數(shù)字孿生衛(wèi)星技術(shù)與工程實(shí)踐

崔玉福 劉質(zhì)加 王靖

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

近年來，衛(wèi)星研制及發(fā)射成為發(fā)射數(shù)量最多、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的航天產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展特點(diǎn)呈現(xiàn)出低成本、功能多樣化、智能化、批生產(chǎn)批部署、用戶廣泛化等多維態(tài)勢。在快速發(fā)展的同時(shí)，衛(wèi)星也面臨著打造高性能與低成本兼顧的衛(wèi)星產(chǎn)品、實(shí)現(xiàn)面向批量的衛(wèi)星產(chǎn)品研制高效率以及高質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)更智慧的在軌自主運(yùn)維、評估、壽命預(yù)測與延壽等發(fā)展問題。

隨著新技術(shù)的發(fā)展，如數(shù)字孿生、新IT(New IT)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、智能互聯(lián)等，為解決上述問題實(shí)現(xiàn)提供了可期的解決途徑。其中，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于航天器研制受到了學(xué)術(shù)界、工程界以及應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域的最廣泛關(guān)注。數(shù)字孿生技術(shù)與衛(wèi)星的結(jié)合與應(yīng)用，會(huì)具備獨(dú)特發(fā)展優(yōu)勢，數(shù)字孿生也會(huì)成為衛(wèi)星領(lǐng)域迅速發(fā)展的“指增器”(帶來以指數(shù)級別增長的效益)[1-6]。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展

“孿生”的概念最早出現(xiàn)于1969年美國的阿波羅項(xiàng)目中，美國國家航空航天局(NASA)通過制造兩個(gè)完全相同的航天器，形成“物理孿生”，借助留在地面的航天器一定程度上反映和預(yù)測在地外空間執(zhí)行任務(wù)的航天器的狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行任務(wù)訓(xùn)練、實(shí)體實(shí)驗(yàn)并輔助任務(wù)分析和決策[7]。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，Michael W. Grieves 教授在2003年提出了“數(shù)字孿生”的概念。隨后，NASA于2010 年提出將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于未來航天器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、伴飛監(jiān)測以及故障評估中。2011年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出在未來飛行器中利用數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、壽命預(yù)測與健康管理等功能[8]。自此，數(shù)字孿生引發(fā)了廣泛關(guān)注，并拓展到各個(gè)領(lǐng)域，在2017—2020年連續(xù)4年成為十大新興技術(shù)之一。

數(shù)字孿生技術(shù)自提出以來，多個(gè)國家的知名大學(xué)、企業(yè)都積極開展了積極研究。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)拓展到了各個(gè)領(lǐng)域，包括航空航天、電力、交通、能源、醫(yī)療等。國內(nèi)應(yīng)用比較深入的是汽車行業(yè)：通過產(chǎn)品數(shù)字化，制造商可對產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證，該數(shù)據(jù)可構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生體；利用產(chǎn)品的數(shù)字孿生體，制造商可規(guī)劃和研制生產(chǎn)過程，構(gòu)建生產(chǎn)的數(shù)字孿生體；通過現(xiàn)場制造運(yùn)營管理系統(tǒng)收集的信息，可分析和評估實(shí)際生產(chǎn)及真實(shí)產(chǎn)品性能，分析結(jié)果可持續(xù)反饋至產(chǎn)品和生產(chǎn)的數(shù)字孿生體。國外的軍工行業(yè)中，洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司(Lockheed Martin Space Systems Company, LMT)借助數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)對F-35戰(zhàn)機(jī)生產(chǎn)全流程中的數(shù)據(jù)與模型的充分利用，顯著提高F-35戰(zhàn)機(jī)的生產(chǎn)效率；美空軍與波音合作構(gòu)建了F-15C機(jī)體數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)在役飛行器的數(shù)字孿生及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)了多尺度孿生體映射、結(jié)構(gòu)完整性診斷、綜合預(yù)測結(jié)構(gòu)壽命期限、優(yōu)化維保周期。

