نرم افزار های طراحی ماهواره

مقدمه

در توسعه و پیشرفت هر پروژه ماهواره ای تعداد کمی پارامتر

و تعداد زیادی فرض موجود است. یکی از کم هزینه ترین و

سریعترین راه حل ها برای رفع این مشکل استفاده از توانمندی های

نرم افزاری می باشد. از سویی با فرستادن ماهواره به فضا، ایجاد

تغییرات احتمالی بسیار دشوار می شود لذا برای رفع این مشکل و

چالش نیز ایده استفاده از نرم افزارها در سطح جهان مطرح می گردد

و مقرون به صرفه می باشد.

در این مقاله چند پارامتر زیر در انتخاب  نرم افزارها بیش از پیش مد نظر است :

1- معتبر بودن نتایج

2- استقبال جهانی

3- در دسترس بودن

4- تجربه کار کردن

5- داشتن بانک اطلاعاتی قوی

از سویی نرم افزارها را نیز ، به گروه های زیر تقسیم بندی نموده ایم

1- نرم افزارهای بانک اطلاعاتی

2-نرم افزارهای طراحی مدار مانند (Satellite Tool Kit STK)

3- نرم افزارهای طراحی عمومی مانند Solid work ،CATIA

4- نرم افزارهای طراحی مکانیزم ها مانند  Visual Nastran ،CATIA

5- نرم افزارهای تحلیل ANSYS ،NASTRAN ،SINDA/FLUINT ،SSPT ،TERMICA

6- نرم افزارهای ساخت مانند CATIA

7- نرم افزار های مونتاژ مانند CATIA

8- نرم افزار تخمین هزینه و مدیریت پروژه مانند( Small Satellite Cost Model (SSCM

9- نرم افزارهای شبیه ساز مانند Spacecraft control Toolbox

تعدادی از این نرم افزارها را شرح می دهیم و

در مقالات آینده در مورد دیگر نرم افزارها صحبت می کنیم.

در این مجموعه بانک اطلاعاتی تمام ماهواره هایی که تاکنون به فضا

پرتاب گشته اند و یا در حال مراحل تکمیل می باشند به صورت

تفکیکی جمع گردیده اند .مثلا تمام ماهواره ای مخابراتی در یک

رده و یا کلیه ماهواره های جاسوسی در رده دیگر قرار گرفته اند .

این بانک اطلاعاتی ،اطلاعاتی درباره تاریخچه ماهواره ها ،

ویژگی های پرتابگر های آنها  و یا مدار قرار گیری ماهواره در فضا

و محموله ای که با خود حمل می کند ارائه گشته است  .

نرم افزار تخمین هزینه و مدیریت پروژه

نرم افزارهای زیادی در این زمینه در سطح جهان استفاده می گردد

که به شرح هر یک می پردازیم

• ACEIT (Automated Cost Estimating Integrated Tools)

این نرم افزار در زمینه بازیابی و آنالیز داده ها، ساخت مدل هزینه

و تخمین آن در سازمان های دولتی آمریکا مورد استفاده قرار می گیرد.

• BEST ESTIMATE

این نرم افزار در طراحی و ساخت و بازنگری روی طرح،

قابلیت های خوبی را دارا است.

• Bidworx

این نرم افزار نیز در ساختار مدیریتی آمریکا مورد استفاده قرار می گیرد.

•  BSD SoftLink

این نرم افزار نیز در محاسبه هزینه های مدیریتی طرح،

هزینه های مهندسی و آنالیز هزینه بسیار معتبر می باشد.

بستهCOCOMO :

از این نرم افزار معتبر نسخه های متفاوتی همراه با تصحیحات

متعدد از سال 1981 براساس کتاب

book Software Engineering Economics  نوشته Dr. Barry Boehm

بازار فرستاده شده است. مانند:

• • COCOMO II
  • COCOPRO
  • COOLSoft
  • Costar
  • Revised Intermediate COCOMO (REVIC)
  • TAMU COCOMO

• COSMIC

نرم افزاری جستجو گر برای یافتن هزینه ها می باشد.

