航天器数字孪生平台应用实践

张东山 ,唐立才 ,刘静 ,陈征征

0.摘要

数字孪生的概念在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、飞机、复杂机电装备、医疗、制造车间等多个领域[[1]]提供典型应用案例，为数字孪生理念和技术进一步落地应用提供参考。陶飞等人对五维模型的扩展，可以有效规划设计航天器数字孪生应用的框架，基于五维模型方法论，我们完成了航天器工程数字孪生总体架构的设计。为了满足航天发展的特点及衍生出的更多任务需求、应用需求，进一步在航天器工程的具体应用中落地，我们对总体架构中的各个组成模块、各类关键技术进行研究和攻关，最终搭建一个数字孪生可视化演示应用体系，在嫦娥五号、天问一号工程中得到了初步应用。

1.概述

数字孪生概念[[2]]最初由Grieves教授提出，随着在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、飞机、复杂机电装备、医疗、制造车间等多个领域的应用实践，数字孪生模型进一步成熟。基于陶飞等人提出的最新五维模型架构，我们对航天器数字孪生五维模型进行研究并完成了架构设计（图1），对解决航天工程复杂的任务特点具有重要的指导作用。

图 1.航天器五维模型

相比于其它领域，航天领域具有全生命周期复杂等工程特点，面向不同业务、不同用户，需要满足不同应用需求，对应用架构的扩展性要求更高。基于航天器数字孪生五维模型及应用架构，我们通过三维模型管理工具设计，建立规则模型进行合理检查和约束，实现操作执行与几何、物理、规则之间的交互和验证，更好支撑航天器工程任务的各类模型配置；通过规划分析算法架构设计，满足天体星历计算、卫星轨道精确预报、星地可见性及星下覆盖区域计算、姿态和机构运动规划、通信链路容量计算、地形路径规划等具有多专业、异构特点的各类算法模块，支撑航天器任务规划分析；通过可视化演示应用体系设计，支撑航天器工程论证、设计、研制、发射、运营、评估全环节全要素的数字虚拟可视化演示，实现应用体系的持续扩展。三维模型管理工具、规划分析微服务算法架构、可视化演示应用体系三者之间利用模型、算法、数据、场景的融合，实现可持续建设智能服务，不断满足航天器工程新的任务需求、新的应用需求。下面，将对这三部分内容的设计展开具体介绍。

2.数字孪生应用架构设计

2.1三维模型管理工具设计

三维模型管理工具是对各类模型进行管理的重要工具，目前对模型的管理主要在模型的基本信息、三维模型文件以及模型动作的管理，没有统一的管理工具对模型与业务相关的其它数据信息进行配置、维护，无法较快的根据任务的类型、业务的特点调整模型，应用到业务场景中，推演任务场景以及规划分析论证。开发三维模型管理工具，可以有效解决无法从编辑与配置模型多维度、多专业信息，加强航天器数字孪生平台系统三维模型的管理，适应航天器工程业务的特点。

三维模型管理工具依据虚拟实体（VE）[[3]]几何、物理、行为、规则四个维度定义，考虑以几何信息为基础，融合物理、行为、规则信息，有序配置形成符合VE规范的基础三维模型资源，如图2所示：

（1）定义模型基本信息，与产品的平台、型号、分系统、单机等信息进行关联；

（2）定义虚拟实体（VE）的几何模型，即导入专业三维工具创建的三维模型文件；

（3）定义虚拟实体（VE）的物理模型，即航天器模型的数据驱动定义，包括但不限于卫星的轨道六要素（半长轴a，偏心率e，真近点角，轨道倾角，升交点赤经，近心点角距）、整星姿态方式（欧拉角、四元素）、机构动作（运动类型、结点参数）、工作粒子特效、工作视场范围、测控链路、电源、热等方面的物理信息；

（4）定义虚拟实体（VE）的行为模型，即航天器模型的资源状态定义，包括但不限于剩余燃料、功率输出、温度计算、物资消耗等参数信息；

（5）定义虚拟实体（VE）的规则模型，即航天器模型的约束定义，包括但不限于碰撞、遮挡、干涉等规则信息；

（6）最后，保存三维模型的参数信息后进行发布。

图 2.三维模型管理工具流程图

2.2规划分析算法微服务架构设计

建立规划分析多专业算法的传统方法有单一集成式、分布式实时联合仿真等，但单一集成式存在开发维护困难、扩展性差、计算性能差、集成复杂度高等问题；分布式实时联合仿真存在构建成本昂贵、维护和重复利用难度大等问题。针对以上两种方式存在的弊端，航天器数字孪生平台拟采用微服务架构方法（如图3）搭建规划分析算法体系，通过标准化的Restful API接口协议进行封装，并通过数据集成平台进行管理和发布，促进计算资源的高效利用。

