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(yuǎn)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(dāng) 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(xì)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(biāo)準(zhǔn)，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(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(biāo)準(zhǔn)。

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(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(fēng)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(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(rèn)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。