數字太空、孿生系統及應用

+王世金（數字太空智能技術研究院）林宇生（中國電子科技集團第54研究所）

一、太空進入3.0時代

自1957年第1顆人造衛星上天以來，太空產業經歷了60余年成長，2018年已具備2980億美元的市場規模（Euroconsult ’ Space Economy Report 2019’）。數字太空研究院將太空發展歷程劃分為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。標志事件有1957年第1顆衛星、1961年人類第1次進入太空、1969年人類第1次登上月球、1982年航天飛機首次商業飛行、1977年發射的旅行者在1982年首次飛臨土星等。

太空2.0——體系構建時代（1993～2016），以各航天大國面向應用構建航天業務體系為主要特征，美、歐、中、俄等國家的通信、遙感、導航等衛星業務體系基本形成。標志事件有1993年美國GPS系統建成并提供服務、1998年國際空間站開始組建、1999年我國神舟一號發射、2001年快鳥衛星對地全色遙感分辨率達到0.61米、2009年第4代高通量海事通信衛星開始提供陸海空全球移動寬帶服務等。

太空3.0——融合應用時代（2017～），以幾百顆至幾萬顆的衛星星座為特征，以天地信息互連、全球快速洞察為業務方向，將給全球信息產業帶來革命性影響。2017年印度1箭發射104顆衛星，其中88顆是Planet公司的遙感衛星，2019年該公司又一次發射了146顆遙感衛星，累計發射了351顆遙感衛星，基本實現“洞察地球變化速度”的愿景。2019年SpaceX的42000顆Starlink計劃開始發射組網，截止到2020年6月13日已發射了540顆，并將在今年啟動天地互連服務。我國正在實施的天地一體化信息網絡、高分辨率對地觀測系統、長光衛星技術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用的能力。（參見圖1）

圖1 近20年來全球每年發射衛星數量（截止到2020年4月1日）

融合應用階段剛剛開始，其革命性的天地信息融合效應還未顯現。但可以預見：每天，甚至小時量級的對全球活動和變化的連續觀測，全球無死角的快速通信連接，以及數字孿生、人工智能等技術的助力，地球活動的準實時在線，將對軍事、經濟、社會產生前所未有的影響。全球信息網絡將由二維地表層，走向天空地一體的三維空間。全球一個村，不再是一個愿望，而是信息現實，并逐漸改變人的認知。雖然全球化當前處于倒退狀態，但5～10年后全球化將逐漸上升到一個新的層面。

二、數字太空需求

1.認識太空

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、中性氣體等環境物質，其劇烈的變化稱為“太空天氣Space Weather”，對衛星、空間站等太空活動，甚至地面的通信導航、航空飛行、大型電網、輸油管網都有重要的影響。

太空是衛星、空間站、洲際導彈等航天器的飛行空間。這些航天器的軌道、姿態、能源、通信、載荷等都有很強的物理模型和工程技術屬性。在太空3.0時代，衛星不再是孤立個體，它與星座其它衛星、地面運維、應用終端構成有機網絡，是天地信息網絡中的一個節點。智能技術已走進衛星，衛星逐漸具備從感知、診斷，到推演、決策，再到自主控制的能力。

人類進入太空、利用太空，最終目的是服務人類。現今廣播電視、導航定位、海上通信、應急通信、氣象海洋、環境監控、國土普查、偵察監視、導彈預警等等都強烈依賴衛星。在太空3.0時代，太空提供的不僅是傳統的衛星通信、導航、遙感等能力，還在萬物互聯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整合成統一網的能力，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、任務決策的能力，太空將成為地球信息網的大腦或大腦的天基備份。天地一體的信息融合應用將逐步改變現今的信息運作業態，從全球快速感知、風險預警，到決策應對都會帶來革命性的變化。

太空具備公域屬性。別國飛機未經允許進入一個主權國家是非法的，但別國衛星飛臨主權國家上空遙感觀察符合國際公約。當前發達國家的光學遙感衛星已具備0.1米分辨率，地面活動幾乎一覽無余。而正在研發的0.1米分辨雷達衛星將實現陰天、夜晚的全天候觀察。國際太空法倡導和平利用太空，但當前已知其歸屬的在軌2667顆衛星中，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，天地一體的綜合察打指控能力更強大，太空威懾已成為某大國軍事戰略的重要組成部分。衛星軌道的可預測性和衛星防護的薄弱性，使未來天地信息體系的安全性和脆弱性凸顯。當全球天地一體信息網絡形成之后，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.數字太空需求

