粗略地說，航天仿真就是基于物理效應(yīng)模型和(或)采用按飛行器運行學(xué)、空氣動力學(xué)及軌道動力學(xué)有關(guān)原理建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬試驗與分析的研究工作。航天仿真是系統(tǒng)仿真技術(shù)與航天工程相結(jié)合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代仿真技術(shù)的一個重要分支。它主要是圍繞人造航天器的研制、發(fā)射、測控、管理和應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)對系統(tǒng)進(jìn)行全面的系統(tǒng)分析、方案設(shè)計與性能評估。從50年代航天事業(yè)發(fā)展的初期開始，仿真技術(shù)就已廣泛應(yīng)用到航天工程的各個方面。從運載火箭、人造衛(wèi)星、載人飛船、空間站等設(shè)備的研制，到飛行器飛前動態(tài)性能檢測、飛后性能改進(jìn)，乃至人造飛船的空間交會對接、在軌設(shè)備的維修等等，無處不打上仿真研究的烙印?？梢院敛豢鋸埖卣f，航天仿真是航天事業(yè)取得發(fā)展的基石。

　　航天仿真，這一伴隨著航天科技的發(fā)展而發(fā)展起來的新興技術(shù)領(lǐng)域，在過去的四十多年里曾為世界航天事業(yè)的發(fā)展多次發(fā)揮過重要作用。在我國航天的試驗中，仿真技術(shù)也一直受到從設(shè)備研制單位到發(fā)射測控單位的重視。事實證明，航天作為一個高科技、高投入、高風(fēng)險的行業(yè)，不能沒有科學(xué)可靠的系統(tǒng)仿真理論和仿真方法、仿真實驗結(jié)果的支持。

　　本文第一節(jié)擬簡要回顧四十年來航天仿真的發(fā)展歷程，第二節(jié)和第三節(jié)分別介紹國內(nèi)外航天仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對幾個新方向進(jìn)行評述。

　　1　航天仿真的發(fā)展歷程

　　仿真，簡單地說，就是在模型上進(jìn)行實驗，它是將被研究的對象及其特征抽象成模型，通過對模型的實驗操作及實驗結(jié)果的分析，探討和推斷對象本身所具有的性質(zhì)及其運動變化規(guī)律?！　『教旆抡嫱ǔＪ且院教祜w行器運行情況為研究對象的、面向復(fù)雜系統(tǒng)的仿真。

　　根據(jù)仿真模型類型及實現(xiàn)方式的不同，系統(tǒng)仿真技術(shù)已經(jīng)歷了物理仿真、模擬機(jī)仿真、數(shù)字機(jī)仿真和基于圖形工作站的三維可視交互仿真等四個階段。

　　航天仿真是大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的工程仿真，其處理方法往往涉及到圖2所示的多種仿真技術(shù)的集成。作為系統(tǒng)仿真技術(shù)與航天工程相結(jié)合的產(chǎn)物的航天仿真，從二十年代初期哥達(dá)德進(jìn)行的世界有史以來第一枚液體火箭的點燃試驗到九十年代初為修復(fù)哈勃望遠(yuǎn)望而進(jìn)行的虛擬環(huán)境仿真，伴隨著系統(tǒng)仿真和航天工程技術(shù)的發(fā)展，在短短七十年時間里取得了長足的進(jìn)展。在航天仿真的發(fā)展歷程中，每一類新的仿真手段的出現(xiàn)都只是仿真方法庫的豐富和補(bǔ)充，而并不意謂著老的仿真方法將被淘汰或失去市場。

　　實物、物理仿真是航天仿真中最早采用的方法。為了研究火箭的性能、制導(dǎo)系統(tǒng)及運動情況，早在20年代初，哥達(dá)德就在美國馬薩諸塞州的一個偏僻農(nóng)場里親手點燃一枚真實的火箭，他通過在火箭的噴口中央安裝一個舵輪來改變氣流方向，研究火箭的飛行控制；為了研究人進(jìn)入太空可能碰到的各種情況和問題，人們總是將小狗、白鼠等動物放在衛(wèi)星艙里進(jìn)行一次次仿真試驗，獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。為了研究飛行器在穿越稠密大氣層可能產(chǎn)生的各種情況，一種行之有效的、并且一直被廣泛采用的方法是空氣動力學(xué)的風(fēng)洞試驗與模型自由飛試驗；就是在航天技術(shù)發(fā)展的今天，實物、物理仿真仍然是航天工程界廣泛采用的一種重要方法。90年代初的“長二捆”火箭首發(fā)試驗就是這方面一個成功的例證。實物、物理仿真的顯著優(yōu)點是可以從宏觀上全局地把握飛行器的性能及運動情況。但其成本高、工藝要求復(fù)雜，特別是實物仿真的不可重復(fù)性、高風(fēng)險性，制約了實物、物理仿真的適用范圍。

