狹義數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應用平臺的開放性研究

董云峰，孫運江，李 智

（北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191）

0 引言

每次工業(yè)革命都帶來社會巨大的進步，第4 次工業(yè)革命是我國第一次有機會和發(fā)達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，任何一個好的工程產品都需要在社會實踐中不斷完善優(yōu)化，由于數(shù)字世界的試驗成本遠低于真實物理世界，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)具體化到某個實體時，雖然實體的概念是清晰的，但“數(shù)字孿生實體”這個概念就不容易產生共識。比如文中所談的數(shù)字孿生衛(wèi)星，單純講衛(wèi)星這個概念是不會產生爭議的，但數(shù)字孿生衛(wèi)星就存在概念不清、類型混淆、內涵和關鍵技術不明確等問題，所以數(shù)字孿生衛(wèi)星的概念內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、技術和方法的總稱［1］。一個工程中涉及到很多單位、團體和個人，不同崗位的人在系統(tǒng)工程方法論的指導下協(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，使用一個工作成果，要通過成果提交方的文字描述理解這個工作成果，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能力和使用成果一方的理解能力［4］。基于模型的系統(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］。

航天器有復雜、龐大和高度綜合性的特點，單個航天器的工程實踐就有能力引領系統(tǒng)工程的發(fā)展，這是其他行業(yè)的工程產品很可能不具備的條件。早期的阿波羅登月飛船、航天飛機都對系統(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踐問題，就必須解決系統(tǒng)工程理論在航天工程實踐中碰到的問題，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踐中碰到的問題分為系統(tǒng)工程主導的問題和非系統(tǒng)工程主導問題。但在具體的工程實踐中，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)有的文獻資料看，國外發(fā)達國家的數(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)字孿生技術發(fā)展的動力。2020 年工信部牽頭發(fā)布的數(shù)字孿生應用白皮書［6］，充分肯定了航天領域技術對數(shù)字孿生技術的引領作用。白皮書明確指出一個世界范圍的共識，孿生的思想，起源于美國國家航空航天局的“阿波羅計劃”［7］。一個物理實體和一個數(shù)字仿真系統(tǒng)并行運行，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，但這個物理實體不夠復雜，引領系統(tǒng)工程的意義不大，所以不被承認。白皮書還指出了另一個世界范圍的共識，學者們普遍認為2010 年NASA 在技術報告中正式定義了數(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］。這個定義從內涵上明確強調了是一個集成的系統(tǒng)，外延上給出了飛行器這個特例。集成的核心理論是系統(tǒng)工程，沒有系統(tǒng)工程主導問題，不解決集成工程活動產生問題的數(shù)字實體融合系統(tǒng)，不應該算作數(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)工程應用，一般都經歷了衛(wèi)星模擬器這個階段。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］為落地實體，按結構、供電、熱控、測控、推進、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)驗證和驗收等工作（Development，Qualification and Acceptance Testing）。動態(tài)模擬器［10］在靜態(tài)模擬器基礎上，進一步解決衛(wèi)星研制各部門相互協(xié)調產生的工程問題。世界一流的衛(wèi)星研制企業(yè)肯定不是只有衛(wèi)星模擬器一個數(shù)字化工具，衛(wèi)星模擬器應用范圍很窄，衛(wèi)星研制用到的數(shù)學、力學、電學、熱學、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)工程實踐問題，如衛(wèi)星某個部件或某個子系統(tǒng)性能與衛(wèi)星整體性能的關系問題。

