狹義數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺的開放性研究

董云峰，孫運(yùn)江，李 智

（北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191）

0 引言

每次工業(yè)革命都帶來社會巨大的進(jìn)步，第4 次工業(yè)革命是我國第一次有機(jī)會和發(fā)達(dá)國家站在同一起跑線上參與競爭。數(shù)字孿生是工業(yè)4.0 的核心，就理論而言，任何一個(gè)好的工程產(chǎn)品都需要在社會實(shí)踐中不斷完善優(yōu)化，由于數(shù)字世界的試驗(yàn)成本遠(yuǎn)低于真實(shí)物理世界，所以在與物理世界最接近的數(shù)字孿生系統(tǒng)中完成推演優(yōu)化才是最合理的。由于各行、各業(yè)、各個(gè)單位要解決的主要矛盾不同，不同的數(shù)字孿生系統(tǒng)要解決的問題也有很大差異。所以把數(shù)字孿生系統(tǒng)中的系統(tǒng)具體化到某個(gè)實(shí)體時(shí)，雖然實(shí)體的概念是清晰的，但“數(shù)字孿生實(shí)體”這個(gè)概念就不容易產(chǎn)生共識。比如文中所談的數(shù)字孿生衛(wèi)星，單純講衛(wèi)星這個(gè)概念是不會產(chǎn)生爭議的，但數(shù)字孿生衛(wèi)星就存在概念不清、類型混淆、內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)不明確等問題，所以數(shù)字孿生衛(wèi)星的概念內(nèi)涵外延有必要在文中界定。

系統(tǒng)工程是從系統(tǒng)觀念出發(fā)，以最優(yōu)化方法求得系統(tǒng)整體最優(yōu)綜合化的組織、管理、技術(shù)和方法的總稱［1］。一個(gè)工程中涉及到很多單位、團(tuán)體和個(gè)人，不同崗位的人在系統(tǒng)工程方法論的指導(dǎo)下協(xié)同工作，相互利用別人的工作成果。如果相互間工作成果交換是通過語言文字完成的，可稱為實(shí)施了基于文本的系統(tǒng)工程［2］；如果是通過數(shù)字化模型交換的，則稱為實(shí)施了基于模型的系統(tǒng)工程［3］。在基于文本的系統(tǒng)工程模式下，使用一個(gè)工作成果，要通過成果提交方的文字描述理解這個(gè)工作成果，并根據(jù)對成果的理解，在自己的系統(tǒng)中重建成果，其工作成果在崗位間的流動交換，依賴提交成果一方的表達(dá)能力和使用成果一方的理解能力［4］?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程，通過對工作成果的數(shù)字化，消除了文字描述的模糊性，他人可以直接使用，省掉了重新建模的過程，所以能極大地提高工程效率［5］。

航天器有復(fù)雜、龐大和高度綜合性的特點(diǎn)，單個(gè)航天器的工程實(shí)踐就有能力引領(lǐng)系統(tǒng)工程的發(fā)展，這是其他行業(yè)的工程產(chǎn)品很可能不具備的條件。早期的阿波羅登月飛船、航天飛機(jī)都對系統(tǒng)工程的發(fā)展有巨大的推動作用。數(shù)字孿生航天器要解決航天器工程實(shí)踐問題，就必須解決系統(tǒng)工程理論在航天工程實(shí)踐中碰到的問題，而其他的數(shù)字孿生系統(tǒng)中，系統(tǒng)工程問題有可能是不重要的。邏輯上可以把航天工程實(shí)踐中碰到的問題分為系統(tǒng)工程主導(dǎo)的問題和非系統(tǒng)工程主導(dǎo)問題。但在具體的工程實(shí)踐中，需要討論這兩類問題是否可以解耦并分主次，分主次還需考慮數(shù)字孿生航天器要解決的主要問題是系統(tǒng)工程問題還是非系統(tǒng)工程問題，不解釋清楚上述問題，數(shù)字孿生衛(wèi)星的定義肯定是不明確的。

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料看，國外發(fā)達(dá)國家的數(shù)字孿生系統(tǒng)，核心解決的是系統(tǒng)工程問題，雖然也能解決非系統(tǒng)工程問題，但這是額外的好處，并不是推動數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的動力。2020 年工信部牽頭發(fā)布的數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書［6］，充分肯定了航天領(lǐng)域技術(shù)對數(shù)字孿生技術(shù)的引領(lǐng)作用。白皮書明確指出一個(gè)世界范圍的共識，孿生的思想，起源于美國國家航空航天局的“阿波羅計(jì)劃”［7］。一個(gè)物理實(shí)體和一個(gè)數(shù)字仿真系統(tǒng)并行運(yùn)行，可能是在其他行業(yè)沒有發(fā)生過，也可能是在其他行業(yè)一直發(fā)生，但這個(gè)物理實(shí)體不夠復(fù)雜，引領(lǐng)系統(tǒng)工程的意義不大，所以不被承認(rèn)。白皮書還指出了另一個(gè)世界范圍的共識，學(xué)者們普遍認(rèn)為2010 年NASA 在技術(shù)報(bào)告中正式定義了數(shù)字孿生的概念，NASA 將數(shù)字孿生定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過程”［8］。這個(gè)定義從內(nèi)涵上明確強(qiáng)調(diào)了是一個(gè)集成的系統(tǒng)，外延上給出了飛行器這個(gè)特例。集成的核心理論是系統(tǒng)工程，沒有系統(tǒng)工程主導(dǎo)問題，不解決集成工程活動產(chǎn)生問題的數(shù)字實(shí)體融合系統(tǒng)，不應(yīng)該算作數(shù)字孿生系統(tǒng)。

基于模型的系統(tǒng)工程是在企業(yè)工程實(shí)踐中發(fā)展起來的。衛(wèi)星研制單位基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)用，一般都經(jīng)歷了衛(wèi)星模擬器這個(gè)階段。至少在1994 年以前，美國的休斯和勞拉公司已在衛(wèi)星工程中，以衛(wèi)星動態(tài)模擬器［9］為落地實(shí)體，按結(jié)構(gòu)、供電、熱控、測控、推進(jìn)、姿控、載荷子系統(tǒng)劃分解耦，在不同的崗位人員之間通過模型交換工作成果，完成研發(fā)驗(yàn)證和驗(yàn)收等工作（Development，Qualification and Acceptance Testing）。動態(tài)模擬器［10］在靜態(tài)模擬器基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解決衛(wèi)星研制各部門相互協(xié)調(diào)產(chǎn)生的工程問題。世界一流的衛(wèi)星研制企業(yè)肯定不是只有衛(wèi)星模擬器一個(gè)數(shù)字化工具，衛(wèi)星模擬器應(yīng)用范圍很窄，衛(wèi)星研制用到的數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、控制等都有更大市場和更為成熟的商業(yè)軟件工具。衛(wèi)星動態(tài)模擬器是專注解決衛(wèi)星研制商用其他軟件工具不能解決的系統(tǒng)工程實(shí)踐問題，如衛(wèi)星某個(gè)部件或某個(gè)子系統(tǒng)性能與衛(wèi)星整體性能的關(guān)系問題。

在基于模型的系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上發(fā)展起來了基于模型的體系工程，進(jìn)而發(fā)展到數(shù)字工程?；谀M的體系工程引入了規(guī)劃、開發(fā)、建造、使用等利益攸關(guān)方的概念［11］，強(qiáng)化了模型的系統(tǒng)性和整體性，明確了不同的人對同一實(shí)體建模的個(gè)性化差異。2009 年提出了通過數(shù)字孿生體改變傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程的概念［8，12］，2010 年NASA 的技術(shù)報(bào) 告中正式提出數(shù)字孿生（Digital Twin）一詞［13］，2011 年美國成立了系統(tǒng)工程研究中心，推動系統(tǒng)工程改造進(jìn)程，2015 年該研究中心在國際系統(tǒng)工程協(xié)會的MBSE分享中首次提出了數(shù)字工程的概念［14］。2018 年6 月出臺了《數(shù)字工程戰(zhàn)略》［15］，開啟了基于數(shù)字孿生體構(gòu)建工程體系的數(shù)字工程歷史，同年10 月取消了系統(tǒng)工程研究中心，2020 年成立了采辦創(chuàng)新研究中心，用數(shù)字工程取代了系統(tǒng)工程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字采辦［16］，2021 年發(fā)布的太空軍數(shù)字軍種愿景［17］，更是將戰(zhàn)訓(xùn)研的所有環(huán)節(jié)包納進(jìn)來，形成一個(gè)系統(tǒng)整體。從這個(gè)過程看，動態(tài)模擬器是基于模型的系統(tǒng)工程的落地載體，數(shù)字孿生至少是基于模型的體系工程的落地載體。數(shù)字孿生是為系統(tǒng)工程發(fā)展服務(wù)的，是數(shù)字工程取代系統(tǒng)工程的關(guān)鍵，系統(tǒng)工程要解決的問題是推動數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的動力。