當(dāng)前，航天行業(yè)的數(shù)字化工程建設(shè)需求旺盛，構(gòu)建數(shù)字孿生衛(wèi)星將是其中一個(gè)解決問題的有益探索。本文對數(shù)字孿生衛(wèi)星的內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步的論述，并選擇了2個(gè)典型的應(yīng)用案例，來介紹數(shù)字孿生衛(wèi)星的應(yīng)用模式。

2 數(shù)字孿生技術(shù)的特點(diǎn)

數(shù)字孿生技術(shù)的基本特征是虛實(shí)映射，通過對物理實(shí)體構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)物理模型和數(shù)字孿生模型的雙向映射，基于模型驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型的分析與優(yōu)化，來改善其對應(yīng)的物理實(shí)體的性能和運(yùn)行績效。對比于傳統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)具有如下特點(diǎn)。

(1)高度融合，數(shù)據(jù)完整：深入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證、運(yùn)維及全生命周期管理中，而非單一階段，同時(shí)全面記錄虛實(shí)數(shù)據(jù)，孿生體成為了整個(gè)產(chǎn)品周期的蘊(yùn)涵巨大價(jià)值的數(shù)字資產(chǎn)。

(2)雙向映射，數(shù)據(jù)共通：通過物理與數(shù)字模型的數(shù)據(jù)共通和實(shí)時(shí)反饋，不斷迭代與修正物理模型，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)效率、提升產(chǎn)品運(yùn)維能力。

(3)多場耦合，數(shù)據(jù)創(chuàng)效：借助大數(shù)據(jù)與深度機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠處理多維、多場、跨時(shí)域、跨空域的歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品全生命周期的管理與監(jiān)測，精確預(yù)測物理產(chǎn)品狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)策略、提質(zhì)延壽、隱患規(guī)避、為用戶帶來巨大的附加效益。

3 數(shù)字孿生衛(wèi)星的定義及內(nèi)涵

為使數(shù)字孿生技術(shù)在衛(wèi)星研制領(lǐng)域進(jìn)一步落地應(yīng)用，航天東方紅衛(wèi)星有限公司的數(shù)字孿生衛(wèi)星研究團(tuán)隊(duì)在前期研究的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性提出了數(shù)字孿生衛(wèi)星的定義：

數(shù)字孿生衛(wèi)星是與實(shí)體衛(wèi)星相對應(yīng)，將實(shí)體衛(wèi)星的研制和運(yùn)行的全生命周期狀態(tài)在數(shù)字空間的全要素實(shí)時(shí)數(shù)字化映射，是在衛(wèi)星系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、元器件等多個(gè)層級集成的多學(xué)科、多物理、多尺度、超寫實(shí)、動(dòng)態(tài)概率的孿生模型，是和實(shí)體衛(wèi)星同源產(chǎn)生、數(shù)據(jù)共享、協(xié)同進(jìn)化、實(shí)時(shí)互動(dòng)、天地同步、超期生存的數(shù)字模型集合。用于實(shí)時(shí)反映實(shí)體衛(wèi)星在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的形成過程、狀態(tài)和行為，更可在數(shù)字空間超越實(shí)體衛(wèi)星限制實(shí)現(xiàn)預(yù)測、評估、優(yōu)化的效益倍增，是衛(wèi)星產(chǎn)品全生命周期和全價(jià)值鏈的孿生資產(chǎn)及效能指增器。

數(shù)字孿生衛(wèi)星的構(gòu)建是一個(gè)系統(tǒng)工程，其組織模式應(yīng)與實(shí)體衛(wèi)星系統(tǒng)工程組織模式相匹配，由單機(jī)至系統(tǒng)分層級建立，按問題域分顆粒度應(yīng)用；其技術(shù)難點(diǎn)應(yīng)聚焦于多學(xué)科、多物理、多尺度、模型描述多樣、接口多樣、融合難、協(xié)調(diào)難問題的理論與實(shí)踐突破，不斷發(fā)展模型通用接口、模型耦合、代理模型等技術(shù)；虛實(shí)衛(wèi)星的演化模式應(yīng)覆蓋同源產(chǎn)生、數(shù)據(jù)共享、協(xié)同進(jìn)化、實(shí)時(shí)互動(dòng)、天地同步、超期生存6方面。