在基于模型的系統(tǒng)工程基礎上發(fā)展起來了基于模型的體系工程，進而發(fā)展到數(shù)字工程。基于模擬的體系工程引入了規(guī)劃、開發(fā)、建造、使用等利益攸關方的概念［11］，強化了模型的系統(tǒng)性和整體性，明確了不同的人對同一實體建模的個性化差異。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 的技術報 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)訓研的所有環(huán)節(jié)包納進來，形成一個系統(tǒng)整體。從這個過程看，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)展服務的，是數(shù)字工程取代系統(tǒng)工程的關鍵，系統(tǒng)工程要解決的問題是推動數(shù)字孿生技術發(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］。已大量采用以學科為主導的最新的商業(yè)軟件工具。但采用數(shù)字系統(tǒng)并不代表實施了基于模型的系統(tǒng)工程，一個人在完成自己的崗位職責時用到了個性化的數(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，其他人在另一個數(shù)字系統(tǒng)中使用這個成果時，仍要通過閱讀語言方案理解這個成果，在自己的數(shù)字系統(tǒng)中重新構建這個成果的模型，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)工程實踐上，與發(fā)達國家的差距是明顯的。發(fā)達國家以學科為主導的商業(yè)軟件一般都有自主知識產權，這是我國的短板，也是我國急需解決的問題。由于起步晚，在航天工程實踐中發(fā)展數(shù)字孿生技術，發(fā)展中國家與發(fā)達國家所走路是不同的。具體到衛(wèi)星，可以像發(fā)達國家這樣集中精力解決系統(tǒng)工程主導的問題，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)星工程實踐中非系統(tǒng)工程主導的其他問題，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、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、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，從而反映相對應的實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)學科的框架內，以系統(tǒng)的觀點分析解決多學科耦合問題，是數(shù)字孿生的特點。本文所討論的數(shù)字孿生衛(wèi)星嚴格遵守這個定義，完全覆蓋每個關鍵要素的狹義的數(shù)字孿生衛(wèi)星，它主要解決“部件性能和衛(wèi)星性能是什么關系？”“衛(wèi)星性能和體系效能是什么關系？”“如何合理使用衛(wèi)星？”等這些在衛(wèi)星工程實踐中產生的，且必須從系統(tǒng)角度分析討論的問題。

一個衛(wèi)星工程涉及到很多單位、團體和個人，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，用最小的代價構建適合問題的數(shù)字工具，并運用這個數(shù)字工具完成任務，形成針對特定任務的工作成果。如果這個問題由系統(tǒng)工程主導的，每個人在研究問題時都要從系統(tǒng)整體出發(fā)，分析整體和局部的關系，所以每個人研究問題的數(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，只是不同利益攸關方不同崗位的人視點不同，數(shù)字孿生衛(wèi)星建模的重點不同，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。

構建和應用數(shù)字孿生衛(wèi)星需要一個工具，提高構建應用效率，減少工作量。這個工具可稱為數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應用平臺［20］。構建應用平臺有兩種方法：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換，不同的人可以選擇不同平臺構建數(shù)字工具，如果能做到平臺之間模型的無人自動轉換，工作效率和采用同一平臺是一致的，所以平臺可以由多個打通了模型轉換環(huán)節(jié)的子平臺共同構成。本文在后面的論述中統(tǒng)一稱為平臺，不區(qū)分具體的實現(xiàn)方法。

平臺是個軟件系統(tǒng)，經濟實用性、成熟先進性、可靠穩(wěn)定性、擴展維護性、安全性、規(guī)范性、開放性是評價軟件系統(tǒng)最基本的幾個方面。

衛(wèi)星工程有很強的創(chuàng)新性，每個工程項目總會有些未曾探索過的問題，平臺一定要能建造和應用新的數(shù)字孿生衛(wèi)星，此要求不能妥協(xié)。如果平臺當前版本不支持，必須對平臺進行升級改造，軟件系統(tǒng)的開放性和擴展維護性一般有很高的耦合度。開放性和擴展維護性的目標是一致的，都是為了降低人工勞動強度。對于狹義數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應用平臺，核心問題是不同崗位的人需要個性化的數(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展維護性的要求，本文在后續(xù)的論述中，統(tǒng)稱為開放性，不再提擴展維護性。

提高平臺的開放性，常用的方法是分層架構設計［21］、模塊組件化［22］、定義標準化接口［23］、提供二次開發(fā)應用工具包［24］等。特別值得一提的是正在迅速發(fā)展的機器人流程自動化智能化技術，機器人流程自動化（Robotic Process Automation，RPA）技術［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鍵盤操作完成特定的業(yè)務流程。智能流程自動化（Intelligent Process Automation，IPA）技術［26］是在RPA 基礎上進一步結合人工智能技術（AI）突破規(guī)則的局限性，RPA 相當人的雙手，可以精準執(zhí)行一系列重復的任務，AI 相當于人的大腦，可以實現(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效率，使許多過去不可能的事變成了現(xiàn)實［27-28］。

