淺析數(shù)字孿生衛(wèi)星概念、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

淺析數(shù)字孿生衛(wèi)星概念、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用摘要：在分析衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢與升級轉(zhuǎn)型新需求后，為推動衛(wèi)星與新技術(shù)融合發(fā)展，提升大型衛(wèi)星工程的整體管理水平與流程管控能力，促進(jìn)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型升級，將數(shù)字孿生技術(shù)與衛(wèi)星工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵場景、關(guān)鍵對象緊密結(jié)合，探討提出了數(shù)字孿生衛(wèi)星的概念。為闡述數(shù)字孿生衛(wèi)星內(nèi)涵，以衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目為背景，從空間維度對數(shù)字孿生衛(wèi)星的組成進(jìn)行了分析，包括數(shù)字孿生衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)、數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間、數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品、數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等。從時間維度對數(shù)字孿生衛(wèi)星核心要素，包括模型線程(ModelThread)、數(shù)據(jù)線程(DataThread)、服務(wù)線程(ServiceThread)，進(jìn)行了闡述。在此基礎(chǔ)上提出了數(shù)字孿生衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)體系，并結(jié)合前期已開展的相關(guān)實(shí)踐工作，從全生命周期視角對數(shù)字孿生衛(wèi)星在衛(wèi)星總體設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、生產(chǎn)制造(含裝配、集成與測試)、在軌服務(wù)與健康管理、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理各階段的應(yīng)用進(jìn)行了探討，以期為未來衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展，衛(wèi)星工程和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)提供參考。關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生衛(wèi)星；數(shù)字孿生；衛(wèi)星工程；衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字孿生五維模型；全生命周期；新一代信息技術(shù)1.衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢與新需求衛(wèi)星作為發(fā)射數(shù)量最多、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的航天器，正改變著人類的生活，影響著人類的文明。近年來，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化[1]轉(zhuǎn)型升級需求日益增長，并隨著多波束天線技術(shù)、頻率復(fù)用技術(shù)[2]、高級調(diào)制方案、軟件定義無線電[3]、軟件定義載荷、軟件定義網(wǎng)絡(luò)[4]、微小衛(wèi)星制造[5]，以及一箭多星、火箭回收等技術(shù)的發(fā)展與成熟，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)正呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)小型化、制造批量化、功能多樣化、在軌可重構(gòu)、星座巨型化、組網(wǎng)智能化、業(yè)務(wù)服務(wù)化、天地一體化互聯(lián)、低成本商業(yè)化等發(fā)展趨勢。

