关于基于模型的设计加快NASA GNC算法开发教程和应用

NASA的Orion载人探索飞船专为深空飞行任务而设计，将搭载新一代宇航员到达整个太阳系中远超过近地轨道的多个目的地，如小行星、月球，并最终到达火星。Orion 将取代航天飞机，成为该机构进行人类太空探索的主要工具。

当 Orion 载人飞船的GN&C(制导、导航与控制)系统进行关键设计审查 (CDR) 时，超过 90% 的软件已经成功开发——这是 NASA 首次接受如此规模和复杂性的项目。此成就在很大程度上得益于使用基于模型的设计这一新的开发方法。

大多数NASA GN&C项目遵循传统流程：专家和分析师通过详细的需求文档指定核心算法。关键设计审查之后，这些文档将移交给飞行软件工程师，进而实现正式的飞行软件。这一过程通常需要数年时间，因为只有在完成规范之后才能开始编码，等到测试代码则需要更久。

Orion设计流程框图。图像由 NASA 提供。

NASA、Lockheed Martin和其他承包商通力合作，基于模型的设计理念，为Orion设计并开发了GN&C飞行算法。通过Simulink模型作为可执行规范，并自动生成飞行软件，使这些机构能够同时实现GN&C算法和飞行软件开发。因此，GN&C分析师可直接处理可执行算法模型，而不需要软件开发人员提供解释文档。

设计和分析环境与飞行软件开发环境的合并，使联合小组能够在早期发现并解决问题，从而节省整体开发时间至少一年。

传统设计流程与开发 Orion GN&C 软件的方法的原理图比较。

为新方法奠定基础

尽管 Lockheed Martin 已经熟悉基于模型的设计，但这种方法代表了许多 NASA工程师和承包商的模式转变。

通过制定建模标准，让来自多家机构的约100名工程师致力于 GN&C 算法开发，构建风格一致的模型，了解彼此的工作并高效协作。这些标准确保了所有模型清晰可读，对于使用模型作为文档的大型团队尤其重要。

开发和集成GN&C 算法

开发GN&C系统架构的第一步是创建“空箱架构”(EBA)。EBA 包含大约100个功能模块，或称计算机软件单元 (CSU)。

整个模型由一百多个 Simulink 库模块和组件构成。由于 CSU 被指定为模型引用模块，每个单元在传递到飞行软件团队之前，可以在台式机上进行彻底仿真。之后，工程师使用 Simulink Verification and Validation 和Simulink Model Advisor 工具来验证该模型是否满足建模的标准。

工程师还同时生成代码，以确保模型中没有阻止代码生成的问题。在交付审查时，工程师不但提供 Simulink 模块，还提供单元测试的测试输入和预期的测试输出。

GN&C算法和FSW开发流程

为了验证整个 GN&C 软件， NASA使用了持续完善了超过 20 年之久的Trick，一种高保真、六自由度仿真基础结构 。仿真环境包括飞船传感器（如惯性测量单元和星敏感器）和效应器（例如反作用控制系统）以及空气动力学、重力和空间环境的数学模型。

使用 Embedded Coder 生成代码

通过使用Embedded Coder，大多数C++ 飞行代码在CDR 之前便自动从Simulink模型中产生。在这一阶段使用Embedded Coder生成代码，除了节省时间和降低风险外，还提供三大优势：

可以验证能够生成最终部署到目标飞船上的代码，其结果与 Simulink 源模型仿真相同；

给习惯于自己编码的工程师检查生成代码的机会，甚至可以在生成的代码中直接调试；

通过将生成的代码直接嵌入 Trick 仿真基础结构，帮助分析人员深刻认识闭环运行时性能。

Simulink是运行闭环仿真的理想工具，因为它的交互式可视化环境可帮助工程师快速发现和解决问题。不过，对于如此全面的分析验证测试，仿真速度是一项更重要的考虑因素。

闭环仿真采用嵌入Trick的生成代码，执行速度比实时快大约10倍。因此，整整 10 天的 Orion 任务可以在短短一天内仿真。工程师通过两种方法进行入门级仿真：使用 Simulink 模型驱动 Trick ；将生成的代码嵌入 Trick。比较发现，两种仿真的结果完全相同。

开创先河

此 GN&C 项目在许多方面为 NASA 开辟了新道路。Simulink 和 Embedded Coder 使得来自 NASA、Lockheed 和其他承包商的领域专家构成的大型团队能够为复杂的轨道和场景开发算法，在已有的仿真环境中运行仿真，并生成最终部署在飞船上的飞行软件代码。

对于像这样的长期项目而言，机构的需求和重点发生转变的情况并不少见。无论项目需要向哪个方向发展，使用模型中捕获的算法都可以保证工程师对项目的把握。