一箭15星丨數字樣機:商業航天創新發展的關鍵引擎

迪捷软件發表於2024-11-22
​2024年11月11日12時03分,力箭一號遙五運載火箭在東風商業航天創新試驗區發射升空,一次性將所搭載的15顆衛星順利送入預定軌道。
一箭15星丨數字樣機:商業航天創新發展的關鍵引擎
▲力箭一號遙五運載火箭發射現場
​此次任務是力箭一號運載火箭的第五次飛行,也是中國商業航天企業首次向國際使用者提供發射服務。15顆衛星中的其中一顆是由深圳航天東方紅衛星有限公司等多方合作,為阿曼客戶定製的一顆智慧遙感光學計算衛星。這顆衛星的亮點在於其搭載了先進的AI計算載荷,並配備了智慧作業系統,能夠在軌進行高效的資料處理與分析,可廣泛應用於國土詳查、城市規劃、森林調查、災害監測等多個領域,可以為使用者提供更加精準、及時的資料支援。此舉標誌著力箭一號運載火箭已正式進入國際商業市場,開啟了國際商業發射的新篇章。

1.商業航天發展歷程

我國航天產業發展於1956年。1970年,長征一號運載火箭完成了我國第一顆人造衛星“東方紅一號”的發射升空,1984年完成了第一顆通訊衛星的發射,自此我國已成熟掌握了運載火箭發射、衛星製造、衛星通訊等航天產業技術。在商業航天的概念和支援政策出臺前,我國航天產業主要目標是服務國家重大專項任務,參與主體主要是航天科技集團、航天科工集團等央國企和相關體制內單位,積累的成熟技術和智慧財產權並未進行商業轉化。
轉變始於2014年11月,國務院印發《關於創新重點領域投融資機制鼓勵社會投資的指導意見》,“鼓勵民營資本參與商業遙感衛星的研發、發射和運營”,標誌著我國商業航天拉開帷幕。​
中國航天工業質量協會統計資料顯示,從2015年至2020年,我國商業航天產值由3764.2億元增長至超過萬億元,年均增長率達22%,2024年我國商業航天市場規模預計將超2.3萬億元。
一箭15星丨數字樣機:商業航天創新發展的關鍵引擎
​細分型別上,衛星遙感、衛星通訊與衛星導航的佔比分別達到了46.78%、36.42%與16.07%,整體科技含量較高,2023年度商業航天專利統計中的發明專利佔比高達73.5%。然而,在如火如荼的發展勢頭下,我國商業航天也面臨高技術、高附加值產業普遍會遇到的問題:市場回報尚未充分顯現,許多企業短期內無法盈利,高度依賴融資。
商業航天最為人熟知的應用之一是透過部署成千上萬顆通訊衛星構建“星鏈”,來實現更高效、更可靠的通訊,進而創造市場價值。然而,這些市場價值的兌現,要以大量衛星部署為前提。在基礎設施條件完善之前,產品無法實現規模化、常態化應用,相關企業盈利之路尤為艱難。此外,商業航天企業“一命繫於發射”的殘酷現實,也使試錯成本高昂,因此出現了商業航天企業高創業率與高淘汰率並存的現狀。

2.數字樣機in商業航天

“一命繫於發射”的魔咒可使用數字樣機技術得到極大改善:火箭與衛星的設計與研發需要高度複雜的多學科協作,又有著極高的安全性要求,正是數字樣機技術的舒適區。
數字樣機是數字孿生技術的一個重要應用領域,通常指透過虛擬模型對產品進行全方位的數字化設計和測試,減少物理樣機的製作成本和週期。在衛星研發中,數字樣機可以幫助工程師快速驗證設計方案,最佳化系統效能,並有效降低失敗風險。
以衛星領域為例,基於數字樣機技術構建的數字衛星有著如下優勢:
1. 使用高精度的主動虛擬模型,能夠實現衛星系統的超高保真模擬,有助於衛星電力系統動態任務規劃,並能基於大資料建立最為合理的維護策略,可根據主觀單一或多個變數的條件變化快速輸出結果。
2. 能夠對物理實體進行實時監測及分析,實現精準最佳化和控制,為基於模型的管理實踐和決策分析提供了強大的工具,有利於取代衛星領域傳統高成本、高風險的物理試驗。
在數字衛星的實際構建中,需要透過軟體模擬出真實在軌衛星的硬體,實現星上軟體在模擬硬體上執行,同時利用協同模擬平臺連線各個模擬模型(包括動力學模型)對衛星執行姿態進行實時或超實時模擬的模擬工程。數字衛星既能驗證軟體執行的正確性,也能透過超實時模擬技術提前獲取衛星的執行狀態,從而採集模擬資料量進行分析,實現“雙星同步”。

3.構建數字衛星

天目全數字實時模擬軟體SkyEye是一款國產自主的基於視覺化建模的硬體行為級模擬平臺,滿足數字衛星模擬“低耦合、高相容”的原則,能夠為衛星嵌入式軟體提供虛擬化執行環境。
使用者可基於SkyEye搭建一套基於虛擬計算機模型的姿軌控嵌入式軟體的開發、模擬和驗證系統,支援與Simulink模擬模型的系統模擬,可實現全數字高速閉環模擬執行。
一箭15星丨數字樣機:商業航天創新發展的關鍵引擎
根據上圖所示,數字衛星架構由以下幾部分組成:
1. 虛擬計算機模型:基於SkyEye搭建的虛擬處理器,實現虛擬處理器上翼輝作業系統和星上軟體的正確執行。
2. 動力學模型和姿軌控模型:包括姿控模型、熱控模型、數傳模型、測控模型、載荷模型、供配電模型。模型將接收軟體或者上位機的指令,並輸出正確的動力學模型和姿軌控模型資料結果。
3. 協同模擬軟體:多領域分散式協同模擬平臺DigiThread作為控制多個模擬模型工程的軟體工具,主要功能是向模擬晶片和動力學模型提供協同模擬介面,承擔數字衛星工程搭建、控制、時鐘同步和資料互動的功能。
4. 上位機軟體(視覺化模擬環境)。
在多領域分散式協同模擬平臺DigiThread及SkyEye的協作下,可實現全系統全虛擬模擬,即計算機系統、動力學模型、姿軌控模型、遙測軟體、資料動態曲線繪製。雙星同步得以實現,處理器執行速度相較真實硬體能夠得到5倍的大幅提升,整體效能提升3倍,且模擬速度能夠隨意控制,大幅度縮短使用者的測試時間。

相關文章