• Cost Analysis Strategy Assessment (CASA)

به کمک این نرم افزار می توان هزینه تمام سیکل و

دوره زندگی یک ماهواره را محاسبه نمود.

• Cost Estimating Guides

با استفاده از آن می توان هزینه مربوط به مواد مصرفی

و کار مهندسی مورد نیاز در پروژه را محاسبه نمود.

• Cost Xpert

هزینه های مربوط به پروژه و برنامه کاری و نیازهای عملیاتی را تعیین می کند.

• COSTIMATOR

هزینه های مربوط به طرح را مشخص می کند.

• CostTrack
• Crystal Ball
• DeccaPro
• ECOS European Space Agency (ESA) Costing Software.

این نرم افزار در سازمان فضایی اروپا برای تخمین هزینه ها به کار می رود.

• ECOM European Space Agency (ESA) Cost Modeling Software.

این نرم افزار در سازمان فضایی اروپا برای تخمین

هزینه های مربوط به مدل به کار می رود.

• Means DemoSource

به کمک این نرم افزار می توان مدل های کاربردی

موجود در اینترنت درباره تخمین هزینه ها، را دریافت نمود.

• Small Satellite Cost Model (SSCM)

یکی از بهترین نرم افزارها برای استفاده در کشور ما،

با توجه به ساخت و طراحی ماهواره های کوچک، می باشد.

از مهمترین ویژگی آن اعتبار بالا و دارا بودن بانک اطلاعاتی

پر قدرت می باشد که شامل ماهواره های کوچکی که

در جدول زیر آمده است، می باشد.

ACE ALEXIS APEX ASUSAT1 BREM-SAT Clementine DARPASAT Deep Space 1 EO-1 FAST FORTE FREJA Genesis GEOLiteGFO HETE IMAGE KITSAT-3

LEWIS Lunar Prospector MACSAT Mars Climate Orbiter Mars Global Surveyor Mars Pathfinder METEOR Microlab (Orb View-1) MicroSatMightySat MightySat 2.1 Minisat-01 MITA MSTI-1 NEAR OERSTED PoSAT-1 PROBA

RADCAL REX SAC-B SCISAT 1 SeaStar (Orb View-2) SNOE Stardust STEP 0 STEP-1 STEP-2 STEP-3 STEP-4 STEX STRV 1 Sunsat SWAS TOMS-EP

بقیه نرم افزارها زیر نیز عملیاتی مشابه انجام می دهند:

EMQUE’s Perfect Project   DecisionTools Suite

D4COST•2000   DOD Tools and Models Index

ForecastX  KAPES (Knowledge Aided Planning & Estimating System)

Micro Estimating Systems, Inc.  NASA/Air Force Cost Model (NAFCOM)

PACES (Parametric Cost Engineering System)

PCM   PRICE Estimating Suite  Primavera Systems, Inc.

Pulsar   RSMeans QuickCost Calculator  RACER

Space Operations Cost Model (SOCM)   SPSS Products

SYSTAT   TANK RACER   Timberline Software

TRACES (Tri-Services Automated Cost Engineering Systems)

Video Estimator   Welcom  WinEstimator, Inc. WinRACE

نرم افزارهای شبیه ساز

شبیه ساز های زیادی که اکثرا تحت محیط MATLAB و SIMULINK

می باشند و یا مانند آنها عمل می کنند در سطح جهان مورد

استفاده قرار می گیرند که به شرح چند نمونه از آنها می پردازیم

نرم افزار SPASIM و ROSE

در بین نرم افزار های شبیه سازفضا پیما، نرم افزارهایی

مانند SPASIM وROSE نقش مهمی را در شبیه سازی های

اجزای فضا پیما و در نهایت خود فضا پیما و همچنین طراحی،

ساخت و تولید انبوه آن ایفا می کنند.