同時(shí)，航天東方紅衛(wèi)星有限公司的數(shù)字孿生團(tuán)隊(duì)在北京航空航天大學(xué)的五維數(shù)字孿生模型[9]的基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)字孿生衛(wèi)星的五維模型(見圖1)的擴(kuò)展，并基于多年衛(wèi)星工程研制經(jīng)驗(yàn)，首次提出了數(shù)字孿生衛(wèi)星的五維數(shù)據(jù)(見圖2)、微觀數(shù)字孿生衛(wèi)星與宏觀數(shù)字孿生衛(wèi)星雙技術(shù)路線。

圖1 數(shù)字孿生衛(wèi)星的五維模型

圖2 數(shù)字孿生衛(wèi)星的五維數(shù)據(jù)

數(shù)字孿生衛(wèi)星五維模型包括衛(wèi)星物理實(shí)體(R-Sat)、衛(wèi)星孿生體(DT-Sat)、孿生數(shù)據(jù)(DT-Data)、服務(wù)系統(tǒng)(DT-App)以及連接五個(gè)維度。衛(wèi)星物理實(shí)體不但包含衛(wèi)星本身還包含衛(wèi)星研制全生命周期的各類信息，用于全面測量與記錄在物理環(huán)境中的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)；衛(wèi)星孿生體是基于數(shù)字化技術(shù)，根據(jù)幾何模型、物理模型、行為模型以及規(guī)則模型構(gòu)建的能夠準(zhǔn)確映射物理實(shí)體的數(shù)字化模型，并根據(jù)物理實(shí)體的變化同步演進(jìn)；孿生數(shù)據(jù)接收物理實(shí)體、孿生體、服務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行的海量數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)分析等工作后對物理實(shí)體、孿生體、服務(wù)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)；服務(wù)系統(tǒng)是通過孿生數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對各類設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)、評估、預(yù)測的應(yīng)用；連接可認(rèn)為是物理實(shí)體、孿生體以及服務(wù)系統(tǒng)之間的接口，保持?jǐn)?shù)據(jù)共通與同步，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互。

數(shù)字孿生衛(wèi)星五維數(shù)據(jù)主要包括衛(wèi)星的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、縱向數(shù)據(jù)、橫向數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、融合數(shù)據(jù)。其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是指通過傳感器實(shí)時(shí)獲得的衛(wèi)星地面及在軌的實(shí)測數(shù)據(jù)；縱向數(shù)據(jù)是指針對目標(biāo)衛(wèi)星，在其生產(chǎn)、總裝、測試、環(huán)試、在軌運(yùn)行過程中獲得的數(shù)據(jù)，縱向數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)研制過程的測量，與強(qiáng)調(diào)傳感特點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共同構(gòu)成衛(wèi)星研制及運(yùn)行過程的實(shí)測數(shù)據(jù)總集；橫向數(shù)據(jù)是針對目標(biāo)衛(wèi)星的同類或相似衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，一般為相似衛(wèi)星產(chǎn)品的數(shù)據(jù)記錄，可對目標(biāo)衛(wèi)星的狀態(tài)提供有效的參考、對比；仿真數(shù)據(jù)是指目標(biāo)衛(wèi)星設(shè)計(jì)研制過程中利用數(shù)字仿真手段獲得的各類機(jī)、電、力、熱、磁分析數(shù)據(jù)；融合數(shù)據(jù)是指在對前4種數(shù)據(jù)的分集或總集進(jìn)行整合、篩選、分析、重構(gòu)等融合操作的基礎(chǔ)上形成的數(shù)據(jù)，更具備優(yōu)化、全面的數(shù)據(jù)特征。以上五維數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)字孿生衛(wèi)星貫穿現(xiàn)實(shí)、歷史、數(shù)字空間、物理空間的數(shù)據(jù)全集。

