載人月球探測混合云架構體系仿真系統研究

趙 毓，王慎泉，王 平，黃 震，周克亮，張 琦

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.中國航天員科研訓練中心，北京 100094；3.廣東航宇衛星科技有限公司，汕頭 515041；4.哈爾濱工業大學航天學院，哈爾濱 150001）

0 引言

進入21 世紀以來，月球探測迎來新熱潮，以中美兩國為代表的各航天大國相繼發射了多枚探測器，積極開展月球資源探索和利用活動［1］。開展載人月球探測活動并建立月球基地關乎國家太空利益：為了實現宇航員重返月球目標，美國出臺了“阿爾忒彌斯計劃”［2］；中國也將在不久的將來開展載人登月任務［3］。實施載人月球探測的核心目標是拓展生存空間，實現人類在地外長期生存，需要開展系統、連續的月球探測和相關技術試驗驗證工作。這一過程周期較長，且涉及的系統和技術較多，應建立載人月球探測體系，便于統籌規劃發展過程和指導任務決策制定。

載人月球探測是一項耗資巨大、參數眾多、異常復雜的系統工程?？紤]到在相關任務制定和執行過程中，無法讓各系統多次遍歷所有活動情景，且受限于月球低重力、強輻射、大溫差等特殊條件，在地面難以模擬月球真實復合環境工況。為了降低研究難度和研發成本，可以利用仿真技術提供接近真實的月面環境和全面完備的虛擬實踐手段，支持方案快速迭代驗證和在軌預示等工作。隨著載人月球探測相關技術快速發展，以及應用需求的不斷深入，現有仿真系統難以滿足全周期體系設計、規劃與多方案比較的需要。在相關仿真系統開發方面，除計算能力和資源調度等基礎問題有待解決外，還需滿足多系統集成、信息頻繁交互、輔助設計與評估等需求，急需開發能夠支持載人月球探測復雜體系推演分析的仿真系統架構，支撐載人月球探測體系設計與仿真評估工作。

國外已開發數百種各類體系仿真系統，應用到陸、海、空、天等任務聯合演習中，針對航天器系統的典型綜合仿真系統包括美國NASA 早期開發的SSDSE（Spacecraft system design &simulation environment）系統［4］，丹麥為ESA 開發的實時Sim SAT 系統［5］，以及被航天學者們熟知的STK（Satellite Tool Kit）仿真系統［6］。近期，NASA 還公布了專門為阿爾忒彌斯任務開發的月面活動實時仿真系統，可以模擬推演并展示載人登月任務全過程［7］。

21 世紀初，隨著深空探測計劃的全面實施，中國也逐步建成了多個面向各類航天器型號研發設計與任務模擬的仿真系統，包括嫦娥二號飛行控制支持系統［8］，嫦娥五號仿真驗證系統［9］，火星地表環境可視化仿真系統［10］，月球取樣返回器半實物仿真系統［11］和基于模型的系統工程仿真系統［12］等。

上述系統的支撐技術仍以高性能計算機集群為主［13-14］，難以適應載人月球探測體系研究涉及的多型號、多任務和復雜交互的仿真分析問題?；谝陨戏治?，面向首次載人登月任務及未來月球科考與開發活動，針對長期實施載人月球探測計劃相關軟硬件規模逐漸擴展、多任務并發聯動、復雜人-機-環交互等特點，本文提出一種基于混合云架構的載人月球探測體系仿真系統，解決多系統擴展集成和復雜交互操作問題。該仿真系統既能為型號設計研制過程中的任務規劃、多方案模擬與快速分析提供依據，又能支持航天器和航天員在軌任務模擬與預示。

本文首先圍繞載人月球探測航天器主要設計階段和仿真應用模式，對體系仿真系統建設的需求進行分析，對基礎功能進行分解。隨后根據體系仿真任務需求設計基于混合云的仿真平臺總體框架，并給出模型管理、場景編輯、算法調度等主要模塊的基本方案，給出面向典型任務場景的仿真支持庫建設方案。然后分別給出體系建模、任務規劃、推演展示、效能評估和系統聯動與擴展關鍵技術的實現方案。而后利用該體系仿真系統對典型月面活動任務場景中的多種方案開展仿真推演，并對結果進行比較分析。最后對載人月球探測體系仿真系統未來發展進行展望。

