NASA的Orion載人探索飛船專為深空飛行任務(wù)而設(shè)計(jì)，將搭載新一代宇航員到達(dá)整個(gè)太陽(yáng)系中遠(yuǎn)超過近地軌道的多個(gè)目的地，如小行星、月球，并最終到達(dá)火星。Orion 將取代航天飛機(jī)，成為該機(jī)構(gòu)進(jìn)行人類太空探索的主要工具。

當(dāng) Orion 載人飛船的GN&C(制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制)系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)計(jì)審查 (CDR) 時(shí)，超過 90% 的軟件已經(jīng)成功開發(fā)——這是 NASA 首次接受如此規(guī)模和復(fù)雜性的項(xiàng)目。此成就在很大程度上得益于使用基于模型的設(shè)計(jì)這一新的開發(fā)方法。

大多數(shù)NASA GN&C項(xiàng)目遵循傳統(tǒng)流程：專家和分析師通過詳細(xì)的需求文檔指定核心算法。關(guān)鍵設(shè)計(jì)審查之后，這些文檔將移交給飛行軟件工程師，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)正式的飛行軟件。這一過程通常需要數(shù)年時(shí)間，因?yàn)橹挥性谕瓿梢?guī)范之后才能開始編碼，等到測(cè)試代碼則需要更久。

Orion設(shè)計(jì)流程框圖。圖像由 NASA 提供。

NASA、Lockheed Martin和其他承包商通力合作，基于模型的設(shè)計(jì)理念，為Orion設(shè)計(jì)并開發(fā)了GN&C飛行算法。通過Simulink模型作為可執(zhí)行規(guī)范，并自動(dòng)生成飛行軟件，使這些機(jī)構(gòu)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)GN&C算法和飛行軟件開發(fā)。因此，GN&C分析師可直接處理可執(zhí)行算法模型，而不需要軟件開發(fā)人員提供解釋文檔。

設(shè)計(jì)和分析環(huán)境與飛行軟件開發(fā)環(huán)境的合并，使聯(lián)合小組能夠在早期發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而節(jié)省整體開發(fā)時(shí)間至少一年。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程與開發(fā) Orion GN&C 軟件的方法的原理圖比較。

為新方法奠定基礎(chǔ)

盡管 Lockheed Martin 已經(jīng)熟悉基于模型的設(shè)計(jì)，但這種方法代表了許多 NASA工程師和承包商的模式轉(zhuǎn)變。

通過制定建模標(biāo)準(zhǔn)，讓來(lái)自多家機(jī)構(gòu)的約100名工程師致力于 GN&C 算法開發(fā)，構(gòu)建風(fēng)格一致的模型，了解彼此的工作并高效協(xié)作。這些標(biāo)準(zhǔn)確保了所有模型清晰可讀，對(duì)于使用模型作為文檔的大型團(tuán)隊(duì)尤其重要。

開發(fā)和集成GN&C 算法

開發(fā)GN&C系統(tǒng)架構(gòu)的第一步是創(chuàng)建“空箱架構(gòu)”(EBA)。EBA 包含大約100個(gè)功能模塊，或稱計(jì)算機(jī)軟件單元 (CSU)。

整個(gè)模型由一百多個(gè) Simulink 庫(kù)模塊和組件構(gòu)成。由于 CSU 被指定為模型引用模塊，每個(gè)單元在傳遞到飛行軟件團(tuán)隊(duì)之前，可以在臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行徹底仿真。之后，工程師使用 Simulink Verification and Validation 和Simulink Model Advisor 工具來(lái)驗(yàn)證該模型是否滿足建模的標(biāo)準(zhǔn)。

工程師還同時(shí)生成代碼，以確保模型中沒有阻止代碼生成的問題。在交付審查時(shí)，工程師不但提供 Simulink 模塊，還提供單元測(cè)試的測(cè)試輸入和預(yù)期的測(cè)試輸出。

GN&C算法和FSW開發(fā)流程

為了驗(yàn)證整個(gè) GN&C 軟件， NASA使用了持續(xù)完善了超過 20 年之久的Trick，一種高保真、六自由度仿真基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 。仿真環(huán)境包括飛船傳感器（如慣性測(cè)量單元和星敏感器）和效應(yīng)器（例如反作用控制系統(tǒng)）以及空氣動(dòng)力學(xué)、重力和空間環(huán)境的數(shù)學(xué)模型。

使用 Embedded Coder 生成代碼

通過使用Embedded Coder，大多數(shù)C++ 飛行代碼在CDR 之前便自動(dòng)從Simulink模型中產(chǎn)生。在這一階段使用Embedded Coder生成代碼，除了節(jié)省時(shí)間和降低風(fēng)險(xiǎn)外，還提供三大優(yōu)勢(shì)：

可以驗(yàn)證能夠生成最終部署到目標(biāo)飛船上的代碼，其結(jié)果與 Simulink 源模型仿真相同；

給習(xí)慣于自己編碼的工程師檢查生成代碼的機(jī)會(huì)，甚至可以在生成的代碼中直接調(diào)試；

通過將生成的代碼直接嵌入 Trick 仿真基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，幫助分析人員深刻認(rèn)識(shí)閉環(huán)運(yùn)行時(shí)性能。

Simulink是運(yùn)行閉環(huán)仿真的理想工具，因?yàn)樗慕换ナ娇梢暬h(huán)境可幫助工程師快速發(fā)現(xiàn)和解決問題。不過，對(duì)于如此全面的分析驗(yàn)證測(cè)試，仿真速度是一項(xiàng)更重要的考慮因素。

閉環(huán)仿真采用嵌入Trick的生成代碼，執(zhí)行速度比實(shí)時(shí)快大約10倍。因此，整整 10 天的 Orion 任務(wù)可以在短短一天內(nèi)仿真。工程師通過兩種方法進(jìn)行入門級(jí)仿真：使用 Simulink 模型驅(qū)動(dòng) Trick ；將生成的代碼嵌入 Trick。比較發(fā)現(xiàn)，兩種仿真的結(jié)果完全相同。

開創(chuàng)先河

此 GN&C 項(xiàng)目在許多方面為 NASA 開辟了新道路。Simulink 和 Embedded Coder 使得來(lái)自 NASA、Lockheed 和其他承包商的領(lǐng)域?qū)＜覙?gòu)成的大型團(tuán)隊(duì)能夠?yàn)閺?fù)雜的軌道和場(chǎng)景開發(fā)算法，在已有的仿真環(huán)境中運(yùn)行仿真，并生成最終部署在飛船上的飛行軟件代碼。

對(duì)于像這樣的長(zhǎng)期項(xiàng)目而言，機(jī)構(gòu)的需求和重點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)變的情況并不少見。無(wú)論項(xiàng)目需要向哪個(gè)方向發(fā)展，使用模型中捕獲的算法都可以保證工程師對(duì)項(xiàng)目的把握。