國外數字孿生衛星技術發展概述

前言：衛星行業處於航天創新的前沿，隨著越來越多的太空科技公司進入衛星市場(其中尤以商業近地軌道星座為主)，該行業正在經歷快速的數字化轉型。作為資本與技術密集型行業，其數字化轉型的關鍵正是數字孿生技術。

 

全球衛星產業發展
目前，全球太空業務不斷髮展壯大，商業衛星行業繼續佔據主導地位。2022年6月29日，美國衛星工業協會(SIA)釋出第25份衛星行業年度狀況報告，報告顯示2021年全球航天經濟整體收入3860億美元，其中衛星產業收入2790億美元、佔比72%，較2020年增長3%。該行業主要領域2021年收入概況如下：

衛星製造業收入137億美元，相比2020年增長12%;

衛星發射業收入57億美元,相比2020年增長8%;

衛星服務業收入1180億美元,比上一年增長0.4%;

地面裝置製造業收入1420億美元,比上一年增長5%。

 

2021年全球衛星產業收入概況
數字孿生技術
隨著衛星產業的不斷擴張，數字化、網路化、智慧化、服務化轉型正成為衛星市場的發展熱潮，數字孿生技術已成為衛星領域數字化戰略的關鍵。該技術重要性不在於數字孿生體的建立，而在於利用數字孿生體創造更多的價值。透過數字孿生技術，可以監控物理實體的效能、最佳化維護、提供生命週期資料以改進設計等。

 

數字孿生概念
數字孿生技術需要將各種來源的資訊和不同的介面相結合，在一個框架中整合不同子系統的實時資料、歷史資料和模擬資料。因此需要穩定的感測器和可靠的資料傳輸技術來確保獲取所有相關資料。當前雲端計算和人工智慧極大程度上促進了數字孿生技術的發展，雲端計算有助於進行資料處理，人工智慧有助於進行高階分析並提供預測能力。
數字孿生衛星技術路線圖
2022年3月，英國劍橋大學的Veronica Martinez博士和Nicolai F.Huss在對航天公司和衛星運營商的資訊長、董事、經理、主管以及衛星和數字孿生技術專家進行了一年多的調查研究後，從5個層面制定了數字孿生衛星技術發展路線圖。
頂層為戰略層
該層展示了航空航天企業從傳統工程服務提供商向安全服務提供商、數字服務提供商的轉變。

 

戰略層
第二層為價值/市場層
該層從公司和市場的角度證明了實施數字孿生技術的必要性。從市場的角度總結了實施數字孿生技術的三個主要驅動力：

§  數字化趨勢。受到空間私有化、衛星小型化、基於空間資料的服務新型化3方面的推動，當前的衛星行業正在向數字化方向發展，亞馬遜、太空探索技術公司等均在利用新技術構建和管理衛星星座。

§  空間擁擠加劇。空間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險，另一方面，越來越多的活動衛星會導致訊號干擾。數字孿生技術可以透過基於人工智慧的碰撞和干擾預測模型來減少空間碎片，同時可以支援現有的跟蹤方法增強衛星的防撞系統。

§  行業增長。

 

價值/市場層
從公司的角度總結了實施數字孿生技術的好處：

§  提高服務可用性。數字孿生技術可以在安全的環境中對整個衛星應用場景進行建模，最大限度的提高衛星的自我修復、防撞和應對網路攻擊能力，並獲得更為準確的壽命預測能力，從而提高衛星的服務可用性。

§  降低運營成本。源於在安全的虛擬環境中進行測試從而降低故障成本。
第三層為服務層
該層從三個不同階段展示了基於數字孿生技術的服務如何產生實際價值。

§  在第一階段，單個衛星的數字孿生體可以提供飛行動態顯示、故障診斷和預測等服務。此外，利用數字孿生體進行設計改進，可以在衛星關鍵部件上進行測試，如評估衛星電池組退化情況等。

§  在第二階段，透過整個衛星群及其環境的數字孿生體提供連線、安全服務。由於對衛星及環境進行了建模，可以模擬碰撞的情況，因此使得評估威脅成為可能。此外，擁有整個星座的數字孿生體之後，可以有效的補償單個衛星的故障。

§  第三階段為多領域的整合，其特點是資源的有效分配，對終端使用者表現為無縫整合。

 

 

服務層
第四層為技術層
該層介紹了開發和部署數字孿生體的步驟。首先定義目標實體並確定要建模的詳細程度，一旦定義了實體就必須對數字孿生平臺和軟體達成一致;然後透過建模語言來建立衛星系統的模型;下一步透過資料整合在物理實體和虛擬模型之間建立連線，在這個階段透過實時遙測資料和模型資料之間的資料解析和資料對映策略來維護資料互操作性;接下來透過資料對映，將測量值與預測值進行比較，並使用ID3等演算法進行故障警告;最後透過高階分析方法實現模式識別和行為預測。

 

技術層
第五層為風險分析層
空間作為一個具有不同引數的獨特環境，太陽輻射、熱量、重力等因素都要考慮進去，這就產生了成本效益權衡等問題。該層描述了實施數字孿生的重要風險，以及如何降低風險。

 

風險分析層
國外典型數字孿生衛星應用
GPS數字孿生衛星
2018年，美國空軍面對美國國會授權測試其GPS系統是否存在網路漏洞，委託Booz Allen Hamilton公司建立了GPS Block ⅡR衛星的數字孿生體，然後嘗試破解該系統,測試物件包括衛星、地面控制站以及星地鏈路。
該專案從基於模型的系統工程(MBSE)審查開始，提供了數千頁有關衛星物理設計的文件。Booz Allen Hamilton公司的四名工程師從2018年6月到2018年12月完成了軟體開發，僅用了6個月時間，軟體精簡程度可以滿足在膝上型電腦上執行，以展示和驗證網路漏洞。透過該方式避免了對衛星進行破壞性測試。
Digital Space Twin軟體
2022年3月31日，美國Slingshot Aerospace公司發表宣告稱，該公司已獲得美國太空部隊(USSF)太空系統司令部(SSC)一份價值2500萬美元、為期39個月的合同。根據該合同，Slingshot Aerospace公司將繼續開發Digital Space Twin軟體，並部署Slingshot實驗室教育和培訓系統。美國太空部隊旨在利用Digital Space Twin軟體的進行兵棋推演、任務規劃以及航天器和星座設計。

 

Digital Space Twin軟體
小結
50年前的阿波羅13任務透過複製機械物體開啟了“物理孿生1.0”;之後工程師利用虛擬建模模擬開啟了“數字孿生2.0”;隨著人工智慧和雲端計算的發展，工程師們將AI層新增到數字孿生體中開啟了“數字孿生3.0”。目前各行業已經對數字孿生技術開展了廣泛的探索和實踐，隨著數字孿生技術與衛星產業的結合，將推動衛星產業的快速發展。