研究背景

本項目來源于科技館擬建的“載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)”。科技館曾經(jīng)有一套“航天模擬發(fā)射系統(tǒng)”，但其功能和穩(wěn)定性都不能滿足現(xiàn)在的演示需求，需要新建一套更加完善的演示系統(tǒng)。該項目應(yīng)用了許多計算機應(yīng)用技術(shù)，包括計算機及網(wǎng)絡(luò)硬件配置規(guī)劃，發(fā)射控制臺、模擬返回艙設(shè)計，多媒體資料的采集、編輯與合成，系統(tǒng)演示腳本編輯與策劃，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計和軟件設(shè)計等。其中，軟件設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1是該模擬系統(tǒng)組成示意圖，它是選擇有代表性的典型系統(tǒng)構(gòu)成的，與實際的測控網(wǎng)絡(luò)略有差別。

演示系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

新建的演示系統(tǒng)為了避免出現(xiàn)原有系統(tǒng)存在的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)等問題，必須從早期設(shè)計階段進行合理規(guī)劃，在軟件總體框架設(shè)計上進行優(yōu)化。下面重點分析演示系統(tǒng)基于客戶機/服務(wù)器（Client/Server，C/S體系）架構(gòu)技術(shù)的具體應(yīng)用，這是演示系統(tǒng)軟件總體設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)化改進點。

演示系統(tǒng)功能綜述

能夠模擬火箭主要組成系統(tǒng)，能實現(xiàn)各分系統(tǒng)在發(fā)射流程中的互動操作。

能夠模擬載人飛船的自動控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、遙測遙控系統(tǒng)，及其在發(fā)射準備和空中飛行、返回著陸進程中的互動操作，特別是模擬航天員在飛船返回艙內(nèi)的活動。

能夠模擬火箭、飛船在空中飛行階段，完成5次分離和4次發(fā)動機關(guān)機的過程；能夠模擬飛船入軌、在軌、變軌、調(diào)姿、返回、著陸的全過程。

系統(tǒng)能夠模擬遙測遙控地面站在飛行指揮中心指揮下與飛船的信息互動。

模擬發(fā)射基地操作崗位人員在發(fā)射過程中的指揮操作、模擬實現(xiàn)操作軍事化和指揮口令化。

聲像系統(tǒng)可以按發(fā)射程序進行互動操作。

模擬發(fā)射系統(tǒng)配置構(gòu)成

載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)的配置構(gòu)成見圖2。整個系統(tǒng)是一個局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，按照C/S體系結(jié)構(gòu)劃分。

軟件總體方案

軟件構(gòu)成

載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)軟件采用2層C/S體系，軟件由客戶應(yīng)用程序和服務(wù)器程序2部分組成?？蛻魴C和服務(wù)器協(xié)同完成應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)計算和處理任務(wù)，客戶機提供與應(yīng)用程序有關(guān)的展示、計算、聯(lián)網(wǎng)、訪問數(shù)據(jù)庫及各類接口服務(wù)，服務(wù)器主要完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)庫管理和各類接口服務(wù)。

服務(wù)器軟件功能設(shè)計

服務(wù)器軟件是整個軟件方案的核心，它是負責完成整個演示過程的指揮員，在演示過程中通過對步驟的控制和數(shù)據(jù)資源的調(diào)配，與客戶機軟件響應(yīng)配合。它的主要功能包括：提取數(shù)據(jù)庫中發(fā)射流程的具體信息；按照發(fā)射流程安排，向各模擬分系統(tǒng)發(fā)送界面、文字、視頻、音頻等數(shù)據(jù)；接收各模擬分系統(tǒng)的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的動作；時間校準、計時；完成系統(tǒng)調(diào)試中的動態(tài)監(jiān)視。

服務(wù)器還負責系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的管理和維護，此功能通過一個單獨的發(fā)射流程管理軟件完成。

客戶端軟件功能設(shè)計

各分系統(tǒng)計算機組成客戶機群。根據(jù)功能需求和接口不同，各分系統(tǒng)計算機分為2類：分系統(tǒng)模擬軟件和發(fā)控臺I/O控制軟件。

客戶機軟件界面需要設(shè)計簡潔，考慮到演示參與者一般是中小學(xué)生，所以界面操作比較少，且簡單易行，一般通過鼠標就能進行。

演示系統(tǒng)腳本簡介

載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)是一個多媒體演示系統(tǒng)，最先提出的資料是該系統(tǒng)的演示腳本。演示腳本的內(nèi)容盡量與飛船發(fā)射的真實過程相同，但是其模仿的數(shù)據(jù)參數(shù)基本是虛構(gòu)的，與真實的數(shù)據(jù)參數(shù)不相關(guān)。

演示腳本具體說明了火箭飛船在發(fā)射前準備、在軌運行和飛船返回3個階段的工作內(nèi)容。演示過程主要按照實際發(fā)射過程的時間順序安排，腳本用來說明各計算機在各階段扮演的角色、顯示的內(nèi)容、操作動作、發(fā)射控制臺的狀態(tài)顯示等。軟件設(shè)計者通過腳本能認識系統(tǒng)概貌，了解系統(tǒng)的功能、用途和基本表現(xiàn)形式。在本演示系統(tǒng)的腳本分析和設(shè)計過程中充分應(yīng)用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)。

演示系統(tǒng)軟件的測試與分析

本系統(tǒng)軟件經(jīng)歷了3個月測試調(diào)試，包括系統(tǒng)測試、服務(wù)器軟件測試、客戶端軟件測試、媒體資源與演示系統(tǒng)的匹配測試和系統(tǒng)的整體評測。評測結(jié)果表明，本系統(tǒng)的研制成果最終達到了預(yù)定指標，滿足了用戶需求。通過多項關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、易用性及可擴展性。該演示系統(tǒng)能夠成功進行完整的演示過程，交互性也比較好，達到了最初的設(shè)計目標。

結(jié)論

本項目結(jié)合幾項具體的軟件工程技術(shù)，深入淺出講述了它們在載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)軟件研制過程中的應(yīng)用。這些技術(shù)使新建演示系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、可靠，滿足了系統(tǒng)的應(yīng)用需求，技術(shù)水平較原有系統(tǒng)有了質(zhì)的改變。目前，該系統(tǒng)軟件已應(yīng)用于載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)，滿足了該系統(tǒng)的功能需求和使用要求。該系統(tǒng)作為東高地青少年科技館航天科普特色教育活動已經(jīng)投入使用，廣泛開展學(xué)生體驗，具有很好的社會效益。

該項目獲得第27屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目的主要內(nèi)容是，利用硬件和軟件模擬演示我國神舟號飛船發(fā)射和回收的全部過程。該項目原理科學(xué)，構(gòu)思巧妙，概念清晰，設(shè)計合理，作品教育性強，項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破，作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。