引言：基於模型的系統工程是衛星工程設計研製的理論基礎，構建數字衛星是總體設計單位的重要工作。
數字系統即針對一個特定物理系統所構建的數學模型，生存在數字環境中，與物理世界相對應的數字世界便是由數字系統和數字環境組成。在具體概念上，早在1997年，美國國防部首先提出了虛擬樣機（Virtual Prototyping）的概念。作為建立在計算機上的原型系統，虛擬樣機現已成為設計部門評估和交流設計的必要工具，在系統維和時間維上強調數字系統對物理系統的完整對映，但並未對數字世界和物理世界的互動程度進行定義。
5年後，也就是2003年，Michael Grieves博士在美國密歇根大學的產品全生命週期管理課程上提出數字孿生（Digital Twin）的概念，並聯合美國空軍研究實驗室將數字孿生定義為充分利用數學模型、感測器更新、執行歷史等資料，整合了多學科、多物理量、多尺度、多機率，在數字世界中完成對物理系統完整對映，能刻畫和反映真實物理系統全生命期的模擬過程。數字孿生不僅豐富了虛擬樣機對數字模型的要求，還定義了數字世界和物理世界的互動融合特徵。數字孿生後來被廣泛接受，並認為是新一代工業革命的基石。
系統越複雜，按系統工程方法決策的價值越大。傳統的基於文字的系統工程（Document-Based Systems Engineering，DBSE）適合定性分析，卻沒有充分利用數字系統的優勢。對此，國際系統工程學會（International Council on Systems Engineering，INCOSE）於2007年提出了基於模型的系統工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）概念，並於2008年進一步明解了MBSE對設計、分析、驗證和確認等活動的支援。
美國
美國在虛擬樣機、MBSE、數字孿生等研究方面起步較早。實際上，早在1990年之前，休斯公司和勞拉公司的動態模擬器就不僅作為衛星操作員的訓練裝置，而是便於同一衛星工程不同技術團隊相互交流的工具。根據1997年的文獻報導，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）開發了一套基於Simulink的全子系統模擬、有整星尺度的耦合的衛星模擬器（The Spacecraft Simulator，SPASIM），但天體尺度的環境模型部分較簡化，沒有體現出部件尺度的模型特點。同年，休斯公司的H601模擬器就已實現了姿控、電、熱、推進、測控、載荷子系統的硬體在環模擬。
▲休斯公司和勞拉公司曾與中國長城工業公司在火箭商業發射服務中有過合作。
美國空軍技術學院在1999年公開的SIMSAT衛星整星模擬器，能夠支援姿控、供電、測控、通訊、結構、推進子系統的模擬。2004年文獻報導的FAST系統，是一套編隊飛行的衛星模擬器，考慮了姿軌耦合、整星尺度的半物理模擬。2005年，NASA提供了一套開源的航天任務分析軟體JAT，支援天體到衛星尺度的姿軌控動力學模擬。
商業方面，從2010年發表的文獻看，SpaceX為發射控制中心的操作員開發了一套航天器發射和在軌控制系統，後續又在公開網站上為航天愛好者提供了飛船與國際空間站對接模擬器（International Space Station Docking Simulator），但公開文獻中無其內部航天器模擬軟體的詳情。從SpaceX公司的技術發展過程看，產品更注重大規模生產能力，對個性化衛星的定製要求不高，對程式碼自動生成功能的需求有限。
根據2013年的文獻，NASA已開發了MBSE架構，並在立方體衛星（Cube Satellite，CubeSat）、火情預警衛星（Fire Satellite，FireSat）的設計中得到應用。NASA制訂了衛星生命週期中模型使用及複用的基礎架構NIMA，支援軟體模組複用、文件與報告的自動生成；2015年發表的文獻證實，該系統模擬粒度達到了部件級，可以在電信介面上和真實衛星保持一致。
從2016年的文獻來看，以NOS3（NASA Operational Simulator for Small Satellites）為代表的產品較好地繼承了休斯和勞拉公司的技術傳統，實現了對衛星全生命期的完整支援。