我國航天工業(yè)也在飛速發(fā)展，利用數(shù)字工具通過定量分析評估完成最優(yōu)決策，解決工程問題是航天人的日常工作［18］。已大量采用以學(xué)科為主導(dǎo)的最新的商業(yè)軟件工具。但采用數(shù)字系統(tǒng)并不代表實(shí)施了基于模型的系統(tǒng)工程，一個(gè)人在完成自己的崗位職責(zé)時(shí)用到了個(gè)性化的數(shù)字系統(tǒng)，但工作成果是通過人才能理解語言文字表述的，其他人在另一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)中使用這個(gè)成果時(shí)，仍要通過閱讀語言方案理解這個(gè)成果，在自己的數(shù)字系統(tǒng)中重新構(gòu)建這個(gè)成果的模型，這仍是基于文本的系統(tǒng)工程［2］。我國在基于模型的系統(tǒng)工程實(shí)踐上，與發(fā)達(dá)國家的差距是明顯的。發(fā)達(dá)國家以學(xué)科為主導(dǎo)的商業(yè)軟件一般都有自主知識產(chǎn)權(quán)，這是我國的短板，也是我國急需解決的問題。由于起步晚，在航天工程實(shí)踐中發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)，發(fā)展中國家與發(fā)達(dá)國家所走路是不同的。具體到衛(wèi)星，可以像發(fā)達(dá)國家這樣集中精力解決系統(tǒng)工程主導(dǎo)的問題，這里稱為狹義的數(shù)字孿生衛(wèi)星，也可以協(xié)同考慮衛(wèi)星工程實(shí)踐中非系統(tǒng)工程主導(dǎo)的其他問題，這里稱為廣義的數(shù)字孿生衛(wèi)星。

“科普中國”［19］定義數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。從這些定義中可以看出，不局限在傳統(tǒng)的子系統(tǒng)學(xué)科的框架內(nèi)，以系統(tǒng)的觀點(diǎn)分析解決多學(xué)科耦合問題，是數(shù)字孿生的特點(diǎn)。本文所討論的數(shù)字孿生衛(wèi)星嚴(yán)格遵守這個(gè)定義，完全覆蓋每個(gè)關(guān)鍵要素的狹義的數(shù)字孿生衛(wèi)星，它主要解決“部件性能和衛(wèi)星性能是什么關(guān)系？”“衛(wèi)星性能和體系效能是什么關(guān)系？”“如何合理使用衛(wèi)星？”等這些在衛(wèi)星工程實(shí)踐中產(chǎn)生的，且必須從系統(tǒng)角度分析討論的問題。

一個(gè)衛(wèi)星工程涉及到很多單位、團(tuán)體和個(gè)人，不同崗位的人在不同階段要研究解決不同的問題，特定崗位的人要根據(jù)自己問題的特殊性，用最小的代價(jià)構(gòu)建適合問題的數(shù)字工具，并運(yùn)用這個(gè)數(shù)字工具完成任務(wù)，形成針對特定任務(wù)的工作成果。如果這個(gè)問題由系統(tǒng)工程主導(dǎo)的，每個(gè)人在研究問題時(shí)都要從系統(tǒng)整體出發(fā)，分析整體和局部的關(guān)系，所以每個(gè)人研究問題的數(shù)字工具都要具備系統(tǒng)整體特征，都是數(shù)字孿生衛(wèi)星，只是不同利益攸關(guān)方不同崗位的人視點(diǎn)不同，數(shù)字孿生衛(wèi)星建模的重點(diǎn)不同，狀態(tài)量定義不一樣，描述狀態(tài)變化的模型各部分的仿真逼真度也不一樣。

構(gòu)建和應(yīng)用數(shù)字孿生衛(wèi)星需要一個(gè)工具，提高構(gòu)建應(yīng)用效率，減少工作量。這個(gè)工具可稱為數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺［20］。構(gòu)建應(yīng)用平臺有兩種方法：一種方法是采用統(tǒng)一平臺，不同崗位的人用同一平臺構(gòu)建解決問題的數(shù)字工具，工作成果自然是可以共享的；另一方法是通過模型轉(zhuǎn)換，不同的人可以選擇不同平臺構(gòu)建數(shù)字工具，如果能做到平臺之間模型的無人自動轉(zhuǎn)換，工作效率和采用同一平臺是一致的，所以平臺可以由多個(gè)打通了模型轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的子平臺共同構(gòu)成。本文在后面的論述中統(tǒng)一稱為平臺，不區(qū)分具體的實(shí)現(xiàn)方法。

平臺是個(gè)軟件系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、成熟先進(jìn)性、可靠穩(wěn)定性、擴(kuò)展維護(hù)性、安全性、規(guī)范性、開放性是評價(jià)軟件系統(tǒng)最基本的幾個(gè)方面。

衛(wèi)星工程有很強(qiáng)的創(chuàng)新性，每個(gè)工程項(xiàng)目總會有些未曾探索過的問題，平臺一定要能建造和應(yīng)用新的數(shù)字孿生衛(wèi)星，此要求不能妥協(xié)。如果平臺當(dāng)前版本不支持，必須對平臺進(jìn)行升級改造，軟件系統(tǒng)的開放性和擴(kuò)展維護(hù)性一般有很高的耦合度。開放性和擴(kuò)展維護(hù)性的目標(biāo)是一致的，都是為了降低人工勞動強(qiáng)度。對于狹義數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺，核心問題是不同崗位的人需要個(gè)性化的數(shù)字孿生衛(wèi)星，但又要盡可能使用他人的成果，需要解決的問題是降低所有使用崗位工作強(qiáng)度的總和。開放性是主要矛盾，開放性對平臺的要求基本上代替了擴(kuò)展維護(hù)性的要求，本文在后續(xù)的論述中，統(tǒng)稱為開放性，不再提擴(kuò)展維護(hù)性。

提高平臺的開放性，常用的方法是分層架構(gòu)設(shè)計(jì)［21］、模塊組件化［22］、定義標(biāo)準(zhǔn)化接口［23］、提供二次開發(fā)應(yīng)用工具包［24］等。特別值得一提的是正在迅速發(fā)展的機(jī)器人流程自動化智能化技術(shù)，機(jī)器人流程自動化（Robotic Process Automation，RPA）技術(shù)［25］是按照事先約定好的規(guī)則，用編程的方式代替人類的鼠標(biāo)鍵盤操作完成特定的業(yè)務(wù)流程。智能流程自動化（Intelligent Process Automation，IPA）技術(shù)［26］是在RPA 基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合人工智能技術(shù)（AI）突破規(guī)則的局限性，RPA 相當(dāng)人的雙手，可以精準(zhǔn)執(zhí)行一系列重復(fù)的任務(wù)，AI 相當(dāng)于人的大腦，可以實(shí)現(xiàn)一定的判斷決策能力，IPA 智能化的決策能力極大提高了生產(chǎn)效率，使許多過去不可能的事變成了現(xiàn)實(shí)［27-28］。

1 數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺開放性度量

系統(tǒng)工程把工作分為建模和模型的組織管理兩個(gè)層面。在數(shù)字世界中工作，也可以進(jìn)一步分為構(gòu)建數(shù)字系統(tǒng)和運(yùn)行數(shù)字系統(tǒng)研究問題形成成果兩個(gè)方面。一個(gè)單位和團(tuán)隊(duì)在一個(gè)或多個(gè)具體的衛(wèi)星工程實(shí)踐中，按基于模型的系統(tǒng)工程要求，所有人用平臺構(gòu)建數(shù)字孿生衛(wèi)星并運(yùn)用數(shù)字孿生衛(wèi)星完成所需研究任務(wù)的工作量總和，作為數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺開放性的度量。