信息技術的發展，使全球數字化迅速普及。2018年47個國家的數字經濟總規模超過30.2萬億美元，占GDP比重高達40.3%（中國信息通信研究院《全球數字經濟新圖景（2019年）》）。數字化不僅在通信、金融、電商、娛樂、政務等人文世界普及，也悄然改變自然、地理、環境等物理世界的認知和表達形態。1998年美國副總統戈爾發表“數字地球：認識二十一世紀我們所居住的星球”，首次提出了“數字地球Digital Earth”的概念。2016年魏奉思院士發表“數字空間是空間科技戰略新高地”，首次提出了“數字空間”概念。同年中國科學院學部咨委會批準設立《數字空間戰略研究》院士咨詢項目，組織國內相關專家開展戰略研究。數字太空研究院在此背景下得以成立。

數字太空研究院認為太空數字化是全球數字化和太空3.0發展的必然趨勢，數字太空是太空數字化的必然結果。其戰略需求包括如下4個方面。

第一：太空認知的需求。

人類自進入太空僅有60余年歷史，太空的內容多樣、系統復雜，遙遠不可見、遠離大眾生活、技術快速迭代等特性，不僅是普通公眾，就是太空從業人員也只是略知一二，這極大地影響了對太空的認知、管理和應用。太空環境、衛星工程、太空應用、太空安全等內容不是文字、公式、圖片所能表達的，需要通過數據、算法、模型，以及信息技術，構建1個系統的、活動的、可見的“數字太空”，為普通公眾、從業人員、管理決策者提供一個具象的太空認知、管理和應用工具，將為整個行業的發展奠定認知基礎。

第二：衛星產業的需求。

在太空3.0時代，衛星技術的發展已進入數字和智能階段，從衛星工程論證、設計研制、試驗驗證（模飛演練）、發射入軌，到測運控管理（尤其是任務規劃和健康管理）、應用效能評估等，其系統復雜性已不是簡單的仿真計算所能解決的，急需呼喚數字孿生等數字與智能系統的支持。在衛星產業鏈上，不具備數字化能力的研究、開發、生產型組織終將被淘汰。

第三：融合應用的需求。

在太空3.0時代，太空的地面應用不再是孤立的衛星遙感圖片分析、手機導航定位、針對特種應用的昂貴衛星通信等，而是衛星通導遙一體、太空信息網、地面信息網融合應用的場景，如應急救援、大型活動、商品期貨、智慧出行等等。雖然應用終端用戶可能感覺不到，但支撐這個復雜、快捷信息網的技術系統必須數字化、智能化和時效化。數字太空是支撐這一信息系統的基礎。

第四：太空安全的需求。

在太空3.0時代，衛星、測控站、信關站等基礎設施是國家信息體系的核心組成部分，擁有強大的信息支援能力和戰略威懾能力。這些基礎設施不僅要考慮空間碎片、太空天氣等自然環境威脅，也要防備非友好國家的人為風險。太空風險的感知與識別、推演與決策、預警與應對，沒有數字化的太空系統支持是難以實現的。

三、數字太空相關理念

1.三個世界

數字太空研究院提出“三個世界”的概念：物理世界、數字世界和人文世界。物理世界是由自然和人工物質所構成的、客觀存在的實體世界；數字世界是由數據、算法、模型等構建的，反映物理世界和人文世界的數字化的虛擬世界；人文世界是由政治、經濟、軍事、社會等構成的，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發展。近幾十年現代信息技術興起，數字世界在互聯網、電子金融、電子商務、數字工廠、數字園區等領域開始形成，并快速發展。數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需求的數字世界。

2.數字太空

數字太空是以時空為基準，以地表和日地空間為場景，將衛星、碎片、火箭、雷達、飛機、船舶、車輛、地面站、發射場、基地等實體，大氣和太空等環境，以及運控、遙感、通信、導航、預警等活動數字化，采用現代信息技術所構建的、滿足特定或通用應用需求的數字虛擬太空。

數字太空以數字化的太空環境、衛星及其業務為主，但衛星制造、發射、運控，以及通信、導航、遙感等主要服務對象在地面。因此數字太空還包括了地表的地理信息、自然環境、氣象信息，以及飛機、車輛、船舶、城市、港口等數字地球的相關內容。

完整的數字太空具備10大要素：1）統一的時空基準及坐標轉換；2）日地月星空場景；3）地球及地表信息，包含地理信息、地表環境等；4）衛星、火箭、飛機、艦船、雷達等實體及其活動；5）空間碎片、太空環境、大氣環境及其對技術系統的影響；6）衛星發射、運控、通導遙等太空相關業務活動；7）各類數據與物理模型算法；8）構建數字太空的系統架構及接口通信；9）三維虛擬可視化與人機互動界面；10）相關標準與規范。

