国外航天与防务机构仿真标准发展*

张一彬 赵晖 胡叶楠 罗汝斌 丁秀玲

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

文 摘：仿真是利用计算机模型进行的某一层次的风险评估。美、欧等对航天领域的仿真技术的应用非常重视，美国把仿真技术全面应用于概念分析、技术开发、采办、试验、部署、维持、作战效果分析、训练以及产品改进等产品研制的全生命周期，同时，美军、NASA、ESA等国外典型航天与防务机构形成了较为完备的航天仿真标准 （体系），我国的航天仿真工程应用标准体系建设可借鉴和参考其相关经验。

20世纪80年代，由于对复杂大系统进行分析与设计的需要，以及计算机技术的突飞猛进和周边学科相关理论与技术的突破，使得仿真得以迅速发展。经过半个世纪的发展，仿真技术体系逐步形成，主要包括仿真建模技术、仿真支撑系统与平台技术和仿真应用技术3个方向[1]。

随着仿真技术的蓬勃发展，面向航天型号研制的仿真技术应用已成为型号研制不可或缺的重要推进力量。在型号研制的内在需求和仿真技术的外在牵引的双重作用下，仿真技术应用的规模不论从深度还是从广度上都呈现出跨越式发展的趋势。可以预见，后续将有越来越多的仿真应用进入到型号研制流程的各个环节，这已经成为航天型号研制模式转变的一个重要趋势。

然而，目前我国面向航天型号研制的仿真技术的发展无论在技术层面还是在管理层面都没有形成统一的标准体系，在统筹规划、研制、集成、数据共享和管理等方面均存在 “孤岛”现象，各单位没有形成合力，开展基于多部门的仿真综合试验工作时缺乏规范指导。因此，迫切需要尽快开展航天仿真工程应用标准体系的研究，从顶层策划的角度研究制定相关标准体系的布局，对仿真建模、仿真试验操作、仿真评估与鉴定、仿真数据管理、仿真产品研发、仿真工作流程等诸多方面进行统一化规定，以促进先进仿真技术的推广和应用，并避免仿真系统无序建设、资源不能共享、系统互不兼容、仿真工作开展无据可依的问题。开展面向型号研制的航天仿真工程应用标准体系研究已经成为一项必不可少的基础性工作。正是基于此前提，本文针对国外航天与防务机构的仿真标准开展了相关研究，以期为我国航天仿真工程标准体系建设提供借鉴。

1 国外航天仿真应用技术发展情况

仿真应用技术是复杂大系统开发要求与任务的实现技术，是仿真与实际系统之间的无形桥梁，也是本文重点关注的仿真技术类别。

在航天领域中，仿真技术最早应用于导弹飞行仿真[2]。早期利用仿真对复杂导弹系统进行辅助设计的典型例子是澳大利亚和英国联合研制的 “警犬”导弹。它采用仿真与发射交替的方式总共只用92次发射就完成了设计任务，其中79次发射专用于模型验证，只有13次发射是为了面向用户的研制，远远少于以往所需的近千次发射。这项成绩举世瞩目，特别是用经过验证的模型来进行仿真，可以代替飞行试验对规定条件内插、外推，从而得到整个导弹系统的全面性能评估，其经济效益大为可观。之后，随着仿真技术的不断发展和在航天领域的扩展，航天仿真逐渐涉及到地地弹、地空弹、飞航导弹、卫星、运载火箭等航天产品。

美国国防部把仿真技术作为 “国防关键技术计划”中的重点研究内容，全面应用于概念分析、技术开发、采办、试验、部署、维持、作战效果分析、训练以及产品改进等产品研制生产的全生命周期。

在方案设计阶段，SpaceX公司在 “龙”飞船的整个研制过程中，决定全面应用了仿真试验技术，大幅缩短研制周期。洛·马公司开发了 “超/高超音速飞行器设计 （SHVD）”系统，实现了一体化自动设计过程，有效提高了设计效率。2011年美国国家航天局 （NASA）在旋翼飞行器、超音速飞行器等型号研制中，全面应用了多学科设计优化 （MDO）技术，推动了MDO技术在航空航天领域的深入发展。

在演示验证阶段，NASA的喷气推进实验室（JPL）在 “好奇号”火星探测器研制过程中，借助数字化/虚拟化设计、测试和仿真等手段有效解决了地面物理验证遇到的重力场无法充分模拟、极端温度等苛刻问题。

在综合保障阶段，虚拟维修训练已经成为装备维修训练领域的研究热点，美国凭借仿真技术上的优势地位，已经形成了完善的虚拟维修技术体系。其中，NASA通过利用虚拟现实技术，构建了一个模拟哈勃太空望远镜维修的仿真试验平台，首次实现哈勃望远镜光学系统的模拟维修工作，并应用于实际维修中。

欧洲航天局 （ESA）建设了支持卫星研制全过程的 “EuroSim”仿真系统，能够为卫星设计提供从可行性论证到在轨运行各个阶段的支持和服务。可以看出，仿真技术已广泛应用于航天等领域产品研制全生命周期，仿真技术已成为提升研制能力、缩短研制周期、降低研制成本的重要手段。