1.1 數(shù)字孿生衛(wèi)星建模和使用模式開放性

人有兩種方式完成數(shù)字世界中的工作，常見的是通過鼠標(biāo)鍵盤人機(jī)交互界面完成，可稱為人機(jī)交互模式；另一種是用軟件自動化智能化技術(shù)，人書寫一個(gè)平臺能執(zhí)行的程序去完成由多個(gè)操作步驟組成的工作，可稱為批處理程序模式。同樣的工作，人機(jī)交互模式的工作量顯然要大于自動化智能化的程序模式，可以按照工作模式定義平臺等級體現(xiàn)工作量評估開放性。

數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺的開放性設(shè)計(jì)，首先體現(xiàn)在數(shù)字衛(wèi)星建模和應(yīng)用兩項(xiàng)工作都需要支持批處理程序模式，能用批處理程序模式完成數(shù)字衛(wèi)星建模和數(shù)字衛(wèi)星使用。

數(shù)字孿生衛(wèi)星對衛(wèi)星承研單位的幫助最大，研制方一般是根據(jù)科學(xué)原理開展建模工作，只要是人類認(rèn)識的客觀規(guī)律，都可以模型化。從追求先進(jìn)性的角度考慮，細(xì)化衛(wèi)星每一部分的原理，不斷提高仿真模型的逼真度，是一個(gè)以創(chuàng)新為核心的工程實(shí)踐中很自然的選擇。高逼真度的模型自然需要更大的計(jì)算資源，運(yùn)行高逼真度的模型，肯定降低超實(shí)時(shí)模擬仿真能力，甚至保證不了模擬仿真實(shí)時(shí)性。數(shù)字孿生衛(wèi)星是不同崗位的人解決問題的工具，資源占用、工作效率都是評價(jià)工具好壞的重要方面。按系統(tǒng)工程效費(fèi)比決策要求，模型的逼真度不是越高越好，是按需建模最好，是先根據(jù)要解決的問題，分析工具精度需求，再根據(jù)每部分模型對工具精度的貢獻(xiàn)，決定這部分模型的逼真度。

根據(jù)數(shù)字孿生的定義，嚴(yán)格的數(shù)字孿生系統(tǒng)一定完成了虛實(shí)融合，得到該系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)和物理世界真實(shí)測量數(shù)據(jù)的差異，此差異是可量化、可度量的。模型計(jì)算誤差與真實(shí)測量數(shù)據(jù)的差異，定義為模型的不確定性，數(shù)字孿生系統(tǒng)，不僅是定義模型的不確定性，還要量化這個(gè)不確定性的大小，就像一把尺子一樣，經(jīng)過計(jì)量標(biāo)定后，才能決定它的使用場景。2017 年，DARPA［29］在量化 物理系統(tǒng) 的不確定性取得了重大進(jìn)展，不同逼真度的模型數(shù)字化為模型的不確定性，每個(gè)模型有自己的不確定性度量。DARPA 的這項(xiàng)工作，在系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)為數(shù)字工程的進(jìn)程中有至關(guān)重要的作用。物理世界的試驗(yàn)也是有誤差的，量化了模型的不確定性，就可以決定這個(gè)模型的仿真試驗(yàn)可以取代什么樣的物理試驗(yàn)，降低研制周期和成本。量化了模型的不確定性，按需建模才有依據(jù)。

數(shù)字孿生建模不是一個(gè)一次性工作，是根據(jù)不確定性反復(fù)迭代不斷優(yōu)化各個(gè)局部表述的過程。如果修模全部由人操作的，平臺建模工作模式的開放性定義為0 級；如果衛(wèi)星同一部件有多個(gè)不同逼真度的模型，人可以選擇一個(gè)合適的部件模型，再手工調(diào)整機(jī)、電、熱、光、磁各物理場的描述，完成模型調(diào)整，開放性定義為1 級；如果平臺提供機(jī)、電、熱、光、磁各物理場的描述二次開發(fā)工具，人可以通過書寫程序完成一系列的模型調(diào)整，開放性定義為2 級。

數(shù)字孿生衛(wèi)星是協(xié)助人完成衛(wèi)星工程活動的。系統(tǒng)科學(xué)認(rèn)為人類在自然界的活動鏈可分為［30］科學(xué)、技術(shù)、工程、產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、社會、文化這幾個(gè)方面。科學(xué)是發(fā)現(xiàn)規(guī)律，技術(shù)是發(fā)明方法，工程是集成建造的3 種既有密切聯(lián)系又有本質(zhì)區(qū)別的社會活動。在一個(gè)特定的工程項(xiàng)目中，發(fā)現(xiàn)它的特殊科學(xué)規(guī)律，利用該規(guī)律發(fā)明了新技術(shù)手段，用于工程中解決關(guān)鍵問題，故這3 個(gè)方面是高度耦合的。使用數(shù)字孿生衛(wèi)星完成工程建造過程，一定與使用數(shù)字衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)客觀規(guī)律、發(fā)明技術(shù)手段的過程密不可分。

系統(tǒng)工程提供了發(fā)現(xiàn)規(guī)律、發(fā)明技術(shù)和完成工程建造的方法，數(shù)字衛(wèi)星的使用主要就是應(yīng)用這些系統(tǒng)工程方法論的過程。比如通過抽樣和蒙特卡羅法應(yīng)對不確定性，用相關(guān)分析、敏度分析、主成分分析、聚類分析等方法發(fā)現(xiàn)規(guī)律，通過回歸分析、狀態(tài)估計(jì)、類比數(shù)據(jù)挖掘等方法驗(yàn)證規(guī)律，在“物事理”3 個(gè)方面，用成本效益、層次分析、模糊綜合等方法完成指標(biāo)體系的量化評估、風(fēng)險(xiǎn)與不確定性評估。在解決了確定型問題決策的基礎(chǔ)上，根據(jù)問題的復(fù)雜性，綜合應(yīng)用多目標(biāo)多屬性決策、風(fēng)險(xiǎn)型決策、魯棒決策、非結(jié)構(gòu)多階段決策等方法發(fā)明技術(shù)手段。在系統(tǒng)工程方法論指導(dǎo)下，使用數(shù)字孿生衛(wèi)星這個(gè)工具發(fā)現(xiàn)和解決問題，根據(jù)系統(tǒng)工程的分析或評估算法的要求，設(shè)置成千上萬個(gè)環(huán)境參數(shù)和衛(wèi)星初始狀態(tài)不同的仿真工況，通過仿真求解每個(gè)工況在一定時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星狀態(tài)的變化，再對這些不同工況的仿真結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，形成圖表和報(bào)告。

如果數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺只提供人機(jī)交互模式完成應(yīng)用工作，就必須靠人完成所有的輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和仿真后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作。完成一個(gè)或幾個(gè)典型工況的分析工作是可能的，但是在巨大工作量的情況下，應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法發(fā)現(xiàn)客觀規(guī)律的可能性幾乎為零，平臺應(yīng)用工作模式的開放性定義為0 級；如果平臺支持?jǐn)?shù)字孿生衛(wèi)星批處理運(yùn)行模式，開放性定義為1 級；單個(gè)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力有限，如果平臺支持多個(gè)計(jì)算機(jī)集群負(fù)載均衡協(xié)同計(jì)算，或者支持云服務(wù)，開放性定義為2 級；采用系統(tǒng)工程的分析算法，比如相關(guān)分析，不同人的視點(diǎn)不同，使用相關(guān)分析方法輸入數(shù)據(jù)也不同，如果平臺定義一套集成規(guī)范，提供二次開發(fā)工具，人可以通過書寫程序完成設(shè)定，然后提交給計(jì)算機(jī)自動完成分析評估工作，則開放性定義為3 級。

