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摘要：在分析衛星產業發展趨勢與升級轉型新需求後，為推動衛星與新技術融合發展，提升大型衛星工程的整體管理水平與流程管控能力，促進衛星產業數位化、網絡化、智能化、服務化轉型升級，將數字孿生技術與衛星工程的關鍵環節、關鍵場景、關鍵對象緊密結合，探討提出了數字孿生衛星的概念。為闡述數字孿生衛星內涵，以衛星網際網路項目為背景，從空間維度對數字孿生衛星的組成進行了分析，包括數字孿生衛星試驗驗證系統、數字孿生衛星總裝車間、數字孿生衛星產品、數字孿生衛星網絡等。從時間維度對數字孿生衛星核心要素，包括模型線程(Model Thread)、數據線程(Data Thread)、服務線程(Service Thread)，進行了闡述。在此基礎上提出了數字孿生衛星關鍵技術體系，並結合前期已開展的相關實踐工作，從全生命周期視角對數字孿生衛星在衛星總體設計、詳細設計、生產製造(含裝配、集成與測試)、在軌服務與健康管理、網絡運維管理各階段的應用進行了探討，以期為未來衛星產業發展，衛星工程和衛星網際網路工程建設提供參考。
1 衛星產業發展趨勢與新需求
衛星作為發射數量最多、應用最廣、發展最快的太空飛行器，正改變著人類的生活，影響著人類的文明。近年來，衛星產業發展迅猛，數位化、網絡化、智能化、服務化[1]轉型升級需求日益增長，並隨著多波束天線技術、頻率復用技術[2]、高級調製方案、軟體定義無線電[3]、軟體定義載荷、軟體定義網絡[4]、微小衛星製造[5]，以及一箭多星、火箭回收等技術的發展與成熟，衛星產業正呈現出結構小型化、製造批量化、功能多樣化、在軌可重構、星座巨型化、組網智能化、業務服務化、天地一體化互聯、低成本商業化等發展趨勢。
在新技術發展和多樣化需求的雙驅動下，更多大型衛星工程的實現成為了可能，同時也為衛星產業帶來了相應的新挑戰。如基於低軌衛星通信系統的衛星網際網路項目，近年引起了高度關注，形成了全球性的發展熱潮，OneWeb、SpaceX、TeleSat、LeoSat等公司相繼發布其通信衛星星座計劃，並緊鑼密鼓地開展相關建設工作[6]。中國航天科技集團的鴻雁全球衛星星座通信系統與中國航天科工集團的虹雲工程也以實現全球衛星通信為目的而提出。衛星網際網路項目星座規模大(從100顆到12 000顆)、建設周期短(軌道和頻率資源有限，先到先得，星座建設分秒必爭)、項目流程長(星座設計、軌道設計、網絡設計、批量製造、衛星發射、在軌組網、網絡運維等)、投入成本高(衛星批量化製造、衛星高密度發射、衛星星座維護等)，由此衛星工程的設計、實施、管理等能力面臨巨大挑戰。針對衛星網際網路等項目，各階段雖已開展一定的數位化工作，如基於模型的系統工程(Model Based System Engineering, MBSE)等研究[7]，但在衛星工程全生命周期中仍存在部分系統數位化程度低、系統間信息交互能力弱、流程間模型演化與數據關聯能力差等不足或問題，且衛星產品、衛星車間、衛星網絡等的數位化、網絡化、智能化、服務化水平仍不能滿足快速響應、實時管控、高效智能、靈活重構、便捷易用等多樣化需求。
同時，衛星產業出現與以雲計算、物聯網、大數據、區塊鏈、人工智慧等為代表的新一代信息技術(New IT)進一步融合發展的趨勢。如美國陸軍設計新的窄帶衛星通信體系結構，並在設計中引入機器學習和人工智慧技術，以提升在網絡管理、自動控制和系統互操作性等方面的能力[8]；Orbital Insight和佳格天地等國內外企業探索挖掘衛星大數據應用，以支撐國土、林業、海洋、農業、規劃、交通、氣象、環保、工信等諸多領域大數據創新應用[9]；華為公司為亞太衛星控股有限公司打造雲計算數據中心，提供設備與平台的業務服務[10]；SpaceChain公司獲得歐洲太空總署(ESA)的技術支持，推進衛星區塊鏈技術的商業服務與應用發展[11]。
上述衛星工程面臨的新挑戰與發展趨勢，對衛星產業發展提出了以下新需求：
(1)數位化、網絡化、智能化、服務化轉型升級新需求 衛星網際網路項目的發展熱潮，在設計、製造、運維等方面都給衛星產業帶來了巨大衝擊，衛星產業的數位化、網絡化、智能化、服務化轉型升級刻不容緩。主要體現為：①在數位化方面，通過對全要素、全流程、全業務、全系統的數位化，有效藉助信息技術實現信息物理充分融合，推進實現模型、數據、仿真驅動的系統工程管理、流程控制、決策驗證等，從而大大提升設計、製造、運維各流程的質量與效率；②在網絡化方面，藉助網際網路、物聯網、工業網際網路等實現各要素、各系統、各階段間互聯互通，並促進模型間、數據間、業務間的交互與融合，進而提升信息交互、系統集成、部門合作的效率，同時，衛星星座網絡化也是通信行業發展的必然趨勢；③在智能化方面，基於數位化與網絡化，藉助智能衛星、智能設備、大數據、人工智慧等技術，實現對數據、知識、經驗的分析挖掘，進而提高自動控制、設備管控、網絡管理、系統運行等環節的自組織、自同步、自學習、自適應能力；④在服務化方面，一方面，提高衛星產業內不同階段、不同對象、不同系統、不同應用場景的服務化水平，提升應用、管理、協作效率，另一方面，加強衛星產業的應用業務服務化、系統平台服務化、衛星資源服務化，提高服務和應用的質量與效益。
(2)衛星產業與New IT技術融合發展新需求 隨著雲計算、物聯網、大數據、區塊鏈、人工智慧、虛擬實境(Virtual Reality, VR)和增強現實(Augmented Reality, AR)等New IT技術的迅速發展與廣泛應用，衛星產業與New IT技術融合發展已成為必然趨勢，兩者將成為相互促進、共同發展的關係，這既是外界系統環境的需求，也是行業內部發展的需求。一方面，New IT技術的大面積發展應用促使衛星產業需要在接口、功能、應用上與New IT技術進行對接，並出現基於衛星網際網路的大型物聯網、基於衛星遙感數據的大數據挖掘分析等應用研究；另一方面，衛星產業的進一步發展轉型，也離不開New IT技術的支持，並產生基於雲計算的衛星數據存儲和業務服務、基於物聯網的衛星總裝車間各要素感知互聯、基於大數據的衛星數據分析與決策、基於區塊鏈的衛星網絡安全維護、基於人工智慧的衛星智能管控和網絡智能管理、基於VR和AR的衛星裝配工藝可視化及培訓等方面的探索與應用。