2 国外航天及防务领域仿真标准 （体系）发展情况

2.1 美军方面

20世纪90年代初期，美军开始认识到建模与仿真 （M＆S）管理与标准化关系的重要性，并着手解决仿真系统的 “烟囱”问题[3]。在此之前，M＆S领域的一个明显标志就是各自为政，各个仿真应用之间只具备有限的互操作，缺乏共同的技术框架，模型与仿真的通用性和可重用性不好，缺乏必要的校核、验证与确认 （VV＆A）。

美国国防部1991年成立了国防建模与仿真办公室 （DMSO），1994年颁布了 5000．59指令 《国防部建模与仿真管理》 （2007年修订后再次发布），1995年颁布了 《建模与仿真主计划》（2004年修订后再次发布）作为5000．59的实施计划，1996年颁布了5000．61指令 《国防部建模与仿真验证与确认》（2003年修订后再次发布）[4]。其中， 《建模与仿真主计划》是美军M＆S标准体系的基础和发展方向。根据 《建模与仿真主计划》，美国陆军M＆S标准化机构提出了 19类M＆S标准，如图1所示。美国海军的M＆S标准主要分为3类[5]，如图2所示。

图1 美陆军M＆S标准体系

图2 美海军M＆S标准体系

美军认为标准化是促进M＆S互操作、可重用，增强M＆S可信度的根本保障，从而确立了“管理是基础，标准与技术是核心”的基本指导原则。通过推进仿真标准体系建设，美军在体系级仿真标准建设上已取得了明显优势。例如，先后提出了分布式交互仿真 （DIS）、聚合级仿真协议 （ALSP）、高层体系结构 （HLA）、训练与试验使能体系结构 （TENA）和用于仿真与模拟离散事件的同步并行环境 （SPEEDES）等架构标准[6]。2000年，HLA正式被列为电机工程师协会（IEEE）标准 （即 IEEE Standard 1516），同时，美国国防部明确规定2001年后将全面终止与HLA不相容的仿真工程与应用。2008年IEEE对IEEE 1516进行了重新投票修订和审核，起草了更新版本的下一代HLA规范—HLA Evolved。

美军通过 《建模与仿真主计划》自顶向下地强化贯彻标准规范在采办、战略分析、作战实验、情报、计划、测试与评估、训练等7大领域的执行力度，对军用仿真实施了强有力的领导和系统化、规范化管理，并从中受益。在 《建模与仿真主计划》的约束下和仿真标准的带动下，美军仿真系统开发与仿真试验能力得到了整体提升，并使仿真系统的互联互通、军种级大规模分布式仿真训练试验成为了可能。例如，从2001年开始，美军开始举办两年一次的 “施里弗”系列体系对抗仿真演习，范围覆盖了美国全军兵种和相关科研机构，有效地牵引了美国军事装备体系的发展。美军构建了模块化的半自动兵力系统 （ModSAF）、联合作战仿真系统（JWARS）和扩展防空仿真系统 （EADSIM）等典型的大型体系作战仿真系统，其中，扩展EADSIM是美军应用最为成功的体系仿真平台，该平台在海湾战争期间为美军 “沙漠盾牌”、 “沙漠风暴”作战计划的制定和作战方案的拟制发挥了重要作用。

2.2 NASA方面

NASA对于标准化工作始终给予高度重视。1995年前后，NASA启动了 “标准化工程”，将标准化工作正式作为NASA的一项工程，与航天飞机、国际空间站、哈勃太空望远镜等几十个工程/项目并列。目前，NASA的 “标准化工程”已成为一项长期、永久持续的战略性工程，其所有的技术标准化工作都是在标准化工程的框架下开展并实施，构建起了一套稳定而长效的标准化工作机制[7]。NASA标准体系[8]包括以下几方面。

a）NASA技术标准，具体由10类标准组成：0000系列主要涉及文件编写与技术状态管理与项目管理等；1000系列主要涉及系统工程、空天环境、天体力学等；2000系列主要涉及计算机硬软件系统、信息与决策系统等；3000系列主要涉及人机工程与健康管理等；4000系列主要涉及自动控制系统、电子设备与电气系统等；5000系列主要涉及机械与结构、流体与热环境、空气动力学等；6000系列主要涉及产品制造、工艺加工及材料等；7000系列主要涉及试验分析与评估等；8000系列主要涉及可靠性、安全性、维修性以及质量管理等；9000系列主要涉及系统运行、数据通讯、指令与控制以及遥测数据管理等。

b）NASA指令文件，具体包括各类操作手册、流程程序以及相关的帮助文档等，类似于我国的各项管理规范与标准。

c）NASA各中心标准，具体包括飞行器研制过程中所涉及到的各分系统、各专业，相关系统与部门之间的接口控制，以及各类保障与训练、基础元器件的选择与采购等，内容十分庞杂。

