虚拟现实 ( Virtual Reality,简称VR) 是一种可以创建和体验虚拟世界 (Virtual World) 的计算机系统。其中虚拟世界为全体虚拟环境（Virtual Environment)或给定仿真对象的全体，它是由计算机产生，通过视、听、 触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真。因此，一个身临其境的虚拟现实系统是由包括计算机图形学、图像处理与模式识别、多传感器、语音处理与音像以及网络等技术所构成的大型综合集成环境。由于它是一门综合性极强的信息技术，目前已在军事、医学、设计和娱乐等领域得到了广泛应用。例如，波音公司曾利用VR技术进行虚拟座舱的布局，实现了完美的实际座舱布局设计。
众所周知，航天飞行是一项耗资巨大、变量参数很多、非常复杂的系统工程，保证其安全、可靠是航天器设计时必须考虑的重要问题。因此，可利用仿真技术经济、安全及可重复性等特点，进行飞行任务或操作的模拟，以代替某些费时、费力、费钱的真实试验或者真实试验无法开展的场合，从而获得提高航天员工作效率或航天器系统可靠性等的设计对策。这样，航天仿真研究就成为确保航天器安全、可靠的有效技术途径。然而，大多数现有的仿真系统采用传统的仿真理论，即针对所研究的对象设计模型，然后根据实验方案在模型上进行各种实验，分析实验结果。其中设计的系统模型通常是由相互联系的数据结构集合和过程集合构成，具有一体化的信息和控制，因此很难对数据库进行修改。此外，实验结果的分析与处理也十分繁冗，同时，也不能直接对其作出解释。因而，随着仿真技术向可视化方向的发展，将VR技术与仿真理论相结合，据此进行航天仿真的研究，不失为一个行之有效的方法，本文对其展开讨论，以期有所裨益。
1.人-机界面具有三维立体感，人融于系统，人机浑然一体。 以座舱仪表布局为例，原则上应把最重要且经常查看的仪表放在仪表板中心区域，次重要的仪表放在中心区域以外的地方。这样能减少航天员的眼动次数，降低负荷，同时也让其注意力落在重要仪表上。但究竟哪块仪表放在哪个精确的位置，以及相对距离是否合适，只有通过实验确定。因此利用VR 作为工具设计出相应具有立体感、 逼真性高的排列组合方案，再逐个进行试验，使被试处于其中，仿佛置身于真实的载人航天器座舱仪表板面前，就能达到理想客观的实验效果。
2.继承了现有计算机仿真技术的优点，具有高度的灵活性。 因为它仅需通过修改软件中视景图像有关参数的设置，就可模拟现实世界中物理参数的改变，这样，随着任务的变化，已有的软件再经修改即可满足新任务的要求，所以十分灵活、方便。
3.突破环境限制。现有航天仿真的计算机系统体现不了空间失重环境， 而建立虚拟现实系统，通过虚拟的景象和声响就可以使被试处于太空飞行中实际的载人航天器座舱中，据此展开的相应试验研究具有实际意义。
4.节省研究经费。改用真实的航天器进行相应的试验研究是不可能实现的， 因为耗资巨大，经费条件不允许。而采用虚拟现实技术，由于其研制周期较短，设计修改和改型仅通过软件修改实现，可重复使用，设备损耗低，这样可大大节省经费投入。
长时间、远距离和多乘员的载人空间飞行将是21世纪航天技术发展的必然趋势，为了保证有良好的人（航天员）-机（载人航天器显示、控制系统）界面以提高航天员-载人航天器-空间环境这个大系统的可靠性和安全性，开展基于虚拟现实技术的航天仿真技术的研究，不但可以填补我国在此领域内的研究空白，而且也将为我国中、长期空间飞行的载人航天器（如空间站和空间实验室）型号任务的实施创造有利条件。