在衛(wèi)星數(shù)字孿生五維模型的基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生衛(wèi)星的構(gòu)建又需要分為微觀數(shù)字孿生衛(wèi)星與宏觀數(shù)字孿生衛(wèi)星。其中，微觀數(shù)字孿生衛(wèi)星指構(gòu)建無限接近于物理衛(wèi)星本體幾何、物理、行為及規(guī)則邏輯的孿生體，其構(gòu)建是龐大的系統(tǒng)工程，需要解決多學(xué)科、多物理、多尺度、超寫實(shí)、動(dòng)態(tài)概率的各類問題，但一旦構(gòu)建，相當(dāng)于擁有了一顆虛擬的真實(shí)衛(wèi)星，能發(fā)揮巨大的效益(突破實(shí)體限制的強(qiáng)大復(fù)制及被試驗(yàn)?zāi)芰?；宏觀數(shù)字孿生衛(wèi)星指構(gòu)建衛(wèi)星全生命過程的孿生，包括數(shù)字孿生設(shè)計(jì)、數(shù)字孿生總裝、數(shù)字孿生測試、數(shù)字孿生驗(yàn)證、數(shù)字孿生運(yùn)維、數(shù)字孿生工程系統(tǒng)等，此時(shí)衛(wèi)星本體變成了過程的組成部分。宏觀微觀的衛(wèi)星數(shù)字孿生構(gòu)建層級不同、顆粒度不同、解決的問題也不同，需要依據(jù)真實(shí)需求進(jìn)行構(gòu)建以提高孿生模型的構(gòu)建效率，充分考慮模型的輕量化問題，減少不必要的細(xì)節(jié)、工作量，減輕計(jì)算量。

4 數(shù)字孿生衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)

衛(wèi)星工程技術(shù)體系龐大且復(fù)雜，構(gòu)建數(shù)字孿生衛(wèi)星更是不亞于實(shí)體衛(wèi)星研制的浩大工程，其關(guān)鍵技術(shù)眾多，大致可分為4類，包括：數(shù)字孿生通用技術(shù)、智能組裝、集成和測試(Assembly, Integration and Test, AIT)技術(shù)、在軌衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)管控技術(shù)、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)。各類技術(shù)又包含眾多具體的子項(xiàng)技術(shù)，如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生衛(wèi)星技術(shù)總覽

數(shù)字孿生通用技術(shù)能夠支持構(gòu)建、維護(hù)、使用數(shù)字孿生的技術(shù)，相關(guān)技術(shù)在衛(wèi)星工程全生命周期通用，當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)在于數(shù)字孿生衛(wèi)星的模型構(gòu)建技術(shù)、數(shù)字孿生模型更新/管理技術(shù)、孿生數(shù)據(jù)清理/分析與挖掘技術(shù)等。

設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)在衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)和衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，用于與數(shù)字孿生集成融合并輔助相關(guān)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的技術(shù)。當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)在于多學(xué)科多系統(tǒng)協(xié)同仿真優(yōu)化技術(shù)、超真實(shí)空間環(huán)境仿真技術(shù)、基于海量地面數(shù)據(jù)及有限在軌數(shù)據(jù)的可靠性分析驗(yàn)證技術(shù)等。

智能AIT技術(shù)在衛(wèi)星生產(chǎn)制造AIT階段，用于支撐該階段數(shù)字孿生功能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)在于AIT過程智能物聯(lián)技術(shù)、AIT精確信息化管理技術(shù)以及虛擬測量與測試技術(shù)等。

在軌衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)管控技術(shù)在衛(wèi)星在軌管控和運(yùn)維階段，支撐數(shù)字孿生功能實(shí)現(xiàn)和數(shù)字孿生集成融合，當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)在于基于數(shù)字孿生的交互式多源數(shù)據(jù)虛實(shí)融合的衛(wèi)星健康狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)、基于數(shù)字孿生的大數(shù)據(jù)復(fù)雜環(huán)境下健康狀態(tài)評估與可靠壽命預(yù)測方法等。

5 應(yīng)用實(shí)例

5.1 太陽翼子系統(tǒng)數(shù)字孿生應(yīng)用

基于數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合衛(wèi)星太陽翼子系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，本文將按照如圖4所示的太陽翼數(shù)字孿生模型搭建對應(yīng)的數(shù)字孿生設(shè)計(jì)平臺(tái)，以驗(yàn)證所提出數(shù)字孿生通用架構(gòu)的有效性。

