國外數(shù)字孿生衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展概述

來源：高端裝備產(chǎn)業(yè)研究中心作者：太陽谷

前言：衛(wèi)星行業(yè)處于航天創(chuàng)新的前沿，隨著越來越多的太空科技公司進(jìn)入衛(wèi)星市場(其中尤以商業(yè)近地軌道星座為主)，該行業(yè)正在經(jīng)歷快速的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。作為資本與技術(shù)密集型行業(yè)，其數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵正是數(shù)字孿生技術(shù)。

全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展

目前，全球太空業(yè)務(wù)不斷發(fā)展壯大，商業(yè)衛(wèi)星行業(yè)繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位。2022年6月29日，美國衛(wèi)星工業(yè)協(xié)會(SIA)發(fā)布第25份衛(wèi)星行業(yè)年度狀況報告，報告顯示2021年全球航天經(jīng)濟(jì)整體收入3860億美元，其中衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入2790億美元、占比72%，較2020年增長3%。該行業(yè)主要領(lǐng)域2021年收入概況如下：

衛(wèi)星制造業(yè)收入137億美元，相比2020年增長12%;

衛(wèi)星發(fā)射業(yè)收入57億美元,相比2020年增長8%;

衛(wèi)星服務(wù)業(yè)收入1180億美元,比上一年增長0.4%;

地面設(shè)備制造業(yè)收入1420億美元,比上一年增長5%。

2021年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入概況

數(shù)字孿生技術(shù)

隨著衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的不斷擴(kuò)張，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型正成為衛(wèi)星市場的發(fā)展熱潮，數(shù)字孿生技術(shù)已成為衛(wèi)星領(lǐng)域數(shù)字化戰(zhàn)略的關(guān)鍵。該技術(shù)重要性不在于數(shù)字孿生體的創(chuàng)建，而在于利用數(shù)字孿生體創(chuàng)造更多的價值。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以監(jiān)控物理實(shí)體的性能、優(yōu)化維護(hù)、提供生命周期數(shù)據(jù)以改進(jìn)設(shè)計等。

數(shù)字孿生概念

數(shù)字孿生技術(shù)需要將各種來源的信息和不同的接口相結(jié)合，在一個框架中集成不同子系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)。因此需要穩(wěn)定的傳感器和可靠的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來確保獲取所有相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)前云計算和人工智能極大程度上促進(jìn)了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，云計算有助于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，人工智能有助于進(jìn)行高級分析并提供預(yù)測能力。

數(shù)字孿生衛(wèi)星技術(shù)路線圖

2022年3月，英國劍橋大學(xué)的Veronica Martinez博士和Nicolai F.Huss在對航天公司和衛(wèi)星運(yùn)營商的首席信息官、董事、經(jīng)理、主管以及衛(wèi)星和數(shù)字孿生技術(shù)專家進(jìn)行了一年多的調(diào)查研究后，從5個層面制定了數(shù)字孿生衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展路線圖。

頂層為戰(zhàn)略層

該層展示了航空航天企業(yè)從傳統(tǒng)工程服務(wù)提供商向安全服務(wù)提供商、數(shù)字服務(wù)提供商的轉(zhuǎn)變。

戰(zhàn)略層

第二層為價值/市場層

該層從公司和市場的角度證明了實(shí)施數(shù)字孿生技術(shù)的必要性。從市場的角度總結(jié)了實(shí)施數(shù)字孿生技術(shù)的三個主要驅(qū)動力：

?數(shù)字化趨勢。受到空間私有化、衛(wèi)星小型化、基于空間數(shù)據(jù)的服務(wù)新型化3方面的推動，當(dāng)前的衛(wèi)星行業(yè)正在向數(shù)字化方向發(fā)展，亞馬遜、太空探索技術(shù)公司等均在利用新技術(shù)構(gòu)建和管理衛(wèi)星星座。

?空間擁擠加劇?？臻g擁堵問題已成為亟待解決的重要問題，一方面隨著太空垃圾的不斷增多，增加了航天器碰撞風(fēng)險，另一方面，越來越多的活動衛(wèi)星會導(dǎo)致信號干擾。數(shù)字孿生技術(shù)可以通過基于人工智能的碰撞和干擾預(yù)測模型來減少空間碎片，同時可以支持現(xiàn)有的跟蹤方法增強(qiáng)衛(wèi)星的防撞系統(tǒng)。

?行業(yè)增長。

價值/市場層

從公司的角度總結(jié)了實(shí)施數(shù)字孿生技術(shù)的好處：

?提高服務(wù)可用性。數(shù)字孿生技術(shù)可以在安全的環(huán)境中對整個衛(wèi)星應(yīng)用場景進(jìn)行建模，最大限度的提高衛(wèi)星的自我修復(fù)、防撞和應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)攻擊能力，并獲得更為準(zhǔn)確的壽命預(yù)測能力，從而提高衛(wèi)星的服務(wù)可用性。