在新技術(shù)發(fā)展和多樣化需求的雙驅(qū)動下，更多大型衛(wèi)星工程的實(shí)現(xiàn)成為了可能，同時也為衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)帶來了相應(yīng)的新挑戰(zhàn)。如基于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目，近年引起了高度關(guān)注，形成了全球性的發(fā)展熱潮，OneWeb、SpaceX、TeleSat、LeoSat等公司相繼發(fā)布其通信衛(wèi)星星座計劃，并緊鑼密鼓地開展相關(guān)建設(shè)工作[6]。中國航天科技集團(tuán)的鴻雁全球衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)與中國航天科工集團(tuán)的虹云工程也以實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星通信為目的而提出。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目星座規(guī)模大(從100顆到12000顆)、建設(shè)周期短(軌道和頻率資源有限，先到先得，星座建設(shè)分秒必爭)、項目流程長(星座設(shè)計、軌道設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、批量制造、衛(wèi)星發(fā)射、在軌組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維等)、投入成本高(衛(wèi)星批量化制造、衛(wèi)星高密度發(fā)射、衛(wèi)星星座維護(hù)等)，由此衛(wèi)星工程的設(shè)計、實(shí)施、管理等能力面臨巨大挑戰(zhàn)。針對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等項目，各階段雖已開展一定的數(shù)字化工作，如基于模型的系統(tǒng)工程(ModelBasedSystemEngineering,MBSE)等研究[7]，但在衛(wèi)星工程全生命周期中仍存在部分系統(tǒng)數(shù)字化程度低、系統(tǒng)間信息交互能力弱、流程間模型演化與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)能力差等不足或問題，且衛(wèi)星產(chǎn)品、衛(wèi)星車間、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化水平仍不能滿足快速響應(yīng)、實(shí)時管控、高效智能、靈活重構(gòu)、便捷易用等多樣化需求。同時，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)與以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等為代表的新一代信息技術(shù)(NewIT)進(jìn)一步融合發(fā)展的趨勢。如美國陸軍設(shè)計新的窄帶衛(wèi)星通信體系結(jié)構(gòu)，并在設(shè)計中引入機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，以提升在網(wǎng)絡(luò)管理、自動控制和系統(tǒng)互操作性等方面的能力[8]；OrbitalInsight和佳格天地等國內(nèi)外企業(yè)探索挖掘衛(wèi)星大數(shù)據(jù)應(yīng)用，以支撐國土、林業(yè)、海洋、農(nóng)業(yè)、規(guī)劃、交通、氣象、環(huán)保、工信等諸多領(lǐng)域大數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用[9]；華為公司為亞太衛(wèi)星控股有限公司打造云計算數(shù)據(jù)中心，提供設(shè)備與平臺的業(yè)務(wù)服務(wù)[10]；SpaceChain公司獲得歐洲太空總署(ESA)的技術(shù)支持，推進(jìn)衛(wèi)星區(qū)塊鏈技術(shù)的商業(yè)服務(wù)與應(yīng)用發(fā)展[11]。上述衛(wèi)星工程面臨的新挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢，對衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了以下新需求：(1)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型升級新需求衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目的發(fā)展熱潮，在設(shè)計、制造、運(yùn)維等方面都給衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)帶來了巨大沖擊，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型升級刻不容緩。主要體現(xiàn)為：①在數(shù)字化方面，通過對全要素、全流程、全業(yè)務(wù)、全系統(tǒng)的數(shù)字化，有效借助信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息物理充分融合，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)模型、數(shù)據(jù)、仿真驅(qū)動的系統(tǒng)工程管理、流程控制、決策驗(yàn)證等，從而大大提升設(shè)計、制造、運(yùn)維各流程的質(zhì)量與效率；②在網(wǎng)絡(luò)化方面，借助互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)各要素、各系統(tǒng)、各階段間互聯(lián)互通，并促進(jìn)模型間、數(shù)據(jù)間、業(yè)務(wù)間的交互與融合，進(jìn)而提升信息交互、系統(tǒng)集成、部門合作的效率，同時，衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)化也是通信行業(yè)發(fā)展的必然趨勢；③在智能化方面，基于數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化，借助智能衛(wèi)星、智能設(shè)備、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)、知識、經(jīng)驗(yàn)的分析挖掘，進(jìn)而提高自動控制、設(shè)備管控、網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)運(yùn)行等環(huán)節(jié)的自組織、自同步、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力；④在服務(wù)化方面，一方面，提高衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)內(nèi)不同階段、不同對象、不同系統(tǒng)、不同應(yīng)用場景的服務(wù)化水平，提升應(yīng)用、管理、協(xié)作效率，另一方面，加強(qiáng)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)化、系統(tǒng)平臺服務(wù)化、衛(wèi)星資源服務(wù)化，提高服務(wù)和應(yīng)用的質(zhì)量與效益。(2)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)與NewIT技術(shù)融合發(fā)展新需求隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality,VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentedReality,AR)等NewIT技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)與NewIT技術(shù)融合發(fā)展已成為必然趨勢，兩者將成為相互促進(jìn)、共同發(fā)展的關(guān)系，這既是外界系統(tǒng)環(huán)境的需求，也是行業(yè)內(nèi)部發(fā)展的需求。一方面，NewIT技術(shù)的大面積發(fā)展應(yīng)用促使衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)需要在接口、功能、應(yīng)用上與NewIT技術(shù)進(jìn)行對接，并出現(xiàn)基于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的大型物聯(lián)網(wǎng)、基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)挖掘分析等應(yīng)用研究；另一方面，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展轉(zhuǎn)型，也離不開NewIT技術(shù)的支持，并產(chǎn)生基于云計算的衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)服務(wù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的衛(wèi)星總裝車間各要素感知互聯(lián)、基于大數(shù)據(jù)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析與決策、基于區(qū)塊鏈的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)安全維護(hù)、基于人工智能的衛(wèi)星智能管控和網(wǎng)絡(luò)智能管理、基于VR和AR的衛(wèi)星裝配工藝可視化及培訓(xùn)等方面的探索與應(yīng)用。(3)衛(wèi)星系統(tǒng)工程協(xié)同管理新需求衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等項目比以往更加依賴各專業(yè)、各階段、各系統(tǒng)間的協(xié)同，由此對衛(wèi)星系統(tǒng)工程管理提出更高的要求。①專業(yè)性上，不僅需要傳統(tǒng)衛(wèi)星研制相關(guān)專業(yè)的參與，還需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商等領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c，專業(yè)跨度更大；②階段性上，從衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)總體設(shè)計到衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維，從衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計到衛(wèi)星在軌管控，彼此間模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)的依賴程度更大，不同階段間的合作需求更大；③系統(tǒng)性上，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)工程需要衛(wèi)星研制、運(yùn)載火箭、發(fā)射場地、測運(yùn)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營、衛(wèi)星及地面互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商等諸多系統(tǒng)彼此協(xié)同才能實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用，系統(tǒng)組成與分布更復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)各專業(yè)、各階段、各系統(tǒng)間的協(xié)同需要更加科學(xué)、更加連續(xù)、更加全面的衛(wèi)星系統(tǒng)工程管理，開展衛(wèi)星系統(tǒng)工程協(xié)同管理理論研究和工程探索十分必要。(4)衛(wèi)星及相關(guān)系統(tǒng)智能應(yīng)用/服務(wù)新需求制造批量化、功能多樣化、在軌可重構(gòu)、組網(wǎng)智能化、業(yè)務(wù)服務(wù)化等趨勢與需求的出現(xiàn)，對硬件為主、軟件為輔的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式下衛(wèi)星及相關(guān)系統(tǒng)的智能應(yīng)用/服務(wù)能力提出了新需求。例如：衛(wèi)星產(chǎn)品方面，對衛(wèi)星功能可配置、軟件系統(tǒng)可重構(gòu)、在軌自運(yùn)行、環(huán)境自感知等能力的新需求；衛(wèi)星制造車間(含裝配、集成與測試)方面，對工藝自動規(guī)劃、設(shè)備智能管控、產(chǎn)線優(yōu)化調(diào)度、數(shù)字化測試試驗(yàn)等功能的新需求；衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)方面，對網(wǎng)絡(luò)可配置、網(wǎng)絡(luò)快速重構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)智能管理、網(wǎng)絡(luò)緊急組網(wǎng)等應(yīng)用的新需求。針對以上新需求，亟需借助信息化手段提升衛(wèi)星及相關(guān)系統(tǒng)智能應(yīng)用/服務(wù)的能力。近年，數(shù)字孿生(DigitalTwin)引起全球工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和研究。作為一種實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型升級的有效手段，數(shù)字孿生與NewIT技術(shù)具有極高的融合度[12]。在產(chǎn)品設(shè)計、制造、運(yùn)維等階段以及全生命周期管理中得到廣泛的應(yīng)用與探索，同時在航空航天產(chǎn)品、航空總裝線、軍事復(fù)雜系統(tǒng)等方面均有相關(guān)研究與應(yīng)用，與上述衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展新需求不謀而合。因此，本文在總結(jié)分析衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢以及轉(zhuǎn)型需求后，以面向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程為研究分析對象，闡述了衛(wèi)星工程流程現(xiàn)狀特點(diǎn)，基于前期相關(guān)工作探索提出數(shù)字孿生衛(wèi)星的概念，將數(shù)字孿生與衛(wèi)星工程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵場景、關(guān)鍵對象緊密結(jié)合，從空間維度和時間維度對數(shù)字孿生衛(wèi)星的概念內(nèi)涵進(jìn)行闡述，并總結(jié)數(shù)字孿生衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)體系，然后從全生命周期視角對數(shù)字孿生衛(wèi)星的應(yīng)用進(jìn)行探討和設(shè)想，最后對已開展相關(guān)工作進(jìn)行介紹，以期為未來衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展及衛(wèi)星工程建設(shè)提供參考。2.