基于HLA的載人航天器飛行任務仿真平臺研究與實現

石小林，欒文博

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

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基于HLA的載人航天器飛行任務仿真平臺研究與實現

石小林1，欒文博2

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

摘要：面向載人航天器飛行任務仿真需求，根據載人航天器的特點以及高層體系結構（HLA）技術，提出了基于高層體系結構的載人航天器飛行任務仿真平臺方案，設計實現了由運行管理、飛行指令、數據記錄、數據可視化等功能，以及涵蓋軌道、姿態、能源、動力學等多個專業仿真模型組成的仿真平臺，給出了應用實例，并就仿真平臺開發中的聯邦開發過程、仿真模型接口軟件、飛行場景三維可視化等關鍵部分進行了探討。與單一的飛行任務仿真軟件相比，該分布式仿真平臺覆蓋的專業面更全，驗證內容更豐富，可擴展性更強。隨著載人航天器系統飛行任務復雜程度的提高，通過對仿真平臺的擴展和重用，可適應新的任務驗證需求。該仿真平臺可為復雜載人航天器的飛行任務設計驗證提供依據，并對基于HLA的其他航天器仿真系統的聯邦設計與開發具有一定的參考價值。

關鍵詞：高層體系結構；載人航天器；分布式交互仿真；運行時間框架

0 引言

隨著我國載人航天突破交會對接技術，載人航天器系統已經逐步從單個飛行器發展到包含多個飛行器的組合體系統，以及后續更為復雜的載人空間站系統[1]，其飛行任務的復雜性也大幅增加。復雜載人航天器系統通常包含多艙段飛行器，需要通過多次發射后在軌組裝而成[2]，因此很難進行基于全系統的任務綜合性物理驗證，這對任務前期設計提出了更高要求。為提高任務設計質量，降低任務風險，亟需借助數字化仿真手段來開展早期驗證。

為了更為全面地對載人航天器飛行任務進行仿真驗證，仿真系統通常需要涵蓋軌道、控制、動力學、熱物理、能源等多個專業領域，而且能夠靈活擴展。采用分布式仿真技術能更好地滿足這一需求。高層體系結構（high level architecture, HLA）是目前實現分布式仿真的主流技術，通過構建通用仿真框架，來支持不同仿真應用之間的互操作和仿真組件的可重用。利用HLA技術構建仿真系統，具有良好的可擴展性，便于后續的系統升級開發。基于HLA技術開發的各種仿真系統在航空、航天、船舶、武器等領域已經有許多成功的案例[3-5]。

本文主要針對復雜載人航天器飛行任務的仿真驗證需求，結合HLA分布式仿真體系結構，提出一套面向飛行任務仿真的分布式仿真平臺構建方案，并對其中的若干關鍵技術進行研究?；谒岢龅姆桨?，開發實現相應的仿真平臺，并給出應用實例，驗證方案的可行性。

1 高層體系結構

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構概念。它的基本思想就是采用面向對象的方法來設計、開發和實現仿真系統的對象模型，目的是促進各種仿真應用（包括構造仿真、虛擬仿真和實況仿真）之間的互操作和仿真部件的可重用，已于2000年被批準為IEEE標準[6-8]（HLA IEEE Std 1516），目前已經發展到HLA Evolved標準。

HLA技術規范由規則（rules）、對象模型模板（object model template, OMT）和接口規范（interface specification）3個部分組成。HLA的規則規定了所有聯邦成員必須符合的要求，表述了HLA中各個部件的功能劃分和邏輯關系，規則的約束條件確保聯邦成員在HLA框架下的兼容性，以實現聯邦成員的互操作。OMT提供一種標準的文檔化的格式（FED或XML）描述聯邦及聯邦成員的對象模型信息，使用面向對象的方法實現構建層次化的描述和定義，有利于仿真構件重用[9]。HLA支持基于對象的仿真應用開發模式，并將仿真功能與通用的支撐系統相分離，提高了整個體系結構的開放性、靈活性和適應性，促進仿真聯邦的高層復用，最終降低開發新的應用系統的成本和時間。

