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

當 Orion 載人飛船的GN&C(制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制)系統(tǒng)進行關(guān)鍵設(shè)計審查 (CDR) 時，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)雜性的項目。此成就在很大程度上得益于使用基于模型的設(shè)計這一新的開發(fā)方法。

大多數(shù)NASA GN&C項目遵循傳統(tǒng)流程：專家和分析師通過詳細的需求文檔指定核心算法。關(guān)鍵設(shè)計審查之后，這些文檔將移交給飛行軟件工程師，進而實現(xiàn)正式的飛行軟件。這一過程通常需要數(shù)年時間，因為只有在完成規(guī)范之后才能開始編碼，等到測試代碼則需要更久。

Orion設(shè)計流程框圖。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)計理念，為Orion設(shè)計并開發(fā)了GN&C飛行算法。通過Simulink模型作為可執(zhí)行規(guī)范，并自動生成飛行軟件，使這些機構(gòu)能夠同時實現(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)時間至少一年。

傳統(tǒng)設(shè)計流程與開發(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，但這種方法代表了許多 NASA工程師和承包商的模式轉(zhuǎn)變。

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

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個功能模塊，或稱計算機軟件單元 (CSU)。

整個模型由一百多個 Simulink 庫模塊和組件構(gòu)成。由于 CSU 被指定為模型引用模塊，每個單元在傳遞到飛行軟件團隊之前，可以在臺式機上進行徹底仿真。之后，工程師使用 Simulink Verification and Validation 和Simulink Model Advisor 工具來驗證該模型是否滿足建模的標準。

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

GN&C算法和FSW開發(fā)流程

為了驗證整個 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)）以及空氣動力學、重力和空間環(huán)境的數(shù)學模型。

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)省時間和降低風險外，還提供三大優(yōu)勢：

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

給習慣于自己編碼的工程師檢查生成代碼的機會，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識閉環(huán)運行時性能。

Simulink是運行閉環(huán)仿真的理想工具，因為它的交互式可視化環(huán)境可幫助工程師快速發(fā)現(xiàn)和解決問題。不過，對于如此全面的分析驗證測試，仿真速度是一項更重要的考慮因素。

閉環(huán)仿真采用嵌入Trick的生成代碼，執(zhí)行速度比實時快大約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行入門級仿真：使用 Simulink 模型驅(qū)動 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 項目在許多方面為 NASA 開辟了新道路。Simulink 和 Embedded Coder 使得來自 NASA、Lockheed 和其他承包商的領(lǐng)域?qū)＜覙?gòu)成的大型團隊能夠為復(fù)雜的軌道和場景開發(fā)算法，在已有的仿真環(huán)境中運行仿真，并生成最終部署在飛船上的飛行軟件代碼。

對于像這樣的長期項目而言，機構(gòu)的需求和重點發(fā)生轉(zhuǎn)變的情況并不少見。無論項目需要向哪個方向發(fā)展，使用模型中捕獲的算法都可以保證工程師對項目的把握。