美國洛馬、SpaceX、ANSYS、引數技術公司等均在數字孿生技術方面開展了大量的研究和探索工作，在設計、製造等方面取得巨大成效。截至目前，SpaceX幾乎代表著航天領域的美國先進水平，但鮮少有數字衛星相關的公開資料流出。
歐洲
歐洲航天局（European Space Agency，ESA）也積極地應用MBSE並取得一定成果。ESA的SIMULUS-M率先實現了模擬程式碼的自動生成功能，產品透明度較高，可在官網上查到相關資料（見參考文獻2）。
2000年，荷蘭航天機構研發了可配置模擬工具EuroSim，透過硬體在環實時模擬，可在可行性、工程化、樣機、轉移測試以及操作培訓的每個階段都能發揮作用。
2002年文獻中，第一代伽利略系統模擬程式（Galileo System Simulation Facility，GSSF）實現了姿軌控與導航耦合，達到了系統級模擬。
2006年的文獻中，將SIMSAT3.0作為模擬核心，用SMP2.0標準建立起了更強大的伽利略系統的星座模擬器，包含多粒度的衛星模型、從簡單功能模型到全子系統高保真模型3個級別。
2008年的文獻中，提出了一種基於SMP2.0標準的參考航天器模擬器架構，定義了全子系統部件級介面與耦合關係，應用SIMULUS4.0完成建模與測試，為 ESA以後的模擬器開發提供參考。
2012年文獻中展示了效能指標工具（Performance Indicator Tool，PIT）及其提高基於SIMULUS的操作航天器模擬器的程式碼質量和效能方面的適用性過程。
2013年德國航空中心開發OS3開源衛星模擬器，在姿軌控測控子系統模型方面具有較高精度，具備與真實衛星資料比對驗證的能力，透過模組化結構提高系統的擴充套件性和複用性。
值得注意的是，2012年巴西CBERS3&4衛星模擬器便採用SMP2標準以增強模型的可重用性；2016年法國MERLIN任務的衛星訓練操作與維護模擬器TOMS也支援SMP2標準。
國內
近年來，國內主要對MBSE在航天器研製和載人航天方面進行了探索，在大型複雜衛星和衛星總體設計方面也進行了相應研究。同時，國內積極探討數字孿生系統的概念和應用問題，提出了數字孿生五維模型的概念，指出了數字孿生在衛星/空間通訊網路等領域的落地應用探索與實施過程中所需突破的關鍵技術，討論了建立數字孿生系統標準體系架構等問題。
儘管國內數字化衛星工程方面已有一定進展，但隨著批次衛星快速研製生產、在軌運維等方面的新需求，亟需針對基於數字衛星的模擬系統進一步研究。特別是當前使用的基於模擬監控臺和全數字模擬系統框架開發的數字衛星僅支援單星模擬，無法滿足星座協同模擬需求，且數字衛星內部各模組軟體耦合性高、模組間採用傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）進行資料互動，導致數字衛星模擬加速比不高、外部軟體與數字衛星無法直接互動。
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，開發、測試人員可在該虛擬執行環境上進行軟體開發、軟體測試和軟體驗證活動。
目前，SkyEye已實現基於AT697、龍芯等嵌入式處理器的衛星載荷系統的全數字模擬，支援程式碼在虛擬模擬平臺上執行，同時支援程式碼質量分析等測試任務。
▲SkyEye載荷系統模擬
此外，基於多領域分散式系統模擬平臺DigiThread，SkyEye可與其他模擬軟體協同，構建完整的衛星數字孿生。真實衛星的執行資料可在衛星數字模型中實現超實時模擬，模擬結果透過視覺化應用呈現，以供分析、預測真實衛星的未來走向，有助於使用者進行後續決策並最佳化物理實體。
▲數字孿生衛星示意圖
參考文獻
1.董雲峰,李智,雷鳴.數字衛星概念研究[J].上海航天(中英文),2021,38(01):1-12.DOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2021.01.001.
2.https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2013/10/SIMULUS-M.