简要分析航天器设计的过去与现在以及未来的畅想

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#111723#2019 年 7 月 20 日是阿波罗 11 号登岸月球的 50 周年事念日。
为了记念这个巨大的变乱，咱们一同回想 Richard J. Gran 宣布于 1999 年，对于计划登月舱（Lunar Module, LM）数字主动驾驶仪的第一手材料。通过对照 1960 年月、1999年和现现在停止 GN&C（制导、导航与把持）体系开辟方法的差别，展现基于模子计划的疾速开展。
Richard @ 1999
当我仍是个小男孩的时间，我就晓得我想成为一位工程师。但我不晓得的是，大学结业后未几，我就参加了有史以来最巨大的工程名目之一。1962 年 9 月 12 日，美国总统约翰·F·肯尼迪发布：“咱们抉择在十年内登上月球”，推进这个国度疾速走上载人登月的途径。同年，我成为格鲁曼制导与把持小组的一员，接上去，从 1963 年到 1966 年，我在麻省理工学院仪器试验室（MIT IL）参加了登月舱数字主动驾驶仪的计划任务。
登月舱数字主动驾驶仪计划：1961-1969
最初为登月舱推出的主动驾驶仪是一个摹拟体系，应用调制器通过有节拍的跳动把持反感化把持放射安装的开关。
固然把持体系应用摹拟信号，然而导航和制导功效在一台数字盘算机上运转，后者在指令和和效劳舱 (Command and Service Module，CSM) 和阿波罗助推器中很罕见。制导和导航的算法由麻省理工学院仪器试验室 (MIT IL) 的一个团队开辟，当初这个试验室被称为德雷珀试验室。
在阿波罗打算的初期，NASA 决议在登月舱计划中将制导与导航盘算机计划为一个备份把持体系，以进步义务的牢靠性。为此，阿波罗公司的三个承包商（Grumman、MIT IL和BellComm）于 1963 年终开端停止了一场计划比赛。
数字主动驾驶仪计划的重要成绩是盘算机存储和速率。
有大概 2000 个 16 位指令调配给数字主动驾驶仪，而这些操纵指令不容许烦扰主制导和导航功效。在浩繁必需处理的成绩中，一个事实情形是这款盘算机并不是针对时光要害变乱处置而计划的。因为这个缘由，体系只有一其中断级别，没无数字信号到摹拟信号的接口。
为了让咱们懂得这台盘算机有多简略，下表表现了它的全部操纵码集。要实现数字主动驾驶仪，须要实现第二其中断。咱们应用了盘算机的二进制反码构造，这象征着有一个正零和一个负零。当计数器从正数递增或从正数递加时，这类构造容许产生差别的中止。

开辟最优把持体系
1962 年，“古代把持实践”依然是一种学术寻求。
没有对于最优把持的教科书，包含我在内的结业生还没有粗通状况空间法，也没有打仗过最优 bang-bang 把持体系。麻省理工学院仪器试验室的工程师与麻省理工学院的先生们停止了亲密配合，使他们成为基于 Pontryagin 最大值道理的状况空间建模和最优把持技巧的初期应用者。
仪器试验室的工程师 George Cherry 倡议应用最好把持体系来把持航天器。因为在太空中的航天器仅面对十分少的外部烦扰，从而能够十分确实的对滚动能源学特征停止预估。这类对能源学特征近乎完善的懂得，让 Cherry 洞察到，把持器能够计划成在很低的采样速度下任务。
在美国航空航天局（NASA）的集会上，每个计划团队都提出了他们的方式，George Cherry展现了他的计划计划，犹如艾萨克·牛顿爵士站在身旁描写把持器怎样任务。无庸置疑，美国航空航天局抉择了麻省理工学院的计划。
抉择这类方式的决议是准确的。格鲁曼的计划须要 0.02 秒或更快的采样时光，而麻省理工的方式（在牛顿的辅助下）只要要 0.2 秒的采样时光（比格鲁曼的计划慢 10 倍）。NASA 对这个计划十分满足，并决议采取数字主动驾驶仪做主体系，而将本来的摹拟体系升级为备用体系。
最优把持器
Cherry 计划的最优把持器是一个将时光指标和燃油指标加权组合最小化的把持器。在 Athans 和 Falb 的一本书稿情势的书中先容了相干实践，这本书直到 1966 年才出书。
下图表现了登月舱中计划的反应把持放射逻辑。图中的抛物线是决议何时翻开和封闭反应把持放射的“开关曲线”。以甚么样的频率停止相干丈量，是这个计划中的难点。

盘算机的速率和存储限度带来了重大的制约。
比方，大少数把持体系工程师通过以一个比拟高的采样速度视察某个采样时光的姿势和速度，从而肯定体系以后在相立体的地位，来实现该把持器。现实上，这也是计划航天飞机时主动驾驶仪的实现方法。但是，盘算机对登月舱的限度象征着这类实现方法将不能畸形任务，由于没有充足的处置才能来支撑疾速的采样速度。
手工编码和盘算
很多当初的软件开辟工程师可应用的商用软件，在 1963 年并不存在。因而，必需发现出来这些顺序，这些顺序常常是工程师本人界说的东西，目标是加重计划者的累赘。
我在 MIT IL 的第一个义务是开辟用于抉择适合的反应把持的逻辑。下图中的流程图所示代码表现了我用来开辟这个逻辑的自界说顺序。

