數(shù)字太空、孿生系統(tǒng)及應(yīng)用

+王世金（數(shù)字太空智能技術(shù)研究院）林宇生（中國電子科技集團(tuán)第54研究所）

一、太空進(jìn)入3.0時代

自1957年第1顆人造衛(wèi)星上天以來，太空產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了60余年成長，2018年已具備2980億美元的市場規(guī)模（Euroconsult ’ Space Economy Report 2019’）。數(shù)字太空研究院將太空發(fā)展歷程劃分為3個時代。

太空1.0——競爭探索時代（1957～1992），以美蘇太空競爭探索為主要特征。標(biāo)志事件有1957年第1顆衛(wèi)星、1961年人類第1次進(jìn)入太空、1969年人類第1次登上月球、1982年航天飛機(jī)首次商業(yè)飛行、1977年發(fā)射的旅行者在1982年首次飛臨土星等。

太空2.0——體系構(gòu)建時代（1993～2016），以各航天大國面向應(yīng)用構(gòu)建航天業(yè)務(wù)體系為主要特征，美、歐、中、俄等國家的通信、遙感、導(dǎo)航等衛(wèi)星業(yè)務(wù)體系基本形成。標(biāo)志事件有1993年美國GPS系統(tǒng)建成并提供服務(wù)、1998年國際空間站開始組建、1999年我國神舟一號發(fā)射、2001年快鳥衛(wèi)星對地全色遙感分辨率達(dá)到0.61米、2009年第4代高通量海事通信衛(wèi)星開始提供陸?？杖蛞苿訉拵Х?wù)等。

太空3.0——融合應(yīng)用時代（2017～），以幾百顆至幾萬顆的衛(wèi)星星座為特征，以天地信息互連、全球快速洞察為業(yè)務(wù)方向，將給全球信息產(chǎn)業(yè)帶來革命性影響。2017年印度1箭發(fā)射104顆衛(wèi)星，其中88顆是Planet公司的遙感衛(wèi)星，2019年該公司又一次發(fā)射了146顆遙感衛(wèi)星，累計發(fā)射了351顆遙感衛(wèi)星，基本實(shí)現(xiàn)“洞察地球變化速度”的愿景。2019年SpaceX的42000顆Starlink計劃開始發(fā)射組網(wǎng)，截止到2020年6月13日已發(fā)射了540顆，并將在今年啟動天地互連服務(wù)。我國正在實(shí)施的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、高分辨率對地觀測系統(tǒng)、長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司的吉林一號星座等也逐漸提升了我國天地信息融合應(yīng)用的能力。（參見圖1）

圖1 近20年來全球每年發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量（截止到2020年4月1日）

融合應(yīng)用階段剛剛開始，其革命性的天地信息融合效應(yīng)還未顯現(xiàn)。但可以預(yù)見：每天，甚至小時量級的對全球活動和變化的連續(xù)觀測，全球無死角的快速通信連接，以及數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)的助力，地球活動的準(zhǔn)實(shí)時在線，將對軍事、經(jīng)濟(jì)、社會產(chǎn)生前所未有的影響。全球信息網(wǎng)絡(luò)將由二維地表層，走向天空地一體的三維空間。全球一個村，不再是一個愿望，而是信息現(xiàn)實(shí)，并逐漸改變?nèi)说恼J(rèn)知。雖然全球化當(dāng)前處于倒退狀態(tài)，但5～10年后全球化將逐漸上升到一個新的層面。

二、數(shù)字太空需求

1.認(rèn)識太空

太空除星體外不是空無一物，其間充斥著電磁場、等離子體、粒子輻射、中性氣體等環(huán)境物質(zhì)，其劇烈的變化稱為“太空天氣Space Weather”，對衛(wèi)星、空間站等太空活動，甚至地面的通信導(dǎo)航、航空飛行、大型電網(wǎng)、輸油管網(wǎng)都有重要的影響。

太空是衛(wèi)星、空間站、洲際導(dǎo)彈等航天器的飛行空間。這些航天器的軌道、姿態(tài)、能源、通信、載荷等都有很強(qiáng)的物理模型和工程技術(shù)屬性。在太空3.0時代，衛(wèi)星不再是孤立個體，它與星座其它衛(wèi)星、地面運(yùn)維、應(yīng)用終端構(gòu)成有機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是天地信息網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)。智能技術(shù)已走進(jìn)衛(wèi)星，衛(wèi)星逐漸具備從感知、診斷，到推演、決策，再到自主控制的能力。