衛(wèi)星工程以面向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程為例，衛(wèi)星工程包括衛(wèi)星總體設(shè)計、衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計、衛(wèi)星生產(chǎn)制造(含總裝、集成和測試)、衛(wèi)星發(fā)射入軌、衛(wèi)星在軌管控(在軌運(yùn)行、在軌維護(hù)、在軌更新、故障預(yù)測與健康管控等)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維(衛(wèi)星組網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、星座更新運(yùn)維等)等多個階段，是一項多學(xué)科、多技術(shù)、多系統(tǒng)協(xié)同工作的復(fù)雜系統(tǒng)工程，其全生命周期流程(不含衛(wèi)星發(fā)射入軌)如圖1所示。為深入了解衛(wèi)星工程，對衛(wèi)星總體設(shè)計、衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計、衛(wèi)星生產(chǎn)制造、衛(wèi)星在軌管控、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維五個階段以及衛(wèi)星系統(tǒng)工程管理的現(xiàn)狀特點(diǎn)和發(fā)展挑戰(zhàn)進(jìn)行具體分析。(1)衛(wèi)星總體設(shè)計衛(wèi)星總體設(shè)計是對衛(wèi)星軌道、星座、網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射任務(wù)等一系列總體事項進(jìn)行概念設(shè)計和論證的階段，需多學(xué)科、多專業(yè)、多系統(tǒng)間進(jìn)行不停的協(xié)同與權(quán)衡，是一個反復(fù)迭代與論證的過程。由于面向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的新一代低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座規(guī)模大、衛(wèi)星移動快、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r變等特點(diǎn)，對衛(wèi)星軌道、星座系統(tǒng)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與驗(yàn)證提出極高的要求與挑戰(zhàn)。目前，已有應(yīng)用MBSE在衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)建模[13]、星間通信鏈路建模[14]、微重力科學(xué)衛(wèi)星總體設(shè)計[15]等方面的探索研究，但在數(shù)據(jù)利用、系統(tǒng)協(xié)同、設(shè)計管理上仍很欠缺，需要對當(dāng)前總體設(shè)計協(xié)同、優(yōu)選、驗(yàn)證的方式進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而滿足衛(wèi)星總體設(shè)計上更快、更優(yōu)、更可靠的需求。(2)衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計是在總體設(shè)計提出的概念需求的基礎(chǔ)上，借助多學(xué)科理論知識將概念設(shè)計轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星具體的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、功能設(shè)計，需多系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計的同時，也會根據(jù)外部和內(nèi)部的反饋與要求進(jìn)行反復(fù)迭代。傳統(tǒng)的衛(wèi)星設(shè)計模式是基于文檔的設(shè)計模式，存在信息一致性差、描述模糊、溝通協(xié)調(diào)費(fèi)時費(fèi)力等問題；同時無法與模型和代碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)，造成仿真驗(yàn)證上也存在諸多困難。目前在衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計上已有如基于委托—代理模型的衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計流程管理[16]、基于多Agent協(xié)商的對地觀測衛(wèi)星協(xié)同設(shè)計優(yōu)化[17]、基于MBSE的立方體衛(wèi)星模型構(gòu)建與試驗(yàn)驗(yàn)證[18]等研究，需進(jìn)一步開展相關(guān)研究探索，推進(jìn)衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計的模型化、數(shù)據(jù)化、仿真化，使得衛(wèi)星設(shè)計能滿足更多的功能需求、實(shí)現(xiàn)更短的研制周期、響應(yīng)更快的型號迭代。(3)衛(wèi)星生產(chǎn)制造衛(wèi)星生產(chǎn)制造包括工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、部件生產(chǎn)、物料準(zhǔn)備和裝配、集成與測試(Assembly,IntegrationandTest,AIT)等過程，其中AIT是決定衛(wèi)星制造質(zhì)量與效率的最重要一步。衛(wèi)星AIT以多系統(tǒng)協(xié)同的手工作業(yè)為主，工藝流程繁雜[19]，裝備、工具、物料等管理復(fù)雜，由此導(dǎo)致工程繁復(fù)且時間隨機(jī)性強(qiáng)。目前，已開展了衛(wèi)星AIT數(shù)字化的相關(guān)工作，如基于數(shù)字孿生的總裝線管控架構(gòu)研究[20]、基于三維模型的衛(wèi)星裝配工藝設(shè)計與應(yīng)用[21]、數(shù)字孿生驅(qū)動的工裝設(shè)備仿真與控制[22]等，但距離實(shí)現(xiàn)全要素全流程的數(shù)字化管控仍有很大差距。此外，目前衛(wèi)星總裝仍以單星單工位或單星單線的模式為主，而未來需能夠適應(yīng)型號科研生產(chǎn)、多型號混合生產(chǎn)、大批量快速生產(chǎn)等多種情況，這對衛(wèi)星總裝的數(shù)字化、柔性化、智能化、批量化都提出了更高的要求。在探索衛(wèi)星新生產(chǎn)模式的同時，針對生產(chǎn)要素、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)過程中管理、控制、調(diào)度與協(xié)同等問題，迫切需要借助信息物理融合手段解決以上問題，有效提高衛(wèi)星制造效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。(4)衛(wèi)星在軌管控衛(wèi)星在軌管控是衛(wèi)星入軌后進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行及服務(wù)應(yīng)用的實(shí)際使用階段，包括在軌運(yùn)行、在軌維護(hù)、在軌更新、故障預(yù)測與健康管控等過程。傳統(tǒng)衛(wèi)星軟硬件耦合性強(qiáng)，在軌運(yùn)行存在系統(tǒng)重構(gòu)難、軟件更新難、應(yīng)用維護(hù)難等問題，影響了衛(wèi)星可配置和靈活應(yīng)用的能力，尤其在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星鏈路及路由時變、通信業(yè)務(wù)隨機(jī)性強(qiáng)，對衛(wèi)星靈活的在軌配置和業(yè)務(wù)處理能力提出了更高的要求。當(dāng)前針對衛(wèi)星在軌管控，借助軟件定義衛(wèi)星[23]等相關(guān)技術(shù)，采用開放系統(tǒng)架構(gòu)，已在有效載荷即插即用、應(yīng)用軟件按需加載、系統(tǒng)功能按需重構(gòu)等方面有一定探索與應(yīng)用。但衛(wèi)星的在軌管控不僅需要衛(wèi)星具有重構(gòu)更新的能力，更需要衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全面的信息化、數(shù)字化、智能化，對在軌衛(wèi)星產(chǎn)品實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行真實(shí)而細(xì)致的反映，從而支持在軌智能自治和遠(yuǎn)程有效管控。同時，開展衛(wèi)星的故障預(yù)測與健康管理(PrognosticsHealthManagement,PHM)[24]，對衛(wèi)星的運(yùn)維管控乃至衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)維也都有著重要意義。(5)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維主要針對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等衛(wèi)星組網(wǎng)的星座系統(tǒng)，包括衛(wèi)星組網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、衛(wèi)星星座更新與維護(hù)等過程。與地面互聯(lián)網(wǎng)相比，基于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在軌、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r變、鏈路無線開放、空間環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，由此對整個網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性、可靠性、穩(wěn)定性、安全性都提出了巨大的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的管理與運(yùn)維相對于地面互聯(lián)網(wǎng)將更加復(fù)雜且困難?，F(xiàn)已有如軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SoftwareDefinedNetwork,SDN)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化(NetworkVirtulization,NV)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NetworkFunctionsVirtualization,NFV)等研究[25]，通過對網(wǎng)絡(luò)不同層級實(shí)現(xiàn)虛擬化，一定程度上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)硬件與軟件的解耦，便于對網(wǎng)絡(luò)的流量、路由、協(xié)議、傳輸策略等進(jìn)行控制、配置、更新及優(yōu)化[26]，但對動態(tài)復(fù)雜衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，需對其物理節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shí)時流量等狀態(tài)進(jìn)行建模映射，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)狀況的全面監(jiān)控，從而支持網(wǎng)絡(luò)的行為預(yù)測與智能管控。同時，節(jié)點(diǎn)失效、鏈路失效、路由失效等問題對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域覆蓋能力、網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性都會造成十分嚴(yán)重的影響，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)高效智能運(yùn)維至關(guān)重要。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維既包括對衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的健康監(jiān)控與壽命預(yù)測，也包括對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的實(shí)時分析和故障預(yù)測，進(jìn)而才能保障衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的健壯性和可靠性。(6)衛(wèi)星系統(tǒng)工程管理衛(wèi)星系統(tǒng)工程管理既包含對上述各階段具體過程進(jìn)程、技術(shù)狀態(tài)、質(zhì)量可靠性等管理，也包括對總體方案、各階段信息溝通、協(xié)同合作等管理。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等項目的系統(tǒng)工程規(guī)模更大、跨度更大、成本更大，其系統(tǒng)工程管理將更加復(fù)雜困難。目前在結(jié)合數(shù)字孿生與MBSE用于系統(tǒng)工程各階段[27]、基于數(shù)字孿生與MBSE的太空項目各階段設(shè)計與驗(yàn)證[28]、借助太空系統(tǒng)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)工程全生命周期管理[29]等方面已有相關(guān)研究與探討，如何進(jìn)一步研究數(shù)字孿生、MBSE等技術(shù)在衛(wèi)星系統(tǒng)工程各階段及總體管理上的應(yīng)用，對于提高系統(tǒng)工程管理能力十分必要?？偨Y(jié)上述發(fā)展現(xiàn)狀特點(diǎn)，衛(wèi)星工程在設(shè)計、制造、運(yùn)維3方面的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：(1)設(shè)計上設(shè)計要素眾多，考慮因素眾多，基于文檔工程，人工系統(tǒng)協(xié)同，以物理驗(yàn)證為主，流程迭代繁復(fù)。(2)制造上手工裝配為主，協(xié)同作業(yè)復(fù)雜，單星或小批量研制模式為主，快速批量化生產(chǎn)較弱。(3)運(yùn)維上測運(yùn)控多系統(tǒng)協(xié)同，大星座系統(tǒng)管控難，在軌衛(wèi)星重構(gòu)難、更新難、配置難、維護(hù)難。同時，在衛(wèi)星系統(tǒng)工程管理上，各部分間模型、數(shù)據(jù)、軟件、服務(wù)的壁壘依舊存在，而各專業(yè)合作、各階段協(xié)作、各系統(tǒng)協(xié)同的需求更強(qiáng)烈、要求更嚴(yán)格。其共同問題體現(xiàn)為：物理為主、信息為輔、人工為主、軟件為輔的衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)模式與需求更加多樣、工程更加復(fù)雜、應(yīng)用更加廣泛的衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀間的矛盾，借助數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化手段發(fā)展創(chuàng)新模式、改進(jìn)傳統(tǒng)方式、突破相關(guān)技術(shù)，是衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的必然要求。3.數(shù)字孿生衛(wèi)星3.1