3.太空數字孿生

“數字孿生digital twin”的概念源于產品的生命周期管理，NASA除了用于航天器的生命周期管理，也用于太空輻射風險、航天員行為模擬等（2020 NASA technology Taxonomy）。當前工廠數字孿生、城市數字孿生等大系統級的理念已經產生并逐漸開始實施。

數字太空研究院團隊2年前提出了“太空數字孿生”概念，它是由真實數據驅動、由數字太空10大要素構成、與實體太空并行、滿足某種或多種需求的數字太空映像。其信息系統稱為數字太空孿生系統。

太空數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。其主要差別體現如下。

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

2）時效性與非時效性的差別：太空數字孿生是物理世界的映像，它必須由來自物理世界的實時數據驅動，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主要是參數驅動，它通常沒有時效性要求。

3）業務性與輔助性的差別：太空數字孿生是物理太空的數字影像，具有完整性、真實性、時效性的屬性，可以成為太空相關的業務系統。而太空模擬仿真通常針對某些功能，假設其它邊界條件，常用于分析、評估等。

4）可視化與結論化的差別：太空數字孿生的優勢體現在復雜系統，為便于人的感知與應用，其態勢可視化要求很高。而太空模擬仿真的重點在模擬仿真的條件與結論，可視化是錦上添花不是模擬仿真的重點。

當然太空模擬仿真是太空數字孿生的重要組成部分，在物理和人文世界的實時驅動數據中斷或需要太空活動推演時，太空數字孿生具備獨立運行和仿真推演的能力。

數字孿生來源于產品的生命周期管理，在當前的許多數字孿生的認知中，都強調其生命周期。但國際太空產業鏈中，衛星設計制造只占10%，衛星運營與衛星應用是產業的主要貢獻者。因此太空數字孿生的概念不應局限于面向衛星制造的產品周期管理，還應面向衛星運營、衛星應用、太空安全等用戶，其關注點偏向各自的業務需求。如果脫離衛星制造者視角，產品生命周期的概念就被弱化了。隨著太空3.0時代的來臨，天地一體化網絡及其融合應用是發展方向。太空數字孿生應將重心放在太空各要素的復雜相互作用上，這為太空智能化、自主化管理與融合應用奠定技術基礎。

四、數字太空孿生系統

1.系統工程方法

構建數字太空孿生系統是復雜的系統工程。國際系統工程協會INCOSE已發布了第4版《系統工程手冊》，并提供了基于模型的系統工程方法MBSE。美國航空航天局NASA、我國航空工業公司等實踐了其系統工程方法。數字太空研究院在系統工程V4.0基礎上，結合當前實際形成自己的系統建設方法。

從技術流程角度，系統工程通常涉及如下活動：識別客戶需求、規定系統需求、確定系統架構與技術、系統設計與定義、系統分析與評估、實施開發與編碼實現、系統組裝與集成、系統測試驗證、系統交付轉移、系統功能與性能確認、系統運行與維護、系統退出處置等。從系統的生命周期角度，存在瀑布模型、螺旋模型和V型模型等多種模型。

數字太空孿生系統是全新的事物，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，這為整個系統的開發帶來不確定性和實施難度。

數字太空研究院采用“并行迭代增量模型”，即一種混合開發模型，來實現數字孿生系統的開發。（參見圖2）

首先，在目前認知能力下，確定數字太空的客戶需求和系統需求，采用微服務等技術確定系統架構、研討系統相關標準，構建了數字太空孿生的總體框架。

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

隨著客戶需求在深度和廣度上的升級，數字太空孿生系統不斷迭代、發展壯大。

數字太空孿生系統的并行迭代增量模型法，屬于一種敏捷和精益系統工程方法，在頂層設計基礎上，注重迭代和遞歸的作用。以下2點決定著系統能否開發成功。

1）深入認知3個世界：在孿生系統構建之前，要深入理解物理世界，并用數字方法重構，即對物理數據的時空重構、模型算法的構建與優化。同時深入理解客戶業務，掌控未來的發展趨勢，抽離出其共性的內容。

2）架構與標準必須先行：建系統必須先有頂層設計并確定好架構。標準規范是系統構建的基礎，當實體定義、術語規范、接口標準等不明確時，這種復雜的系統很難構建。這既要考慮我國衛星產業現有的標準和規范，也要技術和市場前瞻，需有迭代發展的思路。