(3)衛星系統工程協同管理新需求 衛星網際網路等項目比以往更加依賴各專業、各階段、各系統間的協同，由此對衛星系統工程管理提出更高的要求。①專業性上，不僅需要傳統衛星研製相關專業的參與，還需要網絡設計、網絡運營、網絡服務提供商等領域專家的參與，專業跨度更大；②階段性上，從衛星網際網路總體設計到衛星網際網路運維，從衛星詳細設計到衛星在軌管控，彼此間模型、數據、服務的依賴程度更大，不同階段間的合作需求更大；③系統性上，衛星網際網路工程需要衛星研製、運載火箭、發射場地、測運控系統、網絡運營、衛星及地面網際網路服務提供商等諸多系統彼此協同才能實現並應用，系統組成與分布更複雜。實現各專業、各階段、各系統間的協同需要更加科學、更加連續、更加全面的衛星系統工程管理，開展衛星系統工程協同管理理論研究和工程探索十分必要。
(4)衛星及相關系統智能應用/服務新需求 製造批量化、功能多樣化、在軌可重構、組網智能化、業務服務化等趨勢與需求的出現，對硬體為主、軟體為輔的傳統產業模式下衛星及相關系統的智能應用/服務能力提出了新需求。例如：衛星產品方面，對衛星功能可配置、軟體系統可重構、在軌自運行、環境自感知等能力的新需求；衛星製造車間(含裝配、集成與測試)方面，對工藝自動規劃、設備智能管控、產線優化調度、數位化測試試驗等功能的新需求；衛星通信網絡方面，對網絡可配置、網絡快速重構、網絡智能管理、網絡緊急組網等應用的新需求。針對以上新需求，亟需藉助信息化手段提升衛星及相關系統智能應用/服務的能力。
近年，數字孿生(Digital Twin)引起全球工業界與學術界的廣泛關注和研究。作為一種實現數位化、網絡化、智能化、服務化轉型升級的有效手段，數字孿生與New IT技術具有極高的融合度[12]。在產品設計、製造、運維等階段以及全生命周期管理中得到廣泛的應用與探索，同時在航空航天產品、航空總裝線、軍事複雜系統等方面均有相關研究與應用，與上述衛星產業發展新需求不謀而合。因此，本文在總結分析衛星產業發展趨勢以及轉型需求後，以面向衛星網際網路的低軌衛星通信系統工程為研究分析對象，闡述了衛星工程流程現狀特點，基於前期相關工作探索提出數字孿生衛星的概念，將數字孿生與衛星工程中關鍵環節、關鍵場景、關鍵對象緊密結合，從空間維度和時間維度對數字孿生衛星的概念內涵進行闡述，並總結數字孿生衛星關鍵技術體系，然後從全生命周期視角對數字孿生衛星的應用進行探討和設想，最後對已開展相關工作進行介紹，以期為未來衛星產業發展及衛星工程建設提供參考。
2 衛星工程
以面向衛星網際網路的低軌衛星通信系統工程為例，衛星工程包括衛星總體設計、衛星詳細設計、衛星生產製造(含總裝、集成和測試)、衛星發射入軌、衛星在軌管控(在軌運行、在軌維護、在軌更新、故障預測與健康管控等)、衛星網絡運維(衛星組網、衛星網絡服務、星座更新運維等)等多個階段，是一項多學科、多技術、多系統協同工作的複雜系統工程，其全生命周期流程(不含衛星發射入軌)如圖1所示。為深入了解衛星工程，對衛星總體設計、衛星詳細設計、衛星生產製造、衛星在軌管控、衛星網絡運維五個階段以及衛星系統工程管理的現狀特點和發展挑戰進行具體分析。
(1)衛星總體設計 衛星總體設計是對衛星軌道、星座、網絡、發射任務等一系列總體事項進行概念設計和論證的階段，需多學科、多專業、多系統間進行不停的協同與權衡，是一個反覆疊代與論證的過程。由於面向衛星網際網路的新一代低軌衛星通信系統星座規模大、衛星移動快、網絡拓撲時變等特點，對衛星軌道、星座系統以及衛星網絡的設計與驗證提出極高的要求與挑戰。目前，已有應用MBSE在衛星通信系統架構建模[13]、星間通信鏈路建模[14]、微重力科學衛星總體設計[15]等方面的探索研究，但在數據利用、系統協同、設計管理上仍很欠缺，需要對當前總體設計協同、優選、驗證的方式進行改進，進而滿足衛星總體設計上更快、更優、更可靠的需求。
(2)衛星詳細設計 衛星詳細設計是在總體設計提出的概念需求的基礎上，藉助多學科理論知識將概念設計轉化為衛星具體的結構、參數、功能設計，需多系統進行協同設計的同時，也會根據外部和內部的反饋與要求進行反覆疊代。傳統的衛星設計模式是基於文檔的設計模式，存在信息一致性差、描述模糊、溝通協調費時費力等問題；同時無法與模型和代碼進行關聯，造成仿真驗證上也存在諸多困難。目前在衛星詳細設計上已有如基於委託—代理模型的衛星系統設計流程管理[16]、基於多Agent協商的對地觀測衛星協同設計優化[17]、基於MBSE的立方體衛星模型構建與試驗驗證[18]等研究，需進一步開展相關研究探索，推進衛星詳細設計的模型化、數據化、仿真化，使得衛星設計能滿足更多的功能需求、實現更短的研製周期、響應更快的型號疊代。
(3)衛星生產製造 衛星生產製造包括工藝設計、工裝設計、部件生產、物料準備和裝配、集成與測試(Assembly, Integration and Test, AIT)等過程，其中AIT是決定衛星製造質量與效率的最重要一步。衛星AIT以多系統協同的手工作業為主，工藝流程繁雜[19]，裝備、工具、物料等管理複雜，由此導致工程繁複且時間隨機性強。目前，已開展了衛星AIT數位化的相關工作，如基於數字孿生的總裝線管控架構研究[20]、基於三維模型的衛星裝配工藝設計與應用[21]、數字孿生驅動的工裝設備仿真與控制[22]等，但距離實現全要素全流程的數位化管控仍有很大差距。此外，目前衛星總裝仍以單星單工位或單星單線的模式為主，而未來需能夠適應型號科研生產、多型號混合生產、大批量快速生產等多種情況，這對衛星總裝的數位化、柔性化、智能化、批量化都提出了更高的要求。在探索衛星新生產模式的同時，針對生產要素、生產計劃、生產過程中管理、控制、調度與協同等問題，迫切需要藉助信息物理融合手段解決以上問題，有效提高衛星製造效率、保證產品質量、降低生產成本。