　　模擬計算機(jī)仿真盛行于五十年代，它是根據(jù)仿真對象的數(shù)學(xué)模型將一系列運算器(如放大器、加法器、乘法器、積分器和函數(shù)發(fā)生器，等等)和無源器件(如電阻器件、電容器和電位器，等等)相互連接而形成仿真電路。通過調(diào)節(jié)輸入端的信號來觀察輸出端的響應(yīng)結(jié)果，進(jìn)而分析和把握仿真對象的性能。模擬機(jī)仿真對于分析和研究飛行器制導(dǎo)系統(tǒng)及星上設(shè)備的性能，有著其它仿真方法難以替代的作用。進(jìn)入60年代之后，隨數(shù)字計算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛普及，系統(tǒng)仿真的主要工具逐步由模擬機(jī)讓位于數(shù)字機(jī)。在航天測發(fā)與測控系統(tǒng)中，數(shù)字仿真比模擬仿真更簡便易行。無論是運載工具上升段的正常與異常飛行狀態(tài)的仿真、彈道軌線的傳真計算、制導(dǎo)誤差分析，還是在軌航天器的精密定軌模型的分析與仿真，以及載人飛船返回段的仿真，通常都是數(shù)字機(jī)上進(jìn)行的。

　　但是，傳統(tǒng)的von Neumann型數(shù)字機(jī)對信息進(jìn)行串行處理，難以滿足航天工程中各類大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)仿真對時間限制的要求，從80年代初開始，數(shù)字機(jī)與模擬機(jī)聯(lián)合組成的模擬-數(shù)字混合機(jī)開始出現(xiàn)在飛行仿真和航天試驗等航天工程仿真研究的高技術(shù)領(lǐng)域。

　　無論是早期的模擬機(jī)仿真還是數(shù)字機(jī)仿真都缺乏對仿真對象、仿真過程、仿真結(jié)果的可視性、生動性、直觀性，不利于對大型決策提供支持。進(jìn)入70年代后，隨著計算機(jī)圖形技術(shù)的迅速發(fā)展，系統(tǒng)仿真方法論和計算機(jī)仿真軟件設(shè)計技術(shù)在交互性、生動性、直觀性等方面取得了比較大的進(jìn)展，先后出現(xiàn)了動畫仿真、可視交互仿真、多媒體仿真和虛擬環(huán)境仿真、虛擬現(xiàn)實仿真等一系列新的仿真思想、仿真理論和仿真技術(shù)。航天仿真技術(shù)在可視化、逼真性和過程交互能力方面也取得了明顯的進(jìn)展。

　　2　航天仿真的新動向

　　航天仿真作為系統(tǒng)仿真與航天工程相結(jié)合的產(chǎn)物，其發(fā)展離不開系統(tǒng)仿真學(xué)科與航天技術(shù)發(fā)展的大環(huán)境。新型號航天任務(wù)的提出以及各種類型航天器的不斷涌現(xiàn)，為航天仿真工作提供了現(xiàn)實的必要性，而仿真技術(shù)的迅速發(fā)展不但為航天仿真方法的革新提供了理論基石和客觀條件，也極大地拓展了仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍。

　　近年來，各種受關(guān)注和推崇的新的仿真思想和技術(shù)手段在航天仿真領(lǐng)域都得到成功的應(yīng)用，先后出現(xiàn)了一批有影響、有工程背景、有實用價值的成果，如空間站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通訊的計算機(jī)仿真、衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中DAMA算法的仿真分析、分布虛擬環(huán)境(DVE)下的衛(wèi)星軌道建模與行星群的仿真、計算機(jī)圖形導(dǎo)航工程(CGPP)系統(tǒng)、虛擬的交互環(huán)境工作站(VIEW)以及為修復(fù)哈勃望遠(yuǎn)鏡而開發(fā)的仿真艙外活動的沉浸式虛擬環(huán)境(EVA)，等等。有人形象地說，近20年來航天仿真呈現(xiàn)出的是一種日新月異、百舸爭流的局面。