人類進(jìn)入太空、利用太空，最終目的是服務(wù)人類?，F(xiàn)今廣播電視、導(dǎo)航定位、海上通信、應(yīng)急通信、氣象海洋、環(huán)境監(jiān)控、國土普查、偵察監(jiān)視、導(dǎo)彈預(yù)警等等都強(qiáng)烈依賴衛(wèi)星。在太空3.0時代，太空提供的不僅是傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙感等能力，還在萬物互聯(lián)方面提供全球的快速整合與接入能力。即太空具備將全球各離散的信息網(wǎng)整合成統(tǒng)一網(wǎng)的能力，其次未來的太空信息中心還具備太空遙感、情報等信息處理、任務(wù)決策的能力，太空將成為地球信息網(wǎng)的大腦或大腦的天基備份。天地一體的信息融合應(yīng)用將逐步改變現(xiàn)今的信息運(yùn)作業(yè)態(tài)，從全球快速感知、風(fēng)險預(yù)警，到?jīng)Q策應(yīng)對都會帶來革命性的變化。

太空具備公域?qū)傩?。別國飛機(jī)未經(jīng)允許進(jìn)入一個主權(quán)國家是非法的，但別國衛(wèi)星飛臨主權(quán)國家上空遙感觀察符合國際公約。當(dāng)前發(fā)達(dá)國家的光學(xué)遙感衛(wèi)星已具備0.1米分辨率，地面活動幾乎一覽無余。而正在研發(fā)的0.1米分辨雷達(dá)衛(wèi)星將實(shí)現(xiàn)陰天、夜晚的全天候觀察。國際太空法倡導(dǎo)和平利用太空，但當(dāng)前已知其歸屬的在軌2667顆衛(wèi)星中，具備軍事屬性有483顆，占比18.1%（Satellite Database of Union of Concerned Scientists）。即便商用的SpaceX的星鏈計劃，美軍也參與其中。察打一體不僅是無人機(jī)，天地一體的綜合察打指控能力更強(qiáng)大，太空威懾已成為某大國軍事戰(zhàn)略的重要組成部分。衛(wèi)星軌道的可預(yù)測性和衛(wèi)星防護(hù)的薄弱性，使未來天地信息體系的安全性和脆弱性凸顯。當(dāng)全球天地一體信息網(wǎng)絡(luò)形成之后，太空安全、信息安全、國家安全是各國必須引起高度重視的方面。

2.數(shù)字太空需求

信息技術(shù)的發(fā)展，使全球數(shù)字化迅速普及。2018年47個國家的數(shù)字經(jīng)濟(jì)總規(guī)模超過30.2萬億美元，占GDP比重高達(dá)40.3%（中國信息通信研究院《全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)新圖景（2019年）》）。數(shù)字化不僅在通信、金融、電商、娛樂、政務(wù)等人文世界普及，也悄然改變自然、地理、環(huán)境等物理世界的認(rèn)知和表達(dá)形態(tài)。1998年美國副總統(tǒng)戈爾發(fā)表“數(shù)字地球：認(rèn)識二十一世紀(jì)我們所居住的星球”，首次提出了“數(shù)字地球Digital Earth”的概念。2016年魏奉思院士發(fā)表“數(shù)字空間是空間科技戰(zhàn)略新高地”，首次提出了“數(shù)字空間”概念。同年中國科學(xué)院學(xué)部咨委會批準(zhǔn)設(shè)立《數(shù)字空間戰(zhàn)略研究》院士咨詢項目，組織國內(nèi)相關(guān)專家開展戰(zhàn)略研究。數(shù)字太空研究院在此背景下得以成立。

數(shù)字太空研究院認(rèn)為太空數(shù)字化是全球數(shù)字化和太空3.0發(fā)展的必然趨勢，數(shù)字太空是太空數(shù)字化的必然結(jié)果。其戰(zhàn)略需求包括如下4個方面。

第一：太空認(rèn)知的需求。

人類自進(jìn)入太空僅有60余年歷史，太空的內(nèi)容多樣、系統(tǒng)復(fù)雜，遙遠(yuǎn)不可見、遠(yuǎn)離大眾生活、技術(shù)快速迭代等特性，不僅是普通公眾，就是太空從業(yè)人員也只是略知一二，這極大地影響了對太空的認(rèn)知、管理和應(yīng)用。太空環(huán)境、衛(wèi)星工程、太空應(yīng)用、太空安全等內(nèi)容不是文字、公式、圖片所能表達(dá)的，需要通過數(shù)據(jù)、算法、模型，以及信息技術(shù)，構(gòu)建1個系統(tǒng)的、活動的、可見的“數(shù)字太空”，為普通公眾、從業(yè)人員、管理決策者提供一個具象的太空認(rèn)知、管理和應(yīng)用工具，將為整個行業(yè)的發(fā)展奠定認(rèn)知基礎(chǔ)。