圖4中，在虛擬太陽翼子系統(tǒng)部分，分別考慮單元級和系統(tǒng)級模型，具體涉及結(jié)構(gòu)模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型，相關(guān)模型分別基于Magicdraw，Creo，Simulink等商用軟件建立。物理太陽翼子系統(tǒng)分別圍繞供電系統(tǒng)及信號控制部分、壓緊釋放系統(tǒng)部分和陣面及其展開部分，實(shí)時(shí)采集數(shù)字孿生所需要的感知數(shù)據(jù)(如指令發(fā)出時(shí)間、電壓、電流、鎖定到位時(shí)間、溫度等)和制造數(shù)據(jù)(如電纜長度、線阻、零部件誤差等)等信息。應(yīng)用服務(wù)和底層服務(wù)構(gòu)成了太陽翼數(shù)字孿生數(shù)據(jù)交互與管理平臺(tái)的兩個(gè)不同層級，兩者可分別為太陽翼數(shù)字孿生提供狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析與融合、自適應(yīng)/自驅(qū)動(dòng)迭代、數(shù)據(jù)安全等方面的支撐能力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、模型校準(zhǔn)、應(yīng)用情況監(jiān)測、參數(shù)優(yōu)化、設(shè)計(jì)工藝變更監(jiān)測、故障預(yù)測與評估、可視化三維作業(yè)指導(dǎo)、質(zhì)量管控等方面的應(yīng)用能力。數(shù)字孿生數(shù)據(jù)交互與管理平臺(tái)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)虛擬太陽翼子系統(tǒng)和物理太陽翼子系統(tǒng)之間實(shí)際采集數(shù)據(jù)與數(shù)字模型及其參數(shù)的數(shù)據(jù)融合，并通過建立在該平臺(tái)基礎(chǔ)上構(gòu)造的各類服務(wù)為衛(wèi)星太陽翼子系統(tǒng)的功能性能評估和設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考依據(jù)。

圖4 衛(wèi)星太陽翼展開機(jī)構(gòu)的數(shù)字孿生模型

系統(tǒng)界面如圖5所示，用于獲取并分解太陽翼產(chǎn)品指標(biāo)，進(jìn)而對太陽翼的解鎖和展開過程開展數(shù)字孿生設(shè)計(jì)。整個(gè)過程主要是通過建立控制系統(tǒng)邏輯模型、合金絲電性能模型以及太陽翼動(dòng)力學(xué)模型，搭建太陽翼展開機(jī)構(gòu)的總體數(shù)字模型，進(jìn)而與實(shí)物形成太陽翼孿生體；在此基礎(chǔ)上，將機(jī)電耦合仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證太陽翼的展開過程，形成最佳設(shè)計(jì)方案。

圖5 衛(wèi)星太陽翼數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)界面

使用可驅(qū)動(dòng)Creo軟件中的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析功能模擬太陽翼展開動(dòng)作，并綜合考慮插拔機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)、扭簧彈力、簧片彈力、太陽翼質(zhì)量等實(shí)測參數(shù)，輸出解鎖位移時(shí)間曲線和太陽翼旋轉(zhuǎn)位移時(shí)間曲線等結(jié)果，將結(jié)果與太陽翼產(chǎn)品實(shí)體數(shù)據(jù)開展對比分析，實(shí)現(xiàn)太陽翼展開過程的數(shù)字孿生。

5.2 衛(wèi)星熱試驗(yàn)數(shù)字孿生應(yīng)用

空間熱控技術(shù)是影響航天器在軌工作的關(guān)鍵技術(shù)問題，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備溫度，但是小衛(wèi)星測溫資源緊張，可通過地面熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)與熱控模型分析數(shù)據(jù)相融合、訓(xùn)練，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，形成代理模型(例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型)，其效益在于一方面可以通過數(shù)字孿生的方法節(jié)省星上資源，另一方面也可以充分利用在軌實(shí)測數(shù)據(jù)，充分評估無測溫點(diǎn)設(shè)備在軌溫度。其技術(shù)路徑如圖6所示。