　　本節(jié)擬從幾個方面簡要綜述航天系統(tǒng)工程仿真的最新動向及近年來出現(xiàn)的較有影響的新成果。

　　2.1　衛(wèi)星在軌運動的可視交互仿真

　　在計算機(jī)仿真領(lǐng)域中，影響深遠(yuǎn)且頗具有應(yīng)用價值的仿真技術(shù)應(yīng)首推可視交互仿真(VIS)。VIS是70年代初期由英國的Hurrion博士在Warwick大學(xué)完成博士論文時提出的。VIS仿真的主要特點是采用計算機(jī)圖形描繪仿真過程，使用者在仿真過程中與模型進(jìn)行交互。VIS的價值在于幫助用戶進(jìn)行復(fù)雜決策、理解模型、在使用和實驗中采取主動。

　　可視交互仿真技術(shù)在航天仿真領(lǐng)域較早地得到了廣泛應(yīng)用。70年代初，Koboyoshi等人為日本空間規(guī)劃部開發(fā)了一種能在用戶定義的大多數(shù)模型框架下完成實時觀察的可視交互環(huán)境，并在東京舉行的第10屆國際空間技術(shù)與科學(xué)研討會上提出衛(wèi)星軌道信息的交互式圖形顯示技術(shù)。

　　在人造衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的可視化方面，Elyes和Cesar Ocampo等人也進(jìn)行了大量的工作。Elyes 在加利福尼亞舉行的空間顯示與空間設(shè)備會議上發(fā)表了在軌飛行器可視化計算機(jī)圖形系統(tǒng)，Hagedorn等人在1986年舉行的計算機(jī)仿真協(xié)會仿真器專業(yè)會議上提出了計算機(jī)導(dǎo)航工程，采用交互圖形工作站對飛行器試驗任務(wù)提供支持；CesarOcampo在Kansas大學(xué)采用2維和3維空間建模的方法，通過可視化仿真技術(shù)演示和觀察地心軌道上衛(wèi)星運行狀態(tài)隨軌道參數(shù)變化的關(guān)系，并提出了計算機(jī)圖形在兩體軌道力學(xué)問題可視化方面的應(yīng)用。

　　在軌衛(wèi)星的姿態(tài)顯示與姿態(tài)控制在人造衛(wèi)星的發(fā)射、測控和應(yīng)用衛(wèi)星的研究中是十分重要的。印度ISRO衛(wèi)星中心控制系統(tǒng)研究所開發(fā)了一組十分簡潔的衛(wèi)星姿態(tài)顯示模型及仿真軟件。該仿真模型的輸入信息為偏航誤差、滾動誤差和俯仰誤差，仿真輸出為動態(tài)顯示在計算機(jī)屏幕上兩個不同視窗中的3維計算機(jī)動畫在軌衛(wèi)星姿態(tài)變換圖形。該仿真軟件采用多視角繪圖和雙倍緩沖技術(shù)不但確保了衛(wèi)星姿態(tài)顯示的視連續(xù)性、較強(qiáng)的動態(tài)感，還有效克服了由于隱表面消去處理而導(dǎo)致表面細(xì)節(jié)信息的損失，增加仿真圖形顯示的真實感。

　　2.2　多星管理的分布交互仿真

　　分布交互仿真(DIS)是指采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分布在不同地點的多個仿真主體連接起來，通過不同節(jié)點之間信息的交換和協(xié)調(diào)，實現(xiàn)多主體在同一環(huán)境下進(jìn)行仿真。近年來，航天技術(shù)迅速發(fā)展的情況下，單機(jī)系統(tǒng)往往難以滿足航天工程中提出的一些技術(shù)復(fù)雜、涉及面廣、精確度要求高的仿真任務(wù)，由多機(jī)系統(tǒng)組成的分布交互仿真技術(shù)在航天仿真中日益受到人們的重視。

　　美國Wright-Patterson空軍基地空軍技術(shù)研究所在1990年代初期成功地開發(fā)了一套用于衛(wèi)星軌道建模與近地空間環(huán)境仿真系統(tǒng)(SM)，SM在網(wǎng)絡(luò)界面下工作時遵從DIS2.0協(xié)議，并支持分布式交互仿真。