1.2 數(shù)字孿生衛(wèi)星星上代碼一致性保障的開放性

星載計(jì)算機(jī)是衛(wèi)星的大腦，它決定了衛(wèi)星的表現(xiàn)，星載計(jì)算機(jī)模擬器的逼真度對數(shù)字孿生衛(wèi)星仿真精度的重要性是毋庸置疑的。星載計(jì)算機(jī)硬件平臺在各個(gè)衛(wèi)星之間有一定繼承性，核心是它的軟件程序，衛(wèi)星其他部件上也會有在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的程序，對于軟件定義衛(wèi)星，更多的功能是通過軟件實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)部件可以用在多個(gè)衛(wèi)星上，硬件研發(fā)是個(gè)一次工作，而星上軟件是伴隨衛(wèi)星全生命期不斷維護(hù)和更新的，星上軟件研發(fā)與維護(hù)工作量占總工作量的比重是很可觀的。星上軟件是構(gòu)成數(shù)字孿生衛(wèi)星的重要組成部分，數(shù)字孿生衛(wèi)星又是星上軟件研發(fā)調(diào)試、測試驗(yàn)證的理想工具，星上代碼的建模和模型的組織管理是個(gè)緊耦合關(guān)系。

相比嵌入式系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)硬件便宜隨處可得，軟件開發(fā)調(diào)試環(huán)境也優(yōu)越，先在計(jì)算機(jī)上完成研發(fā)維護(hù)的大部分工作，需要時(shí)再使用嵌入式系統(tǒng)顯然是合理的工作方式。圍繞星上代碼的研發(fā)和維護(hù)，不同的人在不同階段需要數(shù)字孿生衛(wèi)星這個(gè)研發(fā)測試工具運(yùn)行在不同的硬件平臺上，所有人的工作量總和與星上代碼的跨平臺一致性高度相關(guān)。

星載計(jì)算機(jī)由硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件構(gòu)成姿態(tài)控制系統(tǒng)，由于硬件和操作系統(tǒng)緊密聯(lián)系，合起來通常稱為系統(tǒng)層（Operating System Abstraction Layer，OSAL）［31］，應(yīng)用軟件稱為應(yīng)用層。應(yīng)用軟件在運(yùn)行中通過系統(tǒng)層接口中函數(shù)調(diào)用系統(tǒng)層服務(wù)。星上應(yīng)用層代碼一般是通用的計(jì)算機(jī)語言，只要應(yīng)用軟件調(diào)用系統(tǒng)層的接口函數(shù)一致，用編譯器重新生成可執(zhí)行程序，就可以運(yùn)行在不同的平臺上。如果已經(jīng)定義了標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)層接口函數(shù)，數(shù)字孿生衛(wèi)星就可以直接使用星上源代碼。星載軟件的標(biāo)準(zhǔn)化是降低研發(fā)工作量、提高衛(wèi)星可靠性的重要手段，NASA 為此專門制訂了星上代碼的模型復(fù)用基礎(chǔ)架構(gòu)（NASA Integrated Model-Centric Architecture，NIMA）［32］。

如果數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺對星上軟件沒有任何規(guī)范，則源代碼一致性保障開放性為0 級，跨平臺移植時(shí)星上應(yīng)用層代碼和系統(tǒng)層代碼都需要改造，工作量最大。如果平臺定義了標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)層接口函數(shù)，開放性為1 級，跨平臺時(shí)移植時(shí)應(yīng)用層代碼是可以重復(fù)使用，只需改造系統(tǒng)層代碼，而且是一次性工作，工作量大大降低。如果與NASA 一樣定義了模型復(fù)用基礎(chǔ)架構(gòu)，不同衛(wèi)星之間應(yīng)用層的基礎(chǔ)代碼可以復(fù)用，工作量進(jìn)一步減少，則開放性為2 級。

1.3 數(shù)字孿生衛(wèi)星集群異構(gòu)平臺分布式仿真支持能力的開放性

不同崗位的人在衛(wèi)星生命期不同階段使用數(shù)字孿生衛(wèi)星解決不同的問題，對于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，技術(shù)驗(yàn)證、部件驗(yàn)收，則需要硬件在回路技術(shù)，衛(wèi)星部件模擬器的電信接口和真實(shí)部件完全一致，可互換，在字節(jié)一致逼真度下完整地模擬信息處理流程。對于衛(wèi)星集群體系效能評估類的問題，絕大多數(shù)的指標(biāo)仿真計(jì)算不用關(guān)注到字節(jié)，只需把關(guān)鍵參數(shù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，不關(guān)心工程碼和原碼轉(zhuǎn)換、壓縮解壓縮信息損失，不關(guān)心傳輸誤碼和信道編碼，不關(guān)心裝包解包虛擬信道等信息傳輸歷程，甚至不關(guān)心是通過什么總線傳輸?shù)摹?shù)字孿生衛(wèi)星的異構(gòu)平臺分布式仿真是提高研發(fā)效率重要手段，跨平臺分布式仿真支持能力和所有人的總工作量高度相關(guān)。

如果數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺沒有定義信息接口函數(shù)，多平臺分布式仿真開放度為0 級；如果平臺定義了各種總線的標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，并用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口模擬了總線傳輸過程，則數(shù)字孿生衛(wèi)星既可以運(yùn)行在工控機(jī)或嵌入式平臺上進(jìn)行電信接口一致的硬件在回路仿真，也可以運(yùn)行在負(fù)載均衡的計(jì)算機(jī)集群或超算平臺上，多平臺分布式仿真開放度為1 級；如果平臺提供多個(gè)級別的抽象傳輸接口，數(shù)字孿生衛(wèi)星可以根據(jù)按需建模準(zhǔn)則，在不同的逼真度上模擬信息傳輸過程，大大降低了不同人互相引用成果的工作量，開放度定義為2 級。

2 數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺開放性設(shè)計(jì)

軟件平臺開放性設(shè)計(jì)的目標(biāo)［33］，是最大限度地增強(qiáng)系統(tǒng)的價(jià)值，最大限度地吻合各業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求，充分考慮系統(tǒng)今后的硬件擴(kuò)展、功能擴(kuò)展、應(yīng)用擴(kuò)展、集成擴(kuò)展等多層面的延伸，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少系統(tǒng)再開發(fā)的工作量。開放性設(shè)計(jì)方法也有很長的研究歷史和成熟的技術(shù)。20 世紀(jì)80 年代初提出的開放式體系結(jié)構(gòu)［34］，具有可移植性、可互操作性、可剪裁性、易獲得性等特點(diǎn)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）信息處理系統(tǒng)技術(shù)委員會制訂了一系列的開放系統(tǒng)互連標(biāo)準(zhǔn)［35］，比如由物理、數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡(luò)、傳輸、會話、表示、應(yīng)用7 個(gè)層定義的開放系統(tǒng)互連OSI 參考模型。應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件和硬件3 檔劃分的開發(fā)應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)（OAA）等。橫向分層和縱向分割架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、全組件化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)技術(shù)、系統(tǒng)及其組件二次開發(fā)應(yīng)用工具包技術(shù)，都是常用的手段。數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺也應(yīng)采用這些通用的開放性設(shè)計(jì)技術(shù)，本文主要討論數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺專用的開放性設(shè)計(jì)技術(shù)，通用技術(shù)就不展開討論了。

2.1 軟件層次模塊劃分

軟件層次總體劃分為系統(tǒng)層和應(yīng)用層。其中系統(tǒng)層包含時(shí)鐘接口、總線接口、混合平臺協(xié)同仿真RTI 接口。應(yīng)用層包含飛行環(huán)境模塊、衛(wèi)星多物理場耦合計(jì)算模塊、單機(jī)部件模塊和星上軟件模塊。

2.1.1 系統(tǒng)層

仿真節(jié)點(diǎn)可能是只帶網(wǎng)絡(luò)接口的計(jì)算機(jī)，帶電信接口輸出板卡的工控機(jī)，或者是和星上設(shè)備相近的一個(gè)嵌入式平臺，也可以是能上天的星載計(jì)算機(jī)平臺。根據(jù)按需模擬的原則，大部分不重要的接口可以用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬，涉及關(guān)鍵技術(shù)的有可能采用真實(shí)電信接口，一般情況下是多種類型平臺的聯(lián)合仿真。