(4)衛星在軌管控 衛星在軌管控是衛星入軌後進行任務執行及服務應用的實際使用階段，包括在軌運行、在軌維護、在軌更新、故障預測與健康管控等過程。傳統衛星軟硬體耦合性強，在軌運行存在系統重構難、軟體更新難、應用維護難等問題，影響了衛星可配置和靈活應用的能力，尤其在低軌衛星通信系統中，衛星鏈路及路由時變、通信業務隨機性強，對衛星靈活的在軌配置和業務處理能力提出了更高的要求。當前針對衛星在軌管控，藉助軟體定義衛星[23]等相關技術，採用開放系統架構，已在有效載荷即插即用、應用軟體按需加載、系統功能按需重構等方面有一定探索與應用。但衛星的在軌管控不僅需要衛星具有重構更新的能力，更需要衛星實現全面的信息化、數位化、智能化，對在軌衛星產品實時狀態進行真實而細緻的反映，從而支持在軌智能自治和遠程有效管控。同時，開展衛星的故障預測與健康管理(Prognostics Health Management, PHM)[24]，對衛星的運維管控乃至衛星網絡的可靠運維也都有著重要意義。
(5)衛星網絡運維 衛星網絡運維主要針對衛星網際網路、衛星導航系統等衛星組網的星座系統，包括衛星組網、衛星網絡服務、衛星星座更新與維護等過程。與地面網際網路相比，基於低軌衛星通信系統的衛星網際網路具有衛星節點在軌、網絡拓撲時變、鏈路無線開放、空間環境複雜等特點，由此對整個網絡的實時性、可靠性、穩定性、安全性都提出了巨大的挑戰。衛星網際網路的管理與運維相對於地面網際網路將更加複雜且困難。現已有如軟體定義網絡(Software Defined Network, SDN)、網絡虛擬化(Network Virtulization, NV)、網絡功能虛擬化(Network Functions Virtualization, NFV)等研究[25]，通過對網絡不同層級實現虛擬化，一定程度上實現網絡硬體與軟體的解耦，便於對網絡的流量、路由、協議、傳輸策略等進行控制、配置、更新及優化[26]，但對動態複雜衛星網際網路，需對其物理節點、數據鏈路、網絡拓撲、實時流量等狀態進行建模映射，實現對網絡狀況的全面監控，從而支持網絡的行為預測與智能管控。同時，節點失效、鏈路失效、路由失效等問題對衛星網際網路的區域覆蓋能力、網絡性能、網絡穩定性都會造成十分嚴重的影響，實現衛星網際網路高效智能運維至關重要。衛星網際網路運維既包括對衛星節點的健康監控與壽命預測，也包括對網絡狀態的實時分析和故障預測，進而才能保障衛星網際網路的健壯性和可靠性。
(6)衛星系統工程管理 衛星系統工程管理既包含對上述各階段具體過程進程、技術狀態、質量可靠性等管理，也包括對總體方案、各階段信息溝通、協同合作等管理。衛星網際網路等項目的系統工程規模更大、跨度更大、成本更大，其系統工程管理將更加複雜困難。目前在結合數字孿生與MBSE用於系統工程各階段[27]、基於數字孿生與MBSE的太空項目各階段設計與驗證[28]、藉助太空系統數字孿生實現工程全生命周期管理[29]等方面已有相關研究與探討，如何進一步研究數字孿生、MBSE等技術在衛星系統工程各階段及總體管理上的應用，對於提高系統工程管理能力十分必要。
總結上述發展現狀特點，衛星工程在設計、製造、運維3方面的主要特點表現為：
(1)設計上 設計要素眾多，考慮因素眾多，基於文檔工程，人工系統協同，以物理驗證為主，流程疊代繁複。
(2)製造上 手工裝配為主，協同作業複雜，單星或小批量研製模式為主，快速批量化生產較弱。
(3)運維上 測運控多系統協同，大星座系統管控難，在軌衛星重構難、更新難、配置難、維護難。
同時，在衛星系統工程管理上，各部分間模型、數據、軟體、服務的壁壘依舊存在，而各專業合作、各階段協作、各系統協同的需求更強烈、要求更嚴格。其共同問題體現為：物理為主、信息為輔、人工為主、軟體為輔的衛星產業模式與需求更加多樣、工程更加複雜、應用更加廣泛的衛星產業現狀間的矛盾，藉助數位化、網絡化、智能化、服務化手段發展創新模式、改進傳統方式、突破相關技術，是衛星產業進一步發展的必然要求。
3 數字孿生衛星
3.1 數字孿生及航空航天應用
數字孿生以數位化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態虛擬模型，並藉助實時數據再現物理實體在真實環境中的屬性、行為、規則等[30]。作為一種在信息世界刻畫物理世界、仿真物理世界、優化物理世界、增強物理世界的重要技術[31]，數字孿生是一種實現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New IT技術的有效手段[33]，更是一種推進全球工業和社會發展向數位化、網絡化、智能化、服務化轉型的有效途徑[34]。
目前，數字孿生已引起了工業界和學術界的廣泛關注，在產品全生命周期中[35]，從設計[36]、製造[37]到運維[38-39]等方面均有大量的研究與應用實踐探索。在領域應用上，數字孿生廣泛應用在航空航天、軍工、電力、醫療、汽車、火車、船舶、智慧城市等領域[40]，尤其在航空航天領域探索時間最久、應用最深。
「孿生」的概念最早出現於1969年美國的阿波羅項目中，美國國家航空航天局(NASA)通過製造兩個完全相同的太空飛行器，形成「物理孿生」，兩者雖沒有直接的數據連接與信息交互，但藉助留在地面的太空飛行器一定程度上反映和預測在地外空間執行任務的太空飛行器的狀態，進而進行任務訓練、實體實驗並輔助任務分析和決策[41]。之後，這種「物理孿生」或「物理伴飛」的方法雖仍在部分系統中進行應用，但由於太空飛行器的系統和任務的複雜性越來越高，且數量迅速增長，航天系統難以支撐大量並完整構建物理孿生的成本，藉助數位化手段仿真、分析、驗證太空飛行器的研究逐漸出現。隨著數位化相關技術的發展成熟，美國NASA於2010年提出將數字孿生技術應用於未來太空飛行器的設計與優化、伴飛監測以及故障評估中[42]。美國空軍研究實驗室於2011年提出在未來飛行器中利用數字孿生實現狀態監測、壽命預測與健康管理等功能[43]，自此引起了數字孿生在航空航天及其他領域中的廣泛關注，並在航空航天產品設計、製造裝配、運維使用、系統整體管控等方面形成了大量研究應用，部分工作簡要介紹如下。