　　SM可以逼真地模仿近地空間環(huán)境，可以同時描繪來自多個不同行星與人造衛(wèi)星群的多顆衛(wèi)星在軌道上運行時的3維動態(tài)圖形，允許用戶從虛擬環(huán)境中的空基和地基等各種不同視點去觀察在軌衛(wèi)星運行情況，并可以在仿真過程中與多顆衛(wèi)星模型及星群進(jìn)行信息的交換和交互處理。SM采用軌道力學(xué)進(jìn)行在軌對象運動的計算，用高度精確的3D圖形描繪衛(wèi)星群及地球、月亮，使用戶有一種置身浩渺太空的臨現(xiàn)感和沉浸感。

　　SM模型所具備的網(wǎng)絡(luò)界面，允許其它用戶共享網(wǎng)絡(luò)DVE中所有用戶提供的衛(wèi)星傳播數(shù)據(jù)。特別適用于多星管理的仿真。

　　2.3　空間飛船任務(wù)的虛擬現(xiàn)實仿真

　　虛擬現(xiàn)實仿真是仿真技術(shù)發(fā)展的高級階段，它是一種人與計算機(jī)生成的虛幻環(huán)境和對象的交互式仿真。通過顯示頭盔和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備的作用，使仿真用戶“沉浸”在計算機(jī)制造的數(shù)據(jù)空間中，并有類似于現(xiàn)實空間中活動時所體驗的類似感覺，主要包括視覺、聽覺和身體的動感與力的反作用感覺等等。采用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)來構(gòu)造載人飛船的仿真演練系統(tǒng)，這是國際上一些大的航天機(jī)構(gòu)近年來研究的熱點。

　　安裝在Huston的系統(tǒng)工程仿真器(SES)是一個比較典型的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，SES是由Jonhson空間中心開發(fā)的，它是載人飛船開發(fā)工作的一個重要工具，可對飛船上升、在軌運行和進(jìn)入在軌任務(wù)操作等各階級進(jìn)行實時的、人在回路中的仿真。SES是一個基固大型仿真器，裝備有飛船仿真用的各種設(shè)備，具體包括閉路電視系統(tǒng)、供人演練的用具(MMV)，乘員站和太空站的乘員站，以及高度精確的、由計算機(jī)生成的窗外視景顯示。SES可提供支持飛船設(shè)計的仿真環(huán)境，進(jìn)行飛船動力飛行段的仿真，無動力飛行段、再入段及著陸段的仿真，在軌操作的演練與仿真等一系列仿真與演練培訓(xùn)工作。1985年，SES又開發(fā)了用于軌道器、空間站交會對接的仿真部分，作為SES在飛船在軌仿真方面的擴(kuò)展。

　　系統(tǒng)工程仿真器SES在Kennedy空間中心1984年進(jìn)行的兩次在軌空間飛船修復(fù)任務(wù)準(zhǔn)備期間及Solar Max修復(fù)任務(wù)中都發(fā)揮了重要作用。特別是，在STS41-C期間，當(dāng)飛船對接試驗失敗之后，捕捉衛(wèi)星計劃的開發(fā)完全得益于SES的仿真支持。

　　90年代初，Hubble望遠(yuǎn)鏡的成功修復(fù)也在很大程度上得益于虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)支持。在任務(wù)準(zhǔn)備期間，飛行指揮Joh Muratore提出開發(fā)一套專用的虛擬環(huán)境來對飛行小組成員進(jìn)行訓(xùn)練，向他們提供關(guān)于Hubble望遠(yuǎn)鏡幾何結(jié)構(gòu)及計劃修復(fù)各有關(guān)步驟的精確知識。

　　荷蘭TNO-TEL的訓(xùn)練與仿真研究所在圍繞空間站及宇航員在站進(jìn)行軌道器的修復(fù)等方面進(jìn)行仿真演練系統(tǒng)的開發(fā)研究，他們采用Pro視覺硬件、VRS軟件、顯示頭盔和Polbeumus磁感應(yīng)器等設(shè)備和軟件進(jìn)行運動跟蹤；在仿真對象方面，HMD顯示的視域中包含一個空間站和兩個“宇航員”視運動體，這兩個運動體在虛擬環(huán)境中一個朝飛船的頭部、一個朝相反方向運動，以進(jìn)入空間站貨倉取出貨物。顯然，這種虛擬現(xiàn)實仿真是與空間站上飛行過程中宇航員艙外活動的訓(xùn)練緊密相連的。

　　歐空局(ESA)也一直致力于虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的應(yīng)用研究，他們曾將Columbus空間站模型化處理，并投入虛擬環(huán)境中，以支持宇航員的訓(xùn)練和評估空間站設(shè)計性能等方面的工作。1993年，Bagiana曾撰文綜述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在歐空局的應(yīng)用研究情況。

