石小林，欒文博

（1. 中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 中國航天科技集團(tuán)公司，北京 100048）

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基于HLA的載人航天器飛行任務(wù)仿真平臺研究與實(shí)現(xiàn)

石小林1，欒文博2

（1. 中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 中國航天科技集團(tuán)公司，北京 100048）

摘要：面向載人航天器飛行任務(wù)仿真需求，根據(jù)載人航天器的特點(diǎn)以及高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）技術(shù)，提出了基于高層體系結(jié)構(gòu)的載人航天器飛行任務(wù)仿真平臺方案，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了由運(yùn)行管理、飛行指令、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)可視化等功能，以及涵蓋軌道、姿態(tài)、能源、動力學(xué)等多個(gè)專業(yè)仿真模型組成的仿真平臺，給出了應(yīng)用實(shí)例，并就仿真平臺開發(fā)中的聯(lián)邦開發(fā)過程、仿真模型接口軟件、飛行場景三維可視化等關(guān)鍵部分進(jìn)行了探討。與單一的飛行任務(wù)仿真軟件相比，該分布式仿真平臺覆蓋的專業(yè)面更全，驗(yàn)證內(nèi)容更豐富，可擴(kuò)展性更強(qiáng)。隨著載人航天器系統(tǒng)飛行任務(wù)復(fù)雜程度的提高，通過對仿真平臺的擴(kuò)展和重用，可適應(yīng)新的任務(wù)驗(yàn)證需求。該仿真平臺可為復(fù)雜載人航天器的飛行任務(wù)設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供依據(jù)，并對基于HLA的其他航天器仿真系統(tǒng)的聯(lián)邦設(shè)計(jì)與開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高層體系結(jié)構(gòu)；載人航天器；分布式交互仿真；運(yùn)行時(shí)間框架

0 引言

隨著我國載人航天突破交會對接技術(shù)，載人航天器系統(tǒng)已經(jīng)逐步從單個(gè)飛行器發(fā)展到包含多個(gè)飛行器的組合體系統(tǒng)，以及后續(xù)更為復(fù)雜的載人空間站系統(tǒng)[1]，其飛行任務(wù)的復(fù)雜性也大幅增加。復(fù)雜載人航天器系統(tǒng)通常包含多艙段飛行器，需要通過多次發(fā)射后在軌組裝而成[2]，因此很難進(jìn)行基于全系統(tǒng)的任務(wù)綜合性物理驗(yàn)證，這對任務(wù)前期設(shè)計(jì)提出了更高要求。為提高任務(wù)設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，亟需借助數(shù)字化仿真手段來開展早期驗(yàn)證。

為了更為全面地對載人航天器飛行任務(wù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真系統(tǒng)通常需要涵蓋軌道、控制、動力學(xué)、熱物理、能源等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，而且能夠靈活擴(kuò)展。采用分布式仿真技術(shù)能更好地滿足這一需求。高層體系結(jié)構(gòu)（high level architecture, HLA）是目前實(shí)現(xiàn)分布式仿真的主流技術(shù)，通過構(gòu)建通用仿真框架，來支持不同仿真應(yīng)用之間的互操作和仿真組件的可重用。利用HLA技術(shù)構(gòu)建仿真系統(tǒng)，具有良好的可擴(kuò)展性，便于后續(xù)的系統(tǒng)升級開發(fā)。基于HLA技術(shù)開發(fā)的各種仿真系統(tǒng)在航空、航天、船舶、武器等領(lǐng)域已經(jīng)有許多成功的案例[3-5]。

本文主要針對復(fù)雜載人航天器飛行任務(wù)的仿真驗(yàn)證需求，結(jié)合HLA分布式仿真體系結(jié)構(gòu)，提出一套面向飛行任務(wù)仿真的分布式仿真平臺構(gòu)建方案，并對其中的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。基于所提出的方案，開發(fā)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的仿真平臺，并給出應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證方案的可行性。