一般而言，虚拟现实系统具有两大特点：可以从数据空间向外观察和被试可以沉浸到数据空间中。它是通过对研究对象的模型进行计算机仿真，由计算机结果去控制虚拟世界，并显示给被试，最终实现它们之间的交互作用。这样，将被试投入到虚拟环境中来真实地注视数据以进行交换，与现有的航天仿真方法相比有质的提高。
基于上述过程，一个完整的虚拟现实航天仿真系统由下面三部分构成。
1.虚拟环境产生器一个能产生三维世界的软、硬件环境是VR 系统的核心部件。它的主要功能是接收被试相关的运动信息（如头部、眼、手等），分路/ 分时生成左、右眼视图，并融合成三维立体图像，同时进行三维声音合成和发出触觉、压力等反馈信号。
2.输入输出设备其目的是使被试能通过视觉、 听觉和触觉等方式与虚拟环境实现信息的交互作用。主要包括头盔显示器、操纵杆和数据手套等，它们是被试与虚拟环境建立联系的关键。
3.数据接口其作用是将虚拟环境产生器、 输入输出设备以及被试等有机连接成一体，这不仅包括硬件协配问题，也包括软、硬件联调以及人机界面等技术内容。
1.航天员训练器利用虚拟训练系统对航天员进行失重心理训练， 使其建立失重环境下空间方位感。其次，通过构造航天器虚拟座舱模型，训练航天员熟悉舱内布局、界面和位置关系，演练飞行程序和操作技能等。还有，在航天器某些关键设备在轨运行期间发生故障时，为使航天员能正确进行在轨修理，可以通过虚拟现实技术，在地面或空间站对其进行修理培训。例如，1993年，美国约翰逊航天中心启用了一套虚拟现实系统来训练航天员熟悉太空环境，为修复哈勃望远镜作准备。航天员通过操作虚拟设备，大大提高了操作水平。
2.航天工效学作为一种新型的人机界面，利用VR 系统可以更好地研究人与航天器之间的接口关系与功能分配，使舱内结构和布局更适合人的特性。此外，还可进行操作飞行程序和人机功能分配等合理性评价。
3.交会对接人工控制虚拟仿真技术航天器的空间交会对接是发展载人航天事业的一项关键技术。其控制方式分为自动和人工控制两种，根据国外经验，人工控制在交会对接的最终逼近与对接过程中发挥非常重要的作用。目前现有的人工控制交会对接仿真系统是由计算机系统（包括数学模型）、运动模拟器、座舱（包括控制操作台）、视景系统、操作负载系统等五部分组成，其设备复杂、投资巨大。若采用虚拟现实技术，整个系统由计算机仿真、头盔显示器和数据手套三部分组成。即将交会对接动力学模型存入计算机系统，通过计算机仿真，实时地解出这两个航天器间的相对距离和姿态角参量，通过计算机生成图像，在头盔显示器里实时地显示两个航天器虚拟环境，此时航天员就像真正处在飞行空间进行交会对接操作一样。因而，这样建立的系统设备简单、投资少。另外，若需考虑空间环境因素（如失重、加速度等），可以把虚拟交会对接仿真器安置在离心机上或模拟失重的水池里，直接在航天员身上产生失重或加速度效应。这种具有空间环境效应的虚拟仿真器是现有仿真系统所没有的。因为采用通常技术的仿真器设备多、重量和体积大，一般是不可能实现空间环境效应的。
4.航天环
