NASA的Orion載人探索飛船專為深空飛行任務而設計，將搭載新一代宇航員到達整個太陽系中遠超過近地軌道的多個目的地，如小行星、月球，并最終到達火星。Orion 將取代航天飛機，成為該機構進行人類太空探索的主要工具。

當 Orion 載人飛船的GN&C(制導、導航與控制)系統進行關鍵設計審查 (CDR) 時，超過 90% 的軟件已經成功開發——這是 NASA 首次接受如此規模和復雜性的項目。此成就在很大程度上得益于使用基于模型的設計這一新的開發方法。

大多數NASA GN&C項目遵循傳統流程：專家和分析師通過詳細的需求文檔指定核心算法。關鍵設計審查之后，這些文檔將移交給飛行軟件工程師，進而實現正式的飛行軟件。這一過程通常需要數年時間，因為只有在完成規范之后才能開始編碼，等到測試代碼則需要更久。

Orion設計流程框圖。圖像由 NASA 提供。

NASA、Lockheed Martin和其他承包商通力合作，基于模型的設計理念，為Orion設計并開發了GN&C飛行算法。通過Simulink模型作為可執行規范，并自動生成飛行軟件，使這些機構能夠同時實現GN&C算法和飛行軟件開發。因此，GN&C分析師可直接處理可執行算法模型，而不需要軟件開發人員提供解釋文檔。

設計和分析環境與飛行軟件開發環境的合并，使聯合小組能夠在早期發現并解決問題，從而節省整體開發時間至少一年。

傳統設計流程與開發 Orion GN&C 軟件的方法的原理圖比較。

為新方法奠定基礎

盡管 Lockheed Martin 已經熟悉基于模型的設計，但這種方法代表了許多 NASA工程師和承包商的模式轉變。

通過制定建模標準，讓來自多家機構的約100名工程師致力于 GN&C 算法開發，構建風格一致的模型，了解彼此的工作并高效協作。這些標準確保了所有模型清晰可讀，對于使用模型作為文檔的大型團隊尤其重要。

開發和集成GN&C 算法

開發GN&C系統架構的第一步是創建“空箱架構”(EBA)。EBA 包含大約100個功能模塊，或稱計算機軟件單元 (CSU)。

整個模型由一百多個 Simulink 庫模塊和組件構成。由于 CSU 被指定為模型引用模塊，每個單元在傳遞到飛行軟件團隊之前，可以在臺式機上進行徹底仿真。之后，工程師使用 Simulink Verification and Validation 和Simulink Model Advisor 工具來驗證該模型是否滿足建模的標準。

工程師還同時生成代碼，以確保模型中沒有阻止代碼生成的問題。在交付審查時，工程師不但提供 Simulink 模塊，還提供單元測試的測試輸入和預期的測試輸出。

GN&C算法和FSW開發流程

為了驗證整個 GN&C 軟件， NASA使用了持續完善了超過 20 年之久的Trick，一種高保真、六自由度仿真基礎結構 。仿真環境包括飛船傳感器（如慣性測量單元和星敏感器）和效應器（例如反作用控制系統）以及空氣動力學、重力和空間環境的數學模型。

使用 Embedded Coder 生成代碼

通過使用Embedded Coder，大多數C++ 飛行代碼在CDR 之前便自動從Simulink模型中產生。在這一階段使用Embedded Coder生成代碼，除了節省時間和降低風險外，還提供三大優勢：

可以驗證能夠生成最終部署到目標飛船上的代碼，其結果與 Simulink 源模型仿真相同；

給習慣于自己編碼的工程師檢查生成代碼的機會，甚至可以在生成的代碼中直接調試；

通過將生成的代碼直接嵌入 Trick 仿真基礎結構，幫助分析人員深刻認識閉環運行時性能。

Simulink是運行閉環仿真的理想工具，因為它的交互式可視化環境可幫助工程師快速發現和解決問題。不過，對于如此全面的分析驗證測試，仿真速度是一項更重要的考慮因素。

閉環仿真采用嵌入Trick的生成代碼，執行速度比實時快大約10倍。因此，整整 10 天的 Orion 任務可以在短短一天內仿真。工程師通過兩種方法進行入門級仿真：使用 Simulink 模型驅動 Trick ；將生成的代碼嵌入 Trick。比較發現，兩種仿真的結果完全相同。

開創先河

此 GN&C 項目在許多方面為 NASA 開辟了新道路。Simulink 和 Embedded Coder 使得來自 NASA、Lockheed 和其他承包商的領域專家構成的大型團隊能夠為復雜的軌道和場景開發算法，在已有的仿真環境中運行仿真，并生成最終部署在飛船上的飛行軟件代碼。

對于像這樣的長期項目而言，機構的需求和重點發生轉變的情況并不少見。無論項目需要向哪個方向發展，使用模型中捕獲的算法都可以保證工程師對項目的把握。