運行時間支撐框架（run time infrastructure, RTI）是HLA規范的軟件具體實現。RTI按照HLA接口規范為仿真聯邦提供管理服務，為各個仿真成員提供聲明管理服務、對象管理服務、時間管理服務、所有權管理服務和數據分發管理服務，實現仿真聯邦的集成。目前RTI主要基于以太網，通過TCP/IP網絡協議實現。其中商業化的RTI產品包括瑞典的Pitch AB公司推出的pRTI，M?K公司推出的 MAK RTI等。國內應用較廣的為pRTI。Pitch AB公司還基于本公司的pRTI開發了多個適用于快速構建仿真系統的開發工具，如Pitch Visual OMT（可視化對象模型的建模工具），Pitch Recorder（數據記錄器），Pitch Commander（聯邦監控工具）等等，以滿足仿真技術的發展需求。RTI軟件與相關的配套開發工具相配合，可實現基于HLA仿真系統的快速開發和維護。

2 載人航天器飛行任務仿真平臺總體方案

2.1仿真平臺結構

仿真平臺采用HLA分布式仿真體系結構，從頂層按照功能劃分為仿真平臺底層支撐環境（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境外，每個組成部分由特定的聯邦成員構成。其中仿真平臺管理包括運行管理成員，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據記錄成員和數據可視化成員，仿真模型包括軌道、姿態控制、能量管理、變結構動力學、外熱流、環境力矩、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仿真應用而設計，根據任務具體需要可進行擴展或剪裁。仿真平臺的總體結構如圖1所示。

圖1　仿真平臺總體結構Fig. 1 General structure of simulation platform

據上述，整個仿真平臺共包括11個仿真聯邦成員，平臺整體定義為一個仿真聯邦。各仿真聯邦成員功能特點如下：

1）運行管理成員：提供對仿真平臺的管控功能，基于HLA RTI 實現仿真任務、仿真節點和仿真運行過程中的控制與管理，包括仿真啟動/暫停/結束/繼續等基本仿真命令，仿真過程狀態顯示，以及各個聯邦成員狀態的顯示。

2）飛行指令仿真成員：針對表示飛行任務的飛行指令，提供飛行指令的導入、編輯和向其他仿真聯邦成員的動態發布功能，驅動仿真進程。

3）數據記錄成員：實時接收仿真聯邦成員在仿真過程中發布的動態交互數據并進行存儲，供事后分析或回放使用。

4）數據可視化成員：為載人航天器飛行過程的三維場景和星下點軌跡提供展示，顯示各種狀態變量的實時變化數據及曲線。

5）姿態控制仿真成員：提供載人航天器姿態控制仿真，包括敏感器與執行機構，控制器，以及艙體的姿態運動過程等動態仿真。

6）軌道仿真成員：提供飛行任務各階段載人航天器軌道運動仿真?？筛鶕o定初始時刻航天器軌道狀態，外推航天器的位置、速度及軌道根數，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電效率、負載分析和放電深度的動態仿真。

8）變結構動力學仿真成員：提供航天器變結構多體動力學仿真，如包含機械臂應用場景的復雜動力學過程仿真。

9）環境力矩仿真成員：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算。

10）陽光遮擋仿真成員：提供復雜載人航天器包括組合體在內的多種構型條件下太陽電池陣的陽光遮擋情況實時仿真，并計算陽光遮擋比率。

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仿真平臺主要功能包括：1）仿真平臺基礎功能

仿真任務、仿真節點及仿真過程管理控制，仿真聯邦狀態監視，仿真回放，仿真模型擴展接入；仿真過程數據可視化，包括數據曲線、星下點及三維飛行場景展示；仿真聯邦成員數據收集與分析。

2）主要仿真應用功能

提供數學形式的飛行任務仿真，可進行載人航天器發射入軌、正常運行、軌道調整機動、在軌工作等不同工作模式的工作狀態仿真，支持若干總體設計方案指標的仿真驗證，輔助載人航天器前期總體設計；模擬飛行程序執行情況及載人航天器飛行過程中軌道，動力學與控制，熱、能源等方面的在軌狀態，利用仿真數據驗證航天器飛行方案的合理性與可行性；支持復雜載人航天器包括組合體形式的飛行任務仿真，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雜飛行任務場景；支持針對載人航天器動力學（含機械臂應用）、姿態控制、能源、應急救生等專項設計方案的單項仿真驗證；提供載人航天器在軌階段的數字化伴飛，故障模擬與對策驗證。

2.3平臺開發環境

1）硬件開發環境

千兆以太局域網絡：采用Cisco千兆交換機搭建局域網絡；

PC終端和圖形工作站：主要包括11臺普通PC機和1臺HP圖形工作站。

2）軟件開發環境

操作系統：Windows XP SP3；

通用軟件開發平臺：Visual C++ 6.0；

三維視景開發軟件：衛星工具包軟件STK；

三維建模軟件Pro/E 5.0；

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

HLA聯邦設計開發軟件工具：瑞典Pitch AB公司的可視化建模工具Visual OMT 和運行支撐框架pRTI l516；

多體動力學仿真基礎軟件：Adams 2005；

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

2.4RTI拓撲結構

本項目所使用的RTI軟件產品是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邏輯拓撲結構采用了集中式分布的星形結構，如圖2所示。