數(shù)字孿生及航空航天應(yīng)用數(shù)字孿生以數(shù)字化的方式建立物理實(shí)體的多維、多時空尺度、多學(xué)科、多物理量的動態(tài)虛擬模型，并借助實(shí)時數(shù)據(jù)再現(xiàn)物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等[30]。作為一種在信息世界刻畫物理世界、仿真物理世界、優(yōu)化物理世界、增強(qiáng)物理世界的重要技術(shù)[31]，數(shù)字孿生是一種實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界交互與共融的有效方法[32]，也是一種深度融合NewIT技術(shù)的有效手段[33]，更是一種推進(jìn)全球工業(yè)和社會發(fā)展向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型的有效途徑[34]。

目前，數(shù)字孿生已引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，在產(chǎn)品全生命周期中[35]，從設(shè)計[36]、制造[37]到運(yùn)維[38-39]等方面均有大量的研究與應(yīng)用實(shí)踐探索。在領(lǐng)域應(yīng)用上，數(shù)字孿生廣泛應(yīng)用在航空航天、軍工、電力、醫(yī)療、汽車、火車、船舶、智慧城市等領(lǐng)域[40]，尤其在航空航天領(lǐng)域探索時間最久、應(yīng)用最深。“孿生”的概念最早出現(xiàn)于1969年美國的阿波羅項目中，美國國家航空航天局(NASA)通過制造兩個完全相同的航天器，形成“物理孿生”，兩者雖沒有直接的數(shù)據(jù)連接與信息交互，但借助留在地面的航天器一定程度上反映和預(yù)測在地外空間執(zhí)行任務(wù)的航天器的狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行任務(wù)訓(xùn)練、實(shí)體實(shí)驗(yàn)并輔助任務(wù)分析和決策[41]。之后，這種“物理孿生”或“物理伴飛”的方法雖仍在部分系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，但由于航天器的系統(tǒng)和任務(wù)的復(fù)雜性越來越高，且數(shù)量迅速增長，航天系統(tǒng)難以支撐大量并完整構(gòu)建物理孿生的成本，借助數(shù)字化手段仿真、分析、驗(yàn)證航天器的研究逐漸出現(xiàn)。隨著數(shù)字化相關(guān)技術(shù)的發(fā)展成熟，美國NASA于2010年提出將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于未來航天器的設(shè)計與優(yōu)化、伴飛監(jiān)測以及故障評估中[42]。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室于2011年提出在未來飛行器中利用數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、壽命預(yù)測與健康管理等功能[43]，自此引起了數(shù)字孿生在航空航天及其他領(lǐng)域中的廣泛關(guān)注，并在航空航天產(chǎn)品設(shè)計、制造裝配、運(yùn)維使用、系統(tǒng)整體管控等方面形成了大量研究應(yīng)用，部分工作簡要介紹如下。(1)在產(chǎn)品設(shè)計上法國達(dá)索公司借助基于數(shù)字孿生的3D體驗(yàn)平臺，利用用戶在虛擬空間進(jìn)行產(chǎn)品體驗(yàn)并反饋的信息不斷改進(jìn)修正產(chǎn)品設(shè)計模型，進(jìn)而對物理實(shí)體產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)提升[44]；中國北京世冠金洋科技發(fā)展有限公司研發(fā)航天飛行器數(shù)字孿生技術(shù)及仿真平臺，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星各子系統(tǒng)仿真模型的集成及數(shù)字衛(wèi)星的組裝構(gòu)建與仿真評估[45]；中國精航偉泰測控儀器有限公司正致力于衛(wèi)星數(shù)字孿生設(shè)計技術(shù)的開發(fā)研究，以期提升衛(wèi)星設(shè)計研制效率[46]。(2)在制造裝配上洛克希德·馬丁公司借助數(shù)字主線(DigitalThread)與數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)對F-35生產(chǎn)全流程中的數(shù)據(jù)與模型的充分利用，進(jìn)而顯著提高F-35的生產(chǎn)效率[47]；美國諾格公司借助數(shù)字孿生支撐F-35生產(chǎn)質(zhì)量管控，并有效改進(jìn)了工藝流程，縮短了決策時間[48]；法國空客集團(tuán)在A350XWB總裝線上應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)總裝過程的數(shù)字化監(jiān)控與自動化管控[49]。(3)在運(yùn)維使用上美國NASA和美國空軍實(shí)驗(yàn)室合作構(gòu)建F-15的數(shù)字孿生，并借助飛機(jī)全生命周期數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)測與健康管理，有效提高維護(hù)預(yù)警的準(zhǔn)確度和維修計劃的可靠性[50]；美國通用公司借助數(shù)字孿生，結(jié)合傳統(tǒng)故障分析方法，對飛行器的疲勞裂紋等故障進(jìn)行分析并實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的預(yù)測[51]。(4)在系統(tǒng)整體管控上王建軍等提出基于數(shù)字孿生的航天器系統(tǒng)工程，對航天器系統(tǒng)工程模型、應(yīng)用框架及技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行了研究[52]；北航數(shù)字孿生研究組劉蔚然等于2019年在文獻(xiàn)[53]中基于數(shù)字孿生五維模型提出數(shù)字孿生衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)想，通過構(gòu)建數(shù)字孿生衛(wèi)星(單元級)、數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(系統(tǒng)級)以及數(shù)字孿生空間信息網(wǎng)絡(luò)(復(fù)雜系統(tǒng)級)，形成統(tǒng)一管理平臺，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的全生命周期管控、時變衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化組網(wǎng)以及空間信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化等功能。由上可見，數(shù)字孿生與航空航天領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的聯(lián)系，數(shù)字孿生的提出、發(fā)展、應(yīng)用都與航空航天領(lǐng)域的具體需求和技術(shù)發(fā)展密不可分。同時，數(shù)字孿生在該領(lǐng)域中，既對產(chǎn)品、產(chǎn)線、整體系統(tǒng)等各類對象有著具體研究，又在設(shè)計、制造、運(yùn)維、管理等工程階段有著相關(guān)應(yīng)用，在空間維度和時間維度上的研究與應(yīng)用既廣且深。3.2

數(shù)字孿生衛(wèi)星概念通過對衛(wèi)星工程發(fā)展趨勢以及轉(zhuǎn)型新需求的分析，以及對數(shù)字孿生與衛(wèi)星工程現(xiàn)狀特點(diǎn)和發(fā)展挑戰(zhàn)的總結(jié)，結(jié)合數(shù)字孿生概念及相關(guān)理論，基于前期相關(guān)研究并深入拓展，本文探討提出數(shù)字孿生衛(wèi)星的概念。