1 高層體系結(jié)構(gòu)

HLA是由美國國防部仿真與建模辦公室（DMSO）于1995年提出的分布式交互仿真結(jié)構(gòu)概念。它的基本思想就是采用面向?qū)ο蟮姆椒▉碓O(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的對象模型，目的是促進(jìn)各種仿真應(yīng)用（包括構(gòu)造仿真、虛擬仿真和實(shí)況仿真）之間的互操作和仿真部件的可重用，已于2000年被批準(zhǔn)為IEEE標(biāo)準(zhǔn)[6-8]（HLA IEEE Std 1516），目前已經(jīng)發(fā)展到HLA Evolved標(biāo)準(zhǔn)。

HLA技術(shù)規(guī)范由規(guī)則（rules）、對象模型模板（object model template, OMT）和接口規(guī)范（interface specification）3個(gè)部分組成。HLA的規(guī)則規(guī)定了所有聯(lián)邦成員必須符合的要求，表述了HLA中各個(gè)部件的功能劃分和邏輯關(guān)系，規(guī)則的約束條件確保聯(lián)邦成員在HLA框架下的兼容性，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦成員的互操作。OMT提供一種標(biāo)準(zhǔn)的文檔化的格式（FED或XML）描述聯(lián)邦及聯(lián)邦成員的對象模型信息，使用面向?qū)ο蟮姆椒▽?shí)現(xiàn)構(gòu)建層次化的描述和定義，有利于仿真構(gòu)件重用[9]。HLA支持基于對象的仿真應(yīng)用開發(fā)模式，并將仿真功能與通用的支撐系統(tǒng)相分離，提高了整個(gè)體系結(jié)構(gòu)的開放性、靈活性和適應(yīng)性，促進(jìn)仿真聯(lián)邦的高層復(fù)用，最終降低開發(fā)新的應(yīng)用系統(tǒng)的成本和時(shí)間。

運(yùn)行時(shí)間支撐框架（run time infrastructure, RTI）是HLA規(guī)范的軟件具體實(shí)現(xiàn)。RTI按照HLA接口規(guī)范為仿真聯(lián)邦提供管理服務(wù)，為各個(gè)仿真成員提供聲明管理服務(wù)、對象管理服務(wù)、時(shí)間管理服務(wù)、所有權(quán)管理服務(wù)和數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務(wù)，實(shí)現(xiàn)仿真聯(lián)邦的集成。目前RTI主要基于以太網(wǎng)，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。其中商業(yè)化的RTI產(chǎn)品包括瑞典的Pitch AB公司推出的pRTI，M?K公司推出的 MAK RTI等。國內(nèi)應(yīng)用較廣的為pRTI。Pitch AB公司還基于本公司的pRTI開發(fā)了多個(gè)適用于快速構(gòu)建仿真系統(tǒng)的開發(fā)工具，如Pitch Visual OMT（可視化對象模型的建模工具），Pitch Recorder（數(shù)據(jù)記錄器），Pitch Commander（聯(lián)邦監(jiān)控工具）等等，以滿足仿真技術(shù)的發(fā)展需求。RTI軟件與相關(guān)的配套開發(fā)工具相配合，可實(shí)現(xiàn)基于HLA仿真系統(tǒng)的快速開發(fā)和維護(hù)。

2 載人航天器飛行任務(wù)仿真平臺總體方案

2.1仿真平臺結(jié)構(gòu)