1 數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應用平臺開放性度量

系統(tǒng)工程把工作分為建模和模型的組織管理兩個層面。在數(shù)字世界中工作，也可以進一步分為構建數(shù)字系統(tǒng)和運行數(shù)字系統(tǒng)研究問題形成成果兩個方面。一個單位和團隊在一個或多個具體的衛(wèi)星工程實踐中，按基于模型的系統(tǒng)工程要求，所有人用平臺構建數(shù)字孿生衛(wèi)星并運用數(shù)字孿生衛(wèi)星完成所需研究任務的工作量總和，作為數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應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，常見的是通過鼠標鍵盤人機交互界面完成，可稱為人機交互模式；另一種是用軟件自動化智能化技術，人書寫一個平臺能執(zhí)行的程序去完成由多個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)星構建應用平臺的開放性設計，首先體現(xiàn)在數(shù)字衛(wèi)星建模和應用兩項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)科學原理開展建模工作，只要是人類認識的客觀規(guī)律，都可以模型化。從追求先進性的角度考慮，細化衛(wèi)星每一部分的原理，不斷提高仿真模型的逼真度，是一個以創(chuàng)新為核心的工程實踐中很自然的選擇。高逼真度的模型自然需要更大的計算資源，運行高逼真度的模型，肯定降低超實時模擬仿真能力，甚至保證不了模擬仿真實時性。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、工作效率都是評價工具好壞的重要方面。按系統(tǒng)工程效費比決策要求，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，決定這部分模型的逼真度。

根據(jù)數(shù)字孿生的定義，嚴格的數(shù)字孿生系統(tǒng)一定完成了虛實融合，得到該系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)和物理世界真實測量數(shù)據(jù)的差異，此差異是可量化、可度量的。模型計算誤差與真實測量數(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，還要量化這個不確定性的大小，就像一把尺子一樣，經過計量標定后，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展，不同逼真度的模型數(shù)字化為模型的不確定性，每個模型有自己的不確定性度量。DARPA 的這項工作，在系統(tǒng)工程轉為數(shù)字工程的進程中有至關重要的作用。物理世界的試驗也是有誤差的，量化了模型的不確定性，就可以決定這個模型的仿真試驗可以取代什么樣的物理試驗，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一次性工作，是根據(jù)不確定性反復迭代不斷優(yōu)化各個局部表述的過程。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)星同一部件有多個不同逼真度的模型，人可以選擇一個合適的部件模型，再手工調整機、電、熱、光、磁各物理場的描述，完成模型調整，開放性定義為1 級；如果平臺提供機、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)科學認為人類在自然界的活動鏈可分為［30］科學、技術、工程、產業(yè)、經濟、社會、文化這幾個方面。科學是發(fā)現(xiàn)規(guī)律，技術是發(fā)明方法，工程是集成建造的3 種既有密切聯(lián)系又有本質區(qū)別的社會活動。在一個特定的工程項目中，發(fā)現(xiàn)它的特殊科學規(guī)律，利用該規(guī)律發(fā)明了新技術手段，用于工程中解決關鍵問題，故這3 個方面是高度耦合的。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)明技術和完成工程建造的方法，數(shù)字衛(wèi)星的使用主要就是應用這些系統(tǒng)工程方法論的過程。比如通過抽樣和蒙特卡羅法應對不確定性，用相關分析、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、類比數(shù)據(jù)挖掘等方法驗證規(guī)律，在“物事理”3 個方面，用成本效益、層次分析、模糊綜合等方法完成指標體系的量化評估、風險與不確定性評估。在解決了確定型問題決策的基礎上，根據(jù)問題的復雜性，綜合應用多目標多屬性決策、風險型決策、魯棒決策、非結構多階段決策等方法發(fā)明技術手段。在系統(tǒng)工程方法論指導下，使用數(shù)字孿生衛(wèi)星這個工具發(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，設置成千上萬個環(huán)境參數(shù)和衛(wèi)星初始狀態(tài)不同的仿真工況，通過仿真求解每個工況在一定時間內衛(wèi)星狀態(tài)的變化，再對這些不同工況的仿真結果進行分析統(tǒng)計，形成圖表和報告。

