基于模型系统工程MBSE助力欧洲特大天文望远镜–地球之眼工程落成

本文简述了TCS团队所采用的各类实践。E-ELT控制系统设计使用No Magic公司（2018年已被达索系统公司收购）的产品（MagicDraw + SysML插件、Cameo Systems Modeler和Cameo Simulation Toolkit）作为MBSE解决方案。

2014年6月19日，举行了项目奠基仪式，标志着ESO的E-ELT的又一个重要里程碑。为了建造世界上最大的光学/红外望远镜，项目团队炸开了智利3000米高的塞鲁•阿玛逊斯山山峰的一部分以平衡山顶受力。

E-ELT爆炸近景图

E-ELT将于2022年完工。一旦建成，它将能够直接拍摄到围绕遥远行星旋转的星球。E-ELT将是世界上最大的望远镜 - 地球之眼。

E-ELT能接收的进光量是人眼的1亿倍，是伽利略望远镜的8,000,000倍，是单个VLT单位望远镜的26倍。实际上，E-ELT汇集的光线将超过地球上所有现有的8-10米级望远镜的总和。

图1. E-ELT与ESO的超大望远镜和自由女神像

项目详情：

• 项目预算：10亿5500万欧元

• 类型：反射式望远镜

• 主镜大小：直径40m

• 高度：80m

• 基座：100m

• 覆盖范围: 978 m²

采用MBSE和SysML来对TCS建模，该系统控制部分控制望远镜中许多光机件和内嵌的设备等。

控制系统包含所有用于控制系统的硬件、软件和通信基础设施：

• 10,000吨钢和玻璃

• 20,000个执行器，1,000个镜子

• 60,000个I / O点，700Gflops / s，17Gbyte / s

• 管理和协调系统资源（子系统、传感器、执行器等）

• 许多分布式控制回路

TCS包括控制望远镜（包括圆顶）所需的所有硬件、软件和通信基础设施，但不包括执行器和传感器。许多子系统将外包，需要正确集成。因此，望远镜控制系统包括子系统接口、需求、现场电子设备标准、软件和硬件的定义。

TCS的MBSE采用受到挑战团队经验的影响，请参阅下面的案例研究。

在INCOSE战略计划的框架下，基于模型的系统工程是“系统工程愿景2020”的主要重点领域之一。为配合这一重点，欧洲南方天文台自2007年以“MBSE挑战”团队SE2的形式与德国INCOSE（GfSE）合作。

该团队的任务是展示如何使用MBSE解决具有挑战性的问题。

欧洲联盟框架计划6项目的主动定相实验（Active Phasing Experiment ，APE）被选为SE2挑战小组的主题。望远镜领域的许多技术产品体现出机械与电子、信息处理和光学系统的日益集成，因此可以被视为光机电一体化系统。

SysML模型是通过现有文档和对系统工程师访谈的逆向工程创建的。在附例资料的幻灯片“SysML in Telescope Modeling”中，提供了挑战团队的背景、目标和结果等信息。

案例研究是未来E-ELT的主动定相实验（APE）技术演示器，这是一个在Paranal天文台运行的高科技、跨学科光机电系统。

下一代望远镜需要比现有的望远镜收集更多的光，因此需要更大的反射面，这些反射面由许多单个的镜段组成。由于不同干扰（例如振动、风和重力），必须控制这些部分以保障镜面的连续性，确保主镜直径42米范围内，相位误差仅为几纳米。主要挑战在于通过特定的相位传感器正确地检测各分段的定位误差，以保障镜面的连续性。

研究人员开发了APE用于评估这些传感器，并安装在其中一个8米望远镜上，这些望远镜是智利超大望远镜（VLT）的一部分，用于天空测试。

图2. APE安装在位于智利阿塔卡马沙漠的望远镜上

望远镜的安装必须符合各种机械、电气、光学和软件接口。APE由大约200个传感器和执行器组成，例如轮子、平移台、透镜、探测器、镜子、光源，干涉仪和12个用于控制的计算节点。由于APE必须部署在测试实验室和现有的望远镜中，因此必须对每个环境的功能、接口和结构的变型进行建模。所有这些特征使得APE非常适合评估SysML在解决类似问题方面的潜力。

图3.开发APE评估传感器，并安装在智利8米超大望远镜（VLT）之一进行天空测试

图4.为了评估传感器功能，建立了一个特殊的计量系统。