仿真平臺采用HLA分布式仿真體系結(jié)構(gòu)，從頂層按照功能劃分為仿真平臺底層支撐環(huán)境（即RTI）、仿真平臺輸入、仿真平臺輸出、仿真平臺管理和仿真模型5大組成部分。除仿真平臺底層支撐環(huán)境外，每個(gè)組成部分由特定的聯(lián)邦成員構(gòu)成。其中仿真平臺管理包括運(yùn)行管理成員，仿真平臺輸入包括飛行指令仿真成員，仿真平臺輸出包括數(shù)據(jù)記錄成員和數(shù)據(jù)可視化成員，仿真模型包括軌道、姿態(tài)控制、能量管理、變結(jié)構(gòu)動力學(xué)、外熱流、環(huán)境力矩、陽光遮擋等仿真成員。仿真模型主要針對載人航天器飛行任務(wù)仿真應(yīng)用而設(shè)計(jì)，根據(jù)任務(wù)具體需要可進(jìn)行擴(kuò)展或剪裁。仿真平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　仿真平臺總體結(jié)構(gòu)Fig. 1 General structure of simulation platform

據(jù)上述，整個(gè)仿真平臺共包括11個(gè)仿真聯(lián)邦成員，平臺整體定義為一個(gè)仿真聯(lián)邦。各仿真聯(lián)邦成員功能特點(diǎn)如下：

1）運(yùn)行管理成員：提供對仿真平臺的管控功能，基于HLA RTI 實(shí)現(xiàn)仿真任務(wù)、仿真節(jié)點(diǎn)和仿真運(yùn)行過程中的控制與管理，包括仿真啟動/暫停/結(jié)束/繼續(xù)等基本仿真命令，仿真過程狀態(tài)顯示，以及各個(gè)聯(lián)邦成員狀態(tài)的顯示。

2）飛行指令仿真成員：針對表示飛行任務(wù)的飛行指令，提供飛行指令的導(dǎo)入、編輯和向其他仿真聯(lián)邦成員的動態(tài)發(fā)布功能，驅(qū)動仿真進(jìn)程。

3）數(shù)據(jù)記錄成員：實(shí)時(shí)接收仿真聯(lián)邦成員在仿真過程中發(fā)布的動態(tài)交互數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲，供事后分析或回放使用。

4）數(shù)據(jù)可視化成員：為載人航天器飛行過程的三維場景和星下點(diǎn)軌跡提供展示，顯示各種狀態(tài)變量的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)及曲線。

5）姿態(tài)控制仿真成員：提供載人航天器姿態(tài)控制仿真，包括敏感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制器，以及艙體的姿態(tài)運(yùn)動過程等動態(tài)仿真。

6）軌道仿真成員：提供飛行任務(wù)各階段載人航天器軌道運(yùn)動仿真?？筛鶕?jù)給定初始時(shí)刻航天器軌道狀態(tài)，外推航天器的位置、速度及軌道根數(shù)，并考慮一定的攝動。

7）能量管理仿真成員：提供航天器太陽電池陣發(fā)電效率、負(fù)載分析和放電深度的動態(tài)仿真。

8）變結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真成員：提供航天器變結(jié)構(gòu)多體動力學(xué)仿真，如包含機(jī)械臂應(yīng)用場景的復(fù)雜動力學(xué)過程仿真。

9）環(huán)境力矩仿真成員：提供航天器飛行過程中氣動、重力梯度等干擾力矩的仿真計(jì)算。

10）陽光遮擋仿真成員：提供復(fù)雜載人航天器包括組合體在內(nèi)的多種構(gòu)型條件下太陽電池陣的陽光遮擋情況實(shí)時(shí)仿真，并計(jì)算陽光遮擋比率。

11）外熱流仿真成員：提供航天器外熱流仿真，包括艙體、輻射器吸收的外熱流密度仿真等。

2.2仿真平臺功能

載人航天器飛行任務(wù)仿真平臺主要功能包括：1）仿真平臺基礎(chǔ)功能

仿真任務(wù)、仿真節(jié)點(diǎn)及仿真過程管理控制，仿真聯(lián)邦狀態(tài)監(jiān)視，仿真回放，仿真模型擴(kuò)展接入；仿真過程數(shù)據(jù)可視化，包括數(shù)據(jù)曲線、星下點(diǎn)及三維飛行場景展示；仿真聯(lián)邦成員數(shù)據(jù)收集與分析。