如果數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應用平臺只提供人機交互模式完成應用工作，就必須靠人完成所有的輸入數(shù)據(jù)準備和仿真后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作。完成一個或幾個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，平臺應用工作模式的開放性定義為0 級；如果平臺支持數(shù)字孿生衛(wèi)星批處理運行模式，開放性定義為1 級；單個計算機計算能力有限，如果平臺支持多個計算機集群負載均衡協(xié)同計算，或者支持云服務，開放性定義為2 級；采用系統(tǒng)工程的分析算法，比如相關分析，不同人的視點不同，使用相關分析方法輸入數(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定，然后提交給計算機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

星載計算機是衛(wèi)星的大腦，它決定了衛(wèi)星的表現(xiàn)，星載計算機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。星載計算機硬件平臺在各個衛(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)上運行的程序，對于軟件定義衛(wèi)星，更多的功能是通過軟件實現(xiàn)的。一個部件可以用在多個衛(wèi)星上，硬件研發(fā)是個一次工作，而星上軟件是伴隨衛(wèi)星全生命期不斷維護和更新的，星上軟件研發(fā)與維護工作量占總工作量的比重是很可觀的。星上軟件是構成數(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)調試、測試驗證的理想工具，星上代碼的建模和模型的組織管理是個緊耦合關系。

相比嵌入式系統(tǒng)，計算機硬件便宜隨處可得，軟件開發(fā)調試環(huán)境也優(yōu)越，先在計算機上完成研發(fā)維護的大部分工作，需要時再使用嵌入式系統(tǒng)顯然是合理的工作方式。圍繞星上代碼的研發(fā)和維護，不同的人在不同階段需要數(shù)字孿生衛(wèi)星這個研發(fā)測試工具運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。

星載計算機由硬件、操作系統(tǒng)和應用軟件構成姿態(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］，應用軟件稱為應用層。應用軟件在運行中通過系統(tǒng)層接口中函數(shù)調用系統(tǒng)層服務。星上應用層代碼一般是通用的計算機語言，只要應用軟件調用系統(tǒng)層的接口函數(shù)一致，用編譯器重新生成可執(zhí)行程序，就可以運行在不同的平臺上。如果已經定義了標準的系統(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。星載軟件的標準化是降低研發(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用基礎架構（NASA Integrated Model-Centric Architecture，NIMA）［32］。

如果數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應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，跨平臺移植時星上應用層代碼和系統(tǒng)層代碼都需要改造，工作量最大。如果平臺定義了標準的系統(tǒng)層接口函數(shù)，開放性為1 級，跨平臺時移植時應用層代碼是可以重復使用，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 一樣定義了模型復用基礎架構，不同衛(wèi)星之間應用層的基礎代碼可以復用，工作量進一步減少，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，對于關鍵技術攻關，技術驗證、部件驗收，則需要硬件在回路技術，衛(wèi)星部件模擬器的電信接口和真實部件完全一致，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)的指標仿真計算不用關注到字節(jié)，只需把關鍵參數(shù)從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點，不關心工程碼和原碼轉換、壓縮解壓縮信息損失，不關心傳輸誤碼和信道編碼，不關心裝包解包虛擬信道等信息傳輸歷程，甚至不關心是通過什么總線傳輸?shù)摹?shù)字孿生衛(wèi)星的異構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。

如果數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應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準接口函數(shù)，并用計算機的網(wǎng)絡接口模擬了總線傳輸過程，則數(shù)字孿生衛(wèi)星既可以運行在工控機或嵌入式平臺上進行電信接口一致的硬件在回路仿真，也可以運行在負載均衡的計算機集群或超算平臺上，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)星構建應用平臺開放性設計

軟件平臺開放性設計的目標［33］，是最大限度地增強系統(tǒng)的價值，最大限度地吻合各業(yè)務應用的需求，充分考慮系統(tǒng)今后的硬件擴展、功能擴展、應用擴展、集成擴展等多層面的延伸，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。開放性設計方法也有很長的研究歷史和成熟的技術。20 世紀80 年代初提出的開放式體系結構［34］，具有可移植性、可互操作性、可剪裁性、易獲得性等特點。國際標準化組織（ISO）信息處理系統(tǒng)技術委員會制訂了一系列的開放系統(tǒng)互連標準［35］，比如由物理、數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡、傳輸、會話、表示、應用7 個層定義的開放系統(tǒng)互連OSI 參考模型。應用軟件、系統(tǒng)軟件和硬件3 檔劃分的開發(fā)應用體系結構（OAA）等。橫向分層和縱向分割架構設計技術、全組件化結構設計技術、標準化接口設計技術、系統(tǒng)及其組件二次開發(fā)應用工具包技術，都是常用的手段。數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應用平臺也應采用這些通用的開放性設計技術，本文主要討論數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應用平臺專用的開放性設計技術，通用技術就不展開討論了。

