航天仿真技术的现状及展望

摘　要：航天仿真是系统仿真技术与航天工程相结合的产物。本文综述了航天仿真技术的发展历程，介绍了卫星在轨运动的可视交互仿真、多星管理的分布交互仿真、空间飞船任务的虚拟现实仿真等几个方面的较新动向，并提出了关于测发系统仿真、航天仿真的集成与智能化、虚拟现实与遥科学相结合的双回路实验框架等的几点思考。

关键词：系统仿真；航天仿真；分布交互；虚拟现实

引　言

　　粗略地说，航天仿真就是基于物理效应模型和(或)采用按飞行器运行学、空气动力学及轨道动力学有关原理建立的数学模型进行模拟试验与分析的研究工作。航天仿真是系统仿真技术与航天工程相结合的产物，是现代仿真技术的一个重要分支。它主要是围绕人造航天器的研制、发射、测控、管理和应用等各个环节对系统进行全面的系统分析、方案设计与性能评估。从50年代航天事业发展的初期开始，仿真技术就已广泛应用到航天工程的各个方面。从运载火箭、人造卫星、载人飞船、空间站等设备的研制，到飞行器飞前动态性能检测、飞后性能改进，乃至人造飞船的空间交会对接、在轨设备的维修等等，无处不打上仿真研究的烙印。可以毫不夸张地说，航天仿真是航天事业取得发展的基石。

　　航天仿真，这一伴随着航天科技的发展而发展起来的新兴技术领域，在过去的四十多年里曾为世界航天事业的发展多次发挥过重要作用［1，9］。在我国航天的试验中，仿真技术也一直受到从设备研制单位到发射测控单位的重视。事实证明，航天作为一个高科技、高投入、高风险的行业，不能没有科学可靠的系统仿真理论和仿真方法、仿真实验结果的支持。

　　本文第一节拟简要回顾四十年来航天仿真的发展历程，第二节和第三节分别介绍国内外航天仿真技术的发展现状，并对几个新方向进行评述。

1　航天仿真的发展历程

　　仿真，简单地说，就是在模型上进行实验，它是将被研究的对象及其特征抽象成模型，通过对模型的实验操作及实验结果的分析，探讨和推断对象本身所具有的性质及其运动变化规律。

　　航天仿真通常是以航天飞行器运行情况为研究对象的、面向复杂系统的仿真。其仿真实验过程包括对飞行器及其测控系统的系统建模、模型实现和模型实验三项基本活动构成，相互关系如图1所示。

　　根据仿真模型类型及实现方式的不同，系统仿真技术已经历了物理仿真、模拟机仿真、数字机仿真和基于图形工作站的三维可视交互仿真等四个阶段，如图2所示。

　　航天仿真是大规模复杂系统的工程仿真，其处理方法往往涉及到图2所示的多种仿真技术的集成。作为系统仿真技术与航天工程相结合的产物的航天仿真，从二十年代初期哥达德进行的世界有史以来第一枚液体火箭的点燃试验到九十年代初为修复哈勃望远望而进行的虚拟环境仿真，伴随着系统仿真和航天工程技术的发展，在短短七十年时间里取得了长足的进展。在航天仿真的发展历程中，每一类新的仿真手段的出现都只是仿真方法库的丰富和补充，而并不意谓着老的仿真方法将被淘汰或失去市场。

　　实物、物理仿真是航天仿真中较早采用的方法。为了研究火箭的性能、制导系统及运动情况，早在20年代初，哥达德就在美国马萨诸塞州的一个偏僻农场里亲手点燃一枚真实的火箭，他通过在火箭的喷口中央安装一个舵轮来改变气流方向，研究火箭的飞行控制；为了研究人进入太空可能碰到的各种情况和问题，人们总是将小狗、白鼠等动物放在卫星舱里进行一次次仿真试验，获取数据进行分析研究。为了研究飞行器在穿越稠密大气层可能产生的各种情况，一种行之有效的、并且一直被广泛采用的方法是空气动力学的风洞试验与模型自由飞试验；就是在航天技术发展的今天，实物、物理仿真仍然是航天工程界广泛采用的一种重要方法。90年代初的“长二捆”火箭首发试验就是这方面一个成功的例证。实物、物理仿真的显著优点是可以从宏观上全局地把握飞行器的性能及运动情况。但其成本高、工艺要求复杂，特别是实物仿真的不可重复性、高风险性，制约了实物、物理仿真的适用范围。

　　模拟计算机仿真盛行于五十年代，它是根据仿真对象的数学模型将一系列运算器(如放大器、加法器、乘法器、积分器和函数发生器，等等)和无源器件(如电阻器件、电容器和电位器，等等)相互连接而形成仿真电路。通过调节输入端的信号来观察输出端的响应结果，进而分析和把握仿真对象的性能。模拟机仿真对于分析和研究飞行器制导系统及星上设备的性能，有着其它仿真方法难以替代的作用。进入60年代之后，随数字计算机的迅速发展和广泛普及，系统仿真的主要工具逐步由模拟机让位于数字机。在航天测发与测控系统中，数字仿真比模拟仿真更简便易行。无论是运载工具上升段的正常与异常飞行状态的仿真、弹道轨线的传真计算、制导误差分析，还是在轨航天器的精密定轨模型的分析与仿真，以及载人飞船返回段的仿真，通常都是数字机上进行的。