2）主要仿真應(yīng)用功能

提供數(shù)學(xué)形式的飛行任務(wù)仿真，可進(jìn)行載人航天器發(fā)射入軌、正常運(yùn)行、軌道調(diào)整機(jī)動、在軌工作等不同工作模式的工作狀態(tài)仿真，支持若干總體設(shè)計(jì)方案指標(biāo)的仿真驗(yàn)證，輔助載人航天器前期總體設(shè)計(jì)；模擬飛行程序執(zhí)行情況及載人航天器飛行過程中軌道，動力學(xué)與控制，熱、能源等方面的在軌狀態(tài)，利用仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證航天器飛行方案的合理性與可行性；支持復(fù)雜載人航天器包括組合體形式的飛行任務(wù)仿真，如包含多艙段載人航天器的自主飛行，交會對接，在軌組裝，組合體管理與控制等復(fù)雜飛行任務(wù)場景；支持針對載人航天器動力學(xué)（含機(jī)械臂應(yīng)用）、姿態(tài)控制、能源、應(yīng)急救生等專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案的單項(xiàng)仿真驗(yàn)證；提供載人航天器在軌階段的數(shù)字化伴飛，故障模擬與對策驗(yàn)證。

2.3平臺開發(fā)環(huán)境

1）硬件開發(fā)環(huán)境

千兆以太局域網(wǎng)絡(luò)：采用Cisco千兆交換機(jī)搭建局域網(wǎng)絡(luò)；

PC終端和圖形工作站：主要包括11臺普通PC機(jī)和1臺HP圖形工作站。

2）軟件開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)：Windows XP SP3；

通用軟件開發(fā)平臺：Visual C++ 6.0；

三維視景開發(fā)軟件：衛(wèi)星工具包軟件STK；

三維建模軟件Pro/E 5.0；

三維模型轉(zhuǎn)換軟件：Deep Exploration及STK附帶LwConvert.exe程序；

HLA聯(lián)邦設(shè)計(jì)開發(fā)軟件工具：瑞典Pitch AB公司的可視化建模工具Visual OMT 和運(yùn)行支撐框架pRTI l516；

多體動力學(xué)仿真基礎(chǔ)軟件：Adams 2005；

陽光遮擋仿真基礎(chǔ)軟件：Open Inventor 6.0；氣動力矩仿真基礎(chǔ)軟件：MATLAB 2010。

2.4RTI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目所使用的RTI軟件產(chǎn)品是pRTI，包括CRC（central RTI component）中心RTI組件和LRC （local RTI component）局部RTI組件，仿真平臺RTI邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了集中式分布的星形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2　RTI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Topology structure of RTI

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中CRC作為系統(tǒng)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)RTI的全局管理，仿真聯(lián)邦成員通過LRC向CRC申請并完成各種服務(wù)。每個(gè)聯(lián)邦成員所屬計(jì)算機(jī)中都部署有局部RTI組件程序，而中心RTI組件部署在單獨(dú)的一臺計(jì)算機(jī)中，因此所有的仿真聯(lián)邦都通過RTI進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。集中式分布的星形結(jié)構(gòu)便于對數(shù)據(jù)通信進(jìn)行總體控制，具有較好的規(guī)模擴(kuò)展性，有利于降低網(wǎng)絡(luò)流量，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷[10]。

2.5對象模型模板設(shè)計(jì)

對象模型模板（OMT）提供一個(gè)通用的理解機(jī)制，用來說明聯(lián)邦成員之間公共數(shù)據(jù)的交換和相互之間的協(xié)作。開發(fā)OMT的過程實(shí)際上是對仿真平臺中的交互數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和抽象的過程。在高層體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中，必須定義符合OMT的聯(lián)邦對象模型（federation object model, FOM）和仿真對象模型（simulation object model, SOM）數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)以類結(jié)構(gòu)表、交互表、屬性表、參數(shù)表、路由空間表的形式為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)，并最終生成聯(lián)邦執(zhí)行文件。在運(yùn)行時(shí)刻，RTI需要解析聯(lián)邦執(zhí)行文件并存儲上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不同的RTI有不同的解析與存儲策略。