2.1 軟件層次模塊劃分

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

2.1.1 系統(tǒng)層

仿真節(jié)點可能是只帶網(wǎng)絡接口的計算機，帶電信接口輸出板卡的工控機，或者是和星上設備相近的一個嵌入式平臺，也可以是能上天的星載計算機平臺。根據(jù)按需模擬的原則，大部分不重要的接口可以用計算機網(wǎng)絡模擬，涉及關鍵技術的有可能采用真實電信接口，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)點的計時、中斷、任務調度和優(yōu)先級管理等功能提供標準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準接口。星上的部件模擬器在切換硬件平臺時，應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現(xiàn)API 接口，硬件平臺標準API 接口開發(fā)是一次性工作。

如果在團體和單位內沒有定義接口標準，星上源代碼是按項目組的編程規(guī)范實現(xiàn)的。在這種情況下，需要對星上代碼進行分割，定義此項目系統(tǒng)層和應用層之間的API 接口。對標項目系統(tǒng)層API和標準系統(tǒng)層API，用最合理的方式實現(xiàn)項目API接口，保證星上應用層源代碼重新編譯后就可以運行在數(shù)字模擬平臺上。

系統(tǒng)層還應該提供一個混合平臺協(xié)同仿真RTI接口，完成異構節(jié)點時間協(xié)同步進功能。至少要支持超實時仿真和實時仿真兩種模式。在超實時仿真模式下，需要一個步進服務器，每個聯(lián)邦節(jié)點上需要一個步進管理員，步進服務器協(xié)調不同類型平臺的步進管理員完成仿真同步。真實設備只有時鐘，沒有步進管理員，模擬器和真實設備協(xié)同仿真一般只能運行在實時仿真模式下。

2.1.2 應用模塊架構

數(shù)字孿生衛(wèi)星應用模塊分為兩部分：第一部分是星上設備模塊，星上設備模塊和真實衛(wèi)星的組成結構有一一對應關系，真實衛(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)為機電熱光磁和空間輻射等物理場，稱為多物理場模塊。

星上設備模塊可以按衛(wèi)星的系統(tǒng)維進一步細分為結構、電源、熱、測控、姿軌控、推進、載荷、數(shù)據(jù)管理等子系統(tǒng)模塊，也可以再進一步按每個子系統(tǒng)的工作原理細分到核心部件，由于有真實衛(wèi)星組成結構作為參照依據(jù)，星上設備模塊的架構一般不會有爭議。

衛(wèi)星姿態(tài)控制、星務管理、數(shù)據(jù)信息管理一般都涉及到星載計算機。除了冗余備份，還需考慮不同研制單位互不干涉問題。星載計算機一般是多個設備分布式工作，決定星載計算機功能的核心是軟件，所以星載計算機應該按功能邏輯劃分模塊架構。星載計算機應用軟件可分為4 個模塊：姿態(tài)確定與控制模塊，供電、熱、推進星上自主管理模塊，遙測遙控管理模塊，以及載荷信息管理模塊。4 個模塊可以運行在一個硬件平臺上，也可以根據(jù)衛(wèi)星實際情況運行在多個平臺上。

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

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動耦合，進出地影太陽帆有力熱耦合。計算太陽帆收集能量時，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角，供電和力熱耦合。計算當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)星外熱流計算需要知道太陽光線和衛(wèi)星各外表面的相對關系，計算內熱源需要各部件的熱功率，不同位置熱量的傳導和衛(wèi)星結構強相關，熱和所有子系部件狀態(tài)耦合。衛(wèi)星空間鏈路計算涉及發(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因素，至少是力電熱耦合。