系統(tǒng)層為不同硬件平臺仿真節(jié)點(diǎn)的計(jì)時(shí)、中斷、任務(wù)調(diào)度和優(yōu)先級管理等功能提供標(biāo)準(zhǔn)API 接口，為衛(wèi)星上常用的各類數(shù)據(jù)傳輸總線，如串行移位、422、1553B、CAN 低速總線和高速傳輸總線提供標(biāo)準(zhǔn)接口。星上的部件模擬器在切換硬件平臺時(shí)，應(yīng)用層源代碼不需要改動，只需要重新編譯。不同硬件平臺選擇自己最合理的方式實(shí)現(xiàn)API 接口，硬件平臺標(biāo)準(zhǔn)API 接口開發(fā)是一次性工作。

如果在團(tuán)體和單位內(nèi)沒有定義接口標(biāo)準(zhǔn)，星上源代碼是按項(xiàng)目組的編程規(guī)范實(shí)現(xiàn)的。在這種情況下，需要對星上代碼進(jìn)行分割，定義此項(xiàng)目系統(tǒng)層和應(yīng)用層之間的API 接口。對標(biāo)項(xiàng)目系統(tǒng)層API和標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)層API，用最合理的方式實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目API接口，保證星上應(yīng)用層源代碼重新編譯后就可以運(yùn)行在數(shù)字模擬平臺上。

系統(tǒng)層還應(yīng)該提供一個(gè)混合平臺協(xié)同仿真RTI接口，完成異構(gòu)節(jié)點(diǎn)時(shí)間協(xié)同步進(jìn)功能。至少要支持超實(shí)時(shí)仿真和實(shí)時(shí)仿真兩種模式。在超實(shí)時(shí)仿真模式下，需要一個(gè)步進(jìn)服務(wù)器，每個(gè)聯(lián)邦節(jié)點(diǎn)上需要一個(gè)步進(jìn)管理員，步進(jìn)服務(wù)器協(xié)調(diào)不同類型平臺的步進(jìn)管理員完成仿真同步。真實(shí)設(shè)備只有時(shí)鐘，沒有步進(jìn)管理員，模擬器和真實(shí)設(shè)備協(xié)同仿真一般只能運(yùn)行在實(shí)時(shí)仿真模式下。

2.1.2 應(yīng)用模塊架構(gòu)

數(shù)字孿生衛(wèi)星應(yīng)用模塊分為兩部分：第一部分是星上設(shè)備模塊，星上設(shè)備模塊和真實(shí)衛(wèi)星的組成結(jié)構(gòu)有一一對應(yīng)關(guān)系，真實(shí)衛(wèi)星按客觀規(guī)律飛行在物理世界；第二部分就是模擬自然客觀規(guī)律，自然規(guī)律具體表現(xiàn)為機(jī)電熱光磁和空間輻射等物理場，稱為多物理場模塊。

星上設(shè)備模塊可以按衛(wèi)星的系統(tǒng)維進(jìn)一步細(xì)分為結(jié)構(gòu)、電源、熱、測控、姿軌控、推進(jìn)、載荷、數(shù)據(jù)管理等子系統(tǒng)模塊，也可以再進(jìn)一步按每個(gè)子系統(tǒng)的工作原理細(xì)分到核心部件，由于有真實(shí)衛(wèi)星組成結(jié)構(gòu)作為參照依據(jù)，星上設(shè)備模塊的架構(gòu)一般不會有爭議。

衛(wèi)星姿態(tài)控制、星務(wù)管理、數(shù)據(jù)信息管理一般都涉及到星載計(jì)算機(jī)。除了冗余備份，還需考慮不同研制單位互不干涉問題。星載計(jì)算機(jī)一般是多個(gè)設(shè)備分布式工作，決定星載計(jì)算機(jī)功能的核心是軟件，所以星載計(jì)算機(jī)應(yīng)該按功能邏輯劃分模塊架構(gòu)。星載計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件可分為4 個(gè)模塊：姿態(tài)確定與控制模塊，供電、熱、推進(jìn)星上自主管理模塊，遙測遙控管理模塊，以及載荷信息管理模塊。4 個(gè)模塊可以運(yùn)行在一個(gè)硬件平臺上，也可以根據(jù)衛(wèi)星實(shí)際情況運(yùn)行在多個(gè)平臺上。

軟件定義衛(wèi)星的各個(gè)部件上也有星載軟件程序，這部分應(yīng)用軟件集成在設(shè)備模塊中更合適。

衛(wèi)星各子系統(tǒng)是相互耦合的。原理上衛(wèi)星的姿態(tài)和太陽帆對衛(wèi)星的大氣阻力、太陽光壓這兩種面積力攝動耦合，軌道姿態(tài)和太陽帆板微振動有運(yùn)動耦合，進(jìn)出地影太陽帆有力熱耦合。計(jì)算太陽帆收集能量時(shí)，需要知道太陽、衛(wèi)星位置、衛(wèi)星姿態(tài)和太陽帆對本體的相對轉(zhuǎn)角，供電和力熱耦合。計(jì)算當(dāng)前消耗的電能需要各部件電功率，供電和所有子系統(tǒng)的部件狀態(tài)耦合。衛(wèi)星外熱流計(jì)算需要知道太陽光線和衛(wèi)星各外表面的相對關(guān)系，計(jì)算內(nèi)熱源需要各部件的熱功率，不同位置熱量的傳導(dǎo)和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)強(qiáng)相關(guān)，熱和所有子系部件狀態(tài)耦合。衛(wèi)星空間鏈路計(jì)算涉及發(fā)送端功率，天線方向圖，信號傳輸距離與傳輸路徑的空間環(huán)境，接收天線方向圖等多個(gè)因素，至少是力電熱耦合。

機(jī)電熱光磁等物理場數(shù)學(xué)上一般用常微分方程組和偏微分方程組描述，這些方程組一般只能用數(shù)值方法求解。在求解過程中，常微分方程組可能出現(xiàn)時(shí)域上的多動態(tài)剛性問題，偏微分方程組除了時(shí)域問題，還可能在空間域上出現(xiàn)有限元劃分的多空間尺度問題。數(shù)字孿生衛(wèi)星的多物理場模塊不僅是單獨(dú)建立各個(gè)物理場的模型，嚴(yán)格按照定義，數(shù)字孿生系統(tǒng)建模強(qiáng)調(diào)的是多動態(tài)、多空間尺度、多物理場耦合，數(shù)字孿生衛(wèi)星一般包括軌道周期、姿態(tài)控制周期和微振動周期3 個(gè)動態(tài)，天體、整星和零部件3 個(gè)空間尺度，不同的衛(wèi)星，會在不同的時(shí)域和空間域耦合有限幾個(gè)物理場。比如動量輪軸承，會在高速轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生磨損，剝落的微粒會產(chǎn)生撞擊特定的摩擦，伴隨軸溫的變化阻尼緩慢增加，控制電壓也需要調(diào)整，力、電、磁、熱幾個(gè)物理場在軸承空間尺度上產(chǎn)生耦合。在衛(wèi)星其他位置，就可能沒有各物理場的耦合問題。多動態(tài)、多空間尺度、多物理場耦合問題確實(shí)會造成模塊架構(gòu)的變化，但目前有很成熟的技術(shù)處理這些耦合問題，最嚴(yán)重的問題也只是不能套用預(yù)先給定的模板，但決策并不復(fù)雜，用人工智能替代人是可行性。

2.2 多粒度模型庫

2.2.1 多粒度環(huán)境模型庫

仿真空間環(huán)境包含各類天體，如地球、太陽、月球。地球包含自轉(zhuǎn)模型、引力模型、大氣模型、磁場模型與大地基準(zhǔn)模型，太陽包含引力模型與太陽光壓模型，月球包含引力模型。多粒度地球自轉(zhuǎn)模型分為理想轉(zhuǎn)動模型、考慮章動和進(jìn)動的復(fù)雜模型；多粒度地球引力模型分為理想球體模型、不對稱球體引力場模型；多粒度太陽引力模型和月球引力模型中，太陽和月球的計(jì)算分為理想開普勒軌道遞推、JPL 星歷表插值。

2.2.2 多粒度子系統(tǒng)部件庫

多粒度子系統(tǒng)部件庫分為功能模型、原理模型和型號模型3 類，三者都包含誤差模型，但區(qū)別在于不同粒度可以不經(jīng)過實(shí)測數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，不引入失效模型。其中功能模型粒度最粗，能表現(xiàn)部件的功能和性能即可。原理模型能夠模擬部件工作過程的物理、信息、能量變化過程。型號模型粒度最細(xì)，工作原理和電信接口與真實(shí)部件一致。