1 仿真系統需求分析

面向載人月球探測任務的長期發展，梳理出建立載人月球探測體系仿真系統的核心需求包括高保真推演展示、以MBSE（Model based system engineering）數字化技術為支撐、更通用、更體系、更靈活和完全自主可控。其中，更通用是指體系仿真系統具有多平臺移植和多系統聯動能力，更體系是指體系仿真系統能夠長期統籌支持未來所有月球探測型號工作，更靈活是指體系仿真系統具備較強擴展性，可實現多軟件、多系統自由接入的高集成度開發任務。

傳統系統或單機仿真以研究對象典型特征的數值求解為主要手段，目的是建立具有一定邏輯或數量關系的系統分析模型。而體系仿真是以過程分析為主要手段，目的是研究開放環境下系統間相互作用和涌現效應等復雜特征，為頂層決策提供參考依據。因此，體系仿真的重點是建立系統間關系模型，并模擬推演多系統協同作用下的事件發展，進一步分析各系統對體系的貢獻情況。對應到載人月球探測任務中，可以具象為利用體系仿真系統模擬推演航天器、航天員等大系統協同任務執行情況，評估任務結果并指導相關設計優化和改進工作，可支持在研型號及未來所有月球探測航天器系統開展任務級仿真推演。

根據航天器型號設計階段劃分方法，可將載人月球探測各航天器設計任務初步分解為概念研究、可行性論證、方案設計、初/正樣設計和在軌運行等多個階段，每個階段對仿真系統都有不同需求。特別地，在概念研究和可行性論證階段，由于涉及多個大系統和航天器關系分析，需要建立相對全面的型號體系和技術體系，才能統籌規劃型號研發和部署任務，進而提升整體效能。本文對面向型號設計的體系仿真系統需求進行梳理分解，如圖1所示。

圖1 型號設計過程對體系仿真系統需求分解圖Fig.1 Decomposition diagram of mission design process requirements for systems simulation system

上圖中僅列出了與仿真相關的設計環節。對各環節的仿真需求進行歸類，得到體系分析建立、飛行方案推演、任務規劃、任務方案優化、效能評估、方案快速比較、數據實時展示共7類頂層需求。其中部分需求間存在耦合關系，難以直接分解為功能需求，本文又根據仿真系統主要任務流程對應用模式進行分析，分解出體系仿真系統功能需求，如圖2所示。

圖2 體系仿真系統功能需求分解圖Fig.2 Functional requirements decomposition diagram of systems simulation system

根據以上分析，體系仿真系統功能需求可分為建模、算法驗證、場景推演、參數展示、模型編輯、人機交互、任務編排、結果評估、外部接口和系統擴展共10類，每一類功能還可以繼續分解為多項實現技術，本文在此不逐一例舉。

綜合考慮仿真技術發展情況和上述兩個維度梳理的各項需求，本研究確定了載人月球探測體系仿真系統的6 項關鍵技術，分別為：體系建模、任務規劃、模擬推演、效能評估、系統交互和擴展升級。在體系仿真系統建設初期，可對各關鍵技術獨立開展研究，隨著系統開發日趨成熟，關鍵技術間的依賴關系和數據交互逐漸清晰，再利用體系仿真系統將其集成融合，共同完成全周期模擬推演任務。

2 總體方案

為提高載人月球探測體系仿真系統開發效率，采用模塊化設計思想將該系統分成仿真平臺和仿真支持庫2部分并行建設。仿真平臺主要實現資源管理、軟件操作和交互展示，仿真支持庫主要實現數學抽象、算法編制和數據管理。依此形成了圖3所示的體系仿真系統組成關系圖。

圖3 體系仿真系統組成關系圖Fig.3 Systems simulation system composition diagram

仿真平臺面向首次載人登月任務及未來月球科考與開發階段，為載人月球探測體系仿真系統提供大規模體系級仿真運行和管理能力，支持所有在研及未來預研型號仿真驗證，為模型部署與管理、仿真運行調度、場景編輯提供底層支持服務，覆蓋了仿真開發、任務規劃、場景部署、模擬運行到方案評估等階段。由于體系級仿真具有場景宏大、模型顆粒度復雜、實體數量較多等特點，該仿真平臺針對性地設計了基于中間件的時空引擎，用于高效實時推進模型計算及數據通信。仿真平臺的總體架構如圖4所示。

