0 前言
根据卫星的质量，通常将小于1000公斤的卫星称为广义的小卫星，其中，将500-1000公斤的卫星称为小卫星。在小卫星的设计的各个阶段中，利用Pro/E等三维设计软件进行卫星总体模型设计是一项重要的工作。小卫星机械总体建模设计主要根据与各分系统的接口数据单建立设备模型、结构模型等，近而完成卫星构型布局以及总装设计建模。
卫星设计的各个阶段分为方案设计阶段、初样设计阶段以及正样设计阶段。其中初样设计阶段和正样设计阶段均属于详细设计阶段，这两个阶段卫星设计的各种输入性文件比较齐全、状态论证充分，整星模型的构建过程很少经历较大更改。但是，在卫星方案设计阶段，设计周期短、方案多样性要求高、设计不确定性强，设计迭代次数多。设计经常进行大面积修正甚至颠覆性修改。例如：
●卫星构型修改；
●卫星主承力结构修改；
●设备配套修改；
●设备外形尺寸、安装接口修改；
●设备布局修改；
●结构板开孔修改；
●视场、羽流、精测光路、质量特性等修改。
面对方案阶段的特殊性，必须对整星快速三维建模实现方式进行研究。研究需包含基础建模数据准备方法、模型快速搭建方法、模型快速修改方法、设计要求快速验证等，以确保方案阶段卫星总体建模速度能得到提升。
1 建模效率分析
小卫星方案阶段整形构型布局建模主要要完成以下几方面的工作：
●卫星主结构模型搭建：以箱板式卫星结构为例，设计师需对卫星中各个铝蜂窝结构板进行外形尺寸（通常为长方形外观，板厚有16mm、25.6mm等数种常用选择）建模，然后根据卫星构型布局方案对蜂窝板模型进行三维装配，装配主要完成结构板的搭接关系、间距调整等的实现；
●设备建模：设备建模主要根据设备配套表和设备接口数据单，完成设备外形尺寸、接口参数的建模与定义。将建立好的设备模型安装在卫星主结构模型上，将每块结构板及相应板上的设备模型建立成板级装配体，并调整设备朝向、间距等参数；
●结构板开孔：根据设备位置，绘制电缆走线孔、管路穿舱孔、精测孔等结构板开孔；
●构型布局验证：根据卫星总体要求，利用三维软件，进行卫星设备视场、精测光路、羽流、质量特性等参数的建模及分析。
1.1 主结构搭建效率分析
小卫星主结构一般分为载荷舱、平台舱以及侧板、顶板，两舱为上下连接关系。每个舱由一块平置结构板和若干块立置结构板组成，如图1所示：。其中，平置结构板的长、宽决定了卫星本体的长、宽，立板高度决定了卫星的高度。建模过程中，设计师对每块板进行建模，完成草绘、拉伸等操作，平均每块板建模时间约3分钟，一般星上结构板数量为15块左右。结构板建立时间约为45分钟。将所有板装配在一起，需要进行定位、调整等建模操作，整个装配以及调整过程至少需要30分钟左右。因此，整个卫星结构搭建的纯时耗为75分钟。方案过程还要需要大量的更改工作，平均每次星结构板重建、重构、重调工作时间约60分钟。建模效率低的问题在于：1)未对结构板搭接关系进行系列化归类；2)未对结构板尺寸参数与定位参数进行有效整理与关联；3)未对如板厚等定型参数由输入模式转变为可选择模式。
图1 卫星舱段结构板组成
1.2 设备建模效率分析
小卫星设备外形多为长方体，方案阶段的建模对模型外形精细程度要求不高，但设备配套、外形大小却会多次发生更改迭代。不同的单台设备建模过程会涉及到其他型号设备模型复用、原有模型适应性修改、完全新建等不同过程。对于模型复用或适应性修改一般集中在推进、姿轨控、星务等平台分系统设备，完全新建一般集中在载荷分系统设备。一般小星上设备约100台左右，平均一颗星的设备建模（复用、修改、新建、装配定位）时间为8个工作日，其中模型复用收集1天、模型修改2天、新建模型3天、装配定位2天。建模效率低的问题在于：1)未对长方体规则设备进行参数化驱动建模；2)各型号设备模型分散在设计师手中，缺乏完整的设备模型库以及对模型特征的有效查询；3)小卫星建模所使用的ProE软件，参数关联性强，对装配定位、装配层级关系不能得到快速、方便的调整。
1.3 结构板开孔效率分析
结构板开孔一般要进行开孔轮廓绘制、孔尺寸调整、孔定位尺寸调整等工作。孔的种类又包括圆孔、矩形孔、幺形孔，板边半开敞孔、异性孔等。建模时一般用草绘-切除完成。平均每个孔的绘制、调整时间约为3分钟。建模效率低的问题在于：1)未对不同的孔进行特征分类；2)未对开孔操作过程中的重复操作进行优化；3)孔的定位不能得到快速、方便的调整。
1.4 构型布局验证效率分析
