粗略地說，航天仿真就是基于物理效應模型和(或)采用按飛行器運行學、空氣動力學及軌道動力學有關(guān)原理建立的數(shù)學模型進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、管理和應用等各個環(huán)節(jié)對系統(tǒng)進行全面的系統(tǒng)分析、方案設計與性能評估。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、空間站等設備的研制，到飛行器飛前動態(tài)性能檢測、飛后性能改進，乃至人造飛船的空間交會對接、在軌設備的維修等等，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、高風險的行業(yè)，不能沒有科學可靠的系統(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、模擬機仿真、數(shù)字機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德進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哈勃望遠望而進行的虛擬環(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、制導系統(tǒng)及運動情況，早在20年代初，哥達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)星艙里進行一次次仿真試驗，獲取數(shù)據(jù)進行分析研究。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的風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、工藝要求復雜，特別是實物仿真的不可重復性、高風險性，制約了實物、物理仿真的適用范圍。

　　模擬計算機仿真盛行于五十年代，它是根據(jù)仿真對象的數(shù)學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結(jié)果，進而分析和把握仿真對象的性能。模擬機仿真對于分析和研究飛行器制導系統(tǒng)及星上設備的性能，有著其它仿真方法難以替代的作用。進入60年代之后，隨數(shù)字計算機的迅速發(fā)展和廣泛普及，系統(tǒng)仿真的主要工具逐步由模擬機讓位于數(shù)字機。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)字機上進行的。

　　但是，傳統(tǒng)的von Neumann型數(shù)字機對信息進行串行處理，難以滿足航天工程中各類大規(guī)模復雜系統(tǒng)仿真對時間限制的要求，從80年代初開始，數(shù)字機與模擬機聯(lián)合組成的模擬-數(shù)字混合機開始出現(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)領域。

　　無論是早期的模擬機仿真還是數(shù)字機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。進入70年代后，隨著計算機圖形技術(shù)的迅速發(fā)展，系統(tǒng)仿真方法論和計算機仿真軟件設計技術(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)仿真學科與航天技術(shù)發(fā)展的大環(huán)境。新型號航天任務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)手段在航天仿真領域都得到成功的應用，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、計算機圖形導航工程(CGPP)系統(tǒng)、虛擬的交互環(huán)境工作站(VIEW)以及為修復哈勃望遠鏡而開發(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

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

　　可視交互仿真技術(shù)在航天仿真領域較早地得到了廣泛應用。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備會議上發(fā)表了在軌飛行器可視化計算機圖形系統(tǒng)，Hagedorn等人在1986年舉行的計算機仿真協(xié)會仿真器專業(yè)會議上提出了計算機導航工程，采用交互圖形工作站對飛行器試驗任務提供支持；CesarOcampo在Kansas大學采用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，并提出了計算機圖形在兩體軌道力學問題可視化方面的應用。

　　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)顯示在計算機屏幕上兩個不同視窗中的3維計算機動畫在軌衛(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、較強的動態(tài)感，還有效克服了由于隱表面消去處理而導致表面細節(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)是指采用計算機網(wǎng)絡技術(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)境下進行仿真。近年來，航天技術(shù)迅速發(fā)展的情況下，單機系統(tǒng)往往難以滿足航天工程中提出的一些技術(shù)復雜、涉及面廣、精確度要求高的仿真任務，由多機系統(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)星模型及星群進行信息的交換和交互處理。SM采用軌道力學進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)絡界面，允許其它用戶共享網(wǎng)絡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)手套等設備的作用，使仿真用戶“沉浸”在計算機制造的數(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、在軌運行和進入在軌任務操作等各階級進行實時的、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、由計算機生成的窗外視景顯示。SES可提供支持飛船設計的仿真環(huán)境，進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展。

　　系統(tǒng)工程仿真器SES在Kennedy空間中心1984年進行的兩次在軌空間飛船修復任務準備期間及Solar Max修復任務中都發(fā)揮了重要作用。特別是，在STS41-C期間，當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望遠鏡的成功修復也在很大程度上得益于虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)支持。在任務準備期間，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行訓練，向他們提供關(guān)于Hubble望遠鏡幾何結(jié)構(gòu)及計劃修復各有關(guān)步驟的精確知識。

　　荷蘭TNO-TEL的訓練與仿真研究所在圍繞空間站及宇航員在站進行軌道器的修復等方面進行仿真演練系統(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磁感應器等設備和軟件進行運動跟蹤；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，以支持宇航員的訓練和評估空間站設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用背景的新興交叉學科，在不到半個世紀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，作為學科本身，無論是理論框架、方法體系、應用技巧，還是應用領域，都仍有很多內(nèi)容有待完善和需要進一步開拓。

　　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鹊龋Y(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)境下進行航天工程和大型靶場試驗任務仿真研究，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仿真與遙科學相結(jié)合

　　遙科學是80年代剛剛興起的一門新興學科，其主要研究內(nèi)容是如何使得遠離現(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行操作和遙遠任務現(xiàn)場的真實對象上的操作合拍，不僅可以使操作者可“進入”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”進行火箭一級關(guān)機、二級關(guān)機、星箭分離……等控制操作，甚至進行衛(wèi)星的“手動”調(diào)姿與飛船的太空對接。

　　隨著遙科學研究的興起，其與虛擬現(xiàn)實仿真的結(jié)合將成為遙科學應用研究、系統(tǒng)仿真和計算機仿真領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。可以有充分的理由預期，遙科學與虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的結(jié)合將會為航天仿真技術(shù)發(fā)展和航天仿真學科的面貌帶來革命性的飛躍。