第二：衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的需求。

在太空3.0時代，衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入數(shù)字和智能階段，從衛(wèi)星工程論證、設(shè)計研制、試驗(yàn)驗(yàn)證（模飛演練）、發(fā)射入軌，到測運(yùn)控管理（尤其是任務(wù)規(guī)劃和健康管理）、應(yīng)用效能評估等，其系統(tǒng)復(fù)雜性已不是簡單的仿真計算所能解決的，急需呼喚數(shù)字孿生等數(shù)字與智能系統(tǒng)的支持。在衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈上，不具備數(shù)字化能力的研究、開發(fā)、生產(chǎn)型組織終將被淘汰。

第三：融合應(yīng)用的需求。

在太空3.0時代，太空的地面應(yīng)用不再是孤立的衛(wèi)星遙感圖片分析、手機(jī)導(dǎo)航定位、針對特種應(yīng)用的昂貴衛(wèi)星通信等，而是衛(wèi)星通導(dǎo)遙一體、太空信息網(wǎng)、地面信息網(wǎng)融合應(yīng)用的場景，如應(yīng)急救援、大型活動、商品期貨、智慧出行等等。雖然應(yīng)用終端用戶可能感覺不到，但支撐這個復(fù)雜、快捷信息網(wǎng)的技術(shù)系統(tǒng)必須數(shù)字化、智能化和時效化。數(shù)字太空是支撐這一信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

第四：太空安全的需求。

在太空3.0時代，衛(wèi)星、測控站、信關(guān)站等基礎(chǔ)設(shè)施是國家信息體系的核心組成部分，擁有強(qiáng)大的信息支援能力和戰(zhàn)略威懾能力。這些基礎(chǔ)設(shè)施不僅要考慮空間碎片、太空天氣等自然環(huán)境威脅，也要防備非友好國家的人為風(fēng)險。太空風(fēng)險的感知與識別、推演與決策、預(yù)警與應(yīng)對，沒有數(shù)字化的太空系統(tǒng)支持是難以實(shí)現(xiàn)的。

三、數(shù)字太空相關(guān)理念

1.三個世界

數(shù)字太空研究院提出“三個世界”的概念：物理世界、數(shù)字世界和人文世界。物理世界是由自然和人工物質(zhì)所構(gòu)成的、客觀存在的實(shí)體世界；數(shù)字世界是由數(shù)據(jù)、算法、模型等構(gòu)建的，反映物理世界和人文世界的數(shù)字化的虛擬世界；人文世界是由政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、社會等構(gòu)成的，反映人活動及需求的世界。

自然界的物理世界從宇宙誕生就一直存在。而人文世界從人類文明時代開始形成并持續(xù)發(fā)展。近幾十年現(xiàn)代信息技術(shù)興起，數(shù)字世界在互聯(lián)網(wǎng)、電子金融、電子商務(wù)、數(shù)字工廠、數(shù)字園區(qū)等領(lǐng)域開始形成，并快速發(fā)展。數(shù)字世界是為滿足人文世界的各項需求而誕生，她從物理世界或人文世界的聯(lián)系交織開始，逐漸生長、相互連接、最終成為滿足某大類或行業(yè)需求的數(shù)字世界。

2.數(shù)字太空

數(shù)字太空是以時空為基準(zhǔn)，以地表和日地空間為場景，將衛(wèi)星、碎片、火箭、雷達(dá)、飛機(jī)、船舶、車輛、地面站、發(fā)射場、基地等實(shí)體，大氣和太空等環(huán)境，以及運(yùn)控、遙感、通信、導(dǎo)航、預(yù)警等活動數(shù)字化，采用現(xiàn)代信息技術(shù)所構(gòu)建的、滿足特定或通用應(yīng)用需求的數(shù)字虛擬太空。

數(shù)字太空以數(shù)字化的太空環(huán)境、衛(wèi)星及其業(yè)務(wù)為主，但衛(wèi)星制造、發(fā)射、運(yùn)控，以及通信、導(dǎo)航、遙感等主要服務(wù)對象在地面。因此數(shù)字太空還包括了地表的地理信息、自然環(huán)境、氣象信息，以及飛機(jī)、車輛、船舶、城市、港口等數(shù)字地球的相關(guān)內(nèi)容。