代码中的每个门路都是手工计时，履行指令的数目以及每个分支的时序都基于每个指令的标称周期停止盘算。每其中断义务的处置时光也都是手动盘算。图中的流程图是用汇编言语编写的现实盘算机代码的一部份，开辟耗时一年多。
把持体系的计划是通过仿真顺序停止开辟和测试的，该顺序在格鲁曼用 Fortran 编写，在麻省理工学院用被称为 MAC 的言语编写。在计划肯定后，再编写汇编言语代码。而后，在摹拟现实盘算机的仿真中对该代码停止测试。仿真应用现实的汇编言语代码。
这个进程十分繁琐：一次“盘算机运转”耗时半地利间。我个别会鄙人午晚些时间提交一个盘算（应用 IBM 卡），并在清晨 3:00 取得前往成果。我常常会在深夜起床，从旅店步行到麻省理工学院仪器试验室去修改毛病。仿真成果个别就在一叠 10 英寸厚的纸上，代码履行每个步调的盘算成果都记载在下面。
图中代码段如斯庞杂的一个缘由是，可用于把持绕驾驶仪导向轴扭转的喷嘴数目太多了（见下图）。他们决议将主动驾驶仪把持的轴改成图中所示的“放射轴”。

这使得代码行数大幅增加，并更轻易在现有盘算机上实现主动驾驶。假如没有这类改良，主动驾驶仪就弗成能在只有 2000 个字的存储空间上实现。这一实例带来的启发是，当工程师无机会将正在计划的体系编写到盘算机上时，他们总能够通过修正计划而大幅优化代码。
参加计划登月舱数字主动驾驶仪的计划是我工程师生活中的一个亮点。
当尼尔·阿姆斯特朗走出登月舱，踏上月球名义时，为阿波罗打算做出奉献的每位工程师都倍感自豪并取得了成绩感。咱们开辟了前所未有的技巧，通过尽力任务和对细节的极致存眷，咱们打造出了运转得空的体系。
明天咱们怎样计划登月舱数字主动驾驶仪？
Richard Gran，在他计划的把持体系用于阿波罗 11 号登月义务的几十年后，从新计划了登月舱数字主动驾驶仪。此次，他应用了 Simulink 体系模子，下图展现了这个模子的模样。

在1960年月，计划是手写在纸上，手动停止数学盘算，应用汇编言语停止手工编码。而当初，航空航天的工程师们应用可履行的模子对低层代码停止形象，而不是采取纸上的计划，这在停止庞杂体系计划时尤其主要。

上图展现的是在 Simulink 模子里，用状况图实现的登月舱主动驾驶仪偏航把持率的一部份。从模子能够直接天生嵌入式代码，这就树立了计划和代码的直接接洽。
在登月舱主动驾驶仪 Simulink 模子上点击 Play 将启动仿真，在几秒而不是几小时内实现，这表现了 1960 年月和当初的宏大差别：
盘算机速率和才能的指数级晋升，而盘算机仿真也随之扩展了利用范畴。
借助于强盛的盘算才能，工程师们即便在面临延续庞杂的计划时，也能比以往仿真更多的利用场景。通过更多的仿真，可明显下降对昂贵的硬件测试的需要。
仿真是主要的，但只有当对它供给的计划有深入洞察的时间，才干施展感化。不但仅是仿真速率大幅晋升，对成果剖析的速率和易用性也大幅晋升。
阿波罗时期，在仿真停止后，常常须要几个小时来检查纸质文件上的成果。而当初，工程师们能够在仿真进程中，直接检查参数、绘制曲线和检查动画后果，以下图所示。履行测试用例、后处置以及讲演天生，都被主动化了。

当工程师在剖析数据成果的时间发明不冀望的行动时，对计划停止变动可能是须要的。在阿波罗时期，常常须要数日履行变动、剖析影响、重写代码偏重新对计划停止仿真。
当初，应用基于模子计划的工程师，能够对模子的响应部份直接变动并即时停止仿真，检查这个变动对体系的影响。依据计划阶段的差别，仿真可能以模子在环（MIL）、软件在环（SIL）以及硬件在环（HIL）的方法履行。无需手动追踪，模子的依附关联被主动检讨，设置治理东西延续跟踪着需要、计划与测试用例的变革。
航天器计划始终是很艰苦的事件，现今的盘算机技巧和软件的提高并没有增加这类计划上的庞杂性。然而，就像登月舱数字主动驾驶仪的这个计划示例所展现的那样，盘算机技巧和软件能够使计划更轻易治理、测试愈加高效、实现愈加疾速，而且为团队供给比拟于阿波罗时期更多的时光停止验证和确认的任务。
“应用 MATLAB 和 Simulink 从新计划数字主动驾驶仪，让我回忆起了做初始计划时的尽力与挣扎，更让我感触到现今计划流程的上风：
盘算机机能指数级增加，基于模子的计划让计划体系变得十分轻易。
现在，计划流程的一个使人惊奇的特征，是高度集成的观点计划与盘算，由于我能够疾速的对主意停止观点计划并即时看到后果，我在一周的时光便可以从新结构全部数字主动驾驶仪。剖析、仿真和测试被无缝的集成到一个流程里。
这在我看来，就是 MBD 的魅力地点。”
—— Richard Gran
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