機電熱光磁等物理場數(shù)學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)時域上的多動態(tài)剛性問題，偏微分方程組除了時域問題，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建立各個物理場的模型，嚴格按照定義，數(shù)字孿生系統(tǒng)建模強調的是多動態(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 個動態(tài)，天體、整星和零部件3 個空間尺度，不同的衛(wèi)星，會在不同的時域和空間域耦合有限幾個物理場。比如動量輪軸承，會在高速轉動中產生磨損，剝落的微粒會產生撞擊特定的摩擦，伴隨軸溫的變化阻尼緩慢增加，控制電壓也需要調整，力、電、磁、熱幾個物理場在軸承空間尺度上產生耦合。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會造成模塊架構的變化，但目前有很成熟的技術處理這些耦合問題，最嚴重的問題也只是不能套用預先給定的模板，但決策并不復雜，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。地球包含自轉模型、引力模型、大氣模型、磁場模型與大地基準模型，太陽包含引力模型與太陽光壓模型，月球包含引力模型。多粒度地球自轉模型分為理想轉動模型、考慮章動和進動的復雜模型；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過實測數(shù)據(jù)的校驗，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，工作原理和電信接口與真實部件一致。

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，測控數(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按需調整，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、包長度與真實設備一致，傳輸包每個字節(jié)和真實設備一致。包種類一致粒度要求包的類型與真實設備一致，但包頭、包尾作簡化處理，傳輸包內容可能只包括關鍵參數(shù)，每個參數(shù)的原碼和工程碼轉換方式作簡化。包傳輸流程一致粒度要求對多個包進行了合并處理，但對話的發(fā)起、應答方式與真實設備一致。信息處理流程一致粒度要求分包解包壓縮復接加密等過程與真實設備一致，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設備一致，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)結構和參數(shù)、信息傳輸、星載姿軌控軟件、星務管理軟件等。裝配結果統(tǒng)一存儲在衛(wèi)星庫中，根據(jù)研究內容選擇相應數(shù)量和類型的衛(wèi)星構建仿真場景后，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，同時可根據(jù)規(guī)模大小、多平臺需求構建分布式仿真程序，按需完成仿真聯(lián)邦分配和部署。

2.3.2 云服務集群計算負載均衡批處理工具包

云服務集群計算負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)點利用批處理技術將工況分配給集群計算機或超算平臺的每個CPU核心，每個核心自動領取任務，完成仿真工況的下載和運行。在仿真過程中，所有動力學相關參數(shù)、星上設備參數(shù)運行過程數(shù)據(jù)實時歸檔到歸檔文本文件中，仿真結束后，歸檔文件統(tǒng)一上傳至管理節(jié)點。管理節(jié)點可對仿真歸檔數(shù)據(jù)進行多級數(shù)據(jù)處理，形成多級效能指標計算結果。

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果數(shù)據(jù)和多級數(shù)據(jù)處理結果，結合預先定義的報告模板，自動生成報告中的文字、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、表格表達方式，包括圖表的類型、數(shù)據(jù)來源、尺寸、坐標信息、文字信息等。圖片生成后，根據(jù)報告模板框架，將圖、表、文字結合匯總，生成完整的評估報告。

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

3 數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應用工程實踐

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 個典型工程實踐案例，論述了不同平臺開放性等級下的工作量評估結果。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，因此核心關注的是不同開放性等級下工作量的相對值，進而證明開放性度量準則可以有效評估數(shù)字孿生衛(wèi)星建模和模型管理的總工作量，為各單位平臺設計和研制過程的各種決策提供依據(jù)。

實踐案例中，工作人員默認是具有一定基礎和經驗的一般研究人員，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。所使用的計算機默認是一般PC 機，運行在Windows 10 操作系統(tǒng)下，CPU 為8 核心的Intel i7-9700 @ 3.0 GHz，集群計算機由50 臺PC 機組成，所有計算機24 h 不間斷運行。

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，已入庫80 余種部件共計300 多個部件型號或粒度模型，又通過機、電、熱、光、磁各物理場的描述二次開發(fā)接口開發(fā)，達到開放性2 級。目前，數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應用平臺已完成多個數(shù)字衛(wèi)星的開發(fā)工作，多粒度模型庫覆蓋通信、導航、遙感各種衛(wèi)星類型和平臺，并提供機、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)星模型構建和粒度調整。