(1)在產品設計上 法國達索公司藉助基於數字孿生的3D體驗平台，利用用戶在虛擬空間進行產品體驗並反饋的信息不斷改進修正產品設計模型，進而對物理實體產品進行改進提升[44]；中國北京世冠金洋科技發展有限公司研發航天飛行器數字孿生技術及仿真平台，實現對衛星各子系統仿真模型的集成及數字衛星的組裝構建與仿真評估[45]；中國精航偉泰測控儀器有限公司正致力於衛星數字孿生設計技術的開發研究，以期提升衛星設計研製效率[46]。
(2)在製造裝配上 洛克希德·馬丁公司藉助數字主線(Digital Thread)與數字孿生技術實現對F-35生產全流程中的數據與模型的充分利用，進而顯著提高F-35的生產效率[47]；美國諾格公司藉助數字孿生支撐F-35生產質量管控，並有效改進了工藝流程，縮短了決策時間[48]；法國空客集團在A350XWB總裝線上應用數字孿生技術，實現總裝過程的數位化監控與自動化管控[49]。
(3)在運維使用上 美國NASA和美國空軍實驗室合作構建F-15的數字孿生，並藉助飛機全生命周期數據進行故障預測與健康管理，有效提高維護預警的準確度和維修計劃的可靠性[50]；美國通用公司藉助數字孿生，結合傳統故障分析方法，對飛行器的疲勞裂紋等故障進行分析並實現更準確的預測[51]。
(4)在系統整體管控上 王建軍等提出基於數字孿生的太空飛行器系統工程，對太空飛行器系統工程模型、應用框架及技術架構進行了研究[52]；北航數字孿生研究組劉蔚然等於2019年在文獻[53]中基於數字孿生五維模型提出數字孿生衛星/空間通信網絡的應用設想，通過構建數字孿生衛星(單元級)、數字孿生衛星網絡(系統級)以及數字孿生空間信息網絡(複雜系統級)，形成統一管理平台，可實現衛星的全生命周期管控、時變衛星網絡優化組網以及空間信息網絡構建與優化等功能。
由上可見，數字孿生與航空航天領域具有深遠的聯繫，數字孿生的提出、發展、應用都與航空航天領域的具體需求和技術發展密不可分。同時，數字孿生在該領域中，既對產品、產線、整體系統等各類對象有著具體研究，又在設計、製造、運維、管理等工程階段有著相關應用，在空間維度和時間維度上的研究與應用既廣且深。
3.2 數字孿生衛星概念
通過對衛星工程發展趨勢以及轉型新需求的分析，以及對數字孿生與衛星工程現狀特點和發展挑戰的總結，結合數字孿生概念及相關理論，基於前期相關研究並深入拓展，本文探討提出數字孿生衛星的概念。
數字孿生衛星是將數字孿生技術與衛星工程中的關鍵環節、關鍵場景、關鍵對象緊密結合，基於模型與數據對物理空間的衛星工程進行實時的模擬、監控、反映，並藉助算法、管理方法、專家知識、軟體等對衛星工程進行分析、評估、預測、管理、優化，實現功能既包含空間維度上對各場景及對象的服務應用，又實現時間維度上的系統工程管理。以低軌衛星通信系統為例，數字孿生衛星概念內涵如圖2所示。從空間維度上，通過構建與衛星試驗驗證平台、衛星總裝車間、衛星產品、衛星網絡等對象或場景實時映射的數字孿生，實現更優更快的仿真、監控、評估、預測、優化和控制[12]等功能服務，從時間維度上，形成貫穿衛星工程全生命周期的模型線程(Model Thread)、數據線程(Data Thread)、服務線程(Service Thread)，對各階段模型、數據、服務進行定義、轉換、調用和關聯，同時實現對總體設計、詳細設計、生產製造、在軌管控、網絡運維等環節真實同步，進而輔助衛星工程各階段管控與協同。時間維度中的模型線程、數據線程、服務線程支撐著空間維度中各數字孿生的構建與更新，同時基於空間維度中各數字孿生的輔助實現對時間維度中衛星工程的管理與控制。數字孿生衛星通過推動實現衛星工程中複雜系統及複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、各系統與部門協作難、模型與數據利用效果差、產品和系統使用效率低等問題，提升衛星工程的基本能力與管理水平。
數字孿生衛星的提出，能滿足上述衛星發展新需求與工程挑戰：
(1)數字孿生是一種綜合性技術手段，既有對物理對象的數位化表達，也有物理與虛擬的接口實現交互連接，還有對數據的集成、融合、分析、挖掘，更有對模型、數據、功能等的服務化封裝與應用，將數字孿生與衛星產業的結合將有效促進數位化、網絡化、智能化、服務化轉型升級。
(2)數字孿生五維模型[53]能很好地與New IT技術集成與融合[12]，在接口、組成、功能上與大數據、物聯網、雲計算、人工智慧等都有很好的對接，能滿足衛星與New IT技術融合發展的需求。
(3)將數字孿生應用於衛星工程各階段，基於統一的數據、模型、服務格式與接口，形成貫穿衛星工程全生命周期的模型線程、數據線程、服務線程，有效實現不同階段的交互與融合，進而推進系統工程全生命周期的協同管理。
(4)通過建立關鍵對象或場景的數字孿生，包括衛星試驗驗證平台、衛星總裝車間、衛星產品、衛星網絡等，藉助數字孿生的服務化手段將有效提升衛星及相關系統的智能應用/服務水平。
為進一步理解數字孿生衛星的概念，以便應用到衛星工程各階段，下文將從空間維度和時間維度兩個層面對數字孿生衛星概念內涵做更進一步地闡釋。
3.3 空間維度的數字孿生衛星
從空間維度上，將數字孿生與衛星工程中的關鍵對象與關鍵場景結合。以低軌衛星通信系統為例，數字孿生衛星關鍵對象/場景主要包括數字孿生衛星試驗驗證系統、數字孿生衛星總裝車間、數字孿生衛星產品、數字孿生衛星網絡，如圖3所示[53]。
數字孿生衛星試驗驗證系統、數字孿生衛星總裝車間、數字孿生衛星產品、數字孿生衛星網絡既實現對其物理對象/場景的實時映射，各自實現相應的仿真驗證、疊代優化、管理控制等功能，也通過彼此間的協作與交互，在不同階段實現相互支持、功能協同、系統融合，共同支撐著衛星系統工程的實施與管理。基於數字孿生五維模型理論[53]，各數字孿生包含物理實體，虛擬實體，服務，孿生數據以及各組成部分間的連接這五個方面的部分或者全部，並依據具體場景和應用按需構建。同時，數字孿生存在著單元級、系統級、複雜系統級的組成劃分[53]，且同一對象在不同階段會有不同的組成特性。例如，當對數字孿生衛星產品進行單獨的認識與分析時，將其視為複雜系統級數字孿生，包含組件的數字孿生(單元級)以及由組件構成的分系統的數字孿生(系統級)；而在構建並分析數字孿生衛星網絡時，數字孿生衛星產品被視作組成單元，需要進行簡化、歸納、壓縮形成單元級數字孿生，與其他單元共同構成數字孿生衛星網絡(複雜系統級)，輔助衛星網絡的分析與決策。