本項(xiàng)目采用Pitch AB公司的可視化建模工具Visual OMT進(jìn)行開發(fā)，通過建模工具生成XML格式的FOM數(shù)據(jù)文件供HLA RTI使用。FOM數(shù)據(jù)文件中的部分對象類和交互類具體信息如表1和表2所示。

表1　仿真聯(lián)邦中的部分對象類屬性表Table 1 Object class attributes in simulation federation

表2　仿真聯(lián)邦中的部分交互類參數(shù)表Table 2 Interaction class parameters in simulation federation

表2（續(xù)）

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1基于FEDEP模型的聯(lián)邦開發(fā)過程

為了指導(dǎo)HLA聯(lián)邦模型的開發(fā)，美國國防部DMSO提出了HLA 聯(lián)邦開發(fā)和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)過程（federation development and execution process, FEDEP），使聯(lián)邦模型的開發(fā)過程實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化[11]。按照FEDEP模型進(jìn)行仿真平臺開發(fā)，既定義聯(lián)邦目標(biāo)、開發(fā)聯(lián)邦概念模型、設(shè)計(jì)聯(lián)邦、開發(fā)聯(lián)邦、集成和測試聯(lián)邦、執(zhí)行聯(lián)邦，又分析結(jié)果。FEDEP模型開發(fā)過程比較復(fù)雜，可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。在本項(xiàng)目的開發(fā)過程中我們參考了該模型，按如下過程進(jìn)行聯(lián)邦開發(fā)：

1）根據(jù)載人航天器飛行任務(wù)仿真需求定義飛行任務(wù)的通用仿真腳本，仿真腳本可根據(jù)具體仿真應(yīng)用靈活定制；

2）參考載人航天器總體設(shè)計(jì)方案以及飛行任務(wù)仿真腳本設(shè)計(jì)仿真聯(lián)邦，形成聯(lián)邦成員的仿真對象模型（SOM）和聯(lián)邦對象模型（FOM），確定仿真聯(lián)邦中的對象類和交互類以及它們的屬性和參數(shù)；

3）根據(jù)FOM表和SOM表，利用可視化建模工具Visual OMT生成仿真聯(lián)邦執(zhí)行文件（XML格式的*. FOM數(shù)據(jù)文件）；

4）開發(fā)實(shí)現(xiàn)各個(gè)仿真聯(lián)邦成員，并進(jìn)行聯(lián)邦的集成與測試，將聯(lián)邦執(zhí)行結(jié)果與聯(lián)邦想定進(jìn)行對比分析，并根據(jù)分析結(jié)果持續(xù)改進(jìn)，直到滿足實(shí)際仿真需求。

3.2仿真模型接口軟件

出于專業(yè)性的考慮，仿真模型中的變結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真成員、環(huán)境力矩仿真成員和陽光遮擋仿真成員都需要調(diào)用外部商業(yè)軟件來完成仿真模型計(jì)算，但這些商業(yè)軟件一般不支持HLA RTI接口，需要單獨(dú)開發(fā)相應(yīng)的接口軟件來適應(yīng)HLA RTI運(yùn)行時(shí)間支撐框架，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)領(lǐng)域的聯(lián)合仿真。

為滿足載人航天器多體動力學(xué)專業(yè)仿真需求，變結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真成員以MSC公司的Adams軟件作為多體動力學(xué)通用計(jì)算工具。其接口軟件基于Adams SDK采用Visual C++平臺進(jìn)行開發(fā)，以批處理調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)Adams內(nèi)部解算器按照給定步長進(jìn)行仿真推進(jìn)，并通過RTI接口與其他聯(lián)邦成員進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)與仿真平臺的緊密集成。