數(shù)字孿生衛(wèi)星是將數(shù)字孿生技術(shù)與衛(wèi)星工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵場景、關(guān)鍵對象緊密結(jié)合，基于模型與數(shù)據(jù)對物理空間的衛(wèi)星工程進(jìn)行實(shí)時的模擬、監(jiān)控、反映，并借助算法、管理方法、專家知識、軟件等對衛(wèi)星工程進(jìn)行分析、評估、預(yù)測、管理、優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)功能既包含空間維度上對各場景及對象的服務(wù)應(yīng)用，又實(shí)現(xiàn)時間維度上的系統(tǒng)工程管理。以低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，數(shù)字孿生衛(wèi)星概念內(nèi)涵如圖2所示。從空間維度上，通過構(gòu)建與衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證平臺、衛(wèi)星總裝車間、衛(wèi)星產(chǎn)品、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等對象或場景實(shí)時映射的數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)更快的仿真、監(jiān)控、評估、預(yù)測、優(yōu)化和控制[12]等功能服務(wù)，從時間維度上，形成貫穿衛(wèi)星工程全生命周期的模型線程(ModelThread)、數(shù)據(jù)線程(DataThread)、服務(wù)線程(ServiceThread)，對各階段模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)進(jìn)行定義、轉(zhuǎn)換、調(diào)用和關(guān)聯(lián)，同時實(shí)現(xiàn)對總體設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、生產(chǎn)制造、在軌管控、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維等環(huán)節(jié)真實(shí)同步，進(jìn)而輔助衛(wèi)星工程各階段管控與協(xié)同。時間維度中的模型線程、數(shù)據(jù)線程、服務(wù)線程支撐著空間維度中各數(shù)字孿生的構(gòu)建與更新，同時基于空間維度中各數(shù)字孿生的輔助實(shí)現(xiàn)對時間維度中衛(wèi)星工程的管理與控制。數(shù)字孿生衛(wèi)星通過推動實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星工程中復(fù)雜系統(tǒng)及復(fù)雜過程的信息物理融合，以期解決工程各階段與總體管理難、各系統(tǒng)與部門協(xié)作難、模型與數(shù)據(jù)利用效果差、產(chǎn)品和系統(tǒng)使用效率低等問題，提升衛(wèi)星工程的基本能力與管理水平。數(shù)字孿生衛(wèi)星的提出，能滿足上述衛(wèi)星發(fā)展新需求與工程挑戰(zhàn)：(1)數(shù)字孿生是一種綜合性技術(shù)手段，既有對物理對象的數(shù)字化表達(dá)，也有物理與虛擬的接口實(shí)現(xiàn)交互連接，還有對數(shù)據(jù)的集成、融合、分析、挖掘，更有對模型、數(shù)據(jù)、功能等的服務(wù)化封裝與應(yīng)用，將數(shù)字孿生與衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的結(jié)合將有效促進(jìn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型升級。(2)數(shù)字孿生五維模型[53]能很好地與NewIT技術(shù)集成與融合[12]，在接口、組成、功能上與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等都有很好的對接，能滿足衛(wèi)星與NewIT技術(shù)融合發(fā)展的需求。(3)將數(shù)字孿生應(yīng)用于衛(wèi)星工程各階段，基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、模型、服務(wù)格式與接口，形成貫穿衛(wèi)星工程全生命周期的模型線程、數(shù)據(jù)線程、服務(wù)線程，有效實(shí)現(xiàn)不同階段的交互與融合，進(jìn)而推進(jìn)系統(tǒng)工程全生命周期的協(xié)同管理。(4)通過建立關(guān)鍵對象或場景的數(shù)字孿生，包括衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證平臺、衛(wèi)星總裝車間、衛(wèi)星產(chǎn)品、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等，借助數(shù)字孿生的服務(wù)化手段將有效提升衛(wèi)星及相關(guān)系統(tǒng)的智能應(yīng)用/服務(wù)水平。為進(jìn)一步理解數(shù)字孿生衛(wèi)星的概念，以便應(yīng)用到衛(wèi)星工程各階段，下文將從空間維度和時間維度兩個層面對數(shù)字孿生衛(wèi)星概念內(nèi)涵做更進(jìn)一步地闡釋。3.2.1空間維度的數(shù)字孿生衛(wèi)星從空間維度上，將數(shù)字孿生與衛(wèi)星工程中的關(guān)鍵對象與關(guān)鍵場景結(jié)合。以低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，數(shù)字孿生衛(wèi)星關(guān)鍵對象/場景主要包括數(shù)字孿生衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)、數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間、數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品、數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示[53]。數(shù)字孿生衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)、數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間、數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品、數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)既實(shí)現(xiàn)對其物理對象/場景的實(shí)時映射，各自實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的仿真驗(yàn)證、迭代優(yōu)化、管理控制等功能，也通過彼此間的協(xié)作與交互，在不同階段實(shí)現(xiàn)相互支持、功能協(xié)同、系統(tǒng)融合，共同支撐著衛(wèi)星系統(tǒng)工程的實(shí)施與管理。基于數(shù)字孿生五維模型理論[53]，各數(shù)字孿生包含物理實(shí)體，虛擬實(shí)體，服務(wù)，孿生數(shù)據(jù)以及各組成部分間的連接這五個方面的部分或者全部，并依據(jù)具體場景和應(yīng)用按需構(gòu)建。同時，數(shù)字孿生存在著單元級、系統(tǒng)級、復(fù)雜系統(tǒng)級的組成劃分[53]，且同一對象在不同階段會有不同的組成特性。例如，當(dāng)對數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品進(jìn)行單獨(dú)的認(rèn)識與分析時，將其視為復(fù)雜系統(tǒng)級數(shù)字孿生，包含組件的數(shù)字孿生(單元級)以及由組件構(gòu)成的分系統(tǒng)的數(shù)字孿生(系統(tǒng)級)；而在構(gòu)建并分析數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時，數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品被視作組成單元，需要進(jìn)行簡化、歸納、壓縮形成單元級數(shù)字孿生，與其他單元共同構(gòu)成數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(復(fù)雜系統(tǒng)級)，輔助衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的分析與決策。下面對數(shù)字孿生衛(wèi)星的空間組成做進(jìn)一步闡述：(1)數(shù)字孿生衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)包括各系統(tǒng)功能模擬器、空間環(huán)境模擬平臺、試驗(yàn)衛(wèi)星等對物理對象，用于實(shí)現(xiàn)對設(shè)計的全數(shù)字、半物理及全物理的仿真驗(yàn)證。通過構(gòu)建衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的數(shù)字孿生，并將系統(tǒng)模型與設(shè)計模型、環(huán)境模型、任務(wù)方案等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，借助歷史數(shù)據(jù)或當(dāng)前在軌系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對設(shè)計的驗(yàn)證。數(shù)字孿生衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)對各試驗(yàn)器及平臺的控制的同時，也將各驗(yàn)證器及平臺在信息空間上連接起來，并進(jìn)行信息化集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對相關(guān)設(shè)計的全面性驗(yàn)證與系統(tǒng)性優(yōu)化。(2)數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間在衛(wèi)星生產(chǎn)過程中，通過構(gòu)建總裝設(shè)備、測試設(shè)備、物流設(shè)備等的數(shù)字孿生，并形成總裝單元、測試單元以及生產(chǎn)線的數(shù)字孿生，進(jìn)而與其他信息化系統(tǒng)共同構(gòu)成數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間。數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間基于對總裝車間“人—機(jī)—物—法—環(huán)”全要素、全流程、全業(yè)務(wù)的感知與互聯(lián)，結(jié)合設(shè)計方案及模型，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星總裝車間的數(shù)字化映射與智能化管控。數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間在實(shí)際衛(wèi)星生產(chǎn)過程中，具體實(shí)現(xiàn)工藝的規(guī)劃與仿真、物流的智能配給、總裝過程監(jiān)控與快速調(diào)度、全要素管理與配置、以及總裝過程中衛(wèi)星的系統(tǒng)功能虛擬集成與驗(yàn)證、全流程質(zhì)量分析追溯、整星虛擬測試等。(3)數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品衛(wèi)星出廠后，數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品與實(shí)際衛(wèi)星產(chǎn)品共同交付，借助數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品對入軌后的衛(wèi)星進(jìn)行映射。數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品將具備兩種虛擬模型：一種是多時空尺度下高保真的幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型等虛擬模型的集合，可以完整映射物理衛(wèi)星產(chǎn)品的實(shí)時功能與性能，用于輔助地面的衛(wèi)星管理與狀態(tài)分析；另一種是對上述模型簡化、歸納、壓縮后形成的虛擬模型，可以實(shí)現(xiàn)部分功能與性能的映射，同時運(yùn)算壓力更小，用于在軌伴飛并提供實(shí)時的運(yùn)算分析與智能決策能力。兩種虛擬模型不斷同步，共同反映物理衛(wèi)星產(chǎn)品的實(shí)時狀態(tài)，隨著未來衛(wèi)星在軌計算能力及云計算能力的提升，兩種模型的差異性將逐漸變小。數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品將結(jié)合衛(wèi)星全生命周期各類數(shù)據(jù)，推動實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星在軌狀態(tài)監(jiān)控與分析、姿態(tài)自控制及優(yōu)化、在軌任務(wù)智能決策、系統(tǒng)軟件重構(gòu)驗(yàn)證、故障預(yù)測與健康管控等功能。(4)數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在導(dǎo)航系統(tǒng)、低軌通信系統(tǒng)等衛(wèi)星系統(tǒng)中，需要對在軌衛(wèi)星星座進(jìn)行組網(wǎng)?；谛l(wèi)星星座中各衛(wèi)星的數(shù)字孿生，并結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的地面基站模型、星間鏈路模型、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ汀⒕W(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型、空間環(huán)境模型等以及在軌衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時數(shù)據(jù)，結(jié)合形成數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對空間中的衛(wèi)星星座系統(tǒng)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)行為的實(shí)時映射。數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜且龐大，其運(yùn)行實(shí)現(xiàn)需要借助測控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商等各系統(tǒng)的協(xié)同工作，同時需要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等NewIT技術(shù)共同推進(jìn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自管理、自運(yùn)行，提升衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的管控能力與效率。數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具體實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星座與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控與分析、網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)維與管控、網(wǎng)絡(luò)行為預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)管控與配置仿真、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計仿真驗(yàn)證等功能。軟件首先需要從焊膏印刷機(jī)中提取出其制造數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以一定的格式存放在服務(wù)器中。當(dāng)對焊膏印刷機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行離線分析時，軟件向服務(wù)器發(fā)送請求獲取制造數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)格式將焊膏印刷機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，同時將其以動態(tài)曲線的形式顯示給用戶。從時間維度上，將數(shù)字孿生與衛(wèi)星工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)結(jié)合。