?降低運(yùn)營成本。源于在安全的虛擬環(huán)境中進(jìn)行測試從而降低故障成本。

第三層為服務(wù)層

該層從三個不同階段展示了基于數(shù)字孿生技術(shù)的服務(wù)如何產(chǎn)生實(shí)際價值。

?在第一階段，單個衛(wèi)星的數(shù)字孿生體可以提供飛行動態(tài)顯示、故障診斷和預(yù)測等服務(wù)。此外，利用數(shù)字孿生體進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，可以在衛(wèi)星關(guān)鍵部件上進(jìn)行測試，如評估衛(wèi)星電池組退化情況等。

?在第二階段，通過整個衛(wèi)星群及其環(huán)境的數(shù)字孿生體提供連接、安全服務(wù)。由于對衛(wèi)星及環(huán)境進(jìn)行了建模，可以模擬碰撞的情況，因此使得評估威脅成為可能。此外，擁有整個星座的數(shù)字孿生體之后，可以有效的補(bǔ)償單個衛(wèi)星的故障。

?第三階段為多領(lǐng)域的整合，其特點(diǎn)是資源的有效分配，對終端用戶表現(xiàn)為無縫集成。

服務(wù)層

第四層為技術(shù)層

該層介紹了開發(fā)和部署數(shù)字孿生體的步驟。首先定義目標(biāo)實(shí)體并確定要建模的詳細(xì)程度，一旦定義了實(shí)體就必須對數(shù)字孿生平臺和軟件達(dá)成一致;然后通過建模語言來建立衛(wèi)星系統(tǒng)的模型;下一步通過數(shù)據(jù)集成在物理實(shí)體和虛擬模型之間建立連接，在這個階段通過實(shí)時遙測數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)映射策略來維護(hù)數(shù)據(jù)互操作性;接下來通過數(shù)據(jù)映射，將測量值與預(yù)測值進(jìn)行比較，并使用ID3等算法進(jìn)行故障警告;最后通過高級分析方法實(shí)現(xiàn)模式識別和行為預(yù)測。

技術(shù)層

第五層為風(fēng)險分析層

空間作為一個具有不同參數(shù)的獨(dú)特環(huán)境，太陽輻射、熱量、重力等因素都要考慮進(jìn)去，這就產(chǎn)生了成本效益權(quán)衡等問題。該層描述了實(shí)施數(shù)字孿生的重要風(fēng)險，以及如何降低風(fēng)險。

風(fēng)險分析層

國外典型數(shù)字孿生衛(wèi)星應(yīng)用

GPS數(shù)字孿生衛(wèi)星

2018年，美國空軍面對美國國會授權(quán)測試其GPS系統(tǒng)是否存在網(wǎng)絡(luò)漏洞，委托Booz Allen Hamilton公司創(chuàng)建了GPS Block ⅡR衛(wèi)星的數(shù)字孿生體，然后嘗試破解該系統(tǒng),測試對象包括衛(wèi)星、地面控制站以及星地鏈路。

該項(xiàng)目從基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)審查開始，提供了數(shù)千頁有關(guān)衛(wèi)星物理設(shè)計的文檔。Booz Allen Hamilton公司的四名工程師從2018年6月到2018年12月完成了軟件開發(fā)，僅用了6個月時間，軟件精簡程度可以滿足在筆記本電腦上運(yùn)行，以展示和驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)漏洞。通過該方式避免了對衛(wèi)星進(jìn)行破壞性測試。

Digital Space Twin軟件

2022年3月31日，美國Slingshot Aerospace公司發(fā)表聲明稱，該公司已獲得美國太空部隊(duì)(USSF)太空系統(tǒng)司令部(SSC)一份價值2500萬美元、為期39個月的合同。根據(jù)該合同，Slingshot Aerospace公司將繼續(xù)開發(fā)Digital Space Twin軟件，并部署Slingshot實(shí)驗(yàn)室教育和培訓(xùn)系統(tǒng)。美國太空部隊(duì)旨在利用Digital Space Twin軟件的進(jìn)行兵棋推演、任務(wù)規(guī)劃以及航天器和星座設(shè)計。

Digital Space Twin軟件

小結(jié)

50年前的阿波羅13任務(wù)通過復(fù)制機(jī)械物體開啟了“物理孿生1.0”;之后工程師利用虛擬建模仿真開啟了“數(shù)字孿生2.0”;隨著人工智能和云計算的發(fā)展，工程師們將AI層添加到數(shù)字孿生體中開啟了“數(shù)字孿生3.0”。目前各行業(yè)已經(jīng)對數(shù)字孿生技術(shù)開展了廣泛的探索和實(shí)踐，隨著數(shù)字孿生技術(shù)與衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，將推動衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

參考資料[1]Commercial Satellite Industry Growing as it Continues to Dominate Expanding Global Space Business–SIA Releases 25th Annual State of the Satellite Industry Report.[2]Digital twins:thought leadership in the satellite industry.[3]SIA Reports the Global Space Industry Grew 4% in 2021.[4]Slingshot Aerospace Announces Industry’s First Digital Space Twin;U.S. Space Force Space System Command's SpaceWERX Awards $25 Million Contract to Slingshot Aerospace.[5]US Space Force Will Use ‘Digital Twin’ to Model Collisions.[6]GPS satellite gets a digital twin to ensure cyber security.[7]Digital Twins Proliferate as Smart Way to Test Tech.

審核編輯 黃昊宇