載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

研究背景

本項(xiàng)目來源于科技館擬建的“載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)”?？萍拣^曾經(jīng)有一套“航天模擬發(fā)射系統(tǒng)”，但其功能和穩(wěn)定性都不能滿足現(xiàn)在的演示需求，需要新建一套更加完善的演示系統(tǒng)。該項(xiàng)目應(yīng)用了許多計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)硬件配置規(guī)劃，發(fā)射控制臺(tái)、模擬返回艙設(shè)計(jì)，多媒體資料的采集、編輯與合成，系統(tǒng)演示腳本編輯與策劃，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等。其中，軟件設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1是該模擬系統(tǒng)組成示意圖，它是選擇有代表性的典型系統(tǒng)構(gòu)成的，與實(shí)際的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)略有差別。

演示系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

新建的演示系統(tǒng)為了避免出現(xiàn)原有系統(tǒng)存在的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)等問題，必須從早期設(shè)計(jì)階段進(jìn)行合理規(guī)劃，在軟件總體框架設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化。下面重點(diǎn)分析演示系統(tǒng)基于客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server，C/S體系）架構(gòu)技術(shù)的具體應(yīng)用，這是演示系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)化改進(jìn)點(diǎn)。

演示系統(tǒng)功能綜述

能夠模擬火箭主要組成系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)在發(fā)射流程中的互動(dòng)操作。

能夠模擬載人飛船的自動(dòng)控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、遙測(cè)遙控系統(tǒng)，及其在發(fā)射準(zhǔn)備和空中飛行、返回著陸進(jìn)程中的互動(dòng)操作，特別是模擬航天員在飛船返回艙內(nèi)的活動(dòng)。

能夠模擬火箭、飛船在空中飛行階段，完成5次分離和4次發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的過程；能夠模擬飛船入軌、在軌、變軌、調(diào)姿、返回、著陸的全過程。

系統(tǒng)能夠模擬遙測(cè)遙控地面站在飛行指揮中心指揮下與飛船的信息互動(dòng)。

模擬發(fā)射基地操作崗位人員在發(fā)射過程中的指揮操作、模擬實(shí)現(xiàn)操作軍事化和指揮口令化。

聲像系統(tǒng)可以按發(fā)射程序進(jìn)行互動(dòng)操作。

模擬發(fā)射系統(tǒng)配置構(gòu)成

載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)的配置構(gòu)成見圖2。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，按照C/S體系結(jié)構(gòu)劃分。

軟件總體方案

軟件構(gòu)成

載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)軟件采用2層C/S體系，軟件由客戶應(yīng)用程序和服務(wù)器程序2部分組成?？蛻魴C(jī)和服務(wù)器協(xié)同完成應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理任務(wù)，客戶機(jī)提供與應(yīng)用程序有關(guān)的展示、計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)、訪問數(shù)據(jù)庫(kù)及各類接口服務(wù)，服務(wù)器主要完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和各類接口服務(wù)。

服務(wù)器軟件功能設(shè)計(jì)

服務(wù)器軟件是整個(gè)軟件方案的核心，它是負(fù)責(zé)完成整個(gè)演示過程的指揮員，在演示過程中通過對(duì)步驟的控制和數(shù)據(jù)資源的調(diào)配，與客戶機(jī)軟件響應(yīng)配合。它的主要功能包括：提取數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)射流程的具體信息；按照發(fā)射流程安排，向各模擬分系統(tǒng)發(fā)送界面、文字、視頻、音頻等數(shù)據(jù)；接收各模擬分系統(tǒng)的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；時(shí)間校準(zhǔn)、計(jì)時(shí)；完成系統(tǒng)調(diào)試中的動(dòng)態(tài)監(jiān)視。

服務(wù)器還負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和維護(hù)，此功能通過一個(gè)單獨(dú)的發(fā)射流程管理軟件完成。

客戶端軟件功能設(shè)計(jì)

各分系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成客戶機(jī)群。根據(jù)功能需求和接口不同，各分系統(tǒng)計(jì)算機(jī)分為2類：分系統(tǒng)模擬軟件和發(fā)控臺(tái)I/O控制軟件。

客戶機(jī)軟件界面需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，考慮到演示參與者一般是中小學(xué)生，所以界面操作比較少，且簡(jiǎn)單易行，一般通過鼠標(biāo)就能進(jìn)行。

演示系統(tǒng)腳本簡(jiǎn)介

載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)是一個(gè)多媒體演示系統(tǒng)，最先提出的資料是該系統(tǒng)的演示腳本。演示腳本的內(nèi)容盡量與飛船發(fā)射的真實(shí)過程相同，但是其模仿的數(shù)據(jù)參數(shù)基本是虛構(gòu)的，與真實(shí)的數(shù)據(jù)參數(shù)不相關(guān)。

演示腳本具體說明了火箭飛船在發(fā)射前準(zhǔn)備、在軌運(yùn)行和飛船返回3個(gè)階段的工作內(nèi)容。演示過程主要按照實(shí)際發(fā)射過程的時(shí)間順序安排，腳本用來說明各計(jì)算機(jī)在各階段扮演的角色、顯示的內(nèi)容、操作動(dòng)作、發(fā)射控制臺(tái)的狀態(tài)顯示等。軟件設(shè)計(jì)者通過腳本能認(rèn)識(shí)系統(tǒng)概貌，了解系統(tǒng)的功能、用途和基本表現(xiàn)形式。在本演示系統(tǒng)的腳本分析和設(shè)計(jì)過程中充分應(yīng)用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)。

演示系統(tǒng)軟件的測(cè)試與分析

本系統(tǒng)軟件經(jīng)歷了3個(gè)月測(cè)試調(diào)試，包括系統(tǒng)測(cè)試、服務(wù)器軟件測(cè)試、客戶端軟件測(cè)試、媒體資源與演示系統(tǒng)的匹配測(cè)試和系統(tǒng)的整體評(píng)測(cè)。評(píng)測(cè)結(jié)果表明，本系統(tǒng)的研制成果最終達(dá)到了預(yù)定指標(biāo)，滿足了用戶需求。通過多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、易用性及可擴(kuò)展性。該演示系統(tǒng)能夠成功進(jìn)行完整的演示過程，交互性也比較好，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

結(jié)論

本項(xiàng)目結(jié)合幾項(xiàng)具體的軟件工程技術(shù)，深入淺出講述了它們?cè)谳d人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)軟件研制過程中的應(yīng)用。這些技術(shù)使新建演示系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、可靠，滿足了系統(tǒng)的應(yīng)用需求，技術(shù)水平較原有系統(tǒng)有了質(zhì)的改變。目前，該系統(tǒng)軟件已應(yīng)用于載人航天模擬發(fā)射系統(tǒng)，滿足了該系統(tǒng)的功能需求和使用要求。該系統(tǒng)作為東高地青少年科技館航天科普特色教育活動(dòng)已經(jīng)投入使用，廣泛開展學(xué)生體驗(yàn)，具有很好的社會(huì)效益。

該項(xiàng)目獲得第27屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目的主要內(nèi)容是，利用硬件和軟件模擬演示我國(guó)神舟號(hào)飛船發(fā)射和回收的全部過程。該項(xiàng)目原理科學(xué)，構(gòu)思巧妙，概念清晰，設(shè)計(jì)合理，作品教育性強(qiáng)，項(xiàng)目選題新穎，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)方法有突破，作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價(jià)值。