众所周知，航天飞行是一项耗资巨大、变量参数很多、非常复杂的系统工程，保证其安全、可靠是航天器设计时必须考虑的重要问题。因此，可利用仿真技术经济、安全及可重复性等特点，进行飞行任务或操作的模拟，以代替某些费时、费力、费钱的真实试验或者真实试验无法开展的场合，从而获得提高航天员工作效率或航天器系统可靠性等的设计对策。这样，航天仿真研究就成为确保航天器安全、可靠的有效技术途径。然而，大多数现有的仿真系统采用传统的仿真理论，即针对所研究的对象设计模型，然后根据实验方案在模型上进行各种实验，分析实验结果。其中设计的系统模型通常是由相互联系的数据结构集合和过程集合构成，具有一体化的信息和控制，因此很难对数据库进行修改。此外，实验结果的分析与处理也十分繁冗，同时，也不能直接对其作出解释。因而，随着仿真技术向可视化方向的发展，将VR技术与仿真理论相结合，据此进行航天仿真的研究，不失为一个行之有效的方法，本文对其展开讨论，以期有所裨益。
一、意 义
虚拟现实技术的核心是通过计算机产生一种如同“身临其境”的具有动态、声像功能的三维空间环境，而且使操作者能够进入该环境，直接观测和参与该环境中事物的变化与相互作用。因此，将虚拟现实技术应用于航天仿真研究，不但可以使得该领域内的计算机仿真方法得到完善与发展，而且也将大大提高设计与试验的逼真性、实效性和经济性，具体表现在如下几个方面：1.人-机界面具有三维立体感，人融于系统，人机浑然一体。 以座舱仪表布局为例，原则上应把最重要且经常查看的仪表放在仪表板中心区域，次重要的仪表放在中心区域以外的地方。这样能减少航天员的眼动次数，降低负荷，同时也让其注意力落在重要仪表上。但究竟哪块仪表放在哪个精确的位置，以及相对距离是否合适，只有通过实验确定。因此利用VR 作为工具设计出相应具有立体感、 逼真性高的排列组合方案，再逐个进行试验，使被试处于其中，仿佛置身于真实的载人航天器座舱仪表板面前，就能达到理想客观的实验效果。
2.继承了现有计算机仿真技术的优点，具有高度的灵活性。 因为它仅需通过修改软件中视景图像有关参数的设置，就可模拟现实世界中物理参数的改变，这样，随着任务的变化，已有的软件再经修改即可满足新任务的要求，所以十分灵活、方便。
3.突破环境限制。现有航天仿真的计算机系统体现不了空间失重环境， 而建立虚拟现实系统，通过虚拟的景象和声响就可以使被试处于太空飞行中实际的载人航天器座舱中，据此展开的相应试验研究具有实际意义。
4.节省研究经费。改用真实的航天器进行相应的试验研究是不可能实现的， 因为耗资巨大，经费条件不允许。而采用虚拟现实技术，由于其研制周期较短，设计修改和改型仅通过软件修改实现，可重复使用，设备损耗低，这样可大大节省经费投入。
| 单位名称 | 研究项目 |
|---|---|
| 艾姆斯研究中心 | 虚拟/远程目标捕获作业中的头部随动滚转补偿； 虚拟环境中人的性能；虚拟环境中舱外活动自救； 遥控机器人计划与操作界面 |
| 哥达德空间飞行中心 | VR在地球和空间科学中的应用 |
| 约翰逊航天中心 | 利用人工合成的工作环境进行工作负荷的评定； 舱外活动卫星捕获训练；空间站Cupola训练； 交会对接人控虚拟训练器 |
| 马歇尔空间飞行中心 | 宏观工效学与可伸缩的用户人体测量学； 微观工效学虚拟及Fomecor模型； 微重 力运动与工效学 |
二、研究现状
1965年，美国麻省理工学院的科学家设计了一种头盔显示器，通过传感器和计算机仿真环境的相互作用，可以感觉到自己在几何图形中的移动，产生身临其境的感受，由此诞生了一种新的仿真手段虚拟现实技术。但由于其研制的头盔显示器性能较差，价格昂贵，很长时间内该项技术得不到应用。随着计算机图形学的发展，80年代中期，美国艾姆斯航天研究中心利用流行的液晶显示电视和其它设备开始研究低成本的虚拟现实系统，这对于虚拟现实技术的软、硬件研制发展推动很大。到了90年代，该项技术受到广泛关注并向实用迈进。