MATLAB e Simulink per i Sistemi Spaziali

MATLAB® e Simulink® forniscono ai progettisti aerospaziali funzionalità che accelerano il processo di sviluppo e migliorano la comunicazione tra i diversi team di lavoro. Gli ingegneri responsabili di sistemi e sottosistemi utilizzano MATLAB e Simulink per:

  • Eseguire la validazione della missione basata sui requisiti nel dominio temporale
  • Eseguire simulazioni Monte Carlo a livello di sistema utilizzando modelli multidisciplinari di veicoli spaziali
  • Condurre studi sulle alternative progettuali per determinare le dimensioni dei veicoli spaziali e selezionare l'hardware
  • Analizzare i dati di telemetria e carico del veicolo spaziale
  • Progettare dettagliati algoritmi di guida, navigazione e controllo (GNC)
  • Modellare i sottosistemi di alimentazione fotovoltaci (PV) e progettare i componenti elettronici di alimentazione
  • Analizzare i sottosistemi di comunicazione RF e digitali e implementare gli algoritmi su FPGA
  • Generare codice embedded C e C++ conforme agli standard del settore aerospaziale
  • Effettuare la verifica e la convalida del software di volo

"MATLAB e Simulink ci hanno permesso di risparmiare circa il 90% sui costi rispetto all'alternativa che stavamo considerando; parallelamente, ci hanno offerto strumenti flessibili di codifica per sviluppare i nostri moduli e comprendere appieno le ipotesi formulate, aspetti cruciali quando si riferiscono i risultati ad altri team di lavoro.”

Patrick Harvey, Virgin Orbit

L'impiego di MATLAB e Simulink per i Sistemi Spaziali

Guida, Navigazione e Controllo (GNC)

Mediante MATLAB e Simulink, i progettisti dei controlli possono testare i loro algoritmi di controllo con modelli di impianto prima dell'implementazione, in modo da realizzare progettazioni complesse senza utilizzare costosi prototipi. Possono progettare per più configurazioni fisiche, come nel caso dell'architettura bus del progetto di un satellite. Da un unico ambiente, i progettisti collaborano per:

  • Creare e condividere modelli GNC
  • Integrare e simulare a livello di sistema gli effetti di controlli e modifiche alla progettazione meccanica
  • Riutilizzare il codice di volo generato automaticamente e i test case
  • Integrare nuovi progetti a progetti e strumenti legacy

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Sistemi di alimentazione

I progettisti dei sistemi di alimentazione utilizzano MATLAB e Simulink per eseguire simulazioni con cui analizzare il profilo di alimentazione della missione, prevedere gli impatti dell'usura delle batterie sul sistema e progettare nei minimi particolari componenti elettrici come i convertitori CC-CC.

Possono rapidamente modellare componenti e sistemi elettrici, come pannelli solari e regolatori di tensione, utilizzando gli elementi costruttivi in dotazione o creandone di propri laddove richiesto dal progetto. I progettisti sono quindi in grado di simulare il modello, risolvere i complessi sistemi di equazioni sottostanti senza scrivere codice a basso livello e visualizzare immediatamente i risultati. Inoltre, possono includere gli effetti termici e di assetto nei propri modelli per eseguire una simulazione multi-dominio in un unico ambiente.

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Sistemi di comunicazione

I progettisti dei sistemi di comunicazione utilizzano MATLAB e Simulink come ambiente di progettazione comune per sviluppare, analizzare e implementare i sistemi di comunicazione del veicolo spaziale. Gli ingegneri possono impiegare MATLAB e Simulink per prototipare gli elementi della catena del segnale, inclusi elementi RF, antenna e componenti digitali. Possono quindi unificare il lavoro di più team come modello eseguibile a livello di sistema.

I progettisti possono rapidamente  analizzare le imperfezioni a livello di sistema ed esaminare scenari possibili difficili da riprodurre in laboratorio.  Man mano che il progetto matura, i progettisti possono generare in modo automatico codice Ce per i processori embedded o codice HDL per gli FPGA.

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Ingegneria dei Sistemi

Gli ingegneri di sistema utilizzano MATLAB e Simulink per eseguire analisi dinamiche. Impiegano modelli di sistema eseguibili multi-dominio per il veicolo spaziale e gli apparati di terra per la convalida e la verifica dei requisiti, derivando indicazioni, impossibili da ottenere con la sola analisi statica, sul comportamento a livello di sistema e sulle prestazioni.

I progettisti di sistemi possono identificare i requisiti a partire dalle specifiche di alto livello, monitorare l'implementazione dettagliata dei requisiti nel progetto e tenere automaticamente traccia dei requisiti nel codice sorgente generato. Possono mappare i requisiti sui casi di test e misurare in modo automatico la copertura dei requisiti durante l'esecuzione dei test case.

I progettisti di sistema possono inoltre creare report personalizzati e automatizzati per la documentazione e il test del progetto.

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Ingegneria Software per la conformità agli standard del settore aerospaziale

Progettisti software e aerospaziali devono conformarsi a un'ampia gamma di standard che governano i loro processi. Con MATLAB e Simulink, gli ingegneri possono conformarsi agli standard impiegati in tutto il mondo, come NPR 7150.2 (NASA Software Engineering Requirements - Requisiti di ingegneria software NASA) e ECSS-E-40 (European Cooperation for Space Standardization, Space Engineering Software - Cooperazione europea per la standardizzazione dello spazio, software per ingegneria spaziale).

Gli ingegneri possono eseguire unit test basati sui requisiti e utilizzare controlli standard di modellazione automatica per garantire che i propri algoritmi per il software di volo siano pronti per la produzione. Possono quindi generare in modo automatico codice C e C++ dai modelli e utilizzare analisi statica del codice, metodi formali e funzioni di revisione del codice per controllare la conformità agli standard come MISRA.

Possono inoltre dimostrare l'assenza di errori di run-time e automatizzare la verifica del codice. Gli ingegneri possono automatizzare la generazione di artefatti di certificazione in ogni fase, inclusi i documenti, le metriche e i requisiti di progettazione software. 

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