下面對數字孿生衛星的空間組成做進一步闡述：
(1)數字孿生衛星試驗驗證系統 衛星試驗驗證系統包括各系統功能模擬器、空間環境模擬平台、試驗衛星等對物理對象，用於實現對設計的全數字、半物理及全物理的仿真驗證。通過構建衛星試驗驗證系統的數字孿生，並將系統模型與設計模型、環境模型、任務方案等進行關聯，藉助歷史數據或當前在軌系統數據實現對設計的驗證。數字孿生衛星試驗驗證系統在實現對各試驗器及平台的控制的同時，也將各驗證器及平台在信息空間上連接起來，並進行信息化集成，進而實現對相關設計的全面性驗證與系統性優化。
(2)數字孿生衛星總裝車間 在衛星生產過程中，通過構建總裝設備、測試設備、物流設備等的數字孿生，並形成總裝單元、測試單元以及生產線的數字孿生，進而與其他信息化系統共同構成數字孿生衛星總裝車間。數字孿生衛星總裝車間基於對總裝車間「人—機—物—法—環」全要素、全流程、全業務的感知與互聯，結合設計方案及模型，實現對衛星總裝車間的數位化映射與智能化管控。數字孿生衛星總裝車間在實際衛星生產過程中，具體實現工藝的規劃與仿真、物流的智能配給、總裝過程監控與快速調度、全要素管理與配置、以及總裝過程中衛星的系統功能虛擬集成與驗證、全流程質量分析追溯、整星虛擬測試等。
(3)數字孿生衛星產品 衛星出廠後，數字孿生衛星產品與實際衛星產品共同交付，藉助數字孿生衛星產品對入軌後的衛星進行映射。數字孿生衛星產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、規則模型等虛擬模型的集合，可以完整映射物理衛星產品的實時功能與性能，用於輔助地面的衛星管理與狀態分析；另一種是對上述模型簡化、歸納、壓縮後形成的虛擬模型，可以實現部分功能與性能的映射，同時運算壓力更小，用於在軌伴飛並提供實時的運算分析與智能決策能力。兩種虛擬模型不斷同步，共同反映物理衛星產品的實時狀態，隨著未來衛星在軌計算能力及雲計算能力的提升，兩種模型的差異性將逐漸變小。數字孿生衛星產品將結合衛星全生命周期各類數據，推動實現對衛星在軌狀態監控與分析、姿態自控制及優化、在軌任務智能決策、系統軟體重構驗證、故障預測與健康管控等功能。
(4)數字孿生衛星網絡 在導航系統、低軌通信系統等衛星系統中，需要對在軌衛星星座進行組網。基於衛星星座中各衛星的數字孿生，並結合衛星網絡的地面基站模型、星間鏈路模型、網絡拓撲模型、網絡協議模型、空間環境模型等以及在軌衛星與網絡的實時數據，結合形成數字孿生衛星網絡，實現對空間中的衛星星座系統以及衛星網絡行為的實時映射。數字孿生衛星網絡更加複雜且龐大，其運行實現需要藉助測控系統、網絡運維系統、網絡服務提供商等各系統的協同工作，同時需要結合物聯網、大數據、人工智慧等New IT技術共同推進實現網絡的自組織、自管理、自運行，提升衛星網絡的管控能力與效率。數字孿生衛星網絡具體實現衛星星座與網絡狀態的實時監控與分析、網絡智能運維與管控、網絡行為預測、網絡管控與配置仿真、網絡設計仿真驗證等功能。
軟體首先需要從焊膏印刷機中提取出其製造數據，並將數據以一定的格式存放在伺服器中。當對焊膏印刷機運行狀態進行離線分析時，軟體向伺服器發送請求獲取製造數據，通過分析數據格式將焊膏印刷機的關鍵參數存入資料庫，同時將其以動態曲線的形式顯示給用戶。
從時間維度上，將數字孿生與衛星工程中的關鍵環節結合。以低軌衛星通信系統工程為例，數字孿生主要應用於衛星總體設計、衛星詳細設計、衛星生產製造、衛星在軌管控和衛星網絡運維階段，數字孿生衛星將上述各個環節彼此緊密聯繫，打通各環節間的模型壁壘、數據壁壘、服務壁壘，進而形成數字孿生衛星的核心要素，即貫穿衛星工程全生命周期的模型線程(Model Thread)、數據線程(Data Thread)、服務線程(Service Thread)，實現對各階段的模型、數據、服務的標準化定義、高效轉換、安全調用和彼此關聯。同時，以數字孿生衛星試驗驗證系統、數字孿生衛星總裝車間、數字孿生衛星產品、數字孿生衛星網絡為主要對象，對工程的實時狀態進行映射並實現高效的優化、驗證、決策、運維等應用服務，輔助衛星工程各階段及整體的實施和管理，以提升效率和效果。
具體包括：①在衛星總體設計和衛星詳細設計階段，通過數據線程挖掘全生命周期數據以進行設計優化，並與MBSE等技術結合，藉助模型線程的模型轉換、數據線程的數據調用、服務線程的服務協作以及數字孿生衛星驗證系統，輔助衛星總體與產品詳細的概念設計、設計協作以及試驗驗證，從而提升設計的質量與效率；②在衛星生產製造階段，基於數字孿生車間[30]等理論，將數字孿生與總裝車間、信息系統結合，同時藉助模型線程和數據線程打通與設計環節的信息壁壘，建立衛星設計—驗證—總裝—集成—測試全流程的系統工程，並對實際生產製造進行實時的監控、管理、優化、控制，以應對衛星製造的需求多樣化、快速批量化、智能柔性化趨勢；③在衛星在軌管控和衛星網絡運維階段，基於模型線程、數據線程、服務線程，實現了物理衛星與衛星星座系統間模型、數據、服務的轉換與調用，同時與物理衛星及衛星星座系統實時映射，並藉助軟體定義技術、PHM技術等，增強信息空間反映、優化、控制、管理物理衛星及衛星星座系統的能力。
下面對數字孿生衛星的模型線程(Model Thread)、數據線程(Data Thread)、服務線程(Service Thread)做進一步介紹。
