劉震磊 李欣宇 張 磊 劉筱鷗 齊 紀

1.沈陽航空航天大學(xué)；2.遼寧省航空宇航學(xué)會

近年來，我國不斷加大對航空航天事業(yè)的投入，在航天領(lǐng)域取得的成就越來越多，正向著航天強國的目標不斷邁進。2022 年1 月發(fā)布的《2021 中國的航天》白皮書提出，我國將在未來5 年面向新技術(shù)工程化應(yīng)用，逐步開展空間擴展飛行器、新型空間動力、航天器在軌的服務(wù)與維護等新技術(shù)實驗[1]。而空間交會對接技術(shù)則為我國空間探測工程的建造、裝配、回收、補給、維修等在軌服務(wù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)[2]。

因航天活動具有高風(fēng)險、高投入、應(yīng)用環(huán)境與地球差異巨大等特點，航天科普教育方式方法局限于模型制作，圖片與視頻展示等形式。在教育部相關(guān)文件的指導(dǎo)與緊缺人才培養(yǎng)模式自主化、教育信息化趨勢的影響下[3-5]，我國各大高校相繼開發(fā)了一批獨具特色的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺[6-8]，同時依托高校實驗室展開相關(guān)領(lǐng)域的科普教育工作[9-11]。本文依托于沈陽航空航天大學(xué)航空航天特色背景，立足于航天科普教育現(xiàn)狀及需求，開發(fā)了中國空間站仿真科普平臺，對空間站對接過程開展仿真研究，通過對航天器、空間環(huán)境、任務(wù)需求等參數(shù)進行配置，運用模塊化的設(shè)計理念，搭建出空間對接任務(wù)場景，能夠用于航天知識科普的開展，提升航天科普效果。

一、平臺系統(tǒng)構(gòu)建

1. 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)中國空間站仿真科普平臺需求，本系統(tǒng)采用多層次結(jié)構(gòu)體系作為架構(gòu)形式，主要包括客戶端、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、驅(qū)動層[12]，如圖1 所示，各層級主要功能介紹如下。

圖1 中國空間站仿真科普平臺架構(gòu)

客戶端主要為系統(tǒng)完成后的可發(fā)布途徑，針對不同的平臺使用場景和設(shè)備與用戶需求，提供Web端、PC 端產(chǎn)品，開發(fā)者根據(jù)使用需求選擇相應(yīng)的Libraries、API、IDE 等不同的開發(fā)標準。

應(yīng)用層主要包括三維視景圖形用戶接口（GUI）、控制接口等部分，主要功能涵蓋了航天器在太空環(huán)境中的運動邏輯、空間站結(jié)構(gòu)靜態(tài)與動態(tài)展示，對接過程知識點普及，仿真操作訓(xùn)練等基本功能，為平臺使用及開發(fā)人員提供簡潔直觀的可視化交互界面。

數(shù)據(jù)層主要用于儲存和管理系統(tǒng)產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，包括仿真模型數(shù)據(jù)、仿真環(huán)境數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)、科普資料等內(nèi)容，方便平臺使用中進行場景更換、數(shù)據(jù)迭代更新、操作者數(shù)據(jù)管理，拓寬平臺使用場景。

驅(qū)動層主要提供系統(tǒng)運行中所需要的圖形渲染、數(shù)據(jù)調(diào)用、系統(tǒng)功能調(diào)用，并將所需的模型、場景等導(dǎo)入Unity 3D 平臺中，實現(xiàn)系統(tǒng)仿真功能，通過局域網(wǎng)實現(xiàn)操作互聯(lián)、統(tǒng)一管理，同時為Web 端、PC 端發(fā)布提供技術(shù)支撐。

2. 系統(tǒng)功能

基于改善航天科普教育課程模式與教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生沉浸感和參與感的需求以及模塊化設(shè)計理念，系統(tǒng)設(shè)計了以下五大模塊。

一是場景漫游功能模塊，通過鼠標、鍵盤等輸入設(shè)備，使用第一人稱在場景中進行漫游。通過身臨其境的漫游體驗及教師講解，了解太空環(huán)境、空間站設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)。二是知識科普功能模塊，在場景漫游模塊的基礎(chǔ)上，通過三維模型的突出顯示、圖文結(jié)合的說明、語音講解，加深學(xué)生們對空間站結(jié)構(gòu)功能、建造過程以及對接過程等知識點的理解。三是流程演示功能模塊，通過設(shè)計虛擬仿真動畫，展示空間站軸向?qū)舆^程，以及對接操作步驟，用以引導(dǎo)學(xué)生按照規(guī)范的操作步驟進行模擬對接操縱練習(xí)[13]。四是模擬操縱功能模塊，結(jié)合以上模塊功能，運用學(xué)到的知識，手動操作飛船與空間站進行軸向?qū)?，重現(xiàn)了空間軸向交會對接流程，提高了學(xué)生的沉浸感與參與感。五是自定義場景功能模塊，根據(jù)教師使用需求和課程目標設(shè)計，課程設(shè)計者可通過對模型、參數(shù)、科普內(nèi)容進行替換，實現(xiàn)相應(yīng)虛擬仿真場景的生成，進一步拓展平臺的適用性。