環(huán)境力矩仿真成員以MATLAB Simulink作為其求解計(jì)算工具。目前MATLAB Simulink自身不具備與HLA RTI連接的能力，需要開發(fā)接口軟件將Simulink仿真程序接入HLA仿真聯(lián)邦中。環(huán)境力矩仿真成員的接口軟件采用Visual C++平臺開發(fā)，通過調(diào)用MATLAB C語言接口實(shí)現(xiàn)Simulink程序的仿真推進(jìn)，進(jìn)而通過RTI程序接口加入仿真聯(lián)邦，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。

陽光遮擋仿真成員包含大量針對三維幾何模型的圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算，采用OpenInventor軟件來完成航天器艙體及太陽電池陣的陽光遮擋渲染計(jì)算更為方便高效，但同樣需要開發(fā)接口軟件來實(shí)現(xiàn)向HLA仿真聯(lián)邦的接入。OpenInventor軟件程序接口較為成熟，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的圖形計(jì)算功能，同時(shí)附帶人機(jī)交互界面。陽光遮擋仿真成員基于OpenInventor函數(shù)接口成功開發(fā)出航天器陽光遮擋仿真程序，并實(shí)現(xiàn)了與HLA仿真聯(lián)邦進(jìn)行集成的軟件接口。

3.3飛行場景三維可視化

衛(wèi)星工具包軟件STK是美國AGI公司推出的一款專業(yè)衛(wèi)星分析工具，為航天應(yīng)用領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的專業(yè)分析和顯示能力，可以快速地分析復(fù)雜的航天任務(wù)，提供逼真的二維和三維可視化動態(tài)場景以及多種分析結(jié)果。STK的可視化模塊（STK/V0）是其最重要的功能模塊之一，通過STK/V0生成的航天任務(wù)三維場景，可以完成任務(wù)全過程的仿真演示功能，使得用戶能方便準(zhǔn)確地觀察任務(wù)執(zhí)行的全過程[12]。為了能有效利用這一成熟的商業(yè)軟件工具，減少開發(fā)工作量，快速實(shí)現(xiàn)載人航天器飛行場景的可視化，仿真平臺的數(shù)據(jù)可視化成員基于STK軟件進(jìn)行二次開發(fā)。以Visual C++6.0為開發(fā)平臺，在MFC多文檔應(yīng)用程序框架基礎(chǔ)上嵌入STK視景顯示組件，開發(fā)了既具有STK二維和三維渲染能力，又有RTI數(shù)據(jù)交互能力的可視化軟件。該軟件利用HLA RTI接口從仿真聯(lián)邦訂購航天器位置、姿態(tài)、時(shí)間等參數(shù)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為STK指令，然后通過對STK/Connect模塊的調(diào)用將指令發(fā)送給STK，驅(qū)動STK運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)航天器在軌運(yùn)動狀態(tài)的實(shí)時(shí)視景仿真，即可根據(jù)仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示航天器軌道、姿態(tài)等運(yùn)行狀態(tài)。

三維模型構(gòu)建是STK視景仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。與航天任務(wù)相關(guān)的三維模型包括三維地形、空間環(huán)境、航天裝備、軌道等。其中空間環(huán)境、軌道可作為仿真場景的顯示屬性添加。由于STK模型庫不具有需要使用的載人航天器三維模型，需要導(dǎo)入特定格式的三維模型數(shù)據(jù)才能在飛行仿真場景中顯示定制的載人航天器航天裝備。STK所使用的三維模型格式比較特殊，為其自定義的MDL格式，而本項(xiàng)目使用的載人航天器三維模型為ProE模型，不能直接應(yīng)用，需要轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換方法為將ProE模型利用Deep Exploration軟件轉(zhuǎn)換為Lightwave格式（*. Lwo）模型，再利用LwConvert工具將Lightwave格式模型轉(zhuǎn)換為MDL格式。為保證效果，轉(zhuǎn)換過程中需要對模型細(xì)節(jié)進(jìn)行一些必要的人工處理。本項(xiàng)目利用該轉(zhuǎn)換方法成功實(shí)現(xiàn)了從ProE格式模型向STK專有格式模型的轉(zhuǎn)換，使得載人航天器模型在飛行場景中能夠正確顯示，增加了視景仿真的逼真程度。