圖6 熱試驗(yàn)數(shù)字孿生典型應(yīng)用技術(shù)路線

式(1)所示是衛(wèi)星內(nèi)的溫度場是外熱流與內(nèi)熱源綜合作用的結(jié)果，每個(gè)設(shè)備與周圍設(shè)備和環(huán)境通過輻射換熱和導(dǎo)熱進(jìn)行熱交換，熱交換帶來了溫度的變化。利用熱阻-熱容網(wǎng)絡(luò)法，將衛(wèi)星各部分劃分成呈網(wǎng)絡(luò)形式的數(shù)個(gè)微單元，每個(gè)微單元幾何中心都有一個(gè)假想節(jié)點(diǎn)，包含了溫度和熱容兩個(gè)熱屬性信息，從而得到在軌衛(wèi)星換熱的狀態(tài)方程：

∑Dij(Tj-Ti)+qin+qout

(1)

式中：節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j為隨機(jī)假想節(jié)點(diǎn)；ci為節(jié)點(diǎn)i的比熱容；Mi為節(jié)點(diǎn)i的質(zhì)量；Ti為節(jié)點(diǎn)i的當(dāng)前溫度；t為時(shí)間；Eij為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的角系數(shù)；Dij為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的接觸傳熱系數(shù)；qin為星內(nèi)熱耗；qout為外熱流。

通過多層前饋(back propagation, BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以熱敏電阻溫度數(shù)據(jù)為輸入，無測溫點(diǎn)設(shè)備上的熱電偶溫度數(shù)據(jù)為輸出，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立起衛(wèi)星的估測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)在軌飛行時(shí)，以遙測的熱敏電阻溫度數(shù)據(jù)為輸入，去估測無測溫點(diǎn)設(shè)備的溫度。建立的星上無測溫點(diǎn)設(shè)備溫度估測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖7所示[10]。

圖7 溫度估測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用過程中，建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，在熱試驗(yàn)中樣本數(shù)據(jù)共采集了8397 min，每分鐘記錄一組28個(gè)設(shè)備的溫度值，所以共有8397組有效數(shù)據(jù)。將樣本數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分為訓(xùn)練集，一部分為測試集。采用利用訓(xùn)練集數(shù)據(jù)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估測了熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)6001～8397 min無熱敏的設(shè)備的溫度，并把估測值和測試集中的試驗(yàn)值進(jìn)行了對比。表1中列出了10個(gè)對溫度較為敏感的設(shè)備估測值和試驗(yàn)值誤差分別在小于1 ℃，1～2 ℃，大于2 ℃以上的百分比。

表1 不同設(shè)備試驗(yàn)值與估測值溫度誤差

從表1可以看出估測值和試驗(yàn)值誤差很小，絕大部分都是小于1 ℃，有2個(gè)設(shè)備不到1%比例的估測誤差。結(jié)果表明所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估測精度小于1 ℃，應(yīng)用效果較好，可以作為在軌飛行的熱控評估代理模型，提高實(shí)時(shí)評估能力。

6 結(jié)束語

本文對數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展及技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，提出了數(shù)字孿生衛(wèi)星的定義并對其內(nèi)涵進(jìn)行了理論探索，同時(shí)創(chuàng)造性提出了數(shù)字孿生衛(wèi)星五維模型、五維數(shù)據(jù)以及微觀宏觀數(shù)字雙技術(shù)路線。數(shù)字孿生衛(wèi)星的構(gòu)建是龐大的系統(tǒng)工程，是數(shù)字化信息化物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)充分發(fā)展的產(chǎn)物，涉及技術(shù)種類多，技術(shù)難度大，其理論不是一朝成形，其實(shí)現(xiàn)更不會(huì)一蹴而就。但高難度才意味著高效益，數(shù)字孿生與衛(wèi)星的結(jié)合及有效落地勢必將成為發(fā)揮出巨大作用、促進(jìn)衛(wèi)星行業(yè)效益指數(shù)級增長的數(shù)字資產(chǎn)利器。期望本文能對數(shù)字孿生理論、技術(shù)和工程應(yīng)用研究提供啟發(fā)及參考，早日實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的數(shù)字孿生。

致謝

感謝北京航空航天大學(xué)陶飛教授及其團(tuán)隊(duì)在本文撰寫過程中提供的幫助。