圖2　RTI拓撲結構Fig. 2 Topology structure of RTI

該拓撲結構中CRC作為系統服務器實現RTI的全局管理，仿真聯邦成員通過LRC向CRC申請并完成各種服務。每個聯邦成員所屬計算機中都部署有局部RTI組件程序，而中心RTI組件部署在單獨的一臺計算機中，因此所有的仿真聯邦都通過RTI進行通信實現數據交互。集中式分布的星形結構便于對數據通信進行總體控制，具有較好的規模擴展性，有利于降低網絡流量，減輕網絡負荷[10]。

2.5對象模型模板設計

對象模型模板（OMT）提供一個通用的理解機制，用來說明聯邦成員之間公共數據的交換和相互之間的協作。開發OMT的過程實際上是對仿真平臺中的交互數據進行建模和抽象的過程。在高層體系結構應用系統開發過程中，必須定義符合OMT的聯邦對象模型（federation object model, FOM）和仿真對象模型（simulation object model, SOM）數據。這些數據以類結構表、交互表、屬性表、參數表、路由空間表的形式為應用層提供數據交互的標準，并最終生成聯邦執行文件。在運行時刻，RTI需要解析聯邦執行文件并存儲上述數據結構，不同的RTI有不同的解析與存儲策略。

本項目采用Pitch AB公司的可視化建模工具Visual OMT進行開發，通過建模工具生成XML格式的FOM數據文件供HLA RTI使用。FOM數據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　仿真聯邦中的部分對象類屬性表Table 1 Object class attributes in simulation federation

表2　仿真聯邦中的部分交互類參數表Table 2 Interaction class parameters in simulation federation

表2（續）

3 關鍵技術

3.1基于FEDEP模型的聯邦開發過程

為了指導HLA聯邦模型的開發，美國國防部DMSO提出了HLA 聯邦開發和執行標準過程（federation development and execution process, FEDEP），使聯邦模型的開發過程實現標準化[11]。按照FEDEP模型進行仿真平臺開發，既定義聯邦目標、開發聯邦概念模型、設計聯邦、開發聯邦、集成和測試聯邦、執行聯邦，又分析結果。FEDEP模型開發過程比較復雜，可以根據需要進行調整。在本項目的開發過程中我們參考了該模型，按如下過程進行聯邦開發：

1）根據載人航天器飛行任務仿真需求定義飛行任務的通用仿真腳本，仿真腳本可根據具體仿真應用靈活定制；

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

3）根據FOM表和SOM表，利用可視化建模工具Visual OMT生成仿真聯邦執行文件（XML格式的*. FOM數據文件）；

4）開發實現各個仿真聯邦成員，并進行聯邦的集成與測試，將聯邦執行結果與聯邦想定進行對比分析，并根據分析結果持續改進，直到滿足實際仿真需求。

3.2仿真模型接口軟件

出于專業性的考慮，仿真模型中的變結構動力學仿真成員、環境力矩仿真成員和陽光遮擋仿真成員都需要調用外部商業軟件來完成仿真模型計算，但這些商業軟件一般不支持HLA RTI接口，需要單獨開發相應的接口軟件來適應HLA RTI運行時間支撐框架，實現不同專業領域的聯合仿真。

為滿足載人航天器多體動力學專業仿真需求，變結構動力學仿真成員以MSC公司的Adams軟件作為多體動力學通用計算工具。其接口軟件基于Adams SDK采用Visual C++平臺進行開發，以批處理調用的方式實現Adams內部解算器按照給定步長進行仿真推進，并通過RTI接口與其他聯邦成員進行數據交互，從而實現與仿真平臺的緊密集成。

環境力矩仿真成員以MATLAB Simulink作為其求解計算工具。目前MATLAB Simulink自身不具備與HLA RTI連接的能力，需要開發接口軟件將Simulink仿真程序接入HLA仿真聯邦中。環境力矩仿真成員的接口軟件采用Visual C++平臺開發，通過調用MATLAB C語言接口實現Simulink程序的仿真推進，進而通過RTI程序接口加入仿真聯邦，實現數據的實時交互。