以低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程為例，數(shù)字孿生主要應(yīng)用于衛(wèi)星總體設(shè)計、衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計、衛(wèi)星生產(chǎn)制造、衛(wèi)星在軌管控和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維階段，數(shù)字孿生衛(wèi)星將上述各個環(huán)節(jié)彼此緊密聯(lián)系，打通各環(huán)節(jié)間的模型壁壘、數(shù)據(jù)壁壘、服務(wù)壁壘，進(jìn)而形成數(shù)字孿生衛(wèi)星的核心要素，即貫穿衛(wèi)星工程全生命周期的模型線程(ModelThread)、數(shù)據(jù)線程(DataThread)、服務(wù)線程(ServiceThread)，實(shí)現(xiàn)對各階段的模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化定義、高效轉(zhuǎn)換、安全調(diào)用和彼此關(guān)聯(lián)。同時，以數(shù)字孿生衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)、數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間、數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品、數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為主要對象，對工程的實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行映射并實(shí)現(xiàn)高效的優(yōu)化、驗(yàn)證、決策、運(yùn)維等應(yīng)用服務(wù)，輔助衛(wèi)星工程各階段及整體的實(shí)施和管理，以提升效率和效果。具體包括：①在衛(wèi)星總體設(shè)計和衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計階段，通過數(shù)據(jù)線程挖掘全生命周期數(shù)據(jù)以進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，并與MBSE等技術(shù)結(jié)合，借助模型線程的模型轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)線程的數(shù)據(jù)調(diào)用、服務(wù)線程的服務(wù)協(xié)作以及數(shù)字孿生衛(wèi)星驗(yàn)證系統(tǒng)，輔助衛(wèi)星總體與產(chǎn)品詳細(xì)的概念設(shè)計、設(shè)計協(xié)作以及試驗(yàn)驗(yàn)證，從而提升設(shè)計的質(zhì)量與效率；②在衛(wèi)星生產(chǎn)制造階段，基于數(shù)字孿生車間[30]等理論，將數(shù)字孿生與總裝車間、信息系統(tǒng)結(jié)合，同時借助模型線程和數(shù)據(jù)線程打通與設(shè)計環(huán)節(jié)的信息壁壘，建立衛(wèi)星設(shè)計—驗(yàn)證—總裝—集成—測試全流程的系統(tǒng)工程，并對實(shí)際生產(chǎn)制造進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控、管理、優(yōu)化、控制，以應(yīng)對衛(wèi)星制造的需求多樣化、快速批量化、智能柔性化趨勢；③在衛(wèi)星在軌管控和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維階段，基于模型線程、數(shù)據(jù)線程、服務(wù)線程，實(shí)現(xiàn)了物理衛(wèi)星與衛(wèi)星星座系統(tǒng)間模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)的轉(zhuǎn)換與調(diào)用，同時與物理衛(wèi)星及衛(wèi)星星座系統(tǒng)實(shí)時映射，并借助軟件定義技術(shù)、PHM技術(shù)等，增強(qiáng)信息空間反映、優(yōu)化、控制、管理物理衛(wèi)星及衛(wèi)星星座系統(tǒng)的能力。下面對數(shù)字孿生衛(wèi)星的模型線程(ModelThread)、數(shù)據(jù)線程(DataThread)、服務(wù)線程(ServiceThread)做進(jìn)一步介紹。(1)模型線程(ModelThread)模型線程是用于支持全生命周期內(nèi)數(shù)字孿生模型構(gòu)建與管理的體系框架，將不同階段的模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)、歸納、轉(zhuǎn)換、演化、協(xié)同、融合，實(shí)現(xiàn)對各階段模型的快速生成、高效利用和統(tǒng)一管理，進(jìn)而支持不同數(shù)字孿生間的交互與不同階段數(shù)字孿生的演化，如圖4所示。具體的：①衛(wèi)星總體設(shè)計階段，通過參考在軌衛(wèi)星及網(wǎng)絡(luò)模型，基于模型對軌道、星座、組網(wǎng)、構(gòu)型以及任務(wù)等進(jìn)行概念設(shè)計，形成相應(yīng)的概念模型，在實(shí)際數(shù)據(jù)的驅(qū)動下進(jìn)行總體方案驗(yàn)證并形成總體方案模型；②衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計階段，在總體方案模型的基礎(chǔ)上，同樣基于模型對衛(wèi)星產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、電路、載荷、通信等各模塊與分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并對分系統(tǒng)和整星進(jìn)行仿真驗(yàn)證形成衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計模型；③衛(wèi)星生產(chǎn)制造階段，基于衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計模型，結(jié)合總裝工藝設(shè)計模型和衛(wèi)星總裝車間模型，模型間基于實(shí)際總裝過程及數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交互，衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計模型演化為衛(wèi)星實(shí)作模型，并通過衛(wèi)星測試與模型驗(yàn)證實(shí)例化為衛(wèi)星產(chǎn)品模型，進(jìn)而構(gòu)成數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品；④衛(wèi)星在軌管控階段，衛(wèi)星產(chǎn)品模型形成兩種狀態(tài)，一種是模型簡化后的在軌分析模型，用于在軌分析決策，一種是完全還原在軌衛(wèi)星的復(fù)雜模型，用于地面分析管控，兩種模型同步并對在軌衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時映射，同時不斷地自我修正與演化；⑤衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維階段，在軌衛(wèi)星的模型進(jìn)行組合形成衛(wèi)星星座模型，并結(jié)合星間鏈路模型、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型、空間環(huán)境模型等共同組成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)而構(gòu)成數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，同時衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型可以為衛(wèi)星總體設(shè)計提供模型支持。(2)數(shù)據(jù)線程(DataThread)數(shù)據(jù)線程是支持?jǐn)?shù)字孿生衛(wèi)星全生命周期內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式定義、數(shù)據(jù)生成、分布式存儲、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)演化、數(shù)據(jù)融合等數(shù)據(jù)操作與管理的體系框架，實(shí)現(xiàn)對全生命周期數(shù)據(jù)的安全管理、便捷使用和充分利用，支撐各數(shù)字孿生全要素的實(shí)時感知和全流程/全業(yè)務(wù)的完全記錄，如圖5所示。具體的：①衛(wèi)星總體設(shè)計階段，結(jié)合在軌衛(wèi)星及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，概念設(shè)計過程會產(chǎn)生衛(wèi)星構(gòu)型、軌道、星座、組網(wǎng)、任務(wù)的相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初步確定；②衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計階段，基于總體設(shè)計對衛(wèi)星產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，形成相關(guān)的衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計數(shù)據(jù)集；③衛(wèi)星生產(chǎn)制造階段，融合工藝操作數(shù)據(jù)和衛(wèi)星車間的相關(guān)數(shù)據(jù)，形成衛(wèi)星總裝過程中的實(shí)作數(shù)據(jù)，隨后經(jīng)過衛(wèi)星測試，再次融合測試數(shù)據(jù)形成衛(wèi)星出廠數(shù)據(jù)，以支撐數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品的構(gòu)建；④衛(wèi)星在軌管控階段，首先會根據(jù)軌道設(shè)計數(shù)據(jù)等保證衛(wèi)星進(jìn)入正確軌道，隨后衛(wèi)星在在軌運(yùn)行過程中會產(chǎn)生分系統(tǒng)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)等實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時地面系統(tǒng)會產(chǎn)生衛(wèi)星實(shí)時軌道數(shù)據(jù)、地面控制數(shù)據(jù)、星地鏈路通信數(shù)據(jù)等實(shí)際測控數(shù)據(jù)，衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)不斷更新，完整記錄數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)并支持相關(guān)數(shù)據(jù)分析；⑤衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維階段，基于總體設(shè)計構(gòu)建衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)星座數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)測控數(shù)據(jù)等實(shí)時運(yùn)行與測控數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的記錄及分析，并為衛(wèi)星總體設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。(3)服務(wù)線程(ServiceThread)服務(wù)線程借助服務(wù)封裝、服務(wù)匹配、服務(wù)組合、服務(wù)協(xié)作等技術(shù)，通過各流程間和各流程內(nèi)的服務(wù)調(diào)用與協(xié)同，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生衛(wèi)星全流程服務(wù)的便捷易用性、跨階段可操作性、管理統(tǒng)一性和安全可靠性等，并形成各類彼此關(guān)聯(lián)協(xié)同的功能組件、應(yīng)用軟件、移動端App等，如圖6所示。具體的：①衛(wèi)星總體設(shè)計階段，結(jié)合總體設(shè)計模型與數(shù)據(jù)，借助服務(wù)組合與協(xié)作實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計的需求分析優(yōu)化、設(shè)計仿真驗(yàn)證、系統(tǒng)設(shè)計管理等服務(wù)，并可以在具體設(shè)計中與詳細(xì)設(shè)計相關(guān)服務(wù)進(jìn)行協(xié)同；②衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計階段，根據(jù)衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計階段的模型與數(shù)據(jù)形成設(shè)計優(yōu)化迭代、協(xié)同設(shè)計管理、詳細(xì)設(shè)計驗(yàn)證等服務(wù)，同時與總體設(shè)計中的系統(tǒng)設(shè)計管理、設(shè)計仿真驗(yàn)證等服務(wù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，保證詳細(xì)設(shè)計與總體設(shè)計的協(xié)同性一致性；③衛(wèi)星生產(chǎn)制造階段，主要集中在衛(wèi)星AIT過程，通過衛(wèi)星產(chǎn)品與衛(wèi)星總裝車間的數(shù)字孿生提供總裝過程智能管控、總裝要素精準(zhǔn)管理、衛(wèi)星質(zhì)量管理追溯、衛(wèi)星高效測試試驗(yàn)等服務(wù)，同時在總裝過程中出現(xiàn)問題可通過服務(wù)化手段與總體設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計進(jìn)行交互反饋；④衛(wèi)星在軌管控階段，針對衛(wèi)星在軌管控運(yùn)維需求，實(shí)現(xiàn)在軌狀態(tài)監(jiān)測、在軌任務(wù)分析決策、衛(wèi)星重構(gòu)與更新、衛(wèi)星PHM等服務(wù)；⑤衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維階段，對由衛(wèi)星構(gòu)成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管控、網(wǎng)絡(luò)行為預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計仿真等服務(wù)，并與衛(wèi)星在軌管控的在軌分析決策、在軌狀態(tài)監(jiān)測、衛(wèi)星重構(gòu)與更新等服務(wù)進(jìn)行協(xié)作。數(shù)字孿生衛(wèi)星借助多時空尺度、多維、自更新的虛擬模型表達(dá)衛(wèi)星及相關(guān)系統(tǒng)的實(shí)時功能與性能，通過對各階段產(chǎn)生的孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲、分析、關(guān)聯(lián)、更新、迭代反映衛(wèi)星及相關(guān)系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)，在模型和數(shù)據(jù)的共同驅(qū)動下對衛(wèi)星各個周期過程進(jìn)行優(yōu)化、控制、決策、管理，并形成全覆蓋的智能服務(wù)系統(tǒng)，為各專業(yè)、各階段、各系統(tǒng)的從業(yè)人員與用戶提供更加便捷、易用、可靠、穩(wěn)定的服務(wù)。數(shù)字孿生衛(wèi)星伴隨著衛(wèi)星工程的全生命周期不斷迭代演化，對實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型升級、與NewIT技術(shù)融合發(fā)展、系統(tǒng)工程協(xié)同管理、衛(wèi)星及相關(guān)系統(tǒng)的智能應(yīng)用/服務(wù)具有巨大的潛在推動作用。4.數(shù)字孿生衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)數(shù)字孿生衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)如圖7所示。衛(wèi)星工程技術(shù)體系復(fù)雜且龐大，本文主要覆蓋與數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建和運(yùn)行直接相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，分為4大類：①數(shù)字孿生通用技術(shù)，②設(shè)計與驗(yàn)證技術(shù)，③智能AIT技術(shù)，④在軌衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)管控技術(shù)。