4 仿真平臺應(yīng)用實(shí)例

基于上述方案及關(guān)鍵技術(shù)搭建的載人航天器飛行任務(wù)仿真平臺已經(jīng)成功應(yīng)用到載人航天器飛行方案設(shè)計(jì)中，現(xiàn)給出一個(gè)具體的飛行任務(wù)仿真應(yīng)用實(shí)例。該實(shí)例為某復(fù)雜載人航天器的組裝建造任務(wù)仿真，任務(wù)涵蓋不同艙段發(fā)射、變軌、姿態(tài)機(jī)動、交會對接、艙段轉(zhuǎn)位、形成穩(wěn)定組合體等事件環(huán)節(jié)。仿真開始前整個(gè)任務(wù)被分解為飛行仿真指令序列，仿真運(yùn)行時(shí)由飛行指令仿真成員派發(fā)飛行仿真指令序列驅(qū)動相關(guān)仿真成員推進(jìn)。整個(gè)仿真過程通過運(yùn)行管理成員控制，仿真數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)記錄成員收集存儲，數(shù)據(jù)可視化成員對飛行場景及星下點(diǎn)軌跡進(jìn)行圖形化展示，各仿真模型成員對航天器的有關(guān)狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)仿真。

圖3為陽光遮擋仿真成員顯示某時(shí)刻載人航天器組合體陽光遮擋情況（圖中紅色為光照區(qū)，藍(lán)色為陰影區(qū)），通過陽光遮擋情況可進(jìn)一步仿真航天器能源供應(yīng)狀況。

通過該仿真平臺對載人航天器組裝建造任務(wù)的仿真，輔助驗(yàn)證了飛行方案及有關(guān)總體指標(biāo)的可行性，加深了設(shè)計(jì)人員對任務(wù)的理解，使得飛行任務(wù)編排更為合理可行，降低由此帶來的失敗風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

本文基于高層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)了載人航天器飛行任務(wù)仿真平臺，并對仿真平臺的聯(lián)邦開發(fā)過程、飛行場景三維可視化、仿真模型接口軟件等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。與基于STK軟件進(jìn)行的單一飛行任務(wù)仿真相比，該分布式仿真平臺覆蓋的專業(yè)面更全，驗(yàn)證內(nèi)容更豐富，同時(shí)可擴(kuò)展性強(qiáng)，便于組件的重用和未來擴(kuò)展升級。目前該仿真平臺已經(jīng)成功應(yīng)用于載人航天器飛行方案實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，并取得了良好的效果。后續(xù)將不斷升級補(bǔ)充仿真平臺中的仿真模型，以適應(yīng)新的任務(wù)仿真需求。

圖3　某時(shí)刻載人航天器組合體陽光遮擋情況Fig. 3 Sunlight shading result of manned assembled spacecraft at a certain time

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 戚發(fā)軔, 朱仁璋, 李頤黎. 載人航天器技術(shù)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2003: 1-12

[2] 張柏楠. 航天器交會對接任務(wù)分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2011: 1-40

[3] 夏豐領(lǐng), 趙育善. 基于HLA的地空導(dǎo)彈仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2007, 19(2): 296-299 Xia Fengling, Zhao Yushan. Surface-to-air missile simulation system design based on HLA[J]. Journal of System Simulation, 2007, 19(2): 296-299