　　但是，传统的von Neumann型数字机对信息进行串行处理，难以满足航天工程中各类大规模复杂系统仿真对时间限制的要求，从80年代初开始，数字机与模拟机联合组成的模拟-数字混合机开始出现在飞行仿真和航天试验等航天工程仿真研究的高技术领域。

　　无论是早期的模拟机仿真还是数字机仿真都缺乏对仿真对象、仿真过程、仿真结果的可视性、生动性、直观性，不利于对大型决策提供支持。进入70年代后，随着计算机图形技术的迅速发展，系统仿真方法论和计算机仿真软件设计技术在交互性、生动性、直观性等方面取得了比较大的进展，先后出现了动画仿真、可视交互仿真、多媒体仿真和虚拟环境仿真、虚拟现实仿真等一系列新的仿真思想、仿真理论和仿真技术。航天仿真技术在可视化、逼真性和过程交互能力方面也取得了明显的进展。

2　航天仿真的新动向

　　航天仿真作为系统仿真与航天工程相结合的产物，其发展离不开系统仿真学科与航天技术发展的大环境。新型号航天任务的提出以及各种类型航天器的不断涌现，为航天仿真工作提供了现实的必要性，而仿真技术的迅速发展不但为航天仿真方法的革新提供了理论基石和客观条件，也极大地拓展了仿真技术的应用范围。

　　近年来，各种受关注和推崇的新的仿真思想和技术手段在航天仿真领域都得到成功的应用，先后出现了一批有影响、有工程背景、有实用价值的成果，如空间站数据管理系统通讯的计算机仿真、卫星通讯系统中DAMA算法的仿真分析、分布虚拟环境(DVE)下的卫星轨道建模与行星群的仿真、计算机图形导航工程(CGPP)系统、虚拟的交互环境工作站(VIEW)以及为修复哈勃望远镜而开发的仿真舱外活动的沉浸式虚拟环境(EVA)，等等。有人形象地说，近20年来航天仿真呈现出的是一种日新月异、百舸争流的局面。

　　本节拟从几个方面简要综述航天系统工程仿真的较新动向及近年来出现的较有影响的新成果。

2.1　卫星在轨运动的可视交互仿真

　　在计算机仿真领域中，影响深远且颇具有应用价值的仿真技术应首推可视交互仿真(VIS)。VIS是70年代初期由英国的Hurrion博士在Warwick大学完成博士论文时提出的。VIS仿真的主要特点是采用计算机图形描绘仿真过程，使用者在仿真过程中与模型进行交互。VIS的价值在于帮助用户进行复杂决策、理解模型、在使用和实验中采取主动。

　　可视交互仿真技术在航天仿真领域较早地得到了广泛应用。70年代初，Koboyoshi等人为日本空间规划部开发了一种能在用户定义的大多数模型框架下完成实时观察的可视交互环境，并在东京举行的第10届国际空间技术与科学研讨会上提出卫星轨道信息的交互式图形显示技术。

　　在人造卫星轨道数据的可视化方面，Elyes和Cesar Ocampo等人也进行了大量的工作。Elyes 在加利福尼亚举行的空间显示与空间设备会议上发表了在轨飞行器可视化计算机图形系统，Hagedorn等人在1986年举行的计算机仿真协会仿真器专业会议上提出了计算机导航工程，采用交互图形工作站对飞行器试验任务提供支持；CesarOcampo在Kansas大学采用2维和3维空间建模的方法，通过可视化仿真技术演示和观察地心轨道上卫星运行状态随轨道参数变化的关系，并提出了计算机图形在两体轨道力学问题可视化方面的应用。

　　在轨卫星的姿态显示与姿态控制在人造卫星的发射、测控和应用卫星的研究中是十分重要的。印度ISRO卫星中心控制系统研究所开发了一组十分简洁的卫星姿态显示模型及仿真软件。该仿真模型的输入信息为偏航误差、滚动误差和俯仰误差，仿真输出为动态显示在计算机屏幕上两个不同视窗中的3维计算机动画在轨卫星姿态变换图形。该仿真软件采用多视角绘图和双倍缓冲技术不但确保了卫星姿态显示的视连续性、较强的动态感，还有效克服了由于隐表面消去处理而导致表面细节信息的损失，增加仿真图形显示的真实感。

2.2　多星管理的分布交互仿真

　　分布交互仿真(DIS)是指采用计算机网络技术将分布在不同地点的多个仿真主体连接起来，通过不同节点之间信息的交换和协调，实现多主体在同一环境下进行仿真。近年来，航天技术迅速发展的情况下，单机系统往往难以满足航天工程中提出的一些技术复杂、涉及面广、精确度要求高的仿真任务，由多机系统组成的分布交互仿真技术在航天仿真中日益受到人们的重视。

　　美国Wright-Patterson空军基地空军技术研究所在1990年代初期成功地开发了一套用于卫星轨道建模与近地空间环境仿真系统(SM)，SM在网络界面下工作时遵从DIS2.0协议，并支持分布式交互仿真。

　　SM可以逼真地模仿近地空间环境，可以同时描绘来自多个不同行星与人造卫星群的多颗卫星在轨道上运行时的3维动态图形，允许用户从虚拟环境中的空基和地基等各种不同视点去观察在轨卫星运行情况，并可以在仿真过程中与多

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