3.2.2時間維度的數(shù)字孿生衛(wèi)星(2)設(shè)計與驗(yàn)證技術(shù)設(shè)計與驗(yàn)證技術(shù)主要是在衛(wèi)星總體設(shè)計和衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計階段，用于與數(shù)字孿生集成融合并輔助相關(guān)設(shè)計與驗(yàn)證。包括：①可行性分析驗(yàn)證技術(shù)；②設(shè)計協(xié)同與管理技術(shù)；③多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)；④多系統(tǒng)協(xié)同仿真技術(shù)；⑤空間環(huán)境仿真技術(shù)；⑥衛(wèi)星系統(tǒng)功能仿真技術(shù)；⑦衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信仿真技術(shù)；⑧可行性分析驗(yàn)證技術(shù)等。

(3)智能AIT技術(shù)智能AIT技術(shù)主要是在衛(wèi)星生產(chǎn)制造AIT階段，用于支撐該階段數(shù)字孿生功能的實(shí)現(xiàn)。包括：①脈動式總裝生產(chǎn)線技術(shù)；②總裝車間智能物聯(lián)技術(shù)；③總裝精確信息化管理技術(shù)；④總裝實(shí)時仿真技術(shù)；⑤工藝快速設(shè)計及仿真技術(shù)；⑥虛擬測量與測試技術(shù)；⑦數(shù)字化工藝裝備管控技術(shù)；⑧智能精準(zhǔn)物流配送技術(shù)等。(4)在軌衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)管控技術(shù)在軌管控與服務(wù)技術(shù)主要是在衛(wèi)星在軌管控和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維階段，用于支撐數(shù)字孿生功能實(shí)現(xiàn)和與數(shù)字孿生集成融合。包括：①軟件定義衛(wèi)星技術(shù)；②通用化操作系統(tǒng)技術(shù)；③衛(wèi)星在軌健康管控技術(shù)；④衛(wèi)星在軌維修裝配技術(shù)；⑤軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；⑥衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可靠性與維護(hù)技術(shù)；⑦衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)信息安全技術(shù)；⑧衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維管理技術(shù)等。5.全生命周期視角的數(shù)字孿生衛(wèi)星應(yīng)用設(shè)想本章基于數(shù)字孿生衛(wèi)星概念，以面向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程為對象，對數(shù)字孿生衛(wèi)星總體設(shè)計、數(shù)字孿生衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計、數(shù)字孿生衛(wèi)星智能制造、數(shù)字孿生衛(wèi)星在軌服務(wù)與健康管控、數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理5類應(yīng)用進(jìn)行探討。5.1

數(shù)字孿生衛(wèi)星總體設(shè)計數(shù)字孿生衛(wèi)星總體設(shè)計可實(shí)現(xiàn)更加高效、可靠、智能的需求分析優(yōu)化、協(xié)同設(shè)計管理、系統(tǒng)仿真驗(yàn)證等應(yīng)用，如圖8所示。①需求分析優(yōu)化，借助模型線程和數(shù)據(jù)線程，充分利用已有的數(shù)字孿生衛(wèi)星星座或數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品的模型與數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際使用不斷迭代并從中發(fā)掘總體設(shè)計中的設(shè)計缺陷、漏洞、更優(yōu)方案，并對虛擬模型進(jìn)行修正、優(yōu)化、改進(jìn)以形成總體設(shè)計概念方案模型；②系統(tǒng)設(shè)計管理，借助數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)以模型為核心、以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的總體協(xié)同設(shè)計，通過模型線程形成的標(biāo)準(zhǔn)化模型與數(shù)據(jù)線程形成的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計定義、交流、協(xié)作，不同系統(tǒng)間的設(shè)計協(xié)同、設(shè)計約束、設(shè)計優(yōu)化將以對模型的定義、管理、優(yōu)化和約束來實(shí)現(xiàn)，同時已有的數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品和數(shù)字孿生衛(wèi)星星座將提供高擬真模型與精準(zhǔn)可靠數(shù)據(jù)的支持。③設(shè)計仿真驗(yàn)證，以模型和數(shù)據(jù)為驅(qū)動的總體設(shè)計將更易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，通過對數(shù)字孿生衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)、設(shè)計模型和反映全生命周期的孿生數(shù)據(jù)等進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對各種空間環(huán)境中的任務(wù)設(shè)計、軌道設(shè)計、星座設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等進(jìn)行快速仿真驗(yàn)證，大大提升總體設(shè)計的效率與可靠性。

5.2

數(shù)字孿生衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計數(shù)字孿生衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計如圖9所示，包括設(shè)計優(yōu)化與迭代、協(xié)同設(shè)計管理、衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計驗(yàn)證等潛在應(yīng)用。①設(shè)計優(yōu)化迭代，借助數(shù)據(jù)線程實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星工程全生命周期數(shù)據(jù)的充分利用，借助數(shù)據(jù)挖掘等實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計中型號結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、系統(tǒng)功能的升級、部件組件的改進(jìn)等，同時借助數(shù)字孿生衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行快速準(zhǔn)確驗(yàn)證，減少迭代次數(shù)；②協(xié)同設(shè)計管理，與數(shù)字孿生衛(wèi)星總體設(shè)計類似，以模型線程形成的標(biāo)準(zhǔn)化模型作為衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計的核心，借助模型更新、模型迭代、模型版本管理實(shí)現(xiàn)各階段各分系統(tǒng)的設(shè)計流程管理，借助模塊化模型、模型交互、模型組合、模型協(xié)同實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)的設(shè)計協(xié)同管理。同時通過模型線程，設(shè)計模型將對衛(wèi)星制造過程進(jìn)行指導(dǎo)，制造過程也會對設(shè)計模型進(jìn)行反饋修正，最終通過模型校核、驗(yàn)證與確認(rèn)，將設(shè)計模型實(shí)例化為數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品的虛擬模型；③詳細(xì)設(shè)計驗(yàn)證，借助數(shù)字孿生衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)線程中的空間環(huán)境數(shù)據(jù)、物理衛(wèi)星在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)、虛擬衛(wèi)星在軌分析數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，基于衛(wèi)星設(shè)計模型實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計的精確仿真分析，對衛(wèi)星的功能、性能以及在軌任務(wù)執(zhí)行進(jìn)行有效驗(yàn)證。