(1)模型線程(Model Thread) 模型線程是用於支持全生命周期內數字孿生模型構建與管理的體系框架，將不同階段的模型進行關聯、歸納、轉換、演化、協同、融合，實現對各階段模型的快速生成、高效利用和統一管理，進而支持不同數字孿生間的交互與不同階段數字孿生的演化，如圖4所示。具體的：①衛星總體設計階段，通過參考在軌衛星及網絡模型，基於模型對軌道、星座、組網、構型以及任務等進行概念設計，形成相應的概念模型，在實際數據的驅動下進行總體方案驗證並形成總體方案模型；②衛星詳細設計階段，在總體方案模型的基礎上，同樣基於模型對衛星產品的結構、電路、載荷、通信等各模塊與分系統進行設計，並對分系統和整星進行仿真驗證形成衛星詳細設計模型；③衛星生產製造階段，基於衛星詳細設計模型，結合總裝工藝設計模型和衛星總裝車間模型，模型間基於實際總裝過程及數據實現交互，衛星詳細設計模型演化為衛星實作模型，並通過衛星測試與模型驗證實例化為衛星產品模型，進而構成數字孿生衛星產品；④衛星在軌管控階段，衛星產品模型形成兩種狀態，一種是模型簡化後的在軌分析模型，用於在軌分析決策，一種是完全還原在軌衛星的複雜模型，用於地面分析管控，兩種模型同步並對在軌衛星進行實時映射，同時不斷地自我修正與演化；⑤衛星網絡運維階段，在軌衛星的模型進行組合形成衛星星座模型，並結合星間鏈路模型、網絡拓撲模型、網絡協議模型、空間環境模型等共同組成衛星網絡模型，進而構成數字孿生衛星網絡，同時衛星網絡模型可以為衛星總體設計提供模型支持。
(2)數據線程(Data Thread) 數據線程是支持數字孿生衛星全生命周期內進行數據格式定義、數據生成、分布式存儲、數據清洗、數據關聯、數據挖掘、數據演化、數據融合等數據操作與管理的體系框架，實現對全生命周期數據的安全管理、便捷使用和充分利用，支撐各數字孿生全要素的實時感知和全流程/全業務的完全記錄，如圖5所示。具體的：①衛星總體設計階段，結合在軌衛星及網絡數據，概念設計過程會產生衛星構型、軌道、星座、組網、任務的相關設計數據，對相關參數進行初步確定；②衛星詳細設計階段，基於總體設計對衛星產品的詳細設計參數數據進行確定，形成相關的衛星詳細設計數據集；③衛星生產製造階段，融合工藝操作數據和衛星車間的相關數據，形成衛星總裝過程中的實作數據，隨後經過衛星測試，再次融合測試數據形成衛星出廠數據，以支撐數字孿生衛星產品的構建；④衛星在軌管控階段，首先會根據軌道設計數據等保證衛星進入正確軌道，隨後衛星在在軌運行過程中會產生分系統數據、姿態數據、通信數據等實際狀態數據，同時地面系統會產生衛星實時軌道數據、地面控制數據、星地鏈路通信數據等實際測控數據，衛星在軌數據不斷更新，完整記錄數字孿生衛星產品全生命周期的數據並支持相關數據分析；⑤衛星網絡運維階段，基於總體設計構建衛星網絡，衛星在軌數據與衛星網絡數據進行關聯，同時衛星網絡產生網絡流量數據、網絡鏈路數據、網絡星座數據、網絡測控數據等實時運行與測控數據，實現對衛星網絡的記錄及分析，並為衛星總體設計提供數據支持。
(3)服務線程(Service Thread) 服務線程藉助服務封裝、服務匹配、服務組合、服務協作等技術，通過各流程間和各流程內的服務調用與協同，實現數字孿生衛星全流程服務的便捷易用性、跨階段可操作性、管理統一性和安全可靠性等，並形成各類彼此關聯協同的功能組件、應用軟體、移動端App等，如圖6所示。具體的：①衛星總體設計階段，結合總體設計模型與數據，藉助服務組合與協作實現總體設計的需求分析優化、設計仿真驗證、系統設計管理等服務，並可以在具體設計中與詳細設計相關服務進行協同；②衛星詳細設計階段，根據衛星詳細設計階段的模型與數據形成設計優化疊代、協同設計管理、詳細設計驗證等服務，同時與總體設計中的系統設計管理、設計仿真驗證等服務進行關聯，保證詳細設計與總體設計的協同性一致性；③衛星生產製造階段，主要集中在衛星AIT過程，通過衛星產品與衛星總裝車間的數字孿生提供總裝過程智能管控、總裝要素精準管理、衛星質量管理追溯、衛星高效測試試驗等服務，同時在總裝過程中出現問題可通過服務化手段與總體設計和詳細設計進行交互反饋；④衛星在軌管控階段，針對衛星在軌管控運維需求，實現在軌狀態監測、在軌任務分析決策、衛星重構與更新、衛星PHM等服務；⑤衛星網絡運維階段，對由衛星構成的衛星網絡實現網絡狀態監控、網絡運維管控、網絡行為預測、網絡設計仿真等服務，並與衛星在軌管控的在軌分析決策、在軌狀態監測、衛星重構與更新等服務進行協作。
數字孿生衛星藉助多時空尺度、多維、自更新的虛擬模型表達衛星及相關系統的實時功能與性能，通過對各階段產生的孿生數據進行處理、存儲、分析、關聯、更新、疊代反映衛星及相關系統的實時狀態，在模型和數據的共同驅動下對衛星各個周期過程進行優化、控制、決策、管理，並形成全覆蓋的智能服務系統，為各專業、各階段、各系統的從業人員與用戶提供更加便捷、易用、可靠、穩定的服務。數字孿生衛星伴隨著衛星工程的全生命周期不斷疊代演化，對實現衛星產業的數位化、網絡化、智能化、服務化轉型升級、與New IT技術融合發展、系統工程協同管理、衛星及相關系統的智能應用/服務具有巨大的潛在推動作用。
4 數字孿生衛星關鍵技術
數字孿生衛星關鍵技術如圖7所示。衛星工程技術體系複雜且龐大，本文主要覆蓋與數字孿生衛星構建和運行直接相關的關鍵技術，分為4大類：①數字孿生通用技術，②設計與驗證技術，③智能AIT技術，④在軌衛星與網絡管控技術。
時間維度的數字孿生衛星
(2)設計與驗證技術 設計與驗證技術主要是在衛星總體設計和衛星詳細設計階段，用於與數字孿生集成融合併輔助相關設計與驗證。包括：①可行性分析驗證技術；②設計協同與管理技術；③多學科設計優化技術；④多系統協同仿真技術；⑤空間環境仿真技術；⑥衛星系統功能仿真技術；⑦衛星網絡通信仿真技術；⑧可行性分析驗證技術等。
(3)智能AIT技術 智能AIT技術主要是在衛星生產製造AIT階段，用於支撐該階段數字孿生功能的實現。包括：①脈動式總裝生產線技術；②總裝車間智能物聯技術；③總裝精確信息化管理技術；④總裝實時仿真技術；⑤工藝快速設計及仿真技術；⑥虛擬測量與測試技術；⑦數位化工藝裝備管控技術；⑧智能精準物流配送技術等。
(4)在軌衛星與網絡管控技術 在軌管控與服務技術主要是在衛星在軌管控和衛星網絡運維階段，用於支撐數字孿生功能實現和與數字孿生集成融合。包括：①軟體定義衛星技術；②通用化作業系統技術；③衛星在軌健康管控技術；④衛星在軌維修裝配技術；⑤軟體定義網絡技術；⑥衛星網際網路可靠性與維護技術；⑦衛星網際網路信息安全技術；⑧衛星網際網路運維管理技術等。
5 全生命周期視角的數字孿生衛星應用設想
本章基於數字孿生衛星概念，以面向衛星網際網路的低軌衛星通信系統工程為對象，對數字孿生衛星總體設計、數字孿生衛星詳細設計、數字孿生衛星智能製造、數字孿生衛星在軌服務與健康管控、數字孿生衛星網絡運維管理5類應用進行探討。