圖4 仿真平臺總體架構圖Fig.4 Architecture diagram of simulation platform

軌道計算、測控分析、中間件等相關模塊當前已有成熟技術［15-17］，本文不再贅述其開發方案。類似的，圖4中大部分模塊只需代碼實現，以下僅對應用層模型管理工具、場景編輯工具、算法注冊與調度工具以及任務推演可視化共4個典型工具方案進行介紹。

模型管理工具：是可視化模型開發與調度工具，原始三維模型由外部導入，在其基礎上人工或自動匹配基本物理特性、操作模式、約束參數等信息。作為視景展示的主要模塊，也可為任務效能計算提供輸入。設計人員可通過界面拖拽，完成各實體模型在場景中的部署。該工具主要功能包括模型文件上傳、基本信息管理、物理特性配置、運動機構配置、視場配置、鏈路配置和操作模式配置等。

場景編輯工具：可供用戶根據需求創建和發布各種月球探測任務場景，對不同場景的地形背景、活動時間、參與模型實體、任務計劃安排進行配置與發布。設計人員可通過界面操作方式實現對任務想定的編輯和修改，還可通過與SysML 相關軟件互動，自動生成任務序列，作為任務規劃和仿真推演的輸入。該工具主要功能包括地形導入、場景列表維護、場景地形選擇、場景時間設置、場景模型選擇、衛星軌道配置、模型狀態交互編輯、活動計劃配置、場景操作記錄查看分析等。

算法注冊與調度工具：可用于管理按照算法注冊規范封裝后的Restful 標準接口模塊，按需組織算法全部調用流程并進行調度計算，支撐平臺的專業任務規劃計算服務。該工具主要功能包括算法模塊注冊、算法流程管理、算法流程交互編輯、算法調度執行、執行日志查詢。

任務推演可視化工具：可載入用戶編輯的場景，接入三維數字產品模型，利用系統提供開放式交互功能控制航天員、機器人、月球車等各類實體協同完成任務，自動記錄操作過程，并提供狀態監控和安全約束告警功能。完成任務推演后可記錄全過程數據，快速自動生成評估設備性能、資源消耗、操作安全性等情況，并輸出SysML形式模型圖作為后續任務優化設計的輸入。主要包括場景加載與環境仿真、航天員操作交互仿真、駕駛交互仿真、機器人作業交互仿真、任務狀態監控、評估分析、輔助功能、系統接口8大部分共46個功能模塊。

載人月球探測任務中部分場景與傳統航天器飛行任務不同，屬于開放式任務場景，各系統動態加入，拓撲關系多變且約束條件較多，沒有明確的規律可以建模描述，所以在建立體系仿真系統的同時需要考慮建立可動態擴展的仿真支持庫，用以保證仿真系統的靈活性和適應多系統長期任務能力。以典型任務場景為導向開展仿真支持庫開發，在模型庫、算法庫、規則庫建設基礎上，采用分層級、模塊化的系統文件管理方法，實現各類數據高效存儲與調用。仿真支持庫總體建設方案如圖5所示。

圖5 仿真支持庫總體建設方案圖Fig.5 Construction plan diagram of simulation support library

以模型庫為例，簡要介紹仿真支持庫開發相關方案。對于實體模型庫，主要開發著服航天員、新一代載人飛船、月面著陸器、載人月球車等實體三維及數學模型，預留了通用模型模塊，后續可通過簡單配置實現新模型添加操作。三維模型在原型號設計模型基礎上進行精簡，以適應視景動態展示響應需求，特別地，為了實現場景交互，對各模型均進行了碰撞檢測配置。數學模型除基本的運動學和動力學模擬外，還綜合開發了光照、熱、能量、信息流等關鍵參數隨推演進程變化模型。

采用“星歷+高精度地圖+環境數據”耦合作用的方法構建環境模型庫。星歷模型主要考慮“太陽-月球”以及“地球-月球”2種相對位置關系，作為計算太陽高度角和測控通信可見性的重要依據。由于缺少月表高精度數據源，采用基于已有遙感DEM、DOM 信息的隨機地形生成方法產生高精度地形圖，其中包括撞擊坑等典型特征識別提取和石塊多模式分布技術。月球和空間環境數據已有較為成熟的數學模型［18-19］，通過代碼即可實現相關功能，本研究僅對實體交互期間存在的碰撞、能量傳遞、物理影響等情況進行特別配置。