نرم افزار SPASIM بیشتر در جهت شبیه سازی اجزای مختلف

فضا پیما و ارائه پارامترهای مربوط به هر یک از این اجزا و

در نهایت شبیه سازی کل مجموعه فضا پیما، مورد استفاده

قرار می گیرد و نرم افزار ROSE بیشتر در جهت طراحی،

ساخت، آزمایش و بالاخره تولید انبوه انواع مختلف فضاپیما

با اجزا و سیستم های متفاوت مورد استفاده واقع می گردد.

با استفاده از این دو نرم افزار بالاخص SPASIM به راحتی

می توان شبیه سازی یک فضاپیما را انجام داده و

اجزای فضا پیما را به راحتی شبیه سازی نمود،

به هر حال SPASIM نقش به سزایی در شبیه سازی

فضاپیما ها داشته و همه پارامترها و مشخصه های

مربوط به اجزای فضاپیما و نیازهای آن را عملا

با استفاده از این شبیه ساز می توان برای

استفاده کننده مشخص نمود. بیشتر آنالیزهای

مهم که در شبیه سازی انجام می شود

شامل مقایسه مقادیر و داده های در دسترس

با داده های موجود در سطح جهان و تغییر آنها

در جهت بهبود کار اجزاء فضاپیما می باشد.

با توجه به شیوه کارکرد عمومی این نرم افزارها

به توضیح چند مورد از آنها می پردازیم.

شرح شبیه ساز SPASIM

در این شبیه ساز برای تعریف کردن یک مدل،

استفاده کننده جعبه مورد نیاز خود را از کتابخانه موجود

انتخاب می کند و با کشیدن آن به محیط مدل،

آن را تعریف می کند. سپس با وصل کردن اجزاء

مختلف مثلا توابع ریاضی، توابع دینامیکی

و غیره به وسیله خطوطی که از ورودی ها

و یا خروجی هر کدام می باشد؛ آنها را به هم مرتبط می کند

و پس از شبیه سازی می توان آن را اجرا و نتایج دلخواه

را مشاهد نمود. برای واضح شدن این فرآیند بهتر است وارد محیط آن شویم.

با کلیک کردن بر روی هر جزکه اصطلاحا” به آن ماسک

گفته می شود، می توان وارد آن شد. (که هر قسمت را در زیر توضیح می دهیم.)

SPACECRAFT BUS

به اجزاء مختلف تقسیم می شود: جلوبرندگی

، حرارتی، قدرت، هدایت و ناوبری، کنترل، ارتباطات

، رهگیری و نگهداری و سازماندهی اطلاعات

سیستم حرارتی: 

 هدف این جزء از فضاپیما نگهداشتن

اجزاء فضاپیما در یک محدوده دمایی خاص است.

سیستم جلوبرندگی:

هدف این جزء از فضاپیما

ایجاد تراست لازم برای حفظ یا تغییر مدار یا حالت

فضاپیما می باشد. این جزء از دو منبع استفاده می کند،

انرژی الکتریکی و جلو برندگی.

سیستم قدرت: 

هدف سیستم قدرت تامین و

ذخیره و پخش کردن انرژی الکتریکی  است.

سیستم هدایت، ناوبری و کنترل:

هدف سیستم هدایت، ناوبری

و کنترل تامین کردن محاسبات و کنترل دقیق حالات

و شرایط و نیز وضعیت مداری فضاپیما می باشد.

سیستم ارتباطات و رهگیری: 

 هدف این سیستم برقرار کردن ارتباط

با ایستگاه های زمینی به منظور نگهداشتن

و ذخیره کردن داده ها و اطلاعات می باشد.