构型布局验证涉及方面很多，平均每颗卫星构型布局验证建模分析时间约为7天（不包含反复迭代）。主要低效环节在于两大方面：1)卫星视场、羽流模型未能进行归类及参数化驱动；2)卫星质心位置、转动惯量等指标结果不能根据星上设备位置调整实时显示，导致反复查询操作占用时间。
2 快速建模实现方式
为解决以上问题，实现快速建模，应对建模过程进行以下优化：
2.1 基础数据准备
基础数据做以下几方面准备：
1)为在应用层实现用户管理、快速结构布局和设备布置、快速模型特征操作等功能，应建立数据库，管理系统物理数据（三维模板库及设备模型库）和参数数据表等。通过建立规范的参数化三维模型模板，应用参数驱动模板生成需要的模型，同时保证模型建立的规范性和可读、可修改能力；
2)设备模型库信息参数表必须细化，应包含设备名称、代号、模型来源卫星型号代号、曾用卫星型号代号、长、宽、高、直径、质量、承制单位、特征参数等。其中特征参数是指机械特性以外的可以起到设备辩识度的参数，如蓄电池的电量特性（Ah）。信息参数表应支持模糊查询，以便根据不完整的方案阶段设备配套表快速定位可用设备模型。
3)对卫星设计方法结构特点进行梳理，总结卫星结构构型种类、板件的典型结构型式、板件组合方式、设备的分类及型式等，然后定义其变化参数，制定三维模板建立方案，三维模板要特征建立规范、参数完整并具备良好的修改变形能力。
4)对开孔、视场、羽流等常用模型特征进行数据统计，分析出类别与通用参数以支持参数驱动。
2.2 模型快速搭建方法
模型快速搭建应做到以下几方面：
●参数化驱动：根据基础数据整理情况，建立参数化模型模板，并结构板、模型、开孔等尺寸参数、装配定位参数进行全参数化关联。做到极简的初始参数输入就能完成整个建模工作，并且支持快速修改。如结构板中部分立板的长度就与平板的长度可以统一为同一互相关联的参数；
●面向用户体验的操作界面：后台参数化驱动的前台表现应更关注用户体验。首先，所建结构形式应图形化、直观化；其次，参数录入逻辑化、简易化。模型参数录入过程要符合设计人员的正常思维过程，如结构搭建应先定结构形式再定具体参数。鼠标点击、数据录入等操作应规划至最优，最大程度避免多余操作。设备配套表中以装配和删除的情况明确反映在表格中，避免反复查询。质量特性等设计参数应实时置于前台界面中显示，避免反复查询。
●简化模型基准；实现快速布局必然要在设备模型、结构板模型上建立坐标、安装面等等统一点、线、面基准。但这种基准的数量应根据方案阶段的特点进行简化。如卫星详细设计阶段需要设备模型基准坐标系、安装孔点、安装面、R点、脚印等多种特征以面对后续的各种图纸生成。但方案阶段没有这种要求，因此只需要设立模型坐标系可能就能满足建模需求。太复杂的模型基准设置不利于方案阶段设计师对建模工作的心理预期。
3 实施效果
针对以上分析和思考解决方法。我们基于Pro/E软件进行二次开发，研制了小卫星快速设计软件。软件分为快速设计和系统管理。其中快速设计又包含主结构布置、设备布置、快速开控股、分析模型等模块。如图2所示。
软件在整星主结构布置中定义了整星的板件型式和组合方式，根据设备布置需求定义不同的布局空间，在布局设计时可以在界面上直接选择和输入参数，并且有相关的知识链接和图片示意供设计参考。如图3所示。
软件在设备快速布置和调整功能模块，设计师通过定义完善从项目办接收到的设备清单，直接导入到设备布局界面，系统自动根据设备名称和设备相应技术指标从数据库中检索查询，将满足条件的所有设备提取到界面，设计师可以选择满足条件的设备直接进行装配；若无满足条件的设备数据，设计师可以自定义设备外形参数，通过模板快速生成需要的设备简化模型进行方案布置。在设备布置过程中，界面上即时显示整星的质心位置及转动惯量的参数信息，设计师可以随时在Pro/E界面上看到生成的三维模型，并可以对设计进行快速重新放置和调整。如图4所示。此外，还有结构板开孔、模型分析、模型分发等多个模块。
图2 卫星快速设计系统
图3 卫星快速设计系统-结构建模界面
图4 卫星快速设计系统-设备建模界面
相关设计时间节省统计如表1所示，效率较以往得到明显提升：
表1 卫星快速设计系统应用前后效果对比
4 结论
本文全面分析了小卫星方案设计阶段三维模型构建的特点和低效环节。提出了构建过程中基础数据建立、结构搭建、设备建模装配、指标验证等的优化方法。结合实际，在Pro/E环境下二次开发了小卫星快速软件，提升了设计效率。
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