二、虛擬仿真平臺搭建

1. 空間站軸向?qū)舆^程

空間交會對接通常包含遠距離導(dǎo)引段、近距離自主控制段、最終逼近段、對接合攏段等階段，該過程從目標航天器與追蹤航天器相距100km 便開始準備，盡管不同國家對該過程的具體操作要求有所不同，但整個過程的基本操作內(nèi)容都是相似的[4]，具體過程如圖2 所示。

圖2 空間站軸向?qū)恿鞒虉D

2. 環(huán)境仿真及三維模型建立

為了增加空間交會對接過程仿真的真實感，需要建立較為逼真的仿真環(huán)境，主要包括太空、地球和目標飛行器等物體。

（1）太空環(huán)境仿真

太空環(huán)境仿真涉及到地球、太空背景、零重力環(huán)境、太陽照射等要素，按照真實的物理環(huán)境將其進行組合，便可構(gòu)成空間站仿真平臺的應(yīng)用場景。物理場景虛擬化搭建是整個平臺仿真的關(guān)鍵部分，在該步驟的開發(fā)過程中，須從各物體的基本特征出發(fā)，根據(jù)平臺建設(shè)要求建立虛擬環(huán)境。

在上述過程中，二維及三維物體包括地球、光照及太空環(huán)境部分，這些要素可通過貼圖的方式，配合Unity 3D 中的物體屬性編輯、光線及天空盒功能加以實現(xiàn)。通過Visual Studio 等外部編譯工具，創(chuàng)建C#腳本文件，驅(qū)動地球自轉(zhuǎn)、構(gòu)建空間重力環(huán)境，并可根據(jù)需求自行調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速度、旋轉(zhuǎn)方向和重力大小。最終效果如圖3 所示。

圖3 地球仿真效果圖

（2）三維模型建立

在中國空間站仿真科普平臺的開發(fā)中，所涉及的三維模型包括中國空間站各功能艙段、“神舟”系列載人飛船、“天舟”系列貨運飛船等航天器模型。上述三維模型均采用3DS Max 軟件進行建模、渲染，使模型更加真實，如圖4 所示。由于3DS Max 和Unity 3D 中的參考坐標系及格式的計算方式不同，因此需要在3DS Max 中進行參考坐標系轉(zhuǎn)換及減線的操作，最后將FBX 格式文件導(dǎo)入Unity 3D 中附加材質(zhì)、調(diào)整大小并放置在相應(yīng)的位置上，從而完成交會對接場景的搭建。

圖4 “天和”核心艙模型

3.平臺搭建

本平臺仿真任務(wù)的主要目的是搭建出真實的宇宙物理環(huán)境與真實的對接過程。在背景的設(shè)計中選擇以天空盒組件Skybox 為遠景，以地球為近景的設(shè)計理念。在最近的地方加入空間站模型，突出本項目所涉及的主要部分，同時調(diào)整空間站與地球的尺寸與距離，體現(xiàn)環(huán)境的真實性；通過給物體加入材質(zhì)及調(diào)整光線反射率，從而進一步提高環(huán)境的逼真程度。

平臺交會對接操作過程始于飛船停泊軌道。首先需要調(diào)整飛船的相位角，使其軌道平面與目標飛行器的軌道平面相同；其次通過同平面霍曼軌道轉(zhuǎn)移技術(shù)，在離軌點施加切向的離軌脈沖，將飛船從低地球軌道（LEO）轉(zhuǎn)移到高地球軌道（HEO）[15]。通過調(diào)整開始加速時間與加速持續(xù)時間，使該橢圓軌道與目標飛行器軌道相交。在飛船與目標飛行器交匯點附近，通過減速和調(diào)整姿態(tài)等操作，逐漸減少與目標飛行器的相對距離，從而完成交會對接。整個過程一般需要5~6 h，飛行2×105km 以上。在進行虛擬仿真時，操作過程中的速度、相對目標空間站的距離、角度等數(shù)據(jù)均由實際數(shù)據(jù)按比例縮小轉(zhuǎn)化而成。由于完整的對接過程操作用時較長，故添加了Check Point 功能，操作者可自由選擇操作起點，如從轉(zhuǎn)移軌道或任意停泊點開始任務(wù)，剩余部分可由Animation 代替，整個對接過程耗時5~20 min。交會對接場景如圖5 所示。