基于上述設計，綜合考慮了載人月球探測任務具有任務復雜、涌現性強、創新潛力大等情況，該載人月球探測體系仿真系統可實現全部月球探測飛行器系統的高集成度體系仿真推演展示，支持人員自由介入的過程模擬、結果分析和參數預示工作，能夠真實模擬系統間、系統與環境間、大系統間交互情況，分析人機工效和任務效能，可以進行大規模擴展和外部系統聯動，具有更通用、更體系、更靈活的特點。

3 關鍵技術方案

3.1 體系建模

載人月球探測體系是一個適應多樣任務的動態復雜大系統，它由具有自主特性的各飛行器和航天員實體組成，各實體又具有獨立的傳感、控制、通信、能源等功能，體系整體規?？梢噪S不同任務目標而改變。針對如此特性，本研究采用多智能體方法對該體系進行建模，即將載人月球探測任務中多個實體集合抽象為一個松散聯邦，其中各智能體均具有自治性，通過協調與合作方式實現各智能體之間的互動或對沖突的調整。

該體系（System of systems，SoS）可抽象為由環境E、智能體集合A、對象集合O、關系接R、操作集合P以及算子集合η6種要素組成的開放型網絡結構，可形式化定義：

式中：環境E可具象為具有一定特性的地月、月表空間；集合A中的智能體可代表各飛行器、航天員或其他月面設施設備；集合O由環境中智能體需要探索或控制的無生命對象組成，可以被智能體感知、創建和刪除；集合R包含所有連接各智能體的關系，包括但不限于互動和沖突；集合P包含了集合A中各實體可感知、創建、刪除、修改和控制的集合O中對象；集合η可以表達智能體各種操作和環境反應的數學關系。

用多智能體方法進行載人月球探測體系建?？梢岳枚嘀悄荏w系統的分布式、動態性、開放性、有限性和自治受控等特點，精確模擬該體系中各實體自主和多實體間交互的行為。還有一優勢在于，所建體系模型可以方便快速地引入智能決策與規劃算法，提升整體對未來任務的適應性［20］。圖6 為本研究中基于多智能體的體系建模及仿真框架。

圖6 基于多智能體的體系建模及仿真框架Fig.6 System modeling and simulation framework based on multi-agent method

智能體間存在通信、交互、協作等行為，在體系建立和仿真過程中依實際情況開展精細建模，此處不再展開敘述。

3.2 任務規劃

載人月球探測任務規劃實質是一個資源受限情況下的復雜系統組合優化與調度問題。為更好地實現相關活動任務規劃，本研究采用分層遞階的規劃思路，自上而下逐步分解各項任務，形成“目標—任務—動作”3 層任務規劃結構［22］，采取基于“功能—需求”二元關系的任務分解方法，實現對復雜任務的具體規劃，其架構如圖7所示。

圖7 分層遞階式任務規劃結構Fig.7 Hierarchical and hierarchical task planning architecture

在目標層面，針對載人月球探測多系統協同作業問題，建立相應規劃模型?？紤]到月球探測系統的異構性，不同任務需要的系統或系統組合不同，首先建立載人月球探測任務體系，將各類任務做層次化分解與標準化描述，從而構建月球探測系統功能與任務需求之間的二元對應關系?；谌毕菪迯褪揭巹澋乃枷?，將未安排時間的任務和任務未被滿足的系統需求視作待修復缺陷，將每一輪規劃分解為任務選擇、系統選擇和活動安排3個階段，并在缺陷修復過程中加入優化機制。在此基礎上，將各系統完成不同任務的時間代價抽象成任務時間地圖，基于此圖求解執行任務的時間代價［23］。設計時間代價啟發式搜索策略，從縮短任務用時的角度，獲取月球探測系統的調用與組合，并優化任務執行順序。通過上述方法，在目標規劃層將月球探測任務總體目標轉化為每個探測系統的任務序列，最終形成優化的完整任務方案。在任務層面，本研究采用基于狀態轉移圖的啟發式任務規劃方法［24］。針對多系統并行操作及耦合交互的特點，考慮系統多約束及復雜狀態切換特性，建立狀態轉移圖描述各系統狀態轉移路徑方案，設計狀態轉移代價函數。在轉移圖的基礎上給出規劃節點啟發式評估策略，對問題搜索空間進行削減，減少無效迭代、快速獲得規劃結果。