完整的數(shù)字太空具備10大要素：1）統(tǒng)一的時空基準(zhǔn)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；2）日地月星空場景；3）地球及地表信息，包含地理信息、地表環(huán)境等；4）衛(wèi)星、火箭、飛機(jī)、艦船、雷達(dá)等實(shí)體及其活動；5）空間碎片、太空環(huán)境、大氣環(huán)境及其對技術(shù)系統(tǒng)的影響；6）衛(wèi)星發(fā)射、運(yùn)控、通導(dǎo)遙等太空相關(guān)業(yè)務(wù)活動；7）各類數(shù)據(jù)與物理模型算法；8）構(gòu)建數(shù)字太空的系統(tǒng)架構(gòu)及接口通信；9）三維虛擬可視化與人機(jī)互動界面；10）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

3.太空數(shù)字孿生

“數(shù)字孿生digital twin”的概念源于產(chǎn)品的生命周期管理，NASA除了用于航天器的生命周期管理，也用于太空輻射風(fēng)險、航天員行為模擬等（2020 NASA technology Taxonomy）。當(dāng)前工廠數(shù)字孿生、城市數(shù)字孿生等大系統(tǒng)級的理念已經(jīng)產(chǎn)生并逐漸開始實(shí)施。

數(shù)字太空研究院團(tuán)隊2年前提出了“太空數(shù)字孿生”概念，它是由真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動、由數(shù)字太空10大要素構(gòu)成、與實(shí)體太空并行、滿足某種或多種需求的數(shù)字太空映像。其信息系統(tǒng)稱為數(shù)字太空孿生系統(tǒng)。

太空數(shù)字孿生與太空模擬仿真有相似之處，但又不是太空模擬仿真。其主要差別體現(xiàn)如下。

1）連接性與封閉性的差別：太空數(shù)字孿生與物理世界和人文世界均持續(xù)保持信息的雙向連接，系統(tǒng)是開放和非限定條件的。而太空模擬仿真系統(tǒng)通常是限定條件的、封閉的、獨(dú)立運(yùn)行的。

2）時效性與非時效性的差別：太空數(shù)字孿生是物理世界的映像，它必須由來自物理世界的實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動，才能保持與物理世界的一致性與同步性。而太空模擬仿真系統(tǒng)主要是參數(shù)驅(qū)動，它通常沒有時效性要求。

3）業(yè)務(wù)性與輔助性的差別：太空數(shù)字孿生是物理太空的數(shù)字影像，具有完整性、真實(shí)性、時效性的屬性，可以成為太空相關(guān)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。而太空模擬仿真通常針對某些功能，假設(shè)其它邊界條件，常用于分析、評估等。

4）可視化與結(jié)論化的差別：太空數(shù)字孿生的優(yōu)勢體現(xiàn)在復(fù)雜系統(tǒng)，為便于人的感知與應(yīng)用，其態(tài)勢可視化要求很高。而太空模擬仿真的重點(diǎn)在模擬仿真的條件與結(jié)論，可視化是錦上添花不是模擬仿真的重點(diǎn)。

當(dāng)然太空模擬仿真是太空數(shù)字孿生的重要組成部分，在物理和人文世界的實(shí)時驅(qū)動數(shù)據(jù)中斷或需要太空活動推演時，太空數(shù)字孿生具備獨(dú)立運(yùn)行和仿真推演的能力。

數(shù)字孿生來源于產(chǎn)品的生命周期管理，在當(dāng)前的許多數(shù)字孿生的認(rèn)知中，都強(qiáng)調(diào)其生命周期。但國際太空產(chǎn)業(yè)鏈中，衛(wèi)星設(shè)計制造只占10%，衛(wèi)星運(yùn)營與衛(wèi)星應(yīng)用是產(chǎn)業(yè)的主要貢獻(xiàn)者。因此太空數(shù)字孿生的概念不應(yīng)局限于面向衛(wèi)星制造的產(chǎn)品周期管理，還應(yīng)面向衛(wèi)星運(yùn)營、衛(wèi)星應(yīng)用、太空安全等用戶，其關(guān)注點(diǎn)偏向各自的業(yè)務(wù)需求。如果脫離衛(wèi)星制造者視角，產(chǎn)品生命周期的概念就被弱化了。隨著太空3.0時代的來臨，天地一體化網(wǎng)絡(luò)及其融合應(yīng)用是發(fā)展方向。太空數(shù)字孿生應(yīng)將重心放在太空各要素的復(fù)雜相互作用上，這為太空智能化、自主化管理與融合應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

四、數(shù)字太空孿生系統(tǒng)

