CubeSat 是一種繞地球運行的小型航天器。立方體衛星的基本設計是一個 10 厘米（4 英寸）的立方體，質量小于 1.33 千克（2.93 磅）。一旦進入太空，這可以用于各種應用。立方體衛星是經濟的，并且在很大程度上降低了發射成本。由于它很輕，所以你不需要很多燃料來搬運它們。在大多數情況下，它們還與一顆更大的衛星共用一個火箭，從而可以乘坐更重的有效載荷進入太空。

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

對它們建模的關鍵在于所有任務都應該在最后期限內完成。早期的故障檢測和分析對于在集成到現實生活系統之前消除任何故障是必要的。它節省了設計者的成本、精力和時間。架構探索將給出系統將如何工作的整體視圖。各種權衡和性能分析將使我們能夠達到指定的要求。

圖 1：VisualSim Architect 中 CubeSat 的架構模型

圖 1 描繪了使用來自 Mirabilis Design Inc. 的稱為 VisualSim Architect 的建模和仿真軟件開發的 CubeSat 模型。設計人員可以進行各種實驗，進行各種權衡以進行優化和功能研究，以滿足特定要求，然后再實際實施即時的。設計人員可以清楚地了解性能和功率優化，以計算權衡，例如故障和功能分析、安全性以及各種其他屬性。它有助于探索架構并在早期階段糾正故障區域。

控制器在任務開始前配置所有系統。與每個任務相關聯的是計劃時間、處理時間和最后期限。模塊化航天器 (MSV) 調度程序負責調度任務。調度器使用應用傳感器接口模塊 (ASIM) 映射器將任務呈現給相應的硬件單元。ASIM 由調度程序根據軌道號和表中定義的順序觸發。在這個動態系統仿真中，有一個處理模塊可以監控和記錄延遲、功耗和電池充電活動。為每個任務定義的延遲用作子系統完成任務所需的時間。子系統映射器負責將進程分配給各個子系統。

在模型模擬后觀察到各種觀察結果。下面給出的數字顯示了一些相關的圖。在仿真過程中，探針分析了隨時間消耗的功率、電池充放電量、子系統活動圖、每個任務的延遲和散熱。在本文所示的報告和圖中，任務是在子系統中順序執行的。還有另一個選項可以并行執行任務。由于該 Cubesat 的電池容量有限，并行執行被禁用。觀察到的最長任務的最大延遲為 485 秒。觀察到順序執行的最大功率瞬時功率水平為 116.2 瓦。

圖 2：調度到 MSV 調度程序的任務

圖 3：模擬后生成的圖（禁用并行執行）

圖 4：子系統繪圖儀

MSV 表列出了圖 2 中沒有活動的軌道。從模擬結果中，我們可以注意到圖表在 0.6 到 0.8 百萬秒之間出現了中斷。這是因為在軌道 1001 和 1459 之間沒有計劃發生事件，如圖 2 所示。我們在其他非活動軌道期間沒有看到安靜區域。這是因為先前軌道中的任務沒有在截止日期內完成并繼續執行。這表明期限太短、處理能力不足或需要增加電力系統。額外的分析和使用相關的診斷引擎可以確定這三個的確切配置，以確保滿足所有最后期限。

圖 5：啟用并行執行任務時觀察到的統計數據

在并行執行中，它是在多個處理器上同時執行同一任務，拆分為多個子任務，以便更快地獲得結果。而在順序執行的情況下——一次通過，從開始到結束，沒有其他處理執行——而不是并發或并行。圖 5 顯示了在一個軌道內并行執行任務的統計數據。在這種情況下，任務在最后期限內完成，空閑軌道顯示不活動。與之前的用例相比，子系統中任務的執行以更低的延遲完成。啟用并行執行時觀察到的最大延遲為 462.5 秒。幾乎沒有任務溢出到附近的軌道上。

以功耗為代價獲得了巨大的性能改進。當然，并行執行需要幾乎兩倍的峰值功率，并且需要更大的電池容量。

觀察到并行執行時任何時刻消耗的最大功率為 224.6 瓦。原因是多個子系統同時處于活動狀態。可以對其他用例進行額外的貿易研究，并且可以在很短的時間內完成對結果的分析。這些類型的動態系統模型是系統和硬件架構師的資產。

子系統繪圖儀通過突出顯示相應的顏色線來顯示活動系統。

圖 6：子系統繪圖儀

我們還可以看到，這種權衡研究讓架構師深入了解這種設計的性能如何。它還提供了在設計工作的早期階段糾正任何錯誤的規定。

為什么權衡研究很重要？

每個軌道都分配有一組任務，例如收集遙感圖像的特殊相機、從衛星到地面的通信（稱為下行鏈路通信）以及記錄和傳輸儀器的讀數。完成特定任務的任期和地點是預先分配的。我們觀察到一些任務完成的時間比預期的要長。例如，1000 號軌道在 540 萬秒時完成，但實際任務直到 600 萬秒才完成。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于衛星的成功至關重要。這可以用一個例子來解釋。例如，衛星需要在數據的特定時間在沒有云層覆蓋的情況下對特定區域進行遙感。如果未在規定期限內完成圖像捕捉任務，實際覆蓋的區域將與目標區域不同。在這種情況下，早期的故障檢測和分析變得很方便。

結論

建筑探索是CubeSat成功的非常關鍵的一步。CubeSat 必須符合特定標準。控制因素是它的形狀、大小和重量。預計它們會很便宜。在實際實施之前必須考慮各種因素。例如，如果設計師想要提高處理器的速度，這反過來又會增加模型的成本。或者為了增加功率，可以安裝更大的太陽能電池板。但它增加了模型的權重。Cubesat 使用防輻射電子元件，價格昂貴。對這些組件進行測試的成本甚至更高。它應該只用在它使用是合理的組件中。設計人員還必須確保系統在指定的期限內運行。需要一個可以完成整個操作和分析的單一環境。在其實時實施之前，每個參數都將被分析。這可以在相當程度上降低成本影響。

文章來源：eeweb

編輯：ymf