2.系統組成與架構

數字太空孿生系統以物理世界為數字孿生對象，以人文世界需求為信息輸出。孿生系統的內容和規模取決于人文世界的需求。基于前述的并行迭代增量模型，在初步確定框架和標準后，數字太空孿生系統從衛星模飛試驗、測運控管理、通導遙應用等幾個需求點開始，逐漸增長，在深度和廣度上迭代發展。

數字太空孿生系統由信息后臺、孿生中臺、服務前臺構成。

圖2 數字太空孿生系統開發的并行迭代增量模型

圖3 數字太空孿生系統組成架構

信息后臺SpaceIS是數字太空的信息倉庫和數據處理器。它收集原始數據和信息，完成清洗等處理，并轉換成面向應用對象和時空基準的、有組織的數據、算法、模型、標準等。

孿生中臺SpaceDT是“活”的、與物理太空并行的太空孿生系統。它采用微服務架構，以日地月和地表為可視化背景，以高軌衛星通信網、天地一體化信息網絡、北斗導航系統、高分系列、資源系列、風云系列、天和等空間站、空間目標、空間碎片、空間環境、發射場、測控站、信關站、相控陣雷達、導彈、艦船、車輛等實體為數字化對象，以衛星測試、發射、運管、通導遙應用、太空安全、環境保障、地表活動等為業務功能，通過數據、模型、算法，基于大地坐標系、地心直角坐標系等幾十個坐標系的時空基準，采用現代仿真虛擬信息技術手段，最終以二、三維可視化呈現，實現人機交互的數字系統。

服務前臺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內容較多，適合天地一體化信息網絡、太空安全等綜合類系統的應用。但對衛星模飛試驗、遙感衛星任務規劃、應用效能評估、環境風險評估等特定業務，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，其關注的是基于地理信息或實體三維場景上的活動，太空僅提供通導遙等信息支持，側重點明顯不同，需針對地面活動需求提供服務。（參見圖3）

3.孿生系統特性

數字太空孿生系統是以數字化浪潮為基礎，伴隨衛星產業與太空安全發展，而產生的新一代技術系統。它繼承了以往的仿真系統、業務系統、教學訓練系統能力，又增添了以往系統所不具備的特性與優勢。

1）孿生特性：這是核心特性，涵蓋了目標實體、業務活動、業務環境、計劃與流程等等，這種全面的數字并行在以往系統中是很少見的。系統的孿生效能取決于系統的感知與建模支持能力，但孿生理念讓系統在架構上就與已有系統不同。

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

3）推演特性：數字孿生系統有仿真基礎，具備離線加速、回放推演的能力。這種推演能力是系統智能化決策的基礎，可用于事件回放、任務規劃、風險預警、應對演練等一系列業務。

4）可見特性：太空及其地面活動場景過于宏大，無論從業人員還是公眾，都難以實現具象化的理解。孿生系統將龐大、復雜的系統，以業務可視化的方式呈現在客戶面前，極大提高了感知、判斷和決策的效率。

4.四個發展階段

數字太空孿生系統連接物理世界和人文世界，屬于新興的數字世界產物，伴隨對物理世界的感知和認知，特別是人文世界的需求增長而成長。

數字太空孿生系統從誕生到完善將經歷4個發展階段。

1）業務態勢階段

在本階段數字太空孿生系統初步成形，但為與現有業務系統的銜接與過渡，它通常在現有業務系統上生長，保持原有系統的連續性、穩定性和可靠性，增量為系統的孿生與可視化，此階段偏重業務態勢。

2）推演規劃階段

在推演規劃階段，數字太空孿生系統更多地深入到系統的業務處理層面，從事件回放、任務推演、任務規劃、應急規劃、任務優化、應對演練等角度，提升現有系統的能力。

3）風險預測階段

風險預測階段，孿生系統的智能預測優勢開始顯現。不僅是完成任務規劃、態勢監控、資源調度等常規業務，還能智能預測業務風險、環境風險，及時應對和處置，將系統的風險控制前移，為系統自主管理奠定基礎。

4）自主管理階段

數字太空孿生系統的自主管理是系統智能化的目標。孿生系統及其物理系統將自主運行，人在旁路。這種無人干預的復雜信息系統，使天地一體化的信息融合應用成為可能。

以上4個階段是根據系統業務能力進行劃分的，但實際發展中各階段的界限不是很明顯。當前系統還處于業務態勢階段，但也具備了推演規劃、風險預測等許多技術能力。數字太空孿生系統的開發是迭代發展的。