開放性0 級平臺階段時，需要人工對每個部件的原理模型、誤差模型、失效模型、通信接口模型等進行定制開發(fā)，開發(fā)過程中還需根據(jù)衛(wèi)星的設計數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、在軌運行數(shù)據(jù)對模型進行反復的比對，進而完成對模型的粒度和參數(shù)的多次調整修正。根據(jù)某導航衛(wèi)星和某數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星整星全子系統(tǒng)（約40 個部件）建模和模型修正的工程實踐案例統(tǒng)計，平臺處于開放性0 級階段時，單個部件采用人工建模、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，無須對每個衛(wèi)星部件進行定制開發(fā)，數(shù)字孿生衛(wèi)星建模工作模式轉變?yōu)閺哪Ｐ蛶熘羞x擇工程中最相近的部件模型構建衛(wèi)星模型，對無法滿足項目需求的再手工調整機、電、熱、光、磁各物理場的描述，進而完成工程所需新的部件模型的建模和調整。新的部件模型還可繼續(xù)入庫，完善部件模型庫，通過經驗積累逐步縮短后續(xù)研究工作量。平臺在此階段，支持了智能航天器遷移進化技術研究中所需衛(wèi)星建模和某試驗星、某導航星等多顆衛(wèi)星整星模型的建模和比對工程實踐。根據(jù)工作量記錄，單個部件的開發(fā)和測試工作量降低到約0.01 人·年，由30 個部件組成的單顆衛(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，數(shù)字孿生衛(wèi)星建模的人工工作量主要轉變成自動化模型調整程序的編寫。在遙感衛(wèi)星集群體系效能評估技術研究工程實踐中，人工書寫自動化裝配和模型/參數(shù)比對調整程序，然后交由計算機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)星構建應用平臺的使用模式，從傳統(tǒng)0 級的人工進行典型工況分析開始，通過對單機批處理模式的支持，達到開放性1 級，可利用單臺計算機的多個核心進行自動化并行仿真。開放性2 級平臺支持計算機集群和云計算，可對大樣本集群衛(wèi)星進行仿真。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，達到開放性3 級。

開放性0 級的平臺工作模式只能通過人機交互模式完成應用工作，在某導航衛(wèi)星建模和模型修正工程實踐中，完成100 個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)準備、仿真運行、結果采集和數(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)模進行模型和參數(shù)的遍歷工作，因此模型精度只能達到10%的誤差量級。

平臺開放性達到1 級后，支持數(shù)字孿生衛(wèi)星批處理運行模式，可利用單臺計算機進行少量工況的自動化運行和結果采集，人的主要工作量轉化為自動化程序的編寫。在智能航天器遷移進化技術研究中，進行了100 個量級的單星效能評估工程實踐，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，單臺計算機運行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 級平臺支持多個計算機集群負載均衡協(xié)同計算或者支持云計算服務，通過大量計算核心的并行計算，極大降低了仿真時長。在此基礎上，開展了任務規(guī)劃和評估技術研究中衛(wèi)星集群效能評估工程實踐，人工工作量和1 級平臺相同，利用50臺8 核心計算機的負載均衡協(xié)同計算，100 顆衛(wèi)星1萬個工況的運行耗時僅為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研究實踐中，針對體系效能的不確定性量化和機器學習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，即可利用集群計算機自動化完成工況生成、批處理仿真、數(shù)據(jù)采集和分析、評估報告生成。人工工作量降低至0.1 人·年，完成超過30 萬個工況的運行和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，集群機計算總耗時約為90 d。體系效能評估研究中數(shù)據(jù)分析結果部分案例如圖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)星應用工程實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，為降低跨平臺移植時星上代碼的應用層改造工作量，定義了標準的系統(tǒng)層接口函數(shù)，開放性達到1級。1 級開放性階段，跨平臺時移植時應用層代碼可以重復使用，只須改造系統(tǒng)層代碼。在開放性1級的基礎上，對不同平臺與載荷異構衛(wèi)星的部件代碼進行入庫后，平臺定義了模型復用基礎架構，不同衛(wèi)星之間應用層的基礎代碼支持可復用，平臺開放性達到2 級。

