MATLAB und Simulink für Raumfahrtsysteme

MATLAB® und Simulink® bieten Raumfahrtingenieuren Funktionen, die den Entwicklungsprozess beschleunigen und die Kommunikation zwischen Teams verbessern. Ingenieure, die Systeme und Subsysteme entwickeln, nutzen MATLAB und Simulink für folgende Aufgaben:

  • Durchführung anforderungsbasierter Missionsvalidierung im Zeitbereich
  • Ausführung von Monte-Carlo-Simulationen auf Systemebene mit diszlipinübergreifenden Raumfahrzeugmodellen
  • Durchführung von Trade-Off-Studien zur Raumfahrzeuggröße und Hardwareauswahl
  • Analyse von Telemetrie- und Nutzlastdaten von Raumschiffen
  • Entwurf detaillierter Flugführungs-, Navigations- und Steuerungsalgorithmen (Guidance, Navigation & Control, GNC)
  • Modellierung fotovoltaischer Energiesubsysteme und Entwurf von Leistungselektronikkomponenten
  • Analyse von Teilsystemen für HF- und digitale Kommunikation und Bereitstellung der Algorithmen auf FPGAs
  • Erzeugung von eingebettetem C- und C++-Code gemäß den Standards der Raumfahrtindustrie
  • Durchführung der Verifikation und Validierung von Flugsoftware

„MATLAB und Simulink ermöglichten uns ca. 90 % Kosteneinsparungen im Vergleich zu der Alternative, die wir in Betracht zogen. Zugleich boten sie uns Flexibilität bei der Programmierung, sodass wir unsere eigenen Module entwickeln und die getroffenen Annahmen vollständig verstehen konnten. Dies ist sehr wichtig, um Ergebnisse an andere Teams zu berichten.“

Patrick Harvey, Virgin Orbit

Verwendung von MATLAB und Simulink für Raumfahrtsysteme

Flugführungs-, Navigations- und Steuerungssysteme (GNC)

Mit MATLAB und Simulink können Entwickler von Steuerungen ihre Steuerungsalgorithmen vor der Implementierung an Anlagenmodellen testen. So können sie komplexe Designs erstellen, ohne teure Prototypen zu verwenden. Sie können Lösungen für mehrere physische Konfigurationen entwerfen, wie eine standardisierte Busarchitektur eines Satellitendesigns. Ingenieure und Techniker können in ein und derselben Umgebung:

  • gemeinsam an dem Entwurf von GNC-Modellen arbeiten
  • Auswirkungen von Änderungen an Regelungsalgorithmen oder am mechanischen Design auf Systemebene simulieren und diese dann integrieren
  • automatisch erzeugten Code und Testfälle wiederverwenden
  • neue Designs in existierende Designs und Tools integrieren

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Energiesysteme

Entwickler von Energiesystemen verwenden MATLAB und Simulink für die Simulation missionsspezifischer Energieanalysen, die Vorhersage von Auswirkungen der Batteriealterung auf das System sowie den detaillierten Entwurf von elektrischen Komponenten wie z. B. Gleichspannungswandlern.

Sie können schnell Modelle für elektrische Komponenten und Systeme erstellen, beispielsweise für Solarmodule und Spannungsregler, indem sie bereitgestellte Blöcke nutzen, oder sie können benutzerdefinierte Blöcke erstellen, wenn das Design dies erfordert. Dann können die Ingenieure das Modell simulieren, um die zugrunde liegenden komplexen Gleichungssysteme zu lösen, ohne Low-Level-Code zu schreiben, und sie können die Ergebnisse sofort visualisieren. Außerdem können sie thermische und lagebezogene Effekte in ihre Modelle aufnehmen, um eine Mehrdomänen-Simulation innerhalb einer einzigen Umgebung durchzuführen.

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Kommunikationssysteme

Entwickler von Kommunikationssystemen verwenden MATLAB und Simulink als gemeinsame Designumgebung, um Kommunikationssysteme für Raumschiffe zu entwickeln, zu analysieren und zu implementieren. Ingenieure können MATLAB und Simulink nutzen, um Prototypen für Elemente der Signalkette zu erstellen, einschließlich HF-, Antennen- und digitaler Elemente. Dann können sie die Arbeit mehrerer Teams zu einem ausführbaren Modell auf Systemebene kombinieren.

Ingenieure können  Abweichungen auf Systemebene schnell betrachten und Was-wäre-wenn-Szenarien untersuchen, die im Labor schwer aufzubauen wären.  Wenn das Design ausgereift ist, können Ingenieure automatisch C-Code für eingebettete Prozessoren oder HDL-Code für FPGAs erzeugen.

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Systemtechnik

Systementwickler verwenden MATLAB und Simulink, um dynamische Analysen durchzuführen. Sie verwenden ausführbare Mehrdomänen-Modelle für Raumfahrzeug- und Bodensysteme, um Anforderungen zu validieren und zu verifizieren. Diese Modelle bieten Einblicke in das Verhalten und die Leistung auf Systemebene, die allein durch statische Analysen nicht möglich sind.

Systemingenieure können Anforderungen von abstrakten Spezifikationen zurückverfolgen, die detaillierte Implementierung der Anforderungen im Design überwachen und die Anforderungen im automatisch erzeugten Quellcode nachverfolgen. Sie können die Anforderungen Testfällen zuordnen und die Abdeckung der Anforderungen während der Ausführung der Testfälle automatisch messen.

Außerdem können Systemingenieure angepasste, automatisierte Berichte für die Dokumentation und das Testen ihrer Designs erstellen.

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Software Engineering für die Einhaltung von Raumfahrtstandards

Luft- und Raumfahrt- sowie Softwareingenieure müssen zahlreiche Standards für ihre Prozesse einhalten. Mit MATLAB und Simulink können Ingenieure die weltweit geltenden Standards einhalten, wie NPR 7150.2 (NASA: Software-Engineering-Anforderungen) und ECSS-E-40 (European Cooperation for Space Standardization: Raumfahrttechnik – Software).

Ingenieure können anforderungsbasierte Unit Tests ausführen und automatisierte Überprüfungen von Modellierungsstandards verwenden, um sicherzustellen, dass ihre Flugsoftware-Algorithmen produktionsreif sind. Dann können sie automatisch C- und C++-Code aus den Modellen erzeugen und statische Codeanalysen, formale Methoden und Codeüberprüfungsfunktionen verwenden, um die Einhaltung von Standards wie MISRA zu überprüfen.

Außerdem können sie die Abwesenheit von Laufzeitfehlern nachweisen und die Codeprüfung automatisieren. Ingenieure können die Erzeugung von Zertifizierungsdokumenten in jedem Schritt automatisieren. Dazu gehören die Dokumentation des Softwareentwurfs, Metriken und Anforderungen. 

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Modellieren, simulieren und visualisieren von CubeSat-Satelliten

Mit der CubeSat Simulation Library for Aerospace Blockset™ können Sie die Bewegung und Dynamik von CubeSat-Satelliten modellieren, simulieren, analysieren und visualisieren. Um mit den CubeSat-Simulationen zu beginnen, können Sie die simulierbaren Beispiele oder Modellvorlagen der Bibliothek nutzen. Verwenden Sie den Suchbegriff "CubeSat" im Add-On Explorer auf dem MATLAB-Desktop, um die Bibliothek zu finden und zu installieren.