در هر قسمت می توان با دو بار کلیک کردن بر روی آن جعبه مربوطه،

زیر بخش های آن را مشاهده نمود و هر زیر بخش

هم ممکن است زیر بخش دیگری نیز داشته باشد

که می توان وارد هریک شد. در آخرین زیر بخش می توان

با دو بار کلیک کردن پارامترهای موجود در جعبه را مشاهده نمود

و داده ها خود را در آن وارد نمود. برای مثال وارد

زیر بخش قسمت POWER می شویم که دارای زیربخشهای:

Solar array که محل تولید توان در ماهواره Battery که

محل ذخیره توان در ماهواره Charge unit که محل کنترل توان است.

همچنین ممکن است علاوه بر قسمت های فوق

اطلاعاتی نیز برای کل بلوک لازم باشد که با کلیک کردن

بر روی آن بلوک نیز می توان اطلاعات آن را تنظیم نمود.

Payloads

ابزارهایی که برای تکمیل ماموریت ماهواره توسط

ماهواره حمل می شوند، در این رده قرار می گیرند

که در default این شبیه ساز چهار نوع payload متفاوت موجود

می باشد.

Spacecraft Parameters

با وارد شدن دراین قسمت می توان تنظیماتی

را انجام داد. از آن جمله می توان نمودارهایی

که لازم است با اجرا این شبیه ساز از طریق

منوی  simulation→startترسیم شود را مشخص نمود

که حدود 26 نمودار از قبل در آن تعریف شده است.

Spacecraft component libarary

در این قسمت می توان از توابع موجود در آن

استفاده نمود و مدل جدیدی ایجاد نمود.

Help

با کلیک بر روی علامت سوال می توان

وارد help کامپیوتر شد و از آن استفاده نمود.

شرح شبیه سازROSESAT

ROSESAT مخفف کلمه

Real Time object oriented Simulation environment

for Spacecraft Analysis and Testing  می باشد.

شامل یک مدل گرافیکی با محیط پیشرفته،

یک شبیه ساز Real-Time و یک محیط آزمایش

و قابل تست کردن می باشد. مدل گرافیکی با

محیط پیشرفته، ساختن یک فضاپیما را که شامل

تمام اجزا فضاپیما اعم از حرارتی، توانی، جلو برندگی،

هدایت و ناوبری و پردازش داده ها می باشد؛ را انجام می دهد.

این امر به استفاده کننده اجازه می دهد که

یک سیستم یا یک جزء سیستم را به وسیله

ترسیم اجزاء آن با استفاده از کتابخانه ها و منابع اولیه موجود توصیف نماید.

این شبیه ساز دارای بخش های زیر می باشد.

بخش ریاضیات: شامل توابع ریاضی لازم برای شبیه سازی

بخش دینامیکی:

  شامل بلوک های (objects) لازم برای شبیه سازی دینامیک ماهواره

بخش گرمایی:

برای کنترل دمای ماهواره

بخش قدرت: 

برای شبیه سازی بخش تولید توان الکتریکی

فضا پیما و سیستم پخش کننده  توان می باشد.

بخش TM/TC: 

شامل بلوک هایی برای شبیه سازی

سیستم پردازش و انجام داده ها و اطلاعات فضاپیما می باشد.

بخش تجهیزات on-board:

شامل بلوک هایی برای شبیه سازی کردن

رفتار تجهیزات مختلف فضاپیما از جمله سنسور ها، actuator  ها و GPS ها

بخش نرم افزار on-board:

شامل بلوک هایی برای شبیه سازی

سیستم های کنترلی، مانند سیستم کنترل مداری و حالات شرایط فضا پیما می باشد.

این نرم افزار نیز دارای کتابخانه می باشد که با

انتخاب بلوک های لازم می توان مدل خود را شبیه سازی نمود

و ورودی های خود را در آن وارد نمود.

پروژه ها

به کمک این شبیه ساز پروژه های زیر نیز به

انجام رسیده است که حکایت از اعتبار این

نرم افزار در پروژهای ساخت ماهواره می کند.