開放性0 級階段時，開展了某導航星姿軌控嵌入式樣機研制工程實踐，完成一顆10 個部件組成的衛(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)層和應用層代碼均需要人工改造。根據(jù)研制過程統(tǒng)計，人工完成代碼的開發(fā)、燒錄、調試測試，工作量約為每個部件0.2人·年，除巨大的工作量外，由于全人工操作受人工長時間疲勞等工作狀態(tài)影響，工作質量也難以保障，給研制工作帶來不確定性。

開放性1 級階段時，開展了智能航天器遷移進化技術研究中整星嵌入式樣機研制工程實踐，由30個部件組成的整星樣機，在數(shù)字平臺完成應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，開展了航天器集群智能技術研究中心多星關鍵部件嵌入式樣機研制工作。針對3 種整星嵌入式樣機（包括規(guī)劃器、控制器、通信等關鍵部件）構建需求，嵌入式代碼燒錄和測試工作量已經超過人工工作能力，只能在達到開放性2 級平臺的基礎上，通過開發(fā)自動化軟件，利用計算機自動完成上述工作。通過應用層代碼復用，以及自動化的燒錄和測試，2 級開放性平臺將每個部件的平均人工工作量降低至0.005 人·年，每顆由30 個部件組成的衛(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)星集群異構平臺分布式仿真支持能力

異構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準接口函數(shù)定義，具備在工控機或嵌入式平臺上進行電信接口一致的硬件在回路仿真能力。達到開放性1 級后，平臺可以更快的支持整星異構平臺的混合仿真，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建，平臺最終支持提供多個級別的抽象傳輸接口，數(shù)字孿生衛(wèi)星可以根據(jù)按需建模準則，在不同的逼真度上模擬信息傳輸過程，達到開放性2 級。

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

達到開放性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)粒度的人工調整，例如與真實衛(wèi)星對接時，需要按照真實衛(wèi)星接口協(xié)議調整部件傳輸源代碼。以任務規(guī)劃、評估技術研究中數(shù)字和嵌入式平臺混合仿真為例，統(tǒng)計了1 級開放性平臺下，完成一顆由30 個部件構成的整星嵌入式樣機和數(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準接口下調整參數(shù)，并進行測試接口測試，每個部件的平均工作量降低至0.02 人·年。

開放性2 級平臺時，開展了航天器集群智能技術研究中心數(shù)字、嵌入式、真星聯(lián)合仿真工程實踐，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，利用計算機自動完成上述工作。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)星嵌入式樣機的自動化接口測試和調整等工作，還需要計算機自動運行約3×10 d。構建的數(shù)字平臺、嵌入式平臺、整星樣機異構平臺分布式仿真場景如圖2 所示，其中包含100 顆衛(wèi)星運行在Windows 平臺，3 顆衛(wèi)星運行在嵌入式平臺，還有1 顆工程單位真實衛(wèi)星。

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

衛(wèi)星異構平臺分布式仿真工程實踐在不同平臺開放性等級下的典型工程實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，并結合自動化測試和調整能力，人的主要工作量轉換成自動化程序的書寫，剩余繁瑣的測試工作交由計算機自動完成。

表4 衛(wèi)星集群異構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 結束語

在衛(wèi)星工程中，應用基于模型的系統(tǒng)工程，或者數(shù)字工程，實質是建立一個數(shù)字孿生衛(wèi)星構建應用平臺，不同崗位人員在平臺上共享成果并完成自己個性化的設計、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建數(shù)字孿生衛(wèi)星，并運用數(shù)字孿生衛(wèi)星完成所需研究任務的工作量總和，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。針對開放性設計目標，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專用的開放性設計技術。

通過數(shù)字衛(wèi)星建模與模型修正、衛(wèi)星異構平臺分布式仿真，以及體系效能評估應用案例，證明了開放性度量準則可以有效評估構建和運用數(shù)字孿生衛(wèi)星的總工作量，為各單位平臺設計與建設過程的各種決策提供依據(jù)。采用開放性設計技術的數(shù)字孿生建模，改變了傳統(tǒng)針對研究問題人工個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整模型的能力，實現(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)固有的科學規(guī)律，針對性地提出解決問題的技術方法，提升航天器的設計、生產、制造、運營效率和水平。