1.系統(tǒng)工程方法

構(gòu)建數(shù)字太空孿生系統(tǒng)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。國際系統(tǒng)工程協(xié)會INCOSE已發(fā)布了第4版《系統(tǒng)工程手冊》，并提供了基于模型的系統(tǒng)工程方法MBSE。美國航空航天局NASA、我國航空工業(yè)公司等實(shí)踐了其系統(tǒng)工程方法。數(shù)字太空研究院在系統(tǒng)工程V4.0基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際形成自己的系統(tǒng)建設(shè)方法。

從技術(shù)流程角度，系統(tǒng)工程通常涉及如下活動：識別客戶需求、規(guī)定系統(tǒng)需求、確定系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計與定義、系統(tǒng)分析與評估、實(shí)施開發(fā)與編碼實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)組裝與集成、系統(tǒng)測試驗(yàn)證、系統(tǒng)交付轉(zhuǎn)移、系統(tǒng)功能與性能確認(rèn)、系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)、系統(tǒng)退出處置等。從系統(tǒng)的生命周期角度，存在瀑布模型、螺旋模型和V型模型等多種模型。

數(shù)字太空孿生系統(tǒng)是全新的事物，無論是研究者還是客戶都沒有建立完整清晰的概念。因此在上述活動中，許多都是探索性的，這為整個系統(tǒng)的開發(fā)帶來不確定性和實(shí)施難度。

數(shù)字太空研究院采用“并行迭代增量模型”，即一種混合開發(fā)模型，來實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的開發(fā)。（參見圖2）

首先，在目前認(rèn)知能力下，確定數(shù)字太空的客戶需求和系統(tǒng)需求，采用微服務(wù)等技術(shù)確定系統(tǒng)架構(gòu)、研討系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了數(shù)字太空孿生的總體框架。

然后面向當(dāng)前客戶的特定需求，按增量模型方法逐個開發(fā)各組成系統(tǒng)。對需求和方案清晰的系統(tǒng)采用V型模型開發(fā)，并逐代升級。對全新的系統(tǒng)，采用迭代模型，在迭代中不斷清晰完善。對已成形的系統(tǒng)進(jìn)行集成驗(yàn)證。

隨著客戶需求在深度和廣度上的升級，數(shù)字太空孿生系統(tǒng)不斷迭代、發(fā)展壯大。

數(shù)字太空孿生系統(tǒng)的并行迭代增量模型法，屬于一種敏捷和精益系統(tǒng)工程方法，在頂層設(shè)計基礎(chǔ)上，注重迭代和遞歸的作用。以下2點(diǎn)決定著系統(tǒng)能否開發(fā)成功。

1）深入認(rèn)知3個世界：在孿生系統(tǒng)構(gòu)建之前，要深入理解物理世界，并用數(shù)字方法重構(gòu)，即對物理數(shù)據(jù)的時空重構(gòu)、模型算法的構(gòu)建與優(yōu)化。同時深入理解客戶業(yè)務(wù)，掌控未來的發(fā)展趨勢，抽離出其共性的內(nèi)容。

2）架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)必須先行：建系統(tǒng)必須先有頂層設(shè)計并確定好架構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)，當(dāng)實(shí)體定義、術(shù)語規(guī)范、接口標(biāo)準(zhǔn)等不明確時，這種復(fù)雜的系統(tǒng)很難構(gòu)建。這既要考慮我國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，也要技術(shù)和市場前瞻，需有迭代發(fā)展的思路。

2.系統(tǒng)組成與架構(gòu)

數(shù)字太空孿生系統(tǒng)以物理世界為數(shù)字孿生對象，以人文世界需求為信息輸出。孿生系統(tǒng)的內(nèi)容和規(guī)模取決于人文世界的需求?；谇笆龅牟⑿械隽磕Ｐ停诔醪酱_定框架和標(biāo)準(zhǔn)后，數(shù)字太空孿生系統(tǒng)從衛(wèi)星模飛試驗(yàn)、測運(yùn)控管理、通導(dǎo)遙應(yīng)用等幾個需求點(diǎn)開始，逐漸增長，在深度和廣度上迭代發(fā)展。

數(shù)字太空孿生系統(tǒng)由信息后臺、孿生中臺、服務(wù)前臺構(gòu)成。

圖2 數(shù)字太空孿生系統(tǒng)開發(fā)的并行迭代增量模型

圖3 數(shù)字太空孿生系統(tǒng)組成架構(gòu)

信息后臺SpaceIS是數(shù)字太空的信息倉庫和數(shù)據(jù)處理器。它收集原始數(shù)據(jù)和信息，完成清洗等處理，并轉(zhuǎn)換成面向應(yīng)用對象和時空基準(zhǔn)的、有組織的數(shù)據(jù)、算法、模型、標(biāo)準(zhǔn)等。