2.2.3 多粒度星上軟件算法庫

多粒度星上軟件算法庫包括姿態(tài)控制算法，供電、熱、推進(jìn)星上自主管理模塊，遙測遙控管理模塊，以及載荷信息管理模塊。多粒度姿態(tài)控制算法包括和姿軌控部件功能模型配套的理想功能模型姿態(tài)控制算法，與原理模型配套的理想原理模型姿態(tài)控制算法，以及和部件型號模型配套的工程級姿態(tài)控制算法。多粒度供電、熱、推進(jìn)星上自主管理模塊包括理想自主管理算法、工程級自主管理算法。多粒度遙測遙控管理模塊支持包括測控功能一致性粒度，測控包格式一致性粒度，測控?cái)?shù)據(jù)處理一致性粒度，測控多回路比對流程一致性粒度。多粒度載荷信息管理模塊包括載荷信息處理結(jié)果一致性粒度，信息存儲、處理、傳輸資源一致性粒度，以及信息字節(jié)一致性粒度。

2.2.4 多粒度信息傳輸接口

信息傳輸流程同樣應(yīng)按需調(diào)整，根據(jù)使用需要包含多種粒度。包格式一致粒度要求包頭包尾、包長度與真實(shí)設(shè)備一致，傳輸包每個(gè)字節(jié)和真實(shí)設(shè)備一致。包種類一致粒度要求包的類型與真實(shí)設(shè)備一致，但包頭、包尾作簡化處理，傳輸包內(nèi)容可能只包括關(guān)鍵參數(shù)，每個(gè)參數(shù)的原碼和工程碼轉(zhuǎn)換方式作簡化。包傳輸流程一致粒度要求對多個(gè)包進(jìn)行了合并處理，但對話的發(fā)起、應(yīng)答方式與真實(shí)設(shè)備一致。信息處理流程一致粒度要求分包解包壓縮復(fù)接加密等過程與真實(shí)設(shè)備一致，但算法作簡化。信息傳輸流程一致粒度要求發(fā)送信息和接收信息的部件與真實(shí)設(shè)備一致，對信息處理流程作簡化。

2.3 建模和模型管理工具包

2.3.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式化記錄工具包

數(shù)據(jù)格式化記錄工具包支持利用人機(jī)交互界面將衛(wèi)星參數(shù)錄入到格式化數(shù)據(jù)庫中，主要包括零部件模型和參數(shù)、子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)、信息傳輸、星載姿軌控軟件、星務(wù)管理軟件等。裝配結(jié)果統(tǒng)一存儲在衛(wèi)星庫中，根據(jù)研究內(nèi)容選擇相應(yīng)數(shù)量和類型的衛(wèi)星構(gòu)建仿真場景后，利用格式化記錄工具包完成仿真場景建模。格式化記錄工具包支持不同規(guī)模、不同粒度的模型，同時(shí)可根據(jù)規(guī)模大小、多平臺需求構(gòu)建分布式仿真程序，按需完成仿真聯(lián)邦分配和部署。

2.3.2 云服務(wù)集群計(jì)算負(fù)載均衡批處理工具包

云服務(wù)集群計(jì)算負(fù)載均衡批處理工具包支持大樣本仿真工況的自動化生成、仿真及結(jié)果歸檔。其仿真工況生成根據(jù)研究所需，生成數(shù)字衛(wèi)星仿真所需的配置文件集合。管理節(jié)點(diǎn)利用批處理技術(shù)將工況分配給集群計(jì)算機(jī)或超算平臺的每個(gè)CPU核心，每個(gè)核心自動領(lǐng)取任務(wù)，完成仿真工況的下載和運(yùn)行。在仿真過程中，所有動力學(xué)相關(guān)參數(shù)、星上設(shè)備參數(shù)運(yùn)行過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)歸檔到歸檔文本文件中，仿真結(jié)束后，歸檔文件統(tǒng)一上傳至管理節(jié)點(diǎn)。管理節(jié)點(diǎn)可對仿真歸檔數(shù)據(jù)進(jìn)行多級數(shù)據(jù)處理，形成多級效能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果。

2.3.3 圖表自動生成工具包

圖表自動生成工具包利用仿真結(jié)果數(shù)據(jù)和多級數(shù)據(jù)處理結(jié)果，結(jié)合預(yù)先定義的報(bào)告模板，自動生成報(bào)告中的文字、圖片和表格。工具包可根據(jù)模板配置文件，定制不同數(shù)據(jù)的圖片、表格表達(dá)方式，包括圖表的類型、數(shù)據(jù)來源、尺寸、坐標(biāo)信息、文字信息等。圖片生成后，根據(jù)報(bào)告模板框架，將圖、表、文字結(jié)合匯總，生成完整的評估報(bào)告。

2.3.4 系統(tǒng)工程分析評估庫

系統(tǒng)工程分析評估庫由算法庫和報(bào)告模板庫組成。算法庫包括效能指標(biāo)算法和剖面分析、相關(guān)性分析、聚類分析和回歸分析等分析算法。針對不同指標(biāo)和分析算法，可指定報(bào)告中圖表的表達(dá)方式，根據(jù)不同研究階段和報(bào)告類型，可以形成系列報(bào)告模板庫，配合圖表自動生成工具包，完成評估報(bào)告的自動生成。

3 數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用工程實(shí)踐

選取數(shù)字衛(wèi)星建模、集群多平臺分布式仿真以及體系效能評估3 個(gè)典型工程實(shí)踐案例，論述了不同平臺開放性等級下的工作量評估結(jié)果。由于工作量評估的絕對數(shù)值受工作人員水平和效率影響，因此核心關(guān)注的是不同開放性等級下工作量的相對值，進(jìn)而證明開放性度量準(zhǔn)則可以有效評估數(shù)字孿生衛(wèi)星建模和模型管理的總工作量，為各單位平臺設(shè)計(jì)和研制過程的各種決策提供依據(jù)。

實(shí)踐案例中，工作人員默認(rèn)是具有一定基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)的一般研究人員，例如博士研究生或助理工程師，按每人每天工作8 h 計(jì)算，對人員工作能力和勤奮程度作了平均修正，誤差量級為人×月。所使用的計(jì)算機(jī)默認(rèn)是一般PC 機(jī)，運(yùn)行在Windows 10 操作系統(tǒng)下，CPU 為8 核心的Intel i7-9700 @ 3.0 GHz，集群計(jì)算機(jī)由50 臺PC 機(jī)組成，所有計(jì)算機(jī)24 h 不間斷運(yùn)行。

3.1 數(shù)字孿生衛(wèi)星建模

數(shù)字孿生建模平臺從最初的0 級人工建模和修正模式開始，不斷積累多種逼真度的部件模型，發(fā)展到1 級開放性等級時(shí)，已入庫80 余種部件共計(jì)300 多個(gè)部件型號或粒度模型，又通過機(jī)、電、熱、光、磁各物理場的描述二次開發(fā)接口開發(fā)，達(dá)到開放性2 級。目前，數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺已完成多個(gè)數(shù)字衛(wèi)星的開發(fā)工作，多粒度模型庫覆蓋通信、導(dǎo)航、遙感各種衛(wèi)星類型和平臺，并提供機(jī)、電、熱、光、磁各物理場的描述二次開發(fā)工具，可快速完成數(shù)字孿生衛(wèi)星模型構(gòu)建和粒度調(diào)整。

開放性0 級平臺階段時(shí)，需要人工對每個(gè)部件的原理模型、誤差模型、失效模型、通信接口模型等進(jìn)行定制開發(fā)，開發(fā)過程中還需根據(jù)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行反復(fù)的比對，進(jìn)而完成對模型的粒度和參數(shù)的多次調(diào)整修正。根據(jù)某導(dǎo)航衛(wèi)星和某數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星整星全子系統(tǒng)（約40 個(gè)部件）建模和模型修正的工程實(shí)踐案例統(tǒng)計(jì)，平臺處于開放性0 級階段時(shí)，單個(gè)部件采用人工建模、模型測試、模型比對、模型修正的總工作量一般在0.1 人·年左右。