圖5 交會對接場景示意圖

對接過程將從多個視角進行展示，首先是對接過程的主視角，在該視角中，操作者可遠距離觀察交會對接的整體流程；其次是對接近距離視角，該視角可在二者相距1 km 時顯示，操作者可通過近距離視角觀察交會對接過程；最后為“十字光標”視角，該視角主要作用為輔助操作人員對接，該視角下的圖像將顯示在平臺UI 的“對接輔助十字”面板中。最終效果如圖6 所示。

圖6 交會對接部分仿真圖

三、教學(xué)設(shè)計與應(yīng)用

在面向中小學(xué)生的科普教育中，本平臺創(chuàng)新性地引入了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)（STEM）教學(xué)模式，旨在培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力[16]。在科普教學(xué)中，以貫徹發(fā)揚偉大載人航天精神為主線，結(jié)合空間站建設(shè)的偉大成就設(shè)計課程，旨在提高學(xué)生認知水平與動手實踐、歸納總結(jié)、交流合作能力。

1. 科普目標

中國空間站是中國在航天領(lǐng)域中舉世矚目的成就，是中華民族頑強探索的見證。它的建成與運營是我國經(jīng)濟、科技和綜合國力的象征，是我國為人類探索宇宙奧秘、和平利用外太空、推動構(gòu)建人類命運共同體作出的積極貢獻。

以傳承載人航天精神為最終目標，通過梳理中國空間站的建設(shè)脈絡(luò)、多樣的科普環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在認知實驗、設(shè)計實驗、探究實驗的過程中，了解中國空間站的建設(shè)過程及相關(guān)功能，掌握相關(guān)的科技、工程、數(shù)學(xué)知識，深入理解大力推進空間站建設(shè)對科技發(fā)展和民族復(fù)興的重要性?？破战虒W(xué)目標分解見表1。

表1 科普教學(xué)目標分解

2. 科普活動設(shè)計

（1）引入與感知

首先提出問題，例如，空間站建設(shè)對人類科技發(fā)展產(chǎn)生了怎樣的影響？中國空間站的建成對中華民族偉大復(fù)興產(chǎn)生了怎樣的影響？在空間站建設(shè)與運營過程中體現(xiàn)了怎樣的創(chuàng)新與奮斗精神？年輕的我們該如何傳承這樣的精神？鼓勵學(xué)生進行思考、討論，有目的地引導(dǎo)學(xué)生進入科普課程的環(huán)節(jié)以及文化情境。其次通過國際空間站的運用展示，讓學(xué)生直觀地感受空間站對科技、國家地位的提升，以及中國建設(shè)屬于自己的空間站的必要性。

（2）文化理解與知識學(xué)習(xí)

讓學(xué)生自行查閱文獻與資料，了解中國空間站的研制歷程，體會其中蘊含的載人航天精神。通過平臺科普展示與場景漫游模塊，讓學(xué)生直觀地了解空間站所處的宇宙環(huán)境，空間站的結(jié)構(gòu)及功能。通過流程演示模塊，了解空間交會對接這一關(guān)鍵技術(shù)的原理與流程。

（3）工程設(shè)計與操作

一是設(shè)計開放性探究題目，利用平臺模擬操縱模塊，讓學(xué)生小組自主實現(xiàn)貨運飛船與空間站的交會對接。在過程設(shè)計與實施中，學(xué)生需要理解空間交會對接是多因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)問題，需要運用力學(xué)、數(shù)學(xué)、航天工程等知識。

二是設(shè)置展示與交流環(huán)節(jié)，各小組通過流程展示、比較與教師評價，進一步理解交會對接的過程及原理。同時能幫助學(xué)生探究團隊合作，奉獻精神、專注度與執(zhí)行力等非科技因素對項目完成度與質(zhì)量產(chǎn)生的影響，使學(xué)生進一步理解與凝練載人航天精神與科學(xué)家精神。

（4）總結(jié)評價與改進

對于教學(xué)設(shè)計，根據(jù)教學(xué)目標的實現(xiàn)程度來評估教學(xué)方法和效果，進而推動科普課程在教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容方面不斷優(yōu)化。對于學(xué)生的評價則重點考察學(xué)生對載人航天精神與科學(xué)家精神的理解與認可度，同時對學(xué)生表達及團隊協(xié)作能力進行評估。

在科普教學(xué)應(yīng)用實踐中，中國空間站仿真科普平臺的教學(xué)模式可采用“線上+線下”混合教學(xué)模式。通過老師線上對知識點進行講解，學(xué)生可通過該平臺科普教育介紹以及手動對接模擬來鞏固和驗證課上所學(xué)到的知識。

四、結(jié)語

隨著中國空間站仿真科普平臺的開發(fā)與應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科普教育領(lǐng)域的應(yīng)用將更為廣泛，中國航天科普教育方式方法迎來了新一輪迭代更新，為我國數(shù)字化教育改革與科教興國戰(zhàn)略的實施提供了助力。