孿生中臺SpaceDT是“活”的、與物理太空并行的太空孿生系統(tǒng)。它采用微服務(wù)架構(gòu)，以日地月和地表為可視化背景，以高軌衛(wèi)星通信網(wǎng)、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、高分系列、資源系列、風(fēng)云系列、天和等空間站、空間目標(biāo)、空間碎片、空間環(huán)境、發(fā)射場、測控站、信關(guān)站、相控陣?yán)走_(dá)、導(dǎo)彈、艦船、車輛等實(shí)體為數(shù)字化對象，以衛(wèi)星測試、發(fā)射、運(yùn)管、通導(dǎo)遙應(yīng)用、太空安全、環(huán)境保障、地表活動等為業(yè)務(wù)功能，通過數(shù)據(jù)、模型、算法，基于大地坐標(biāo)系、地心直角坐標(biāo)系等幾十個坐標(biāo)系的時空基準(zhǔn)，采用現(xiàn)代仿真虛擬信息技術(shù)手段，最終以二、三維可視化呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的數(shù)字系統(tǒng)。

服務(wù)前臺SpaceSP是面向特定類型客戶的、裁剪版與定制版的SpaceDT。孿生中臺SpaceDT內(nèi)容較多，適合天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、太空安全等綜合類系統(tǒng)的應(yīng)用。但對衛(wèi)星模飛試驗(yàn)、遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃、應(yīng)用效能評估、環(huán)境風(fēng)險評估等特定業(yè)務(wù)，就不需要完整的SpaceDT。通過配置、裁剪、定制等，形成面向特定客戶的前臺。特別是地面用戶，其關(guān)注的是基于地理信息或?qū)嶓w三維場景上的活動，太空僅提供通導(dǎo)遙等信息支持，側(cè)重點(diǎn)明顯不同，需針對地面活動需求提供服務(wù)。（參見圖3）

3.孿生系統(tǒng)特性

數(shù)字太空孿生系統(tǒng)是以數(shù)字化浪潮為基礎(chǔ)，伴隨衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)與太空安全發(fā)展，而產(chǎn)生的新一代技術(shù)系統(tǒng)。它繼承了以往的仿真系統(tǒng)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)能力，又增添了以往系統(tǒng)所不具備的特性與優(yōu)勢。

1）孿生特性：這是核心特性，涵蓋了目標(biāo)實(shí)體、業(yè)務(wù)活動、業(yè)務(wù)環(huán)境、計劃與流程等等，這種全面的數(shù)字并行在以往系統(tǒng)中是很少見的。系統(tǒng)的孿生效能取決于系統(tǒng)的感知與建模支持能力，但孿生理念讓系統(tǒng)在架構(gòu)上就與已有系統(tǒng)不同。

2）連接特性：數(shù)字孿生與仿真模擬的核心差異，就是孿生系統(tǒng)具有連接特性。它要保持與物理世界、人文世界的雙向連接。數(shù)據(jù)來源于物理系統(tǒng)，反過來也要控制物理系統(tǒng)。

3）推演特性：數(shù)字孿生系統(tǒng)有仿真基礎(chǔ)，具備離線加速、回放推演的能力。這種推演能力是系統(tǒng)智能化決策的基礎(chǔ)，可用于事件回放、任務(wù)規(guī)劃、風(fēng)險預(yù)警、應(yīng)對演練等一系列業(yè)務(wù)。

4）可見特性：太空及其地面活動場景過于宏大，無論從業(yè)人員還是公眾，都難以實(shí)現(xiàn)具象化的理解。孿生系統(tǒng)將龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)，以業(yè)務(wù)可視化的方式呈現(xiàn)在客戶面前，極大提高了感知、判斷和決策的效率。

4.四個發(fā)展階段

數(shù)字太空孿生系統(tǒng)連接物理世界和人文世界，屬于新興的數(shù)字世界產(chǎn)物，伴隨對物理世界的感知和認(rèn)知，特別是人文世界的需求增長而成長。

數(shù)字太空孿生系統(tǒng)從誕生到完善將經(jīng)歷4個發(fā)展階段。

1）業(yè)務(wù)態(tài)勢階段

在本階段數(shù)字太空孿生系統(tǒng)初步成形，但為與現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的銜接與過渡，它通常在現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)上生長，保持原有系統(tǒng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性，增量為系統(tǒng)的孿生與可視化，此階段偏重業(yè)務(wù)態(tài)勢。