開放性1 級平臺階段時(shí)，無須對每個(gè)衛(wèi)星部件進(jìn)行定制開發(fā)，數(shù)字孿生衛(wèi)星建模工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)閺哪Ｐ蛶熘羞x擇工程中最相近的部件模型構(gòu)建衛(wèi)星模型，對無法滿足項(xiàng)目需求的再手工調(diào)整機(jī)、電、熱、光、磁各物理場的描述，進(jìn)而完成工程所需新的部件模型的建模和調(diào)整。新的部件模型還可繼續(xù)入庫，完善部件模型庫，通過經(jīng)驗(yàn)積累逐步縮短后續(xù)研究工作量。平臺在此階段，支持了智能航天器遷移進(jìn)化技術(shù)研究中所需衛(wèi)星建模和某試驗(yàn)星、某導(dǎo)航星等多顆衛(wèi)星整星模型的建模和比對工程實(shí)踐。根據(jù)工作量記錄，單個(gè)部件的開發(fā)和測試工作量降低到約0.01 人·年，由30 個(gè)部件組成的單顆衛(wèi)星的建模和修正的人工工作量由3 人·年降低至0.3 人·年。

開放性2 級平臺階段時(shí)，數(shù)字孿生衛(wèi)星建模的人工工作量主要轉(zhuǎn)變成自動化模型調(diào)整程序的編寫。在遙感衛(wèi)星集群體系效能評估技術(shù)研究工程實(shí)踐中，人工書寫自動化裝配和模型/參數(shù)比對調(diào)整程序，然后交由計(jì)算機(jī)自動化完成模型確定，最終完后1 顆衛(wèi)星整星建模和模型的不確定性量化，人工工作量約為0.1 人·年。

不同平臺等級階段，數(shù)字孿生衛(wèi)星建模工程實(shí)踐案例工作量對比見表1。由表1 可知，針對數(shù)字孿生衛(wèi)星的建模工作，開放性1 級平臺相比0 級平臺，工作量減少超過85%；開放性2 級相比之下，將人工的工作量降低至0 級平臺的不到5%。隨著平臺開放性等級的提升，在數(shù)字孿生衛(wèi)星建模過程中，人的工作量顯著降低，更有利于提升數(shù)字衛(wèi)星的構(gòu)建和使用水平。

表1 不同平臺等級下數(shù)字孿生衛(wèi)星建模工作量對比Tab.1 Modeling workload comparison of digital twin satellites at different platform levels

3.2 數(shù)字孿生衛(wèi)星使用模式

數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺的使用模式，從傳統(tǒng)0 級的人工進(jìn)行典型工況分析開始，通過對單機(jī)批處理模式的支持，達(dá)到開放性1 級，可利用單臺計(jì)算機(jī)的多個(gè)核心進(jìn)行自動化并行仿真。開放性2 級平臺支持計(jì)算機(jī)集群和云計(jì)算，可對大樣本集群衛(wèi)星進(jìn)行仿真。通過對系統(tǒng)工程的分析算法集成規(guī)范的完善，并提供二次開發(fā)工具，使得利用平臺可自動完成分析評估工作，達(dá)到開放性3 級。

開放性0 級的平臺工作模式只能通過人機(jī)交互模式完成應(yīng)用工作，在某導(dǎo)航衛(wèi)星建模和模型修正工程實(shí)踐中，完成100 個(gè)量級工況的研究工作，每組模型和參數(shù)工況的輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、仿真運(yùn)行、結(jié)果采集和數(shù)據(jù)分析至少需要0.02 人·年。受限于0 級平臺的人工工作量，研究中無法大規(guī)模進(jìn)行模型和參數(shù)的遍歷工作，因此模型精度只能達(dá)到10%的誤差量級。

平臺開放性達(dá)到1 級后，支持?jǐn)?shù)字孿生衛(wèi)星批處理運(yùn)行模式，可利用單臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行少量工況的自動化運(yùn)行和結(jié)果采集，人的主要工作量轉(zhuǎn)化為自動化程序的編寫。在智能航天器遷移進(jìn)化技術(shù)研究中，進(jìn)行了100 個(gè)量級的單星效能評估工程實(shí)踐，人工書寫工況生成程序和數(shù)據(jù)處理程序，工作量約為0.3 人·年，單臺計(jì)算機(jī)運(yùn)行5 d，即可自動完成原本需要2 人·年的工況數(shù)據(jù)分析。

開放性2 級平臺支持多個(gè)計(jì)算機(jī)集群負(fù)載均衡協(xié)同計(jì)算或者支持云計(jì)算服務(wù)，通過大量計(jì)算核心的并行計(jì)算，極大降低了仿真時(shí)長。在此基礎(chǔ)上，開展了任務(wù)規(guī)劃和評估技術(shù)研究中衛(wèi)星集群效能評估工程實(shí)踐，人工工作量和1 級平臺相同，利用50臺8 核心計(jì)算機(jī)的負(fù)載均衡協(xié)同計(jì)算，100 顆衛(wèi)星1萬個(gè)工況的運(yùn)行耗時(shí)僅為3 d。

開放性3 級平臺定義集成規(guī)范，并提供二次開發(fā)工具，增加了系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)分析算法支持。在遙感衛(wèi)星集群體系效能評估技術(shù)研究實(shí)踐中，針對體系效能的不確定性量化和機(jī)器學(xué)習(xí)所需樣本生成工作中，利用開放性3 級的平臺，人工只需要開發(fā)工況生成和數(shù)據(jù)采集部分程序，即可利用集群計(jì)算機(jī)自動化完成工況生成、批處理仿真、數(shù)據(jù)采集和分析、評估報(bào)告生成。人工工作量降低至0.1 人·年，完成超過30 萬個(gè)工況的運(yùn)行和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，集群機(jī)計(jì)算總耗時(shí)約為90 d。體系效能評估研究中數(shù)據(jù)分析結(jié)果部分案例如圖1 所示。

圖1 體系效能評估數(shù)據(jù)分析結(jié)果案例Fig.1 Analysis results of system effectiveness evaluation

不同平臺等級階段，數(shù)字孿生衛(wèi)星應(yīng)用工程實(shí)踐案例和工作量對比見表2。隨著平臺開放性等級的提升，大大降低了數(shù)字孿生衛(wèi)星的使用工作量成本，為應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法發(fā)現(xiàn)客觀規(guī)律提供了可能。

3.3 數(shù)字孿生衛(wèi)星星上代碼一致性保障

數(shù)字孿生衛(wèi)星星上代碼一致性保障在0 級階段時(shí)，為降低跨平臺移植時(shí)星上代碼的應(yīng)用層改造工作量，定義了標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)層接口函數(shù)，開放性達(dá)到1級。1 級開放性階段，跨平臺時(shí)移植時(shí)應(yīng)用層代碼可以重復(fù)使用，只須改造系統(tǒng)層代碼。在開放性1級的基礎(chǔ)上，對不同平臺與載荷異構(gòu)衛(wèi)星的部件代碼進(jìn)行入庫后，平臺定義了模型復(fù)用基礎(chǔ)架構(gòu)，不同衛(wèi)星之間應(yīng)用層的基礎(chǔ)代碼支持可復(fù)用，平臺開放性達(dá)到2 級。

開放性0 級階段時(shí)，開展了某導(dǎo)航星姿軌控嵌入式樣機(jī)研制工程實(shí)踐，完成一顆10 個(gè)部件組成的衛(wèi)星姿軌控仿真模擬器，在部件模型從數(shù)字平臺向嵌入式平臺移植過程中，系統(tǒng)層和應(yīng)用層代碼均需要人工改造。根據(jù)研制過程統(tǒng)計(jì)，人工完成代碼的開發(fā)、燒錄、調(diào)試測試，工作量約為每個(gè)部件0.2人·年，除巨大的工作量外，由于全人工操作受人工長時(shí)間疲勞等工作狀態(tài)影響，工作質(zhì)量也難以保障，給研制工作帶來不確定性。

開放性1 級階段時(shí)，開展了智能航天器遷移進(jìn)化技術(shù)研究中整星嵌入式樣機(jī)研制工程實(shí)踐，由30個(gè)部件組成的整星樣機(jī)，在數(shù)字平臺完成應(yīng)用層測試后向嵌入式移植，通過開發(fā)自動燒錄程序完成代碼燒寫，嵌入式平臺只需要對系統(tǒng)層進(jìn)行測試即可，極大地降低了嵌入式平臺的開發(fā)和測試工作量，平均分配在每個(gè)部件的改造和測試人工工作量降低至0.02 人·年。

