《分布式太空任务对比分析与综合建模及仿真环境》120页

航天技术日新月异，诸多昔日遥不可及的宏伟构想正逐步化为现实。未来，卫星将不再局限于入轨驻留，而将执行在轨转运、在轨服务（OOS）及主动碎片清除（ADR）等复杂任务。此类高复杂度卫星任务亟需高保真物理可视化工具，以规划并仿真既定机动与近距离操作。本论文提出核心设问：开源程序能否为用户提供基于物理机理的轨道传播与航天器近距离操作仿真环境？通过对现有软件的深入调研，本研究遴选GMAT与Gazebo作为最佳平台候选方案。经机械臂操作、轨道建模与机动、近距离操作等多维度测试验证，二者协同可实现复杂场景下的全任务流程仿真，因而成为构建高保真物理可视化软件的优选基础。

全球各国及各企业正不断向深空拓展，部署海量卫星与航天器。此类系统的维修尝试往往面临时间与成本的双重压力。实践中，航天器一旦因故失效，常被弃置、转移至坟墓轨道或直接销毁。而在轨服务的价值在于：减少进入坟墓轨道的航天器数量，延长关键航天器的服役寿命，并全面降低航天任务与维护成本。

Hill[1]关于在轨服务可行性的研究表明，该技术已取得积极进展，其预测指出：“实现该技术商业化应用的最终关键一步，在于由某企业率先与DARPA签约，打造在轨维修的首个标杆案例。”随着卫星应用的普及，低成本、紧凑型维修方案将成为众多企业的核心攻关方向。此目标极具挑战性，不仅源于轨道机器人动力学与控制的技术壁垒，更在于对高精度轨道机动的严苛要求。因此，开发基于高保真物理机理的可视化工具，以规划并仿真既定机动与近距离操作，具有重要实践意义。

A. 研究问题

本文核心设问：开源程序能否为用户提供基于物理机理的轨道传播与航天器近距离操作仿真环境？

B. 意义

场景可视化对深化认知具有关键作用，并能激发深度研讨与方案优化。相较于静态可视化，动态仿真与交互操作更具价值。仿真交互能充分调动使用者感官，提升认知深度。长期以来，飞行模拟器、舰船操纵模拟器、潜艇训练系统及战术对抗模拟平台已被广泛用于保持人员战备水平。将此类能力引入太空探索与技术发展前沿，可显著提升工程师与操作人员对环境理解与感知能力。仿真器可辅助宇航员规划在轨卫星的拦截与作业路径；助力工程师优化轨道剖面、部署时序与作业计划；协助中小企业直观展示卫星在轨部署与应用全流程；帮助非航天专业人士理解系统运行机制；并为面向外部利益相关方的专业技术沟通提供支撑。

推进仿真技术发展将催生技术创新浪潮。随着用户对复杂仿真需求的增长，对高速、易用型仿真器的诉求日益迫切。同时，复杂仿真依赖高性能计算平台，即硬件需具备充足算力与图形处理能力以满足用户对加载速度与仿真精度的差异化需求。若能实现仿真器及其支撑平台的性能突破，则可在更低算力条件下运行复杂仿真，从而扩大用户覆盖面，加速创新进程。

C. 需求

仿真软件的核心需求涵盖功能性、成本效益与可及性。次要评估准则包括飞行履历与易用性（含帮助文档与教程可用性）。

软件必须具备在物理驱动环境中，对用户自定义及创建的航天器进行轨道传播与/或近距离操作仿真的能力。不具备原生仿真或物理引擎的软件优先级较低，但可考虑其与具备此类功能的软件进行集成。

软件获取可能受成本制约，故本项目要求采用开源软件。基于开源软件构建仿真器可惠及政府、教育及私营企业等多元用户群体。反之，基于商业专有软件构建虽可能获得更强支持与鲁棒性，但会限制用户范围。为确定最优方案，本研究对多种商业与开源平台进行了系统调研。

具备航天飞行履历的软件为优选，但非刚性需求。此列为评估准则而非硬性要求，原因在于卓越的仿真软件未必拥有飞行履历，但可通过与其他具备该履历的软件集成来满足要求。

软件易用性可提升用户创作效率，减少调试耗时。鉴于帮助文档与教程持续迭代，其不作为量化评估指标，仅列为参考准则。

D. 方法

本研究通过调研当前航天教育与工业界主流软件确定选型。在可获取的前提下，通过实测评估各软件对本研究的适用度。所有候选软件均需对照第一章C节确立的需求与准则进行对标分析，最优候选方案将进入测试阶段。

候选软件测试包含两项核心实验：其一，验证软件模拟真实世界机械臂运动的能力；其二，在包含简化航天器（搭载前述机械臂）、模拟轨道环境、轨道转移与近距离操作的多步空间仿真场景中测试软件性能。两项测试的完成质量是衡量软件能否有效回答研究问题的核心依据。本研究回答核心问题的技术路线：

软件确定阶段