　　3　航天仿真的幾點思考

　　航天仿真作為一個有廣泛工程應(yīng)用背景的新興交叉學(xué)科，在不到半個世紀(jì)的時間里取得了迅速的發(fā)展，并在一些重大的工程項目中發(fā)揮了顯著的決策支持作用。但是，作為學(xué)科本身，無論是理論框架、方法體系、應(yīng)用技巧，還是應(yīng)用領(lǐng)域，都仍有很多內(nèi)容有待完善和需要進(jìn)一步開拓。

　　3.1　關(guān)于測發(fā)系統(tǒng)的仿真

　　每一次大型航天任務(wù)中，航天器都是從發(fā)射場那高聳的發(fā)射架上點火升空的，發(fā)射的成功與否關(guān)系重大。測發(fā)系統(tǒng)，乃至整個主動段的仿真工作理應(yīng)受到航天仿真界的充分重視。

　　測發(fā)系統(tǒng)的仿真可采用分布式虛擬環(huán)境(DVE)技術(shù)構(gòu)造仿真用戶與航天發(fā)射靶場虛擬環(huán)境之間的3維界面，實現(xiàn)航天器的組裝、調(diào)試、點火升空，以及首區(qū)各觀測站跟蹤的可視化處理。

　　仿真過程中人與模型的交互對測發(fā)系統(tǒng)仿真尤為重要，無論是發(fā)射過程中各類異?，F(xiàn)象和緊急避險措施的仿真，還是各觀測站跟蹤方式的調(diào)整，都可以通過交互來實現(xiàn)。

　　3.2　航天仿真的集成化與智能化

　　80年代初，Henriksenz預(yù)測90年代的仿真軟件發(fā)展趨勢時，提出了集成仿真環(huán)境的概念和框架結(jié)構(gòu)。仿真集成通常包括對多面向的建模、仿真運行控制的指定、各類仿真數(shù)據(jù)的管理、仿真運行結(jié)果的采集、顯示和結(jié)果報告的生成等多種需求集成一個功能完整的仿真研究框架。

　　仿真支持語言、通用或?qū)Ｓ密浖鹊?，集結(jié)在一起，形成一個功能和信息資料齊全的、結(jié)構(gòu)完整的集成化仿真環(huán)境，在集成化環(huán)境下進(jìn)行航天工程和大型靶場試驗任務(wù)仿真研究，這無疑是90年代航天仿真發(fā)展的一個大趨勢。航天仿真作為航天工程決策支持系統(tǒng)的一個重要組成部分，其自然語言界面和可視交互的能力顯得尤為重要。

　　3.3　VR仿真與遙科學(xué)相結(jié)合

　　遙科學(xué)是80年代剛剛興起的一門新興學(xué)科，其主要研究內(nèi)容是如何使得遠(yuǎn)離現(xiàn)場的人對現(xiàn)場有多方位感知能力和對現(xiàn)場活動有靈活自由的操作能力。前者稱為遙現(xiàn)，考慮的是感知能力的延伸；后者稱為遙操作，是人行為能力的延伸。

　　將虛擬現(xiàn)實仿真與遙科學(xué)相結(jié)合，形成如下形式的雙回路實驗框架，讓人在虛擬環(huán)境中的虛幻對象上進(jìn)行操作和遙遠(yuǎn)任務(wù)現(xiàn)場的真實對象上的操作合拍，不僅可以使操作者可“進(jìn)入”正在點火升空的火箭發(fā)射架附近，還可“乘上”正在飛馳的火箭，“親手”進(jìn)行火箭一級關(guān)機(jī)、二級關(guān)機(jī)、星箭分離……等控制操作，甚至進(jìn)行衛(wèi)星的“手動”調(diào)姿與飛船的太空對接。

　　隨著遙科學(xué)研究的興起，其與虛擬現(xiàn)實仿真的結(jié)合將成為遙科學(xué)應(yīng)用研究、系統(tǒng)仿真和計算機(jī)仿真領(lǐng)域未來一個時期人們關(guān)注的焦點，也將是航天仿真走向更高層次的一個契機(jī)?？梢杂谐浞值睦碛深A(yù)期，遙科學(xué)與虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的結(jié)合將會為航天仿真技術(shù)發(fā)展和航天仿真學(xué)科的面貌帶來革命性的飛躍。