例如美国马歇尔空间飞行中心研制载人航天器的VR座舱，指导座舱布局设计并训练航天员熟悉航天器的舱内布局、界面和位置关系，演练飞行程序。目前，美国各大航天中心已广泛地应用VR技术开展相应领域内的研究工作（如表所示）。在VR技术传入我国后，除几所院校建立一些初步的VR系统模型外，尚无在航天仿真领域展开此项技术的应用研究。一般而言，虚拟现实系统具有两大特点：可以从数据空间向外观察和被试可以沉浸到数据空间中。它是通过对研究对象的模型进行计算机仿真，由计算机结果去控制虚拟世界，并显示给被试，最终实现它们之间的交互作用。这样，将被试投入到虚拟环境中来真实地注视数据以进行交换，与现有的航天仿真方法相比有质的提高。
基于上述过程，一个完整的虚拟现实航天仿真系统由下面三部分构成。
1.虚拟环境产生器一个能产生三维世界的软、硬件环境是VR 系统的核心部件。它的主要功能是接收被试相关的运动信息（如头部、眼、手等），分路/ 分时生成左、右眼视图，并融合成三维立体图像，同时进行三维声音合成和发出触觉、压力等反馈信号。
2.输入输出设备其目的是使被试能通过视觉、 听觉和触觉等方式与虚拟环境实现信息的交互作用。主要包括头盔显示器、操纵杆和数据手套等，它们是被试与虚拟环境建立联系的关键。
3.数据接口其作用是将虚拟环境产生器、 输入输出设备以及被试等有机连接成一体，这不仅包括硬件协配问题，也包括软、硬件联调以及人机界面等技术内容。
三、应用趋势
纵观国外主要航天大国的研究，归纳起来，虚拟现实技术在航天仿真研究中应用的发展趋势是：1.航天员训练器利用虚拟训练系统对航天员进行失重心理训练， 使其建立失重环境下空间方位感。其次，通过构造航天器虚拟座舱模型，训练航天员熟悉舱内布局、界面和位置关系，演练飞行程序和操作技能等。还有，在航天器某些关键设备在轨运行期间发生故障时，为使航天员能正确进行在轨修理，可以通过虚拟现实技术，在地面或空间站对其进行修理培训。例如，1993年，美国约翰逊航天中心启用了一套虚拟现实系统来训练航天员熟悉太空环境，为修复哈勃望远镜作准备。航天员通过操作虚拟设备，大大提高了操作水平。
2.航天工效学作为一种新型的人机界面，利用VR 系统可以更好地研究人与航天器之间的接口关系与功能分配，使舱内结构和布局更适合人的特性。此外，还可进行操作飞行程序和人机功能分配等合理性评价。
3.交会对接人工控制虚拟仿真技术航天器的空间交会对接是发展载人航天事业的一项关键技术。其控制方式分为自动和人工控制两种，根据国外经验，人工控制在交会对接的最终逼近与对接过程中发挥非常重要的作用。目前现有的人工控制交会对接仿真系统是由计算机系统（包括数学模型）、运动模拟器、座舱（包括控制操作台）、视景系统、操作负载系统等五部分组成，其设备复杂、投资巨大。若采用虚拟现实技术，整个系统由计算机仿真、头盔显示器和数据手套三部分组成。即将交会对接动力学模型存入计算机系统，通过计算机仿真，实时地解出这两个航天器间的相对距离和姿态角参量，通过计算机生成图像，在头盔显示器里实时地显示两个航天器虚拟环境，此时航天员就像真正处在飞行空间进行交会对接操作一样。因而，这样建立的系统设备简单、投资少。另外，若需考虑空间环境因素（如失重、加速度等），可以把虚拟交会对接仿真器安置在离心机上或模拟失重的水池里，直接在航天员身上产生失重或加速度效应。这种具有空间环境效应的虚拟仿真器是现有仿真系统所没有的。因为采用通常技术的仿真器设备多、重量和体积大，一般是不可能实现空间环境效应的。
4.航天环