在動作層面，主要是各月球探測系統上的活動部件（如機械臂）完成一個具體的行為（如拾取樣品）的規劃。各類活動部件以及行為均有對應的成熟算法，直接調用即可，此處不再詳述。

3.3 推演展示

在載人月球探測相關方案論證和設計過程中，應用可視化功能對任務過程進行推演展示，可以讓用戶更直觀地了解設計細節和任務流程，配合鍵鼠和模擬器等交互設備，可以實現對場景實體的直接操作和體驗，有利于快速推演方案結果和暴露設計缺陷。為載人月球探測體系仿真系統設計推演展示相關功能，可以極大程度彌補月球探測任務無法實地驗證的缺陷，未來還可與在軌航天器聯動，實現數字孿生用以支撐飛控任務。

載人月球探測體系仿真系統的推演展示功能由場景建設加載、月面環境仿真、操作交互仿真、駕駛交互仿真、機器人作業交互仿真、任務狀態監控、事后評估分析、輔助功能以及內外部系統接口等模塊組成。利用Unity3D 軟件，以地形數據、各類實體模型、時間、通訊等條件為基本對象，對其作綜合處理，創建交互式的三維場景，能夠達到所見即所得。仿真過程中引入數學模型計算的實時數據對三維可視化場景進行驅動，每個模型的物理屬性、資源約束參數、運動性能、操作模式都將反映在場景中各實體模型的物理運動狀態、性能損耗狀態上，實現任務活動推演數據驅動仿真。

由于當前掌握月球地形數據精度難以達到實體交互要求，本研究基于前文模型庫建設中提到的隨機地形生成方法提升場景模擬中的地形精度，從而實現仿真實體與月面地形交互。首先對已有DEM 數據進行插值，開展缺值估計和離散點數據網格化。然后根據統計分布規律和已有DOM 中識別屬性參數，對月面撞擊坑和石塊分布進行模擬，再根據其影響區域修正附近數字高程信息。最后再隨機增加小石塊分布等細節信息。生成的典型地形高程圖如圖8所示。后續加載到場景中進行渲染和碰撞檢測部署修正。

圖8 典型地形高程圖生成示例Fig.8 Example of generating typical terrain elevation map

由于載人月球探測相關任務周期較長，為了快速推演各次任務結果，本研究使用了一種基于并行計算的仿真加速方法，能夠實現10倍超實時仿真推演。傳統超實時仿真多采用“跳時”方法，即增大仿真時間粒度，此方法將犧牲數據計算精度。本研究利用混合云架構中“虛擬容器”的概念，將仿真過程中的計算負載根據物理邏輯分配到多個虛擬容器（節點計算機）中，在不簡化計算模型、不增大數據計算誤差的情況下提升整體運算速度，從而實現對任務場景的超實時推演。特別地，由于展示場景無需體現“仿真加速”過程，本研究中僅對數據運算做超實時處理，場景仍根據數據驅動逐幀渲染。

3.4 效能評估

隨著航天技術的不斷發展，載人月球探測體系的特征要素將大量增加，具體表現為：要求系統與系統之間、載荷與新增設備之間可以實現功能互補和能量、信息連通，以求達到整體效能最佳，在保持系統獨立性的同時發展群體涌現性。在方案設計和任務實施階段，需要對體系中各系統效能進行評估，從全局角度優化配置。

本研究遵循效能評估的基本步驟，針對已設計的系統構建效能評估指標體系，根據各次仿真推演結果采用不同方法計算效能指標，由各效能指標綜合計算出整體評估值，對多個方案的整體評估值進行比較，實現方案擇優。

綜合考慮任務約束、任務實體系統、任務環境、評估維度等信息，建立多層級“任務目標-執行過程”對應關系，以此建立載人月球探測任務評估指標體系。以載人登月任務為例，可以拆解為科普展示、樣品采集、資源探測、科學實驗等子任務，科學探測任務進一步可分解為實驗設備布設、展開實驗、數據收集等元任務。將任務目標、任務約束、有關實體、所在環境按照這樣粒度由低到高拆解到每個子任務、每個元任務，并且按照評估維度列舉出評估指標，形成如圖9所示評估初步指標體系。

