浅析数字孪生卫星概念、关键技术及应用
摘要：在分析卫星产业发展趋势与升级转型新thread技术
需求后，为推动卫星与新技术融合发展，提升大型卫星工程的整体管理水平与流程管控能力，促进卫星产业数字化、网络化、智能化、服务化转型升级，将数字孪生技术与卫星工程的关键环节、关键场景、关键对象紧密结合，探讨提出了数字孪生卫星的概念。为阐述数字孪生卫星内涵，以卫星互联网项目为背景，从空间维度对数字孪生卫星的组成进行了分析，包括数字孪生卫星试验验证系统、数字孪生卫星总装车间、数字孪生卫星产品、数字孪生卫星网络等。从时间维度对数字孪生卫星核心要素，包括模型线程(Model Thread)、数据线程(Data Thread)、服务线程(Service Thread)，进行了阐述。在此基础上提出了数字孪生卫星关键技术体系，并结合前期已开展的相关实践工作，从全生命周期视角对数字孪生卫星在卫星总体设计、详细设计、生产制造(含装配、集成与测试)、在轨服务与健康管理、网络运维管理各阶段的应用进行了探讨，以期为未来卫星产业发展，卫星工程和卫星互联网工程建设提供参考。
关键词：数字孪生卫星；数字孪生；卫星工程；卫星互联网；数字孪生五维模型；全生命周期；新一代信息技术
1.卫星产业发展趋势与新需求
卫星作为发射数量最多、应用最广、发展最快的航天器，正改变着人类的生活，影响着人类的文明。近年来，卫星产业发展迅猛，数字化、网络化、智能化、服务化[1]转型升级需求日益增长，并随着多波束天线技术、频率复用技术[2]、高级调制方案、软件定义无线电[3]、软件定义载荷、软件定义网络[4]、微小卫星制造[5]，以及一箭多星、火箭回收等技术的发展与成熟，卫星产业正呈现出结构小型化、制造批量化、功能多样化、在轨可重构、星座巨型化、组网智能化、业务服务化、天地一体化互联、低成本商业化等发展趋势。
在新技术发展和多样化需求的双驱动下，更多大型卫星工程的实现成为了可能，同时也为卫星产业带来了相应的新挑战。如基于低轨卫星通信系统的卫星互联网项目，近年引起了高度关注，形成了全球性的发展热潮，OneWeb、SpaceX、TeleSat、LeoSat 等公司相继发布其通信卫星星座计划，并紧锣密鼓地开展相关建设工作[6]。中国航天科技集团的鸿雁全球卫星星座通信系统与中国航天科工集团的虹云工程也以实现全球卫星通信为目的而
提出。卫星互联网项目星座规模大(从100颗到12 000颗)、建
设周期短(轨道和频率资源有限，先到先得，星座建设分秒必争)、项目流程长(星座设计、轨道设计、网络设计、批量制造、卫星发射、在轨组网、网络运维等)、投入成本高(卫星批量化制造、卫星高密度发射、卫星星座维护等)，由此卫星工程的设计、实施、管理等能力面临巨大挑战。针对卫星互联网等项目，
各阶段虽已开展一定的数字化工作，如基于模型的系统工程(Model Based System Engineering, MBSE)等研究[7]，但在卫星工程全生命周期中仍存在部分系统数字化程度低、系统间信息交互能力弱、流程间模型演化与数据关联能力差等不足或问题，且卫星产品、卫星车间、卫星网络等的数字化、网络化、智能化、服务化水平仍不能满足快速响应、实时管控、高效智能、灵活重构、便捷易用等多样化需求。同时，卫星产业出现与以云计算、物联网、大数据、区块链、人工智能等为代表的新一代信息技术(New IT)进一步融合发展的趋势。如美国陆军设计新的窄带卫星通信体系结构，并在设计中引入机器学习和人工智能技术，以提升在网络管理、自动控制和系统互操作性等方面的能力[8]；Orbital Insight和佳格天地等国内外企业探索挖掘卫星大数据应用，以支撑国土、林业、海洋、农业、规划、交通、气象、环保、工信等诸多领域大数据创新应用[9]；华为公司为亚太卫星控股有限公司打造云计算数据中心，提供设备与平台的业务服务[10]；SpaceChain公司获得欧洲太空总署(ESA)的技术支持，推进卫星区块链技术的商业服务与应用发展[11]。上述卫星工程面临的新
挑战与发展趋势，对卫星产业发展提出了以下新需求：(1)数字化、网络化、智能化、服务化转型升级新需求卫星互联网项目的发展热潮，在设计、制造、运维等方面都给卫星产业带来了巨大冲击，卫星产业的数字化、网络化、智能化、服务化转型升级刻不容缓。主要体现为：①在数字化方面，通过对全要素、全流程、全业务、全系统的数字化，有效借助信息技术实现信息物理充分融合，推进实现模型、数据、仿真驱动的系统工程管理、流程控制、决策验证等，从而大大提升设计、制造、运维各流程的质量
与效率；②在网络化方面，借助互联网、物联网、工业互联网等实现各要素、各系统、各阶段间互联互通，并促进模型间、数据间、业务间的交互与融合，进而提升信息交互、系统集成、部门合作的效率，同时，卫星星座网络化也是通信行业发展的必然趋势；③在智能化方面，基于数字化与网络化，借助智能卫星、智能设备、大数据、人工智能等技术，实现对数据、知识、经验的分析挖掘，进而提高自动控制、设备管控、网络管理、系统运行等环节的自组织、自同步、自学习、自适应能力；④在服务化方面，一方面，提高卫星产业内不同阶段、不同对象、不同系统、不同应用场景的服务化水平，提升应用、管理、协作效率，另一方面，加强卫星产业的应用业务服务化、系统平台服务化、卫星资源服务化，提高服务和应用的质量与效益。(2)卫星产业与New IT技术融合发展新需求随着云计算、物联网、大数据、区块链、人工智能、虚拟现实(Virtual Reality, VR)和增强现实
(Augmented Reality, AR)等New IT技术的迅速发展与广泛应用，卫星产业与New IT技术融合发展已成为必然趋势，两者将成为相互促进、共同发展的关系，这既是外界系统环境的需求，也是行业内部发展的需求。一方面，New IT技术的大面积发展应用促使卫星产业需要在接口、功能、应用上与New IT技术进行对接，并出现基于卫星互联网的大型物联网、基于卫星遥感数据的大数据挖掘分析等应用研究；另一方面，卫星产业的进一步发展转型，也离不开New IT技术的支持，并产生基于云计算的卫星数据存储和业务服务、基于物联网的卫星总装车间各要素感知互联、基于大数据的卫星数据分析与决策、基于区块链的卫星网络安全维护、基于人工智能的卫星智能管控和网络智能管理、基于VR和AR的卫星装配工艺
可视化及培训等方面的探索与应用。(3)卫星系统工程协同管理新需求卫星互联网等项目比以往更加依赖各专业、各阶段、各系统间的协同，由此对卫星系统工程管理提出更高的要求。①专业性上，不仅需要传统卫星研制相关专业的参与，还需要网络设计、网络运营、网络服务提供商等领域专家的参与，专业跨度更大；②阶段性上，从卫星互联网总体设计到卫星互联网运维，从卫星详细设计到卫星在轨管控，彼此间模型、数据、服务的依赖程度更大，不同阶段间的合作需求更大；
③系统性上，卫星互联网工程需要卫星研制、运载火箭、发射场地、测运控系统、网络运营、卫星及地面互联网服务提供商等诸多系统彼此协同才能实现并应用，系统组成与分布更复杂。实现

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