開放性2 級階段時(shí)，開展了航天器集群智能技術(shù)研究中心多星關(guān)鍵部件嵌入式樣機(jī)研制工作。針對3 種整星嵌入式樣機(jī)（包括規(guī)劃器、控制器、通信等關(guān)鍵部件）構(gòu)建需求，嵌入式代碼燒錄和測試工作量已經(jīng)超過人工工作能力，只能在達(dá)到開放性2 級平臺的基礎(chǔ)上，通過開發(fā)自動化軟件，利用計(jì)算機(jī)自動完成上述工作。通過應(yīng)用層代碼復(fù)用，以及自動化的燒錄和測試，2 級開放性平臺將每個(gè)部件的平均人工工作量降低至0.005 人·年，每顆由30 個(gè)部件組成的衛(wèi)星星上代碼一致性開發(fā)工作量約為0.15人·年。

不同平臺等級階段，數(shù)字孿生衛(wèi)星星上代碼的一致性開發(fā)的典型工程實(shí)踐案例和工作量對比見表3。由表3 可知，在數(shù)字孿生衛(wèi)星星上代碼一致性保障方面，1 級開放性平臺相比0 級，人工工作量降低約為90%；2 級平臺相比1 級，再降低75%。通過提升平臺等級，極大降低了星上代碼一致性開發(fā)工作量，為降低衛(wèi)星研制周期提供技術(shù)支持。

表3 不同平臺等級下星上代碼一致性開發(fā)工作量對比Tab.3 Comparison of the onboard code consistency development workload under different platform levels

3.4 數(shù)字孿生衛(wèi)星集群異構(gòu)平臺分布式仿真支持能力

異構(gòu)平臺的分布式仿真從0 級階段開始發(fā)展，大多還是僅用于單星部分子系統(tǒng)的分布式仿真。為支持整星到集群更大規(guī)模的工程需求，平臺完成了各種總線的標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)定義，具備在工控機(jī)或嵌入式平臺上進(jìn)行電信接口一致的硬件在回路仿真能力。達(dá)到開放性1 級后，平臺可以更快的支持整星異構(gòu)平臺的混合仿真，以模擬整星全子系統(tǒng)的多物理場耦合。通過多種平臺、多種粒度通信模型構(gòu)建，平臺最終支持提供多個(gè)級別的抽象傳輸接口，數(shù)字孿生衛(wèi)星可以根據(jù)按需建模準(zhǔn)則，在不同的逼真度上模擬信息傳輸過程，達(dá)到開放性2 級。

開放性0級平臺時(shí)，沒有定義信息接口函數(shù)，典型案例如支持某導(dǎo)航星姿軌控嵌入式樣機(jī)研制。由10個(gè)部件組成的嵌入式樣機(jī)，部件的接口函數(shù)開發(fā)和測試均需人工定制完成，每個(gè)部件耗時(shí)約為0.2人·年。

達(dá)到開放性1 級后，部件傳輸接口函數(shù)的開發(fā)工作量大幅降低，主要工作量在接口函數(shù)粒度的人工調(diào)整，例如與真實(shí)衛(wèi)星對接時(shí)，需要按照真實(shí)衛(wèi)星接口協(xié)議調(diào)整部件傳輸源代碼。以任務(wù)規(guī)劃、評估技術(shù)研究中數(shù)字和嵌入式平臺混合仿真為例，統(tǒng)計(jì)了1 級開放性平臺下，完成一顆由30 個(gè)部件構(gòu)成的整星嵌入式樣機(jī)和數(shù)字平臺對接的工作量。在數(shù)字平臺和嵌入式平臺下，均可支持對電信接口一致的硬件在回路仿真，人的主要工作量是在標(biāo)準(zhǔn)接口下調(diào)整參數(shù)，并進(jìn)行測試接口測試，每個(gè)部件的平均工作量降低至0.02 人·年。

開放性2 級平臺時(shí)，開展了航天器集群智能技術(shù)研究中心數(shù)字、嵌入式、真星聯(lián)合仿真工程實(shí)踐，涉及上百顆衛(wèi)星協(xié)同仿真場景。在此規(guī)模下，數(shù)字平臺和嵌入式平臺的傳輸接口測試均通過開發(fā)自動化軟件，利用計(jì)算機(jī)自動完成上述工作。人工開發(fā)多粒度傳輸接口自動測試程序的工作量約為0.2人·年，3 顆衛(wèi)星嵌入式樣機(jī)的自動化接口測試和調(diào)整等工作，還需要計(jì)算機(jī)自動運(yùn)行約3×10 d。構(gòu)建的數(shù)字平臺、嵌入式平臺、整星樣機(jī)異構(gòu)平臺分布式仿真場景如圖2 所示，其中包含100 顆衛(wèi)星運(yùn)行在Windows 平臺，3 顆衛(wèi)星運(yùn)行在嵌入式平臺，還有1 顆工程單位真實(shí)衛(wèi)星。

圖2 衛(wèi)星集群異構(gòu)平臺分布式仿真Fig.2 Distributed simulation on the heterogeneous platforms of the satellite cluster

衛(wèi)星異構(gòu)平臺分布式仿真工程實(shí)踐在不同平臺開放性等級下的典型工程實(shí)踐案例和工作量對比見表4。由表4 可知，在數(shù)字孿生衛(wèi)星集群異構(gòu)平臺分布式仿真方面，相比0 級開放性平臺，1 級開放性平臺通過多平臺電信接口一致仿真能力支持，將人工工作量降低了90%；2 級開放性平臺通過提供多重粒度的傳輸接口，并結(jié)合自動化測試和調(diào)整能力，人的主要工作量轉(zhuǎn)換成自動化程序的書寫，剩余繁瑣的測試工作交由計(jì)算機(jī)自動完成。

表4 衛(wèi)星集群異構(gòu)平臺分布式仿真工作量對比Tab.4 Workload comparison of the distributed simulation on heterogeneous platforms of the satellite cluster

4 結(jié)束語

在衛(wèi)星工程中，應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程，或者數(shù)字工程，實(shí)質(zhì)是建立一個(gè)數(shù)字孿生衛(wèi)星構(gòu)建應(yīng)用平臺，不同崗位人員在平臺上共享成果并完成自己個(gè)性化的設(shè)計(jì)、研究等工作。按基于模型的系統(tǒng)工程要求，平臺的核心矛盾是如何降低所有崗位人員使用平臺構(gòu)建數(shù)字孿生衛(wèi)星，并運(yùn)用數(shù)字孿生衛(wèi)星完成所需研究任務(wù)的工作量總和，即提升平臺的開放性度量。本文從數(shù)字孿生衛(wèi)星建模和使用模式、星上源代碼一致性保障，以及集群多平臺分布式仿真3 個(gè)方面分析了平臺的開放性需求，并定義了不同了開放性等級參考。針對開放性設(shè)計(jì)目標(biāo)，給出了軟件層次劃分、多粒度模型庫、建模和模型管理工具包幾項(xiàng)專用的開放性設(shè)計(jì)技術(shù)。

通過數(shù)字衛(wèi)星建模與模型修正、衛(wèi)星異構(gòu)平臺分布式仿真，以及體系效能評估應(yīng)用案例，證明了開放性度量準(zhǔn)則可以有效評估構(gòu)建和運(yùn)用數(shù)字孿生衛(wèi)星的總工作量，為各單位平臺設(shè)計(jì)與建設(shè)過程的各種決策提供依據(jù)。采用開放性設(shè)計(jì)技術(shù)的數(shù)字孿生建模，改變了傳統(tǒng)針對研究問題人工個(gè)性化定制建模和模型修正的方式，具備了根據(jù)研究問題需要快速完成調(diào)整模型的能力，實(shí)現(xiàn)人不在回路的自動化智能化批處理分析評估，把人從低級勞動解放出來，集中精力深入挖掘系統(tǒng)固有的科學(xué)規(guī)律，針對性地提出解決問題的技術(shù)方法，提升航天器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、運(yùn)營效率和水平。