圖9 登月案例初步指標體系Fig.9 Preliminary parameters system for lunar landing case

由于當前對載人月球探測存在認知局限性和信息不完備等約束，導致其效能評估過程中存在大量不確定因素。為解決此問題，本研究采用探索性分析技術開展體系效能仿真評估［21］，分別進行系統級探索與體系級探索，用系統級探索結論引導后續評估。在系統級探索中，主要對象是各航天器的數學模型，探索過程即是仿真推演過程，對仿真結果進行初步評價打分。在體系級探索中，主要對象是評估模型，將任務場景中所有涉及的體系要素打分進行多輪擬合，利用逼近分析的方法將各次擬合結果與系統級探索結合，最終形成整體評估結果。

3.5 系統聯動與擴展

載人月球探測體系是動態復雜大系統，體系中包括但不限于已有的各類型航天器、航天員、科學載荷和地面支持等系統，這些系統在發展過程中均已開發了大量軟件系統和物理服務器等基礎資產，為其提供穩定的研究環境和支持保障。為降低開發成本和提高資源整合效率，體系仿真系統采用混合云架構，在不對上述系統進行大幅更改的基礎上，支持多系統聯動和融合。隨著任務的拓展，未來研發各類新型航天器、機器人等系統的仿真系統，也可在該架構上直接擴展，從而減少相關開發代價。本研究采用混合云架構如圖10所示。

圖10 混合云架構示意圖Fig.10 Schematic diagram of hybrid cloud architecture

參考第2 節總體方案，載人月球探測體系仿真系統建設初期，仿真平臺和仿真支持庫的基礎功能開發工作在私有云環境中進行。隨著任務不斷深入，體系仿真系統規模逐漸增大，將通過VPN或光纖專線的方式與工程云、其他私有云進行組網，實現專業數據的融合使用。由于無法直接訪問各云端存儲設備，體系仿真系統采用快照和鏡像的方式打通數據存儲連接，即利用虛擬容器直接實現批量數據遷移。由此也可以實現自定義虛擬云，自由組合成更高效的仿真網絡，并讓數據可以在各地之間共享。

考慮到早期已開發的各軟件系統與當前體系仿真系統基礎架構和運行模式不一致，難以用統一的執行邏輯開展操作，體系仿真系統設計了虛擬化主機機制。在本地創建虛擬化主機，配置相關網絡、存儲空間、運算資源等信息，可以將舊的軟件直接部署或映射到混合云架構的仿真平臺中，實現數據的平滑轉移和功能的無縫結合。由于該系統采用模塊化設計，制訂了相關標準及接口規范，可對其主要功能模塊以插件和調用方式進行升級和擴展。

權限管理是云技術應用安全的核心功能，本研究開發了專用的全局控制器，并為其設置獨立的授權運算邏輯，可實現賬號管理、角色定義、資源配置及功能操作等權限管理。為了能根據用戶需求進行最優的計算資源分配，本研究采用分層調度策略：頂層對整個混合云網絡進行集群調度，根據各應用的目標（例如軌道計算）將計算負載分配至專用系統中；底層對體系仿真系統私有云的硬件進行調度，根據整體任務需求（例如效能評估）為應用分配CPU、內存等直接計算資源。

4 典型案例仿真

以航天員在月面出艙活動為例，應用載人月球探測體系仿真系統對月面活動場景進行仿真推演，主要應用流程如圖11 所示。本案例中涉及的體系要素包括月面著陸器、航天員、載人月球車、科學設備等。

圖11 月面活動仿真流程簡圖Fig.11 Simulation flowchart of lunar EVA

在任務仿真設置初期，利用仿真平臺進行模型導入和場景編輯工作。仿真平臺中直接為任務場景中各實體模型配置物理特征、運動機構、視場、通信鏈路和操作模式等特性；在場景編輯工具中進行地形導入加載、仿真時間設定、模型交互約束、活動計劃配置等操作，支持從場景列表中選擇場景進行加載，也可在場景管理列表中新增場景、對已有場景進行編輯、刪除、查看操作回放等操作。