5.1 數字孿生衛星總體設計
數字孿生衛星總體設計可實現更加高效、可靠、智能的需求分析優化、協同設計管理、系統仿真驗證等應用，如圖8所示。①需求分析優化，藉助模型線程和數據線程，充分利用已有的數字孿生衛星星座或數字孿生衛星產品的模型與數據，結合實際使用不斷疊代並從中發掘總體設計中的設計缺陷、漏洞、更優方案，並對虛擬模型進行修正、優化、改進以形成總體設計概念方案模型；②系統設計管理，藉助數字孿生實現以模型為核心、以數據為驅動的總體協同設計，通過模型線程形成的標準化模型與數據線程形成的結構化數據進行設計定義、交流、協作，不同系統間的設計協同、設計約束、設計優化將以對模型的定義、管理、優化和約束來實現，同時已有的數字孿生衛星產品和數字孿生衛星星座將提供高擬真模型與精準可靠數據的支持。③設計仿真驗證，以模型和數據為驅動的總體設計將更易於實現系統仿真驗證，通過對數字孿生衛星試驗驗證系統、設計模型和反映全生命周期的孿生數據等進行結合，實現對各種空間環境中的任務設計、軌道設計、星座設計、網絡設計等進行快速仿真驗證，大大提升總體設計的效率與可靠性。
5.2 數字孿生衛星詳細設計
數字孿生衛星詳細設計如圖9所示，包括設計優化與疊代、協同設計管理、衛星詳細設計驗證等潛在應用。①設計優化疊代，藉助數據線程實現對衛星工程全生命周期數據的充分利用，藉助數據挖掘等實現衛星詳細設計中型號結構的優化、系統功能的升級、部件組件的改進等，同時藉助數字孿生衛星試驗驗證系統進行快速準確驗證，減少疊代次數；②協同設計管理，與數字孿生衛星總體設計類似，以模型線程形成的標準化模型作為衛星詳細設計的核心，藉助模型更新、模型疊代、模型版本管理實現各階段各分系統的設計流程管理，藉助模塊化模型、模型交互、模型組合、模型協同實現各分系統的設計協同管理。同時通過模型線程，設計模型將對衛星製造過程進行指導，製造過程也會對設計模型進行反饋修正，最終通過模型校核、驗證與確認，將設計模型實例化為數字孿生衛星產品的虛擬模型；③詳細設計驗證，藉助數字孿生衛星試驗驗證系統，結合數據線程中的空間環境數據、物理衛星在軌運行數據、虛擬衛星在軌分析數據等數據，基於衛星設計模型實現對衛星詳細設計的精確仿真分析，對衛星的功能、性能以及在軌任務執行進行有效驗證。
5.3 數字孿生衛星智能製造
數字孿生衛星智能製造如圖10所示，針對衛星AIT流程可實現衛星總裝過程智能管控、總裝要素精準管理、衛星質量管理與追溯、衛星高效測試與試驗等應用。①總裝過程智能管控，通過對衛星總裝車間人、機、物、環境的全面感知和安全集成，實現物理車間與虛擬車間的同步映射，進而對衛星總裝車間全要素、全流程、全業務進行實時監控和完全記錄，輔助人員實現現場精確控制、快速調度、智能決策，並基於數字孿生衛星總裝車間進行仿真預測，實現故障問題的預測預警和事前處理；②總裝要素精準管理，結合人、機、物、環境各要素的感知集成數據及其虛擬模型實現總裝各要素的管理、控制、協同，並藉助服務線程實現對總裝設備、測試設備、物流設備等的故障預測與健康管理；③衛星質量管理與追溯，通過對總裝過程工藝操作的完全記錄，結合數字孿生衛星總裝車間與數字孿生衛星產品的交互協同與仿真分析，實現衛星產品質量實時管理和質量完全可追溯，進而實現衛星質量問題的快速診斷定位和分析預測，並可以在設計存在缺陷等情況下藉助服務線程對總體設計和詳細設計進行反饋；④衛星高效測試與試驗，基於伴隨總裝過程不斷演化的數字孿生衛星產品模型與數據，結合各類虛擬環境開展電測、檢漏、熱試驗、力學試驗等虛擬測試與試驗，對物理測試試驗進行補充，並提高關鍵試驗效率。
5.4 數字孿生衛星在軌服務與健康管理
數字孿生衛星在軌服務與健康管理包括對在軌衛星的任務分析決策、在軌狀態監測、衛星系統重構與軟體更新、衛星故障預測與健康管理等潛在應用，如圖11所示。①任務分析決策，針對姿態調整、實時通信、載荷工作等衛星在軌任務，藉助伴飛數字孿生衛星產品對任務需求實現虛擬仿真分析與驗證，並生成任務策略、控制指令、配置參數等發送給物理衛星，保證任務執行的有效性和可靠性；②在軌狀態監測，通過對物理衛星實時狀態各類數據的採集與分析，實現物理衛星與虛擬衛星實時映射，並對在軌衛星進行全面狀態感知與可視化狀態監測，輔助相關分析與決策制定；③衛星系統重構與軟體更新，針對軟體定義衛星中系統重構與軟體更新的需求，藉助與物理衛星完全映射的虛擬衛星和孿生數據，對更新代碼進行仿真驗證與測試，驗證測試合格後再對物理衛星進行系統重構與軟體更新，以保證更新代碼的有效性、準確性和可靠性；④衛星故障預測與健康管理，藉助物理衛星的實時採集數據和虛擬衛星的同步映射仿真數據，以及同步更新的在軌伴飛簡化模型和地面管理複雜模型，實現模型驅動與數據驅動協同的衛星故障預測與健康管理，對故障進行預測與識別，以及對衛星的健康壽命進行分析與預測，形成故障處理或衛星回收策略。
5.5 數字孿生衛星網絡運維管理
數字孿生衛星網絡運維管理可實現衛星網絡狀態監控、網絡運維管控、網絡行為預測、網絡設計仿真等應用，如圖12所示。①網絡狀態監控，基於虛擬模型與衛星測控、網絡監控等實時信息，實現對衛星網絡的節點、星座、空間環境等物理狀態和網絡流量、網絡拓撲、網絡安全等網絡狀態的可視化監控；②網絡運維管控，藉助與物理衛星網絡實時映射的虛擬衛星網絡，對衛星網絡的性能進行分析，並結合軟體定義網絡、網絡功能虛擬化等技術對網絡行為、網絡流量、網絡資源進行定義、控制與配置，實現衛星網絡的高效運維與快速控制，有效推動衛星網絡安全維護、衛星網絡配置更新、衛星緊急組網的等功能實現；③網絡行為預測，結合網絡虛擬模型與網絡實時數據進行實時仿真，實現對網絡的未來行為的預測，並對網絡故障進行預測預警和應急處理，以保障網絡的可靠穩定；④網絡設計仿真，藉助數字孿生衛星網絡對衛星軌道設計、衛星星座設計、網絡拓撲設計、網絡路由設計、網絡協議設計進行仿真驗證，實時更新的模型與數據保證了仿真的真實性與可靠性，既可以滿足對設計方案的可行性驗證，也可以實現對設計方案和再設計方案的優化。
6 相關實踐工作
6.1 數字孿生衛星總裝車間研究及實踐