1- در آژانس فضایی اروپا این سیستم به عنوان

یک شبیه ساز وسیله نقلیه فضایی بوده و از آن

در تولید انبوه و طراحی وسایل نقلیه فضایی

یا سیستم اتوماتیک استفاده شده است.

2- در دانشگاه کارتون درکانادا، دانشجویان

با استفاده از ROSESAT می توانستند یک ماهواره کوچک طراحی نمایند.

3- در  سیستم فضایی وجا در آلمان از ROSESAT به

منظور نشان دادن یک شبیه ساز Real-Time برای اهداف اجرایی استفاده می شود.

جعبه ابزار Spacecraft control Toolbox

این جعبه ابزار که از امکانات جانبی نرم افزار مطلب می باشد،

به طور وسیع در طراحی و شبیه سازی و آنالیز

سیستم های کنترل ماهواره بکار می رود که با تجربه بیش از 20 سال بر روی طرح های همچون

Mars Observer, GGS Polar, Inmarsat 3 and GPS IIR.

به کار رفته است این جعبه ابزار از بیش از 500

زیر برنامه کامل (ام فایل نرم افزار متلب) تشکیل شده است؛که دارای امکانات زیر می باشد.

1- مدل کردن دینامیک جسم و کنترل آن (attitude control and dynamics)

2- مدل کردن هندسی جسم (cad modeling)

3- دینامیک و سینماتیک مدار(orbital dynamics and kinematics)

4-تقویم نجومی (ephemeris)

5- مدل کردن سنسورها (actuator and sensor modeling)

6- سیستم حرارتی(thermal)

7- توابع ریاضی (mathematics operations)

که بیشتر این توابع می توانند به طور جداگانه

مورد استفاده قرار بگیرند مگر در چند مورد خاص.

در این نرم افزار جامع در هر قسمت مدل هایی موجود است

(demo) که ورودی دریافت نمی کنند

و با اجرای آن می توان احساسی در مورد طرح مورد نظر بدست آورد.

همچنین در هر جعبه موجود در کتابخانه پارامترهایی به صورت پیش زمینه به عنوان شرایط اولیه موجود

می باشد؛که کاربر می تواند از آنها استفاده نماید و یا آنها را تغییر بدهد.

شبیه سازهای دیگر

شرکت های ساخت سیستم های ماهواره شبیه ساز های

زیادی را بر پایه زبان فرامین فضاپیما طراحی و گسترش داده اند

که این خود شامل برنامه های فضایی شبیه سازی زیر می شود.

شبیه ساز ماهواره GEOSAT     FOLLOW-ON(gfo)

شبیه ساز ماهواره gfo به منظور تامین کردن ملاحظات

و ارزشیابی های قبل از پرواز به طور عملی مورد استفاده واقع می شود

شبیه ساز ماهواره  EARTHWATCH     QUICKBIRD

این شبیه ساز برای آموزش هدایت کننده ها

و کاربران فضاپیما ها به منظور هدایت کردن فضاپیما

به طور کاملا بی خطر و موثر به کار می رود.

شبیه ساز ماهواره SBIRS

این شبیه ساز دارای قابلیت متوسط بوده

و دارای فرامین closed-loop و همچنین شبیه ساز تله متری می باشد.

شبیه ساز تاکتیکی محیط  A2C2S

این شبیه ساز، شبیه سازی پیام های

دیجیتالی را به وسیله فرامین نیرو زمینی و

سایر اطلاعات کنترلی به انجام می رساند.

نتیجه گیری:

استفاده از نرم افزارهای فضایی نه تنها باعث کاهش

هزینه زمانی می گردد بلکه در مدیریت پروژه ها و

مراحل تست ، مونتاژ نیز به طور گسترده به کار می رود

که به طور کلی باعث تسهیل در امر طراحی و ساخت  می گردد .