航天器设计面临任务复杂度增加、设计周期缩短、研制经费受限等多重压力,传统的设计理念已不再适应经济发展和军事应用的需要。虚拟原型技术的迅速发展,为以“快、好、省”为核心的新的设计理念以及基于并行工程的新的设计方法提供了良好的技术基础。本文以构建支持航天器设计、研制的功能行为虚拟原型为研究目的,就相关的建模/仿真方法、实施框架、软件实现等进行了深入的研究。主要内容包括:针对涉及多能量领域交互作用的复杂物理系统建模需要,提出了一种扩展的多端口建模方法(Extended Multiport Approach,简称XMPA)。该方法将模块之间的交互作用区分为能量流交互和信号流交互,相应的交互界面分别称之为能量端口和信号端口,其中信号端口又区分为事件端口和连续信号端口。以此为基础,提出了一个物理系统虚拟原型的形式化定义,给出了物理系统虚拟原型的层次化模型。进一步,从基于虚拟原型仿真的实际需求出发,定义了物理系统虚拟原型的视图模型,每一个视图均对应于虚拟原型的一个实现。针对航天器混合动态行为特征建模的需要,提出一种新的混合自动机形式化模型,即多端口混合自动机(Multiport Hybrid Automata,简称MPHA)。该模型分别用事件动作和连续变量描述系统状态的离散跃变和连续动态特性,不同模块之间的事件交互通过事件端口实现,而连续交互作用则通过连续信号端口或能量端口实现。进而,定义了MPHA之间的连接运算。该模型可方便地描述系统或模块内部的混合动态特性,同时可描述系统与其环境之间的多种形式的交互作用以及系统的层次化结构。基于软件集成的思想,提出了一个支持多能量领域物理系统功能行为建模与仿真的软件环境实现框架。该框架以Modelica语言和其应用环境Dymola以及Matlab/Simulink为底层建模工具,采用DCOM技术支持分布式仿真。为更好地支持多端口混合自动机建模,论文对Modelica库进行了扩展,以Modelica语言定义了事件端口和三维机械连接端口;给出了一条将Simulink模型快速转换为DCOM组件的技术途径。作为应用实例,基于扩展多端口建模方法,研究并实现了一种航天器姿态控制系统功能行为虚拟原型。该虚拟原型包括如下四个组件:结构与机构分系统组件、姿态确定与控制分系统组件、C&DH组件和本地环境组件,组件之间通过端口连接。每个组件都封装了若干数学模型,包括太阳光压力矩模型及考虑动量轮轴承摩擦、飞轮质量分布不均匀、飞轮弹性变形等因素的动量轮系统动力学模型,等等。运用Modelica语言建立了航天器系统的层次化功能结构模型,并定义了各级系统的MPHA模型;进而,综合运用Dymola和Simulink环境,将上述四个组件分别封装为DCOM组件,并将这些DCOM组件组装为一个航天器姿态控制系统功能行为虚拟原型;利用此虚拟原型,分别针对太阳光压力矩、动量轮系统内干扰、飞轮低速摩擦特性补偿、飞轮角动量之磁卸载及控制器切换等进行了仿真实验,验证了模型和虚拟原型建模方法的正确性、有效性。实现了一个支持航天器姿态确定与控制分系统设计、分析的虚拟原型环境。该环境由相对独立的两部分组成,即建模仿真环境与航天器运行可视化环境。建模仿真环境在模块库支持下工作,每个模块均封装为组件,并以Simulink模块和DCOM组件两种形式存在。用户可方便地对模块库进行管理,如添加新模型、对原有模型进行修改或升级等。软件支持两种运行方式:基于Matlab引擎的单机运行和基于DCOM组件的分布式运行。用户通过选择各种不同的功能部件或方法,并设置、修改相关的参数,得到一个一致的ADCS方案,进而对其运行状况进行仿真分析。航天器运行可视化环境基于Win32多线程机制构建,在外部仿真程序生成之数据的驱动下,以在线或离线方式演示航天器的轨道和(或)姿态运动,以及不同有效载荷的实时对地观测范围。其中涉及的实体模型运用OpenGL和MultiGen Creator建立;同外部仿真程序之间的通信通过SOCKET接口实现。该可视化环境已成功应用于多卫星系统仿真和航天器姿态运动仿真。上述研究成果为建立航天器功能行为虚拟原型奠定了方法论基础,为基于系统集成的实现技术探索了一条可行途径,对完全建立和实现航天器功能行为虚拟原型具有重要的指导意义和参考价值。