融合基于模型的系统工程与故障管理，赋能自主航天任务

完全自主的太空任务操作需要具备无需人工干预即可检测故障并补偿的能力。为应对这一挑战并为系统设计和操作提供基于模型的支持，将故障管理（FM）与基于模型的系统工程（MBSE）相连接至关重要。这一方法已通过使用NASA的HelioSwarm任务早期设计信息，基于模型生成故障模式与影响分析及故障树而成功演示。

随着NASA通过阿尔忒弥斯计划及即将到来的深空科学任务努力突破太空旅行的边界，系统自主性和韧性的增强已成为关键技术需求。自主操作需要故障管理（FM）软件来检测太空中发生的问题，以便在无需人工干预的情况下自动缓解。设计自主任务需要一种多学科方法，将FM与任务设计中使用的基于模型的系统工程（MBSE）方法相连接，以确保在设计阶段就构建、建模并集成有韧性、容错的系统。

为满足这一需求，NASA向Qualtech Systems Inc.（QSI）授予了一份第二阶段小企业创新研究（SBIR）合同，用于开发FM能力并增强其商业工具集TEAMS®（该公司早期NASA资助的SBIR工作商业化后的产品），以支持HelioSwarm及其他NASA太阳物理学任务。

QSI的方法

这项工作最重要的任务之一是将系统健康管理（SHM）和FM与系统工程（SE）流程相连接。SHM/FM共同构成一套机制，通过防止故障发生，或在故障发生时检测并缓解故障，确保实现任务目标。SE流程协调、交叉检查并集成系统元素以实现任务目标，并在系统的设计、规范及验证与确认（V&V）中不可或缺。NASA通常在其SE流程中采用基于模型的方法，使用系统建模语言（SysML）作为框架。

尽管SHM/FM在实践中与SE有内在的紧密联系，但通常并未与SE紧密集成。通常，SHM/FM仅在标称系统设计完成后才被纳入，这实质上使SHM/FM成为问题发生后的创可贴式修复，而未考虑如何预防问题。此外，SE和SHM/FM通常涉及不同的主题专家，知识库相互隔离。这种情况可能导致建模方法和分析流程产生不一致的结果，并可能在任务生命周期中导致效率低下。

这个由NASA资助的QSI团队的方法从一开始就将SHM/FM直接集成到MBSE流程中。该方法通过展示SHM/FM方案如何缓解模拟的组件级物理和功能故障的影响，使FM设计能够在操作环境中进行评估。该技术还促进了在设计阶段评估各种FM架构优点的权衡研究。

在这项SBIR工作中，QSI与SysML v2提交团队（SST）合作——该团队由最终用户、供应商、学者和政府联络人组成，参与SysML v2规范的制定，SysML v2是SysML的最新迭代。QSI团队将FM概念和建模标准纳入SysML v2，然后演示了SysML v2模型如何转换为QSI工具集生成的故障空间模型。

这一能力使系统工程师能够使用QSI的商业建模工具集，并分析SysML v2中捕获的系统设计的FM方面。通过捕获故障的原因和影响，QSI的工具集使任务设计者能够执行故障模式、影响及关键性分析（FMECA）和故障树分析（FTA），以分析、量化并改进系统的诊断能力和可用性。此外，该工具集根据此类分析结果推荐设计改进（例如，航天器上传感器的优化位置），并以行业标准格式提供这些建议，便于理解并纳入设计。

在这项SBIR工作中，QSI工具集还增强了与MBSE框架的接口，并促进任务设计FM概念的创建、评估和选择。该工具集现在能够在设计过程早期测试FM概念，以便将充分的检测和诊断能力内置到系统设计中，这可能降低总开发成本，促进任务团队成员之间更好的沟通和协调，并降低开发风险（成本和进度）。

HelioSwarm演示

HelioSwarm将改变我们对太阳风湍流及日地耦合系统的理解。该任务使用一个由中心卫星和八颗共轨小卫星组成的星座或“群”，在动态的月地空间环境中首次同时进行多尺度的磁场波动和质子流测量。由于等离子体湍流将能量跨多个尺度传递，从流体尺度运动到动力学尺度粒子动力学，因此无法从单一测量点或仅从单一尺度的测量中完全理解。HelioSwarm的航天器将以数十至数千公里的间距飞行，使科学家能够重建湍流空间等离子体的三维结构和动力学。这些观测将揭示能量如何在太阳风中传递，转变我们对地球附近、太阳周围及整个宇宙中基本等离子体过程的理解。

等离子体湍流是波动磁场和等离子体运动中的能量从大尺度级联到更小空间尺度的过程。当级联接近与动力学耗散相关的小空间尺度时，能量转化为粒子热量。如果没有空间等离子体中的湍流级联，宇宙大部分区域将比观测到的冷得多。由于湍流在流体（包括空间等离子体）中扮演的基本热力学角色，许多人认为湍流流体是经典物理学中最重要的未解决问题。

QSI团队创建了HelioSwarm子系统和顶层任务需求的SysML v2设计模型，捕获了从任务目标到设计的分解。然后，团队使用其增强工具集将HelioSwarm SysML v2模型转换为FM模型。HelioSwarm模型包括中心卫星和八颗节点卫星的关键子系统，包括指令与数据处理、电源、姿态控制、推进、热控和分离硬件、有效载荷传感器以及地面和空间通信子系统。使用QSI工具集，任务设计者随后生成了FMECA和FTA，并转换为标准化的SysML报告。此外，这些FM分析生成了建议（例如，传感器放置），作为系统设计的拟议更新提供。这一过程将支持具有固有冗余的小型航天器群设计，以增强科学观测和NASA的其他目标，例如为月球表面操作提供任务支持。

对未来NASA任务及非NASA应用的适用性

通过这项最新SBIR工作开发的技术对未来NASA任务可能具有高价值——尤其是那些需要自主操作的任务。QSI TEAMS®工具集已被基线用于NASA Gateway项目的飞行器系统管理功能，并保留了对未来载人航天器的适用性。系统设计工程师可以使用该技术纳入故障缓解策略，在设计阶段初期就能更深入地了解整体系统韧性，从而改进设计。

这项技术也可能在NASA之外有应用。全面高效的FM分析和架构权衡研究对于复杂且高价值的军事系统至关重要，如飞机、水面舰艇、潜艇，甚至现代地面作战车辆。此外，该技术可能适用于新兴商业航天系统、民用飞机和海事系统、交通运输以及发电和配电设备。

有关这项工作的更多详细信息，请参阅相关的TechPort条目：此处、此处和此处。项目负责人： Sudipto Ghoshal博士，Deepak Haste先生，Qualtech Systems, Inc.赞助组织： NASA艾姆斯研究中心