图 3.微服务架构设计图

2.3可持续扩展的可视化演示应用体系设计

针对传统的研发方法难以集中管理和维护应用软件的问题，同时结合航天器工程在规划可视化、在轨运行监视、在轨任务操作验证等阶段中个性化定制、持续扩展性的需求特点，本方案依据数字孪生五维模型的智能服务（Ss）[[4]]对功能服务和业务服务，采用数据集成平台技术架构（如图4），统一基础数据资源的管理、规范应用软件的集成开发标准、面向角色按需授权软件运行，实现可视化演示应用体系的持续扩展。

图 4.应用软件集成流程图

（1）数据规范，各业务信息系统按照平台形成的规范进行数据接口发布，同时对主数据进行同步与统一；

（2）单点登录，各业务信息系统采用数据集成平台提供的单点登录接口进行身份认证识别，实现单点登录；

（3）数据发布，数据集成平台对接口进行统一管理和发布，上架到数据超市中，供各个应用端进行使用；

（4） 应用配置，对不同岗位角色账户进行应用授权，形成统一的工作台面，便于各个应用端使用。

3.初步应用

在航天领域引入数字孪生方法，规划顶层应用架构及应用流程，研究软件实现技术架构的设计，研发出数字孪生可视化平台，产品已在嫦娥五号、天问一号等重点型号任务中提供应用服务。

3.1数字孪生可视化平台的使用流程

平台使用流程具体步骤：①模型主数据配置；②场景配置；③数据管理；④运行监视应用（近地、太阳系、月球、火星等场景）。

图 5.数字孪生可视化平台使用流程图

3.2型号任务中应用的效果

（1）嫦娥五号探月工程

基于航天领域数字孪生五维模型形成的数字孪生可视化平台，配置嫦娥五号三维模型，包括其几何模型、物理模型（轨道、姿态、动作机构、链路等），在相应的任务场景中定义数据源及参数数据，结合卫星专业算法，支撑嫦娥五号在发射段、环地段、地月转移段、环月段、落月段、采样段、交会段、返回段的全任务过程的仿真验证应用，为地面测控团队对在轨航天器的遥测数据接收、工作状态监测等提供技术支撑。

（2）天问一号火星任务

天问一号火星任务周期长、距离远、遥测数据回传具有延时性等特点，给地面测控团队实时监控航天器的状态增加了难度。基于形成的航天领域数字孪生五维模型，构建航天器和任务场景的仿真模型，接入遥测数据、专业算法等数据，利用模型、场景、数据、算法的互联互通，实时仿真航天器的状态变化，监视、分析其潜在的问题，有效地为地面技术团队提供技术支撑。

图 6.嫦娥五号任务应用效果图

基于数字孪生五维模型，探索出航天领域的应用架构及应用流程，在嫦娥五号、天问一号等任务中落地应用，很好地解决传统仿真系统扩展性不强及模型与多维数据融合的问题，为型号任务团队、技术团队提供了技术平台支撑。随着航天的发展，呈现出的批产化、商业化的特点，也将衍生出更多的任务需求、应用需求，基于五维模型搭建的数字孪生可视化平台，将根据不同阶段的任务需求、功能需求，优化模型、场景、数据、算法的融合流程，满足更多智能应用服务，为航天发展提供技术服务平台。

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[[1]] 陶飞,刘蔚然,刘检华,刘晓军,刘强,屈挺,胡天亮,张执南,向峰,徐文君,王军强,张映锋,刘振宇,李浩,程江峰,戚庆林,张萌,张贺,隋芳媛,何立荣,易旺民,程辉.数字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造系统,2018,24(01):1-18.DOI:10.13196/j.cims.2018.01.001.

[[2]] 陶飞,刘蔚然,张萌,胡天亮,戚庆林,张贺,隋芳媛,王田,徐慧,黄祖广,马昕,张连超,程江峰,姚念奎,易旺民,朱恺真,张新生,孟凡军,金小辉,刘中兵,何立荣,程辉,周二专,李洋,吕倩,罗椅民.数字孪生五维模型及十大领域应用[J].计算机集成制造系统,2019,25(01):1-18.

[[3]] 陶飞,刘蔚然,张萌,胡天亮,戚庆林,张贺,隋芳媛,王田,徐慧,黄祖广,马昕,张连超,程江峰,姚念奎,易旺民,朱恺真,张新生,孟凡军,金小辉,刘中兵,何立荣,程辉,周二专,李洋,吕倩,罗椅民.数字孪生五维模型及十大领域应用[J].计算机集成制造系统,2019,25(01):1-18.

[[4]] 陶飞,刘蔚然,张萌,胡天亮,戚庆林,张贺,隋芳媛,王田,徐慧,黄祖广,马昕,张连超,程江峰,姚念奎,易旺民,朱恺真,张新生,孟凡军,金小辉,刘中兵,何立荣,程辉,周二专,李洋,吕倩,罗椅民.数字孪生五维模型及十大领域应用[J].计算机集成制造系统,2019,25(01):1-18.