五、應用場景與實踐

1.應用場景

數字太空及其孿生系統，當前在系統工程論證、衛星全生命周期管理、衛星運維管理、衛星應用、環境保障、太空安全等方面具有許多應用，未來幾年在地面應急減災、安防安保、智慧出行、航空水運、智慧城市等方面應用更加廣泛。

當前已形成的應用能力包括：

1）系統工程論證客戶

面向衛星工程論證客戶，提供衛星、星座、載荷、地面測運控、地面應用等大系統的設計分析、驗證與評估，以及提供空間輻射等環境風險評價；

2）衛星設計研制試驗客戶

衛星平臺、載荷等設計大系統仿真驗證，輻射環境防護設計驗證，系統或衛星組裝驗證，衛星測試試驗的流程、功能、性能等孿生驗證，火箭衛星等大系統模飛試驗驗證和靶場發射孿生監控等等。

3）衛星運維管理客戶

提供綜合業務態勢監控、活動推演、任務規劃、應急規劃、健康管理、環境和碰撞風險預警、效能評估、資源管理等功能；

4）面向地面應用客戶

地面應用用戶十分廣泛，但限于當前衛星應用的時效性較差，孿生系統的價值沒有體現。主要集中在衛星遙感信息支援、路徑規劃與監管、環境風險預警、保險定損核賠等幾個方面。

未來，隨著太空3.0的逐步發展，衛星數據孤島將逐步消除、處理時效性增加、通導遙融合以及數字太空孿生能力的提升，一大批應用場景將脫穎而出。

在軍事領域，有個OODA循環理論，即Observation觀察、Orientation判斷、Decision決策、Action行動。數字太空孿生系統是實踐該理論的重要技術系統。它不僅可用于國防安全，還廣泛應用于未來的智能駕駛、航空水運、應急減災、智慧城市等等。

2.典型實踐

數字太空孿生系統的典型應用實踐案例很多，限于篇幅這里給出4個典型實踐案例。

1）衛星模飛試驗驗證

在工業部門的合作支持下，孿生系統已應用在幾十顆衛星的測試模飛試驗中，并11次應用在靶場的衛星發射中。從三維場景構建、計劃流程管理、遙測數據監控、發射流程推演等方面發揮了重要的作用。（參見圖4）

2）衛星運管綜合態勢

圖4 衛星模飛試驗驗證與靶場發射監顯

衛星運管的綜合態勢也是數字太空孿生系統應用較多的場景。高軌通信衛星運管綜合態勢、北斗導航運行綜合態勢、高分和資源衛星綜合態勢等10余個衛星系統采用了孿生系統或其中的可視化模塊。在北斗導航綜合態勢系統中不僅對衛星軌位、姿態、健康狀態進行監控，還對測控業務，及RNSS、RDSS、導航增強等業務態勢進行監管，并能開展衛星故障對業務影響的推演分析等活動。（參見圖5）

3）衛星環境風險預警

衛星在軌飛行會遭遇“太陽風暴”、粒子輻射增強、空間碎片碰撞等風險。數字太空孿生系統聚焦衛星安全，建立5級風險等級，結合衛星軌位和健康狀況，給出準實時的環境風險預警，提供衛星故障環境風險評估等服務。（參見圖6）

4）導彈預警教學訓練

孿生系統的推演功能讓其成為教學、訓練的重要工具。導彈預警教學系統讓學員在真實場景下掌握預警衛星、預警雷達、精跟雷達等裝備的工作原理，學習目標捕獲、跟蹤，彈道確定、落點預警等一系列流程，并進行實操訓練。

圖5 低軌衛星運管綜合態勢

圖6 北斗導航IGSO衛星環境風險態勢

六、結束語

“數字空間戰略”是魏奉思院士等專家學者們提出的前瞻性戰略。數字太空孿生系統是該戰略的一個實踐嘗試。數字太空及其孿生系統的概念、內涵、外延等還在實踐發展中。它的龐大性、復雜性和綜合性，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、領域專家學者、產業鏈上下游的共同努力。

數字太空研究院是數字太空科技股份公司的研究實體，它與數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有限公司、深圳星地孿生科技有限公司，共同聚焦數字太空、孿生系統及其應用，為客戶提供系統級解決方案。中國電子科技集團第54所是我國電子信息領域專業覆蓋面最寬、綜合性最強的研究所，也是我國天地一體化信息網絡建設的核心單位。我們愿與各客戶單位、工業部門、科研院所等單位攜手，取長補短、共同發展，落地魏院士推動的“數字空間戰略”，推動技術進步，滿足國家發展需求。