[4] 伏洪勇, 林寶軍, 楊新. 基于HLA/pRTI的衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)仿真研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2006, 18(3): 768-770 Fu Hongyong, Lin Baojun, Yang Xin. Simulation study on satelitte’s attitude and orbit control system based on HLA/pRTI[J]. Journal of System Simulation, 2006, 18(3): 768-770

[5] 王佩, 呂梅柏, 李言俊, 等．基于HLA的機(jī)載激光武器仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 29(2): 198-204 Wang Pei, Lü Meibo, Li Yanjun, et al. An airborne laser (ABL) weapon simulation system based on HLA[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2011, 29(2): 198-204

[6] IEEE 1516 IEEE standard for modeling and simulation (M&S) high level architecture (HLA) - framework and rules[S], 2000-09-21: 1-27

[7] IEEE 1516.1 IEEE standard for modeling and simulation (M&S) high level architecture (HLA) - federate interface specification[S], 2000-09-21:1-247

[8] IEEE 1516.2 IEEE standard for modeling and simulation (M&S) high level architecture (HLA) - object model template (OMT) specification[S], 2000-09-21:1-128

[9] 張志利, 陳珊, 龍勇. 基于HLA的分布交互仿真程序設(shè)計(jì)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2006, 18(增刊2): 311-314 Zhang Zhili, Chen Shan, Long Yong. Distributed interactive simulation program design based on HLA[J]. Journal of System Simulation, 2006, 18(sup 2): 311-314

[10] Lu T, Lee C, Hsia W. Supporting large-scale distributed simulation using HLA[J]. ACM Transactions on Modeling and Computer Simulation, 2000, 10(3): 268-294

[11] IEEE 1516.3 IEEE recommended practice for high level architecture (HLA) - federation development and execution process (FEDEP) [S], 2000-09-21

[12] 杜耀珂. 基于STK的衛(wèi)星實(shí)時(shí)視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用, 2009, 35(2): 60-64 Du Yaoke. Design of STK-based realtime visualization simulation system for satellites[J]. Aerospace Control and Application, 2009, 35(2): 60-64

（編輯：閆德葵）

Research and implementation of HLA-based flight mission simulation platform for manned spacecraft

Shi Xiaolin1, Luan Wenbo2
(1. Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China; 2. China Aerospace Science and Technology Corporation, Beijing 100048, China)

Abstract:According to the requirements of the manned spacecraft flight mission simulation, we propose a solution of the flight mission simulation platform for the manned spacecraft based on the characteristics of the manned spacecraft and the principles of the High Level Architecture(HLA), and realize the functions including the simulation management, the flight commands, the data recording, the data visualization, and implement the simulation platform which consists of those items for orbit, attitude, power, dynamics, etc. A typical application case is given, together with some key technologies including the platform development process, the three-dimensional visualization of the flight scene, and the software interface of the simulation model. Compared with the single flight mission simulation software, this platform covers more aspects of related fields and verification contents, and is more extendable for future updating. With the increasing complexity of the manned spacecraft flight mission, the simulation platform can meet new mission verification requirements by extending and reusing the current components. The simulation platform can be used for the verification of complex manned spacecraft flight mission designs, and it is also useful for the future simulation platform design and the development of other HLA-based spacecraft simulation systems.

Key words:high level architecture; manned spacecraft; distributed interactive simulation; run time infrastructure

作者簡介：石小林（1978—），男，博士學(xué)位，高級工程師，主要從事載人航天器系統(tǒng)仿真技術(shù)研究；E-mail: sxl_1978@aliyun.com。欒文博（1973—），男，碩士學(xué)位，高級工程師，主要從事航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、航天系統(tǒng)工程管理等工作。

基金項(xiàng)目：國家重大科技專項(xiàng)工程

收稿日期：2015-06-08；修回日期：2015-07-03

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.005

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)01-0028-07