Aufbau und Einsatz von Entwurfssprachen zur Auslegung von Satelliten

Abstract

Die vorliegende Arbeit zeigt den Aufbau graphenbasierter Entwurfssprachen auf Basis der Unified Modeling Language (UML) im Einsatz für die Auslegung von Satelliten. Bei der Auslegung moderner Satelliten wird in einem von den Anforderungen implizit festgelegten Entwurfsraum ein Optimum gesucht. Um in Zukunft bei gleich bleibender Entwurfsqualität mehr Entwürfe in kürzerer Zeit zu geringeren Kosten untersuchen zu können, wird in dieser Arbeit der automatische Entwurf von Satelliten am Beispiel des FireSat [69] vorgestellt. Für den automatischen Entwurf wird das Entwurfswissen über die Auslegung und die Integration der einzelnen Systemkomponenten in einer Hierarchie verschiedener Entwurfssprachen modular abgebildet. Die Kopplungen zwischen den Systemkomponenten werden für die Auslegung aufgelöst und als generische Schnittstellen formuliert. Die Integration der einzelnen Komponenten zu einem Gesamtsystem erfolgt nach vordefinierten Regeln. Die gesamte Abfolge der Entwurfsregeln, vom funktionalen Vorentwurf bis hin zur Gesamtintegration mit den funktionalen Nachweisen durch die entsprechenden numerischen Simulationsmodelle, stellt eine über verschiedene, variierende Anforderungen robuste Entwurfssequenz dar. In der Vorentwurfsphase werden die Gleichungen bottom-up von Komponenten-Ebene über die Subsystem-Ebene zum Gesamtsystem regelbasiert zusammengesetzt und gelöst. Für die genauere Untersuchung bestimmter Auslegungspunkte wird automatisch eine Sensitivitätsanalyse über die wesentlichen Entwurfsgrößen des Gesamtentwurfs erstellt. Für den Vergleich verschiedener Satellitentopologien werden in dieser Arbeit über 3300 topologisch (d.h. welche der Komponenten) wie auch parametrisch (d.h. wie speziell dimensioniert) unterschiedliche Satelliten vollautomatisch ausgelegt. Daraus werden Pareto-Flächen gebildet anhand derer der topologische und der parametrische Entwurfsraum analysiert wird. Der im Laufe der Regelausführung entstehende Entwurfsgraph repräsentiert ein durchgängiges, ganzheitliches und konsistentes Datenmodell, das die Integration von funktionaler, geometrischer und physikalischer Modellierung im Format der Unified Modeling Language (UML) vereinigt. Die Umsetzung der vordefinierten Entwurfshandlungen (z.B. von Konstruktionsvorgängen wie dem Generieren von Halterungslaschen oder Taschen) für den FireSat erfolgt unter Berücksichtigung aller gültigen Kopplungen zwischen den erzeugten multi-disziplinären Entwurfsinformationen. Die Multi-Disziplinarität des FireSat-Beispiels deckt die funktionale Auslegung, die Generierung von Geometrie in CATIA V5 und OpenCascade, die Thermalsimulation mit ESATAN-TMS und die regelungstechnische Lage-Simulation mit Simulink ab. Das Auslegungsbeispiel FireSat wird durch eine Machbarkeitsstudie zur automatisierten Anordnung (Packaging) und durch die Integration der automatischen Verkabelung (Routing) im Satellit ergänzt. Mit diesem Einsatz der Entwurfssprachen ist die Machbarkeit eines automatisierten Satellitenentwurfs durch Existenz bewiesen. Im Rahmen der Arbeit ist dabei keine prinzipielle theoretische Grenze für einen vollständig automatischen Entwurf sichtbar geworden. Durch die rigorose formale Abbildung und die daraus folgende algorithmische Verarbeitung des Entwurfswissens, ist die für einen Entwurf erforderliche Zeit auf die Programmlaufzeiten der Algorithmen reduziert. Damit ist hinsichtlich der gewählten Modellvorstellungen und Algorithmen die theoretische Untergrenze für die Dauer des Entwurfsprozesses erreicht.

The present thesis describes the conception of graph-based design languages using the Unified Modeling Language (UML) for satellite design. Nowadays designing a satellite can be described as a search for an optimum in a design space implicitly defined by requirements. Supporting the analysis of more designs in shorter time with the same quality this work illustrates the automated design of satellites using the example of the FireSat mission [70]. Automating the design process requires the domain knowledge about the layout and the integration of the systems´ components. The domain knowledge is mapped into a hierarchy of different modular design languages. For the layout the couplings between the systems´ components are resolved and defined as generic interfaces. A sequence of predefined rules specifies the integration of the components to a satellite system. Ranging from preliminary design to the system integration, the sequence of rules also includes the verification by means of detailed numerical simulation models. The resulting automated design process is robustunder several varying initial requirements. In the preliminary design phase the analytical descriptions of the satellites´ components are assembled automatically bottom-up from component-level to subsystem-level to system-level. Solving the resulting system of equations yields the satellites´ design parameters. Analysing the sensitivity of all relevant design parameters automatically allows for the investigation of a certain design point. Laying out more than 3300 topological (i.e. which components) and parametric (i.e. how dimensioned) different satellites, enables the comparison of distinct system topologies. Building Pareto-surfaces from these design points illustrates the topological and parametric FireSat design space. Executing the rule sequence creates a design graph representing an integrated and consistent data model along the entire design process. This design graph allows for the integration of geometric, functional and physical modeling in a consistent central model based on the unified modeling language (UML). Executing predefined rules to create mounting links to satellite electronic boxes or to create stiffening corrugations in the satellite structure, is performed with respect to the relevant couplings given by the multi-disciplinary design information. Being a real multi-disciplinary example, the FireSat design process ranges from functional layout to geometry generation in CATIA V5 and OpenCascade to thermal simulation in ESATAN-TMS to an attitude simulation in Simulink. Incorporating also a feasibility study for an automated packaging and using an automated routing of the satellites cables completes the portfolio of design automation. The feasibility of an automated satellite design is proven by evidence in this work. Regarding the full automation of satellite design, in the scope of this work no principal theoretical limit became apparent. By the rigorous mapping of the design knowledge to a formal description, the consequent automated processing reduces the duration for a single satellite design to the execution times of the different algorithms. With regard to the chosen models and algorithms thus the theoretical lower limit for the duration of the design process is reached.