針對批量化衛星總裝型號任務特點，為解決總裝過程中信息物理融合問題，即物理融合(工裝設備交互協作)、模型融合(車間要素模型運行與交互)、數據融合(物理數據、信息數據融合及管理)、服務融合(車間管控服務調用與集成)，團隊基於數字孿生車間與數字孿生衛星的概念理論，分別在數字孿生衛星總裝車間模型構建、數據採集與控制系統實現、車間集成管控系統搭建方面進行了相關研究。
在數字孿生衛星總裝車間模型構建上，對數字孿生衛星總裝車間建模方法進行研究，並以驗證生產線為例構建車間模型。首先，對車間生產線「人—機—料—法—環」等關鍵要素的數據屬性與結構進行分析，並對所有要素特別是採集要素的具體數據模型進行了構建，研究了各要素數據結構快速構建方法與結構化定義方法。同時，基於數據模型研究了數字孿生總裝車間虛擬模型構建方法，對幾何模型、運動模型、控制模型等進行建模，實現模型的協同與融合，研究了模型交互機制，最後結合數據模型和車間規則庫等共同構建了車間級的數字孿生虛擬模型，如圖13所示。
在數據採集與控制系統實現上，對衛星總裝過程在線數據採集與傳輸系統架構進行設計研究並實現各要素數據的實時採集以及部分總裝設備的控制。針對衛星總裝過程數據多源異構且採集時機與頻率各不相同的特點，設計分布式的採集網絡架構，研究了軟硬體結合的協議處理方法，同時結合邊緣計算對每個工裝設備和工位的數據進行處理，保證了整個車間數據採集與傳輸的順暢，並與上述構建的數字孿生衛星總裝車間模型進行關聯，實現了基於實時數據驅動的模型運動與更新以及部分總裝設備的控制，如圖14所示。
在車間集成管控系統搭建上，基於數字孿生衛星總裝車間模型構建、數據採集與控制系統研究，搭建了數字孿生衛星總裝車間管控系統。系統集成了上述的虛擬模型、資料庫、採集系統以及部分設備(如AGV、機械臂等)的控制系統，實現了對車間各要素的數據實時採集與信息管理、虛擬車間實時同步與狀態監控、車間工裝設備安全實時控制、車間工藝工單自動處理等功能。研究工作應用在某衛星研製單位衛星總裝數位化批量生產驗證線中，系統相關功能在具體總裝工藝工序中得到驗證，為未來進一步開展數字孿生衛星車間工作奠定基礎，如圖15所示。
6.2 數字孿生衛星通信網絡仿真分析研究及實踐
針對未來大型衛星網絡的設計及仿真需求，為實現數字孿生衛星網絡中衛星通信網絡的仿真分析，並對衛星網絡的性能進行評估評價，團隊基於數字孿生衛星理論，在衛星網絡模型構建、衛星網絡評價體系構建、仿真分析軟體開發方面開展了相關研究與開發工作。
在衛星網絡模型構建上，分別研究了衛星網絡場景建模和衛星網絡通信行為建模。衛星通信網絡場景建模方面，基於STK(Satellite Tool Kit)內核，實現對衛星網絡衛星節點、地面站節點、地面移動節點以及星間鏈路、星地鏈路等的模型構建，模型包括節點的幾何模型、軌道/運動模型、通訊功能/性能模型和鏈路的空間幾何距離、鏈路物理屬性模型、鏈路通訊行為模型，同時實現基於數據的快速構建、星座資料庫導入構建、星座自動批量構建、鏈路自動批量構建等模型構建方法；衛星網絡通信建模方面，基於CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)相關協議，實現網絡層與傳輸層的網絡功能建模，以及多種業務類型的信源建模，實現多種優化算法驅動下的反應式路由方法，支持不同需求下不同業務的通信行為仿真，同時建立了鏈路信道分配優化機制與業務隊列調度優化方法，用以輔助相關分配機制與調度策略的制定，進而提高鏈路及網絡的通信效率。
在衛星網絡評價體系構建上，結合上述衛星網絡模型構建相關工作，針對衛星網絡的通信行為與通信業務特點，從外部用戶需求及傳輸網絡內部運行兩方面，分析並提出空間信息網絡服務質量評價體系，藉助數據分析手段實現對不同衛星網絡的通信能力、穩定性、可靠性等進行評價。上述工作如圖16所示。
在仿真分析軟體開發上，集成上述方法技術，開發衛星通信網絡仿真分析軟體。軟體實現對空間場景、網絡協議、算法等方面的自由配置，以及對衛星網絡的空間場景和網絡通信進行同時仿真計算，並基於衛星網絡傳輸服務質量評價體系，通過指標計算對衛星網路性能狀態進行評估，同時開發了數據接口支持節點、鏈路、通信業務的實時導入更新以及仿真運行結果的定製化導出。軟體實現衛星網絡場景構建、衛星網絡通信參數配置、路由及優化算法配置、衛星網絡仿真計算、網絡功能/性能評價等服務。相關研究與開發工作在某單位順利完成系統驗證驗收，為開展數字孿生衛星網絡的設計、仿真、分析功能奠定一定基礎，如圖17所示。
7 結束語
近年來，衛星產業正呈現出結構小型化、製造批量化、功能多樣化、在軌可重構、組網智能化、業務服務化、低成本商業化等發展趨勢，產業轉型升級需求態勢明顯。同時，衛星網際網路項目的激烈競爭為衛星產業帶來新的挑戰，New IT技術的蓬勃發展也為產業發展帶來了新的機遇。為了迎合發展趨勢、應對新的挑戰、把握新的機遇、滿足新的需求，本文在對以上現狀進行分析後，探討提出了數字孿生衛星的概念。
數字孿生衛星是將數字孿生與衛星工程中關鍵環節、關鍵場景、關鍵對象緊密結合，從空間維度上，與試驗驗證平台、總裝車間、衛星產品、衛星網絡等對象或場景實時映射，實現更優更快的仿真、監控、評估、預測、優化和控制；從時間維度上，與總體設計、詳細設計、生產製造、在軌管控、網絡運維等環節真實同步，形成貫穿衛星工程全生命周期的模型線程、數據線程、服務線程，並進而輔助衛星工程各階段管控與協同。在詳細闡述數字孿生衛星概念及內涵後，對數字孿生衛星的關鍵技術及其在衛星工程全生命周期中的應用設想進行研究與探討，並對團隊已開展的相關前期實踐工作進行了介紹。
本文是在團隊前期相關研究工作基礎上，總結形成的探索性研究與應用設想，希望相關工作能為數字孿生在衛星產業的進一步發展應用提供參考，同時能夠拋磚引玉，引發更多專業人士對數字孿生在衛星產業的應用進行探討與研究。未來將進一步完善和優化數字孿生衛星概念理論框架，同時深入研究相關關鍵技術，並在不同方面開展更加深入的應用研究。衛星產業複雜且龐大，本文限於認識水平和篇幅，在細節和覆蓋度上難免有不足和疏漏之處，懇請國內外專家和同行多多批評指正！
初審：楊瑞芳
覆審：宋啟凡
終審：金 君
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