2）推演規(guī)劃階段

在推演規(guī)劃階段，數(shù)字太空孿生系統(tǒng)更多地深入到系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理層面，從事件回放、任務(wù)推演、任務(wù)規(guī)劃、應(yīng)急規(guī)劃、任務(wù)優(yōu)化、應(yīng)對演練等角度，提升現(xiàn)有系統(tǒng)的能力。

3）風(fēng)險預(yù)測階段

風(fēng)險預(yù)測階段，孿生系統(tǒng)的智能預(yù)測優(yōu)勢開始顯現(xiàn)。不僅是完成任務(wù)規(guī)劃、態(tài)勢監(jiān)控、資源調(diào)度等常規(guī)業(yè)務(wù)，還能智能預(yù)測業(yè)務(wù)風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險，及時應(yīng)對和處置，將系統(tǒng)的風(fēng)險控制前移，為系統(tǒng)自主管理奠定基礎(chǔ)。

4）自主管理階段

數(shù)字太空孿生系統(tǒng)的自主管理是系統(tǒng)智能化的目標(biāo)。孿生系統(tǒng)及其物理系統(tǒng)將自主運(yùn)行，人在旁路。這種無人干預(yù)的復(fù)雜信息系統(tǒng)，使天地一體化的信息融合應(yīng)用成為可能。

以上4個階段是根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力進(jìn)行劃分的，但實(shí)際發(fā)展中各階段的界限不是很明顯。當(dāng)前系統(tǒng)還處于業(yè)務(wù)態(tài)勢階段，但也具備了推演規(guī)劃、風(fēng)險預(yù)測等許多技術(shù)能力。數(shù)字太空孿生系統(tǒng)的開發(fā)是迭代發(fā)展的。

五、應(yīng)用場景與實(shí)踐

1.應(yīng)用場景

數(shù)字太空及其孿生系統(tǒng)，當(dāng)前在系統(tǒng)工程論證、衛(wèi)星全生命周期管理、衛(wèi)星運(yùn)維管理、衛(wèi)星應(yīng)用、環(huán)境保障、太空安全等方面具有許多應(yīng)用，未來幾年在地面應(yīng)急減災(zāi)、安防安保、智慧出行、航空水運(yùn)、智慧城市等方面應(yīng)用更加廣泛。

當(dāng)前已形成的應(yīng)用能力包括：

1）系統(tǒng)工程論證客戶

面向衛(wèi)星工程論證客戶，提供衛(wèi)星、星座、載荷、地面測運(yùn)控、地面應(yīng)用等大系統(tǒng)的設(shè)計分析、驗(yàn)證與評估，以及提供空間輻射等環(huán)境風(fēng)險評價；

2）衛(wèi)星設(shè)計研制試驗(yàn)客戶

衛(wèi)星平臺、載荷等設(shè)計大系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，輻射環(huán)境防護(hù)設(shè)計驗(yàn)證，系統(tǒng)或衛(wèi)星組裝驗(yàn)證，衛(wèi)星測試試驗(yàn)的流程、功能、性能等孿生驗(yàn)證，火箭衛(wèi)星等大系統(tǒng)模飛試驗(yàn)驗(yàn)證和靶場發(fā)射孿生監(jiān)控等等。

3）衛(wèi)星運(yùn)維管理客戶

提供綜合業(yè)務(wù)態(tài)勢監(jiān)控、活動推演、任務(wù)規(guī)劃、應(yīng)急規(guī)劃、健康管理、環(huán)境和碰撞風(fēng)險預(yù)警、效能評估、資源管理等功能；

4）面向地面應(yīng)用客戶

地面應(yīng)用用戶十分廣泛，但限于當(dāng)前衛(wèi)星應(yīng)用的時效性較差，孿生系統(tǒng)的價值沒有體現(xiàn)。主要集中在衛(wèi)星遙感信息支援、路徑規(guī)劃與監(jiān)管、環(huán)境風(fēng)險預(yù)警、保險定損核賠等幾個方面。

未來，隨著太空3.0的逐步發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)據(jù)孤島將逐步消除、處理時效性增加、通導(dǎo)遙融合以及數(shù)字太空孿生能力的提升，一大批應(yīng)用場景將脫穎而出。

在軍事領(lǐng)域，有個OODA循環(huán)理論，即Observation觀察、Orientation判斷、Decision決策、Action行動。數(shù)字太空孿生系統(tǒng)是實(shí)踐該理論的重要技術(shù)系統(tǒng)。它不僅可用于國防安全，還廣泛應(yīng)用于未來的智能駕駛、航空水運(yùn)、應(yīng)急減災(zāi)、智慧城市等等。