陽光遮擋仿真成員包含大量針對三維幾何模型的圖形學基礎計算，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算更為方便高效，但同樣需要開發接口軟件來實現向HLA仿真聯邦的接入。OpenInventor軟件程序接口較為成熟，可實現各種復雜的圖形計算功能，同時附帶人機交互界面。陽光遮擋仿真成員基于OpenInventor函數接口成功開發出航天器陽光遮擋仿真程序，并實現了與HLA仿真聯邦進行集成的軟件接口。

3.3飛行場景三維可視化

衛星工具包軟件STK是美國AGI公司推出的一款專業衛星分析工具，為航天應用領域提供了強大的專業分析和顯示能力，可以快速地分析復雜的航天任務，提供逼真的二維和三維可視化動態場景以及多種分析結果。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生成的航天任務三維場景，可以完成任務全過程的仿真演示功能，使得用戶能方便準確地觀察任務執行的全過程[12]。為了能有效利用這一成熟的商業軟件工具，減少開發工作量，快速實現載人航天器飛行場景的可視化，仿真平臺的數據可視化成員基于STK軟件進行二次開發。以Visual C++6.0為開發平臺，在MFC多文檔應用程序框架基礎上嵌入STK視景顯示組件，開發了既具有STK二維和三維渲染能力，又有RTI數據交互能力的可視化軟件。該軟件利用HLA RTI接口從仿真聯邦訂購航天器位置、姿態、時間等參數數據并轉化為STK指令，然后通過對STK/Connect模塊的調用將指令發送給STK，驅動STK運行，實現航天器在軌運動狀態的實時視景仿真，即可根據仿真數據實時顯示航天器軌道、姿態等運行狀態。

三維模型構建是STK視景仿真系統實現的基礎。與航天任務相關的三維模型包括三維地形、空間環境、航天裝備、軌道等。其中空間環境、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，需要導入特定格式的三維模型數據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，而本項目使用的載人航天器三維模型為ProE模型，不能直接應用，需要轉換。轉換方法為將ProE模型利用Deep Exploration軟件轉換為Lightwave格式（*. Lwo）模型，再利用LwConvert工具將Lightwave格式模型轉換為MDL格式。為保證效果，轉換過程中需要對模型細節進行一些必要的人工處理。本項目利用該轉換方法成功實現了從ProE格式模型向STK專有格式模型的轉換，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 仿真平臺應用實例

基于上述方案及關鍵技術搭建的載人航天器飛行任務仿真平臺已經成功應用到載人航天器飛行方案設計中，現給出一個具體的飛行任務仿真應用實例。該實例為某復雜載人航天器的組裝建造任務仿真，任務涵蓋不同艙段發射、變軌、姿態機動、交會對接、艙段轉位、形成穩定組合體等事件環節。仿真開始前整個任務被分解為飛行仿真指令序列，仿真運行時由飛行指令仿真成員派發飛行仿真指令序列驅動相關仿真成員推進。整個仿真過程通過運行管理成員控制，仿真數據由數據記錄成員收集存儲，數據可視化成員對飛行場景及星下點軌跡進行圖形化展示，各仿真模型成員對航天器的有關狀態進行動態仿真。

圖3為陽光遮擋仿真成員顯示某時刻載人航天器組合體陽光遮擋情況（圖中紅色為光照區，藍色為陰影區），通過陽光遮擋情況可進一步仿真航天器能源供應狀況。

通過該仿真平臺對載人航天器組裝建造任務的仿真，輔助驗證了飛行方案及有關總體指標的可行性，加深了設計人員對任務的理解，使得飛行任務編排更為合理可行，降低由此帶來的失敗風險。

5 結束語

本文基于高層體系結構設計開發了載人航天器飛行任務仿真平臺，并對仿真平臺的聯邦開發過程、飛行場景三維可視化、仿真模型接口軟件等關鍵技術進行了研究。與基于STK軟件進行的單一飛行任務仿真相比，該分布式仿真平臺覆蓋的專業面更全，驗證內容更豐富，同時可擴展性強，便于組件的重用和未來擴展升級。目前該仿真平臺已經成功應用于載人航天器飛行方案實際設計過程中，并取得了良好的效果。后續將不斷升級補充仿真平臺中的仿真模型，以適應新的任務仿真需求。

圖3　某時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

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（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，博士學位，高級工程師，主要從事載人航天器系統仿真技術研究；E-mail: sxl_1978@aliyun.com。欒文博（1973—），男，碩士學位，高級工程師，主要從事航天器結構機構設計、航天系統工程管理等工作。

基金項目：國家重大科技專項工程

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

文獻標志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)01-0028-07