仿真啟動運行后，系統針對受控任務場景提供視角切換功能，支持切換到航天員視角、自由視角或自定義的預置視角。在模擬推演過程中，可通過鼠標、鍵盤按鍵等輸入設備對航天員進行多種行為（行走、搬運、使用工具、部署設備等）控制，同時提供一系列告警機制，包括活動中的通信、碰撞、生保等方面的告警。在模擬航天員駕駛月球車過程中，可通過鍵盤按鍵交互實現對月球車實體的加速、剎車控制，增加應用效果真實性。仿真場景示意如圖12所示。

圖12 仿真場景示意圖Fig.12 Schematic diagram of simulation scenario

圖13 結果分析報表Fig.13 Result Analysis Report

圖14 氧氣存量和儲能設備溫度隨出艙時間變化曲線Fig.14 Curves of oxygen stock and temperature of energy storage equipment as a function of departure time

圖15 月面移動路徑仿真結果Fig.15 Simulation results of lunar surface movement path

仿真平臺中任務流程與SysML 建模工具聯動：由SysML 建模工具進行初步的任務流程設計后，通過XMI 標準進行文件生成、導入到仿真平臺中；仿真系統識別初步活動計劃內容后，與活動任務場景進行綁定，用戶利用仿真系統操作航天員、機器人等實體對象交互完成既定任務目標，并多次迭代演練；仿真系統根據任務完成度、活動時長、活動范圍、安全性、資源消耗代價等評價維度選擇優化后的詳細活動方案，通過XMI 標準進行文件生成，回導到SysML建模工具進行下一階段的系統設計。

在場景任務活動執行過程中，系統時間按照預設的時間格式進行顯示，為用戶在月面活動提供導航輔助，讓用戶操作過程中能感知到時間、空間的變化。同時系統對用戶執行活動計劃全流程進行監控，對航天員、月球車、機器人、設備等重要實體的狀態進行監控和告警。針對個別拍攝類任務執行過程中，動態設置相機小窗口輔助顯示和儀表盤實現任務執行的告警機制，提高體驗和真實感。

執行任務推演過程中，每次操作完任務記錄都將保存提交數據庫，期間系統自動記錄用戶的所有操作并存為日志記錄，并對各類活動用時、資源消耗、操作任務效能指標、告警情況等方面統計，為用戶對月面活動任務評估分析提供數據支撐。一次任務結束后，仿真平臺將對各項特征參數自動生成結果分析報表，還可對多個感興趣參數繪制全過程變化曲線。

經與單機仿真實驗對比，采用本文設計的混合云架構開展體系仿真可縮短37%的仿真周期，且場景中同時交互實體數量由8 個可增加至27 個。在未來硬件擴展后還將進一步提升性能，大幅提高設計及驗證工作效率。

因底層支撐平臺和各項功能開發均由本項目組獨立完成，實現了國產化載人月球探測體系仿真全鏈條、全周期、全流程完全自主可控，可為航天數字化轉型和航天強國建設提供強有力支撐。

5 結論

本研究設計并開發了一套基于混合云架構的載人月球探測體系仿真系統，將體系建模、任務規劃、方案推演、效能評估和場景展示等多種任務應用集成在同一環境中，可對復雜系統和關鍵參數進行全面仿真驗證。該系統具有較強擴展性，相關技術方案也可用于其他領域體系仿真系統設計中，具有廣泛應用前景。針對該系統未來發展，提出以下思考和建議。

當前體系仿真系統的主要任務是輔助設計工作，未來要更多發揮混合云架構優勢，面向所有新研型號和設備進行系統擴展，引入工程云、月球探測私有云和其他數字化仿真系統。將航天器、航天員和科學載荷系統的具體仿真任務派發給各專業仿真系統完成，在減輕運算負擔的同時，提升整體模擬仿真精度。

載人月球探測體系仿真系統發展建設終極目標是支撐相關工程任務實施，建設與工程指控系統聯網互動能力，為在軌航天器提供參數預示和數字孿生。為此，體系仿真系統應通過半實物仿真、模擬器應用等手段逐步校準模型精度并提升實時響應能力，待成熟后建設專線網絡，實現天地同步運行。

本文所述仿真系統技術具有通用性和拓展性，通過不斷增加和完善各功能模塊，未來可進一步應用在載人火星探測、載人星際探測等遠期任務體系中，為相關航天器和載荷系統論證及設計提供參考，助力實現“降本增效”高質量發展的目標。