国外数字孪生卫星技术发展概述

前言：卫星行业处于航天创新的前沿，随着越来越多的太空科技公司进入卫星市场(其中尤以商业近地轨道星座为主)，该行业正在经历快速的数字化转型。作为资本与技术密集型行业，其数字化转型的关键正是数字孪生技术。

 

全球卫星产业发展
目前，全球太空业务不断发展壮大，商业卫星行业继续占据主导地位。2022年6月29日，美国卫星工业协会(SIA)发布第25份卫星行业年度状况报告，报告显示2021年全球航天经济整体收入3860亿美元，其中卫星产业收入2790亿美元、占比72%，较2020年增长3%。该行业主要领域2021年收入概况如下：

卫星制造业收入137亿美元，相比2020年增长12%;

卫星发射业收入57亿美元,相比2020年增长8%;

卫星服务业收入1180亿美元,比上一年增长0.4%;

地面设备制造业收入1420亿美元,比上一年增长5%。

2021年全球卫星产业收入概况
数字孪生技术
随着卫星产业的不断扩张，数字化、网络化、智能化、服务化转型正成为卫星市场的发展热潮，数字孪生技术已成为卫星领域数字化战略的关键。该技术重要性不在于数字孪生体的创建，而在于利用数字孪生体创造更多的价值。通过数字孪生技术，可以监控物理实体的性能、优化维护、提供生命周期数据以改进设计等。

数字孪生概念
数字孪生技术需要将各种来源的信息和不同的接口相结合，在一个框架中集成不同子系统的实时数据、历史数据和模拟数据。因此需要稳定的传感器和可靠的数据传输技术来确保获取所有相关数据。当前云计算和人工智能极大程度上促进了数字孪生技术的发展，云计算有助于进行数据处理，人工智能有助于进行高级分析并提供预测能力。
数字孪生卫星技术路线图
2022年3月，英国剑桥大学的Veronica Martinez博士和Nicolai F.Huss在对航天公司和卫星运营商的首席信息官、董事、经理、主管以及卫星和数字孪生技术专家进行了一年多的调查研究后，从5个层面制定了数字孪生卫星技术发展路线图。
顶层为战略层
该层展示了航空航天企业从传统工程服务提供商向安全服务提供商、数字服务提供商的转变。

战略层
第二层为价值/市场层
该层从公司和市场的角度证明了实施数字孪生技术的必要性。从市场的角度总结了实施数字孪生技术的三个主要驱动力：

§ 数字化趋势。受到空间私有化、卫星小型化、基于空间数据的服务新型化3方面的推动，当前的卫星行业正在向数字化方向发展，亚马逊、太空探索技术公司等均在利用新技术构建和管理卫星星座。

§ 空间拥挤加剧。空间拥堵问题已成为亟待解决的重要问题，一方面随着太空垃圾的不断增多，增加了航天器碰撞风险，另一方面，越来越多的活动卫星会导致信号干扰。数字孪生技术可以通过基于人工智能的碰撞和干扰预测模型来减少空间碎片，同时可以支持现有的跟踪方法增强卫星的防撞系统。

§ 行业增长。

价值/市场层
从公司的角度总结了实施数字孪生技术的好处：

§ 提高服务可用性。数字孪生技术可以在安全的环境中对整个卫星应用场景进行建模，最大限度的提高卫星的自我修复、防撞和应对网络攻击能力，并获得更为准确的寿命预测能力，从而提高卫星的服务可用性。

§ 降低运营成本。源于在安全的虚拟环境中进行测试从而降低故障成本。
第三层为服务层
该层从三个不同阶段展示了基于数字孪生技术的服务如何产生实际价值。

§ 在第一阶段，单个卫星的数字孪生体可以提供飞行动态显示、故障诊断和预测等服务。此外，利用数字孪生体进行设计改进，可以在卫星关键部件上进行测试，如评估卫星电池组退化情况等。

§ 在第二阶段，通过整个卫星群及其环境的数字孪生体提供连接、安全服务。由于对卫星及环境进行了建模，可以模拟碰撞的情况，因此使得评估威胁成为可能。此外，拥有整个星座的数字孪生体之后，可以有效的补偿单个卫星的故障。

§ 第三阶段为多领域的整合，其特点是资源的有效分配，对终端用户表现为无缝集成。

 

服务层
第四层为技术层
该层介绍了开发和部署数字孪生体的步骤。首先定义目标实体并确定要建模的详细程度，一旦定义了实体就必须对数字孪生平台和软件达成一致;然后通过建模语言来建立卫星系统的模型;下一步通过数据集成在物理实体和虚拟模型之间建立连接，在这个阶段通过实时遥测数据和模型数据之间的数据解析和数据映射策略来维护数据互操作性;接下来通过数据映射，将测量值与预测值进行比较，并使用ID3等算法进行故障警告;最后通过高级分析方法实现模式识别和行为预测。

技术层
第五层为风险分析层
空间作为一个具有不同参数的独特环境，太阳辐射、热量、重力等因素都要考虑进去，这就产生了成本效益权衡等问题。该层描述了实施数字孪生的重要风险，以及如何降低风险。

风险分析层
国外典型数字孪生卫星应用
GPS数字孪生卫星
2018年，美国空军面对美国国会授权测试其GPS系统是否存在网络漏洞，委托Booz Allen Hamilton公司创建了GPS Block ⅡR卫星的数字孪生体，然后尝试破解该系统,测试对象包括卫星、地面控制站以及星地链路。
该项目从基于模型的系统工程(MBSE)审查开始，提供了数千页有关卫星物理设计的文档。Booz Allen Hamilton公司的四名工程师从2018年6月到2018年12月完成了软件开发，仅用了6个月时间，软件精简程度可以满足在笔记本电脑上运行，以展示和验证网络漏洞。通过该方式避免了对卫星进行破坏性测试。
Digital Space Twin软件
2022年3月31日，美国Slingshot Aerospace公司发表声明称，该公司已获得美国太空部队(USSF)太空系统司令部(SSC)一份价值2500万美元、为期39个月的合同。根据该合同，Slingshot Aerospace公司将继续开发Digital Space Twin软件，并部署Slingshot实验室教育和培训系统。美国太空部队旨在利用Digital Space Twin软件的进行兵棋推演、任务规划以及航天器和星座设计。

 

Digital Space Twin软件
小结
50年前的阿波罗13任务通过复制机械物体开启了“物理孪生1.0”;之后工程师利用虚拟建模仿真开启了“数字孪生2.0”;随着人工智能和云计算的发展，工程师们将AI层添加到数字孪生体中开启了“数字孪生3.0”。目前各行业已经对数字孪生技术开展了广泛的探索和实践，随着数字孪生技术与卫星产业的结合，将推动卫星产业的快速发展。