5.3

數(shù)字孿生衛(wèi)星智能制造數(shù)字孿生衛(wèi)星智能制造如圖10所示，針對衛(wèi)星AIT流程可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星總裝過程智能管控、總裝要素精準(zhǔn)管理、衛(wèi)星質(zhì)量管理與追溯、衛(wèi)星高效測試與試驗(yàn)等應(yīng)用。①總裝過程智能管控，通過對衛(wèi)星總裝車間人、機(jī)、物、環(huán)境的全面感知和安全集成，實(shí)現(xiàn)物理車間與虛擬車間的同步映射，進(jìn)而對衛(wèi)星總裝車間全要素、全流程、全業(yè)務(wù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和完全記錄，輔助人員實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場精確控制、快速調(diào)度、智能決策，并基于數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間進(jìn)行仿真預(yù)測，實(shí)現(xiàn)故障問題的預(yù)測預(yù)警和事前處理；②總裝要素精準(zhǔn)管理，結(jié)合人、機(jī)、物、環(huán)境各要素的感知集成數(shù)據(jù)及其虛擬模型實(shí)現(xiàn)總裝各要素的管理、控制、協(xié)同，并借助服務(wù)線程實(shí)現(xiàn)對總裝設(shè)備、測試設(shè)備、物流設(shè)備等的故障預(yù)測與健康管理；③衛(wèi)星質(zhì)量管理與追溯，通過對總裝過程工藝操作的完全記錄，結(jié)合數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間與數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品的交互協(xié)同與仿真分析，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時管理和質(zhì)量完全可追溯，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星質(zhì)量問題的快速診斷定位和分析預(yù)測，并可以在設(shè)計存在缺陷等情況下借助服務(wù)線程對總體設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計進(jìn)行反饋；④衛(wèi)星高效測試與試驗(yàn)，基于伴隨總裝過程不斷演化的數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品模型與數(shù)據(jù)，結(jié)合各類虛擬環(huán)境開展電測、檢漏、熱試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)等虛擬測試與試驗(yàn)，對物理測試試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，并提高關(guān)鍵試驗(yàn)效率。5.4

數(shù)字孿生衛(wèi)星在軌服務(wù)與健康管理數(shù)字孿生衛(wèi)星在軌服務(wù)與健康管理包括對在軌衛(wèi)星的任務(wù)分析決策、在軌狀態(tài)監(jiān)測、衛(wèi)星系統(tǒng)重構(gòu)與軟件更新、衛(wèi)星故障預(yù)測與健康管理等潛在應(yīng)用，如圖11所示。①任務(wù)分析決策，針對姿態(tài)調(diào)整、實(shí)時通信、載荷工作等衛(wèi)星在軌任務(wù)，借助伴飛數(shù)字孿生衛(wèi)星產(chǎn)品對任務(wù)需求實(shí)現(xiàn)虛擬仿真分析與驗(yàn)證，并生成任務(wù)策略、控制指令、配置參數(shù)等發(fā)送給物理衛(wèi)星，保證任務(wù)執(zhí)行的有效性和可靠性；②在軌狀態(tài)監(jiān)測，通過對物理衛(wèi)星實(shí)時狀態(tài)各類數(shù)據(jù)的采集與分析，實(shí)現(xiàn)物理衛(wèi)星與虛擬衛(wèi)星實(shí)時映射，并對在軌衛(wèi)星進(jìn)行全面狀態(tài)感知與可視化狀態(tài)監(jiān)測，輔助相關(guān)分析與決策制定；③衛(wèi)星系統(tǒng)重構(gòu)與軟件更新，針對軟件定義衛(wèi)星中系統(tǒng)重構(gòu)與軟件更新的需求，借助與物理衛(wèi)星完全映射的虛擬衛(wèi)星和孿生數(shù)據(jù)，對更新代碼進(jìn)行仿真驗(yàn)證與測試，驗(yàn)證測試合格后再對物理衛(wèi)星進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)與軟件更新，以保證更新代碼的有效性、準(zhǔn)確性和可靠性；④衛(wèi)星故障預(yù)測與健康管理，借助物理衛(wèi)星的實(shí)時采集數(shù)據(jù)和虛擬衛(wèi)星的同步映射仿真數(shù)據(jù)，以及同步更新的在軌伴飛簡化模型和地面管理復(fù)雜模型，實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動與數(shù)據(jù)驅(qū)動協(xié)同的衛(wèi)星故障預(yù)測與健康管理，對故障進(jìn)行預(yù)測與識別，以及對衛(wèi)星的健康壽命進(jìn)行分析與預(yù)測，形成故障處理或衛(wèi)星回收策略。5.5

數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管控、網(wǎng)絡(luò)行為預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計仿真等應(yīng)用，如圖12所示。①網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控，基于虛擬模型與衛(wèi)星測控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等實(shí)時信息，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)、星座、空間環(huán)境等物理狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)安全等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的可視化監(jiān)控；②網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管控，借助與物理衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)時映射的虛擬衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行分析，并結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)行為、網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行定義、控制與配置，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)維與快速控制，有效推動衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)安全維護(hù)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)配置更新、衛(wèi)星緊急組網(wǎng)的等功能實(shí)現(xiàn)；③網(wǎng)絡(luò)行為預(yù)測，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)虛擬模型與網(wǎng)絡(luò)實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時仿真，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的未來行為的預(yù)測，并對網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行預(yù)測預(yù)警和應(yīng)急處理，以保障網(wǎng)絡(luò)的可靠穩(wěn)定；④網(wǎng)絡(luò)設(shè)計仿真，借助數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對衛(wèi)星軌道設(shè)計、衛(wèi)星星座設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計、網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計進(jìn)行仿真驗(yàn)證，實(shí)時更新的模型與數(shù)據(jù)保證了仿真的真實(shí)性與可靠性，既可以滿足對設(shè)計方案的可行性驗(yàn)證，也可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)計方案和再設(shè)計方案的優(yōu)化。

6.相關(guān)實(shí)踐工作6.1

數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間研究及實(shí)踐針對批量化衛(wèi)星總裝型號任務(wù)特點(diǎn)，為解決總裝過程中信息物理融合問題，即物理融合(工裝設(shè)備交互協(xié)作)、模型融合(車間要素模型運(yùn)行與交互)、數(shù)據(jù)融合(物理數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)融合及管理)、服務(wù)融合(車間管控服務(wù)調(diào)用與集成)，團(tuán)隊基于數(shù)字孿生車間與數(shù)字孿生衛(wèi)星的概念理論，分別在數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、車間集成管控系統(tǒng)搭建方面進(jìn)行了相關(guān)研究。

在數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間模型構(gòu)建上，對數(shù)字孿生衛(wèi)星總裝車間建模方法進(jìn)行研究，并以驗(yàn)證生產(chǎn)線為例構(gòu)建車間模型。首先，對車間生產(chǎn)線“人—機(jī)—料—法—環(huán)”等關(guān)鍵要素的數(shù)據(jù)屬性與結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對所有要素特別是采集要素的具體數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了構(gòu)建，研究了各要素數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)快速構(gòu)建方法與結(jié)構(gòu)化定義方法。同時，基于數(shù)據(jù)模型研究了數(shù)字孿生總裝車間虛擬模型構(gòu)建方法，對幾何模型、運(yùn)動模型、控制模型等進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)模型的協(xié)同與融合，研究了模型交互機(jī)制，最后結(jié)合數(shù)據(jù)模型和車間規(guī)則庫等共同構(gòu)建了車間級的數(shù)字孿生虛擬模型，如圖13所示。在數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，對衛(wèi)星總裝過程在線數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計研究并實(shí)現(xiàn)各要素數(shù)據(jù)的實(shí)時采集以及部分總裝設(shè)備的控制。針對衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)多源異構(gòu)且采集時機(jī)與頻率各