系统级行为和性能的信息,而这仅靠静态分析是无法实现的。

系统工程师能够追踪高层需求,监控需求在设计中的详细执行情况,以及在自动生成的源代码中跟踪需求。能够将需求映射到测试用例,并在执行测试用例时自动测量需求的覆盖范围。

另外,系统工程师还能针对设计文档和测试创建定制的自动化报告。

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航天软件工程标准的符合性

航空航天和软件工程师需要遵循其流程适用的各种标准。借助 MATLAB 和 Simulink,工程师能够遵循世界各地采用的标准,如 NPR 7150.2(NASA 软件工程要求)和 ECSS-E-40(欧洲空间标准化合作组织、空间工程软件)。

工程师可以运行基于需求的单元测试,并通过自动化建模标准检查确保飞行软件算法已准备就绪。然后,可以自动从模型生成 C 和 C++ 代码,并使用静态代码分析、形式化方法和代码审查功能检查是否遵循 MISRA 等标准。

另外,还可以证明不存在运行时错误,并自动执行代码检查。工程师可以在每一步自动生成认证工件,包括软件设计文档、指标和要求。 

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Model, Simulate, and Visualize CubeSat Satellites

The CubeSat Simulation Library for Aerospace Blockset™ lets you model, simulate, analyze, and visualize the motion and dynamics of CubeSat satellites. To get started with CubeSat simulations, you can use the library’s ready-to-simulate example or model templates. Use the search term "CubeSat" on Add-On Explorer in the MATLAB desktop to find and install the library.