2.典型實(shí)踐

數(shù)字太空孿生系統(tǒng)的典型應(yīng)用實(shí)踐案例很多，限于篇幅這里給出4個典型實(shí)踐案例。

1）衛(wèi)星模飛試驗(yàn)驗(yàn)證

在工業(yè)部門的合作支持下，孿生系統(tǒng)已應(yīng)用在幾十顆衛(wèi)星的測試模飛試驗(yàn)中，并11次應(yīng)用在靶場的衛(wèi)星發(fā)射中。從三維場景構(gòu)建、計劃流程管理、遙測數(shù)據(jù)監(jiān)控、發(fā)射流程推演等方面發(fā)揮了重要的作用。（參見圖4）

2）衛(wèi)星運(yùn)管綜合態(tài)勢

圖4 衛(wèi)星模飛試驗(yàn)驗(yàn)證與靶場發(fā)射監(jiān)顯

衛(wèi)星運(yùn)管的綜合態(tài)勢也是數(shù)字太空孿生系統(tǒng)應(yīng)用較多的場景。高軌通信衛(wèi)星運(yùn)管綜合態(tài)勢、北斗導(dǎo)航運(yùn)行綜合態(tài)勢、高分和資源衛(wèi)星綜合態(tài)勢等10余個衛(wèi)星系統(tǒng)采用了孿生系統(tǒng)或其中的可視化模塊。在北斗導(dǎo)航綜合態(tài)勢系統(tǒng)中不僅對衛(wèi)星軌位、姿態(tài)、健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，還對測控業(yè)務(wù)，及RNSS、RDSS、導(dǎo)航增強(qiáng)等業(yè)務(wù)態(tài)勢進(jìn)行監(jiān)管，并能開展衛(wèi)星故障對業(yè)務(wù)影響的推演分析等活動。（參見圖5）

3）衛(wèi)星環(huán)境風(fēng)險預(yù)警

衛(wèi)星在軌飛行會遭遇“太陽風(fēng)暴”、粒子輻射增強(qiáng)、空間碎片碰撞等風(fēng)險。數(shù)字太空孿生系統(tǒng)聚焦衛(wèi)星安全，建立5級風(fēng)險等級，結(jié)合衛(wèi)星軌位和健康狀況，給出準(zhǔn)實(shí)時的環(huán)境風(fēng)險預(yù)警，提供衛(wèi)星故障環(huán)境風(fēng)險評估等服務(wù)。（參見圖6）

4）導(dǎo)彈預(yù)警教學(xué)訓(xùn)練

孿生系統(tǒng)的推演功能讓其成為教學(xué)、訓(xùn)練的重要工具。導(dǎo)彈預(yù)警教學(xué)系統(tǒng)讓學(xué)員在真實(shí)場景下掌握預(yù)警衛(wèi)星、預(yù)警雷達(dá)、精跟雷達(dá)等裝備的工作原理，學(xué)習(xí)目標(biāo)捕獲、跟蹤，彈道確定、落點(diǎn)預(yù)警等一系列流程，并進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練。

圖5 低軌衛(wèi)星運(yùn)管綜合態(tài)勢

圖6 北斗導(dǎo)航IGSO衛(wèi)星環(huán)境風(fēng)險態(tài)勢

六、結(jié)束語

“數(shù)字空間戰(zhàn)略”是魏奉思院士等專家學(xué)者們提出的前瞻性戰(zhàn)略。數(shù)字太空孿生系統(tǒng)是該戰(zhàn)略的一個實(shí)踐嘗試。數(shù)字太空及其孿生系統(tǒng)的概念、內(nèi)涵、外延等還在實(shí)踐發(fā)展中。它的龐大性、復(fù)雜性和綜合性，不是某個人、某個組織所能夠完成的，需要各級管理者、終端客戶、領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者、產(chǎn)業(yè)鏈上下游的共同努力。

數(shù)字太空研究院是數(shù)字太空科技股份公司的研究實(shí)體，它與數(shù)字太空科技股份公司的另兩家子公司北京天工科儀空間技術(shù)有限公司、深圳星地孿生科技有限公司，共同聚焦數(shù)字太空、孿生系統(tǒng)及其應(yīng)用，為客戶提供系統(tǒng)級解決方案。中國電子科技集團(tuán)第54所是我國電子信息領(lǐng)域?qū)I(yè)覆蓋面最寬、綜合性最強(qiáng)的研究所，也是我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的核心單位。我們愿與各客戶單位、工業(yè)部門、科研院所等單位攜手，取長補(bǔ)短、共同發(fā)展，落地魏院士推動的“數(shù)字空間戰(zhàn)略”，推動技術(shù)進(jìn)步，滿足國家發(fā)展需求。