从上述NASA标准体系可以看出，“仿真”不是其标准体系中的独立分类，具体的仿真标准分属于不同的分类当中。NASA在建模与仿真领域提出的比较具有代表性的标准为NASA-STD-7009《建模与仿真标准》，该标准发布于2008年，内容涵盖了项目管理、模型发展、仿真执行、结果验证及不确定量分析、训练方法、推荐学习案例、建模及仿真可信度评估、结果报告等8个部分。美国喷气推进实验室 （JPL）参与了该标准的制定，并在火星探路者 （MER）巡航阶段热设计等项目的研制中应用了该标准，同时该标准也被美国机械工程师协会 （ASME）等机构广泛借鉴和采用[9-10]。

2.3 ESA方面

过去由于采用不同的标准，使得欧洲空间共同体内各国航天产品的研制成本居高不下，同时造成了项目管理和产品使用的混乱。为此，在欧洲航天局 （ESA）的指导下，欧洲空间标准化合作组织 （ECSS）于1993年正式成立。该组织旨在建立起一套完整的、单一的标准规范体系[11]，以便更好地服务于ESA及其成员国以及欧洲空间共同体组织。

ECSS标准体系分为顶层和三个子体系[11]，顶层架构包括标准化政策文件 （ECSS-P-00）和术语汇编 （ECSS-P-00-001），下属的三个子体系包括以下3方面内容。

a）空间项目管理标准子体系，具体内容包含：政策与目标 （ECSS-M-00）、项目架构分解（ECSS-M-10）、项目管理与组织 （ECSS-M-20）、项目策划与分期 （ECSS-M-30）、技术状态控制 （ECSS-M-40）、 文献及情报管理（ECSS-M-50）、进度管理与成本控制 （ECSSM-60）、后勤与综保 （ECSS-M-70）和风险预判与控制 （ECSS-M-80）。

b）空间产品质量保证标准子体系，具体内容包含：产品保证总则 （ECSS-Q-00）、产品保证管理 （ECSS-Q-10）、 质量保证 （ECSS-Q-20）、可靠性 （ECSS-Q-30）、 安全性 （ECSS-Q-40）、 可用及维修性 （ECSS-Q-50）、元器件管理 （ECSSQ-60EEE）、工艺与材料以及机械零部件加工（ECSS-Q-70）、 软件质量保证 （ECSS-Q-80）。

c）空间工程系列标准子体系，具体内容包含： 总体工程 （ECSS-E-00）、 系统工程（ECSS-E-10）、 电气 （ECSS-E-20）、 机械（ECSS-E-30）、 软件 （ECSS-E-40）、 通讯（ECSS-E-50）、控制 （ECSS-E-60）和发射支持与操作 （ECSS-E-70）。

ECSS标准化活动涉及项目管理、产品保证、工程共三个专业的研制、生产、使用全过程。从上述ECSS标准体系可以看出，仿真不是该标准体系中的独立分类，仿真标准分属于不同的类别中。例如，ECSS-E-ST-40《仿真软件》、ECSS-E-TM-40-07《仿真建模平台》，这两个标准分别描述用于各专业类仿真分析的仿真工具软件，以及用于系统仿真分析的通用仿真平台在功能需求、软件架构、建模及评测等方面的内容。从计算机软件的通用视角来看，这些内容更近似于特定领域内的软件工程学，因而这两份标准最终被纳入空间工程系列标准体系的ECSS-E-40软件工程类；而在ECSSE-TM-10-21《系统建模与仿真》中主要描述了如何在一个大系统研制过程中利用建模与仿真手段对复杂问题进行分析和评估，更加强调在系统工程中仿真手段应用的规范性，因而该标准被纳入空间工程系列标准体系的ECSS-E-10系统工程类别。

3 分析与建议

通过对国外典型航天及防务领域仿真工程应用标准建设的相关调研，发现国外典型组织机构的标准体系差别较大，这主要是由于不同组织机构所承担的使命任务以及它们开展相关标准体系建设的目的有所不同。

在仿真技术领域，美军始终引领着该领域仿真标准的发展方向，并依托美军M＆S管理架构持续贯彻执行相关仿真标准，不断开拓体系级仿真领域的高端应用活动。经过不懈地努力，美军的仿真标准体系已经相对完善，并仍在不断发展中。

在NASA与ESA的标准体系中， “仿真”都不作为一个独立分类而存在，其具体内容被分散在其它不同的分类体系下。此外，由于技术保护等原因，有关波音、雷神、洛·马等军工研制实体内部的标准体系未见公开报道。

目前，我国航天仿真工程应用标准体系建设工作刚刚起步，基础还很薄弱。虽然我国 “军用标准体系”[12]、 “国防科技工业信息技术应用标准体系”[13]、 “中国航天科技集团公司信息化标准体系”[14]等均对仿真部分内容有所涉及，但普遍存在分类粗、指导性不强等问题，对仿真应用领域标准化工作的牵引作用相对不足。由于航天型号研制是一项十分庞杂的系统工程，而仿真作为一种独特的技术手段也已经深度融入其中，因此开展航天仿真工程应用标准体系建设也必须从仿真技术在航天工程领域应用和发展的实际出发，合理确定标准体系的结构层次和标准的组织分类方式，不能简单照搬其他组织机构的相关标准体系。