浅析数字孪生与数字卫星发展史

2024-09-26
中国台湾
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引言：基于模型的系统工程是卫星工程设计研制的理论基础，构建数字卫星是总体设计单位的重要工作。

数字系统即针对一个特定物理系统所构建的数学模型，生存在数字环境中，与物理世界相对应的数字世界便是由数字系统和数字环境组成。在具体概念上，早在 1997 年，美国国防部首先提出了虚拟样机（Virtual Prototyping）的概念。作为建立在计算机上的原型系统，虚拟样机现已成为设计部门评估和交流设计的必要工具，在系统维和时间维上强调数字系统对物理系统的完整对映，但并未对数字世界和物理世界的交互程度进行定义。

5 年后，也就是 2003 年，Michael Grieves 博士在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上提出数字孪生（Digital Twin）的概念，并联合美国空军研究实验室将数字孪生定义为充分利用数学模型、传感器更新、运行历史等数据，集成了多学科、多物理量、多尺度、多概率，在数字世界中完成对物理系统完整映射，能刻画和反映真实物理系统全生命期的仿真过程。数字孪生不仅丰富了虚拟样机对数字模型的要求，还定义了数字世界和物理世界的交互融合特征。数字孪生后来被广泛接受，并认为是新一代工业革命的基石。

系统越复杂，按系统工程方法决策的价值越大。传统的基于文本的系统工程（Document-Based Systems Engineering，DBSE）适合定性分析，却没有充分利用数字系统的优势。对此，国际系统工程学会（International Council on Systems Engineering，INCOSE）于 2007 年提出了基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）概念，并于 2008 年进一步明解了 MBSE 对设计、分析、验证和确认等活动的支持。

美国

美国在虚拟样机、MBSE、数字孪生等研究方面起步较早。实际上，早在 1990 年之前，休斯公司和劳拉公司的动态模拟器就不仅作为卫星操作员的训练设备，而是便于同一卫星工程不同技术团队相互交流的工具。根据 1997 年的文献报道，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）开发了一套基于 Simulink 的全子系统仿真、有整星尺度的耦合的卫星模拟器（The Spacecraft Simulator，SPASIM），但天体尺度的环境模型部分较简化，没有体现出部件尺度的模型特点。同年，休斯公司的 H601 模拟器就已实现了姿控、电、热、推进、测控、载荷子系统的硬件在环仿真。

▲休斯公司和劳拉公司曾与中国长城工业公司在火箭商业发射服务中有过合作。

美国空军技术学院在 1999 年公开的 SIMSAT 卫星整星模拟器，能够支持姿控、供电、测控、通信、结构、推进子系统的仿真。2004 年文献报道的 FAST 系统，是一套编队飞行的卫星模拟器，考虑了姿轨耦合、整星尺度的半物理仿真。2005 年，NASA 提供了一套开源的航天任务分析软件 JAT，支持天体到卫星尺度的姿轨控动力学仿真。

商业方面，从 2010 年发表的文献看，SpaceX 为发射控制中心的操作员开发了一套航天器发射和在轨控制系统，后续又在公开网站上为航天爱好者提供了飞船与国际空间站对接模拟器（International Space Station Docking Simulator），但公开文献中无其内部航天器模拟软件的详情。从 SpaceX 公司的技术发展过程看，产品更注重大规模生产能力，对个性化卫星的定制要求不高，对代码自动生成功能的需求有限。

根据 2013 年的文献，NASA 已开发了 MBSE 架构，并在立方体卫星（Cube Satellite，CubeSat）、火情预警卫星（Fire Satellite，FireSat）的设计中得到应用。NASA 制订了卫星生命周期中模型使用及复用的基础架构 NIMA，支持软件模块复用、文档与报告的自动生成；2015 年发表的文献证实，该系统仿真粒度达到了部件级，可以在电信接口上和真实卫星保持一致。

从 2016 年的文献来看，以 NOS3（NASA Operational Simulator for Small Satellites）为代表的产品较好地继承了休斯和劳拉公司的技术传统，实现了对卫星全生命期的完整支持。

美国洛马、SpaceX、ANSYS、参数技术公司等均在数字孪生技术方面开展了大量的研究和探索工作，在设计、制造等方面取得巨大成效。截至目前，SpaceX 几乎代表着航天领域的美国先进水平，但鲜少有数字卫星相关的公开资料流出。

欧洲

欧洲航天局（European Space Agency，ESA）也积极地应用 MBSE 并取得一定成果。ESA 的 SIMULUS-M 率先实现了仿真代码的自动生成功能，产品透明度较高，可在官网上查到相关资料（见注释2）。

2000 年，荷兰航天机构研发了可配置仿真工具 EuroSim，通过硬件在环实时仿真，可在可行性、工程化、样机、转移测试以及操作培训的每个阶段都能发挥作用。

2002 年文献中，第一代伽利略系统仿真程序（Galileo System Simulation Facility，GSSF）实现了姿轨控与导航耦合，达到了系统级仿真。

2006 年的文献中，将 SIMSAT3.0 作为仿真内核，用 SMP2.0 标准建立起了更强大的伽利略系统的星座模拟器，包含多粒度的卫星模型、从简单功能模型到全子系统高保真模型 3 个级别。

2008 年的文献中，提出了一种基于 SMP2.0 标准的参考航天器模拟器架构，定义了全子系统部件级接口与耦合关系，应用 SIMULUS4.0 完成建模与测试，为 ESA 以后的模拟器开发提供参考。

2012 年文献中展示了性能指标工具（Performance Indicator Tool，PIT）及其提高基于 SIMULUS 的操作航天器模拟器的代码质量和性能方面的适用性过程。

2013 年德国航空中心开发 OS3 开源卫星模拟器，在姿轨控测控子系统模型方面具有较高精度，具备与真实卫星数据比对验证的能力，通过模块化结构提高系统的扩展性和复用性。

值得注意的是，2012 年巴西 CBERS3&4 卫星模拟器便采用 SMP2 标准以增强模型的可重用性；2016 年法国 MERLIN 任务的卫星训练操作与维护模拟器 TOMS 也支持 SMP2 标准。

国内

近年来，国内主要对 MBSE 在航天器研制和载人航天方面进行了探索，在大型复杂卫星和卫星总体设计方面也进行了相应研究。同时，国内积极探讨数字孪生系统的概念和应用问题，提出了数字孪生五维模型的概念，指出了数字孪生在卫星/空间通信网络等领域的落地应用探索与实施过程中所需突破的关键技术，讨论了建立数字孪生系统标准体系架构等问题。

尽管国内数字化卫星工程方面已有一定进展，但随着批量卫星快速研制生产、在轨运维等方面的新需求，亟需针对基于数字卫星的仿真系统进一步研究。特别是当前使用的基于仿真监控台和全数字仿真系统框架开发的数字卫星仅支持单星仿真，无法满足星座协同仿真需求，且数字卫星内部各模块软件耦合性高、模块间采用传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）进行数据交互，导致数字卫星仿真加速比不高、外部软件与数字卫星无法直接交互。

天目全数字实时仿真软件 SkyEye，是一款国产自主的基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，满足数字卫星仿真“低耦合、高兼容”的原则，能够为卫星嵌入式软件提供虚拟化运行环境，开发、测试人员可在该虚拟运行环境上进行软件开发、软件测试和软件验证活动。

目前，SkyEye 已实现基于 AT697、龙芯等嵌入式处理器的卫星载荷系统的全数字仿真，支持代码在虚拟仿真平台上运行，同时支持代码质量分析等测试任务。