1.概述

数字孪生卫星是对产品的真实化、集成化的虚拟仿真，用于工程设计、干涉检查、机构仿真、产品拆装、加工制造和维护检测等模拟环境的构建，要求具备集成化造型、可视化、功能检测、产品结构和配置管理等完整的功能，并为数据管理、信息传递和决策过程等三大领域提供方案，覆盖了产品从概念设计到售后服务的全生命周期，是支持产品设计和工作流程控制、信息传递与共享、决策制定的公共数据平台。数字卫星样机依附于对物理卫星样机的模拟，其模拟的范畴包含了物理样机的实体形态，以及部分组件的功能与性能。

2.需求分析

进入二十一世纪以来，数字孪生技术在航空航天及其它工程领域的应用迅猛发展，驱使传统复杂产品研发进入一个新的发展领域。国内尤其在航空工业领域，数字样机技术的发展和应用日趋成熟，在多个飞机型号的产品研制中，已成功应用数字样机取代传统实物样机，大大缩短了研制周期，减少了研制成本。随着各类卫星研制相关产业以及数字孪生技术的迅猛发展，航空产品数字样机的研究和应用也主要局限于结构产品，无法满足航空产品复杂大系统研制的需要。近年来，各航空航天院所陆续开展了基于三维模型的结构设计、仿真分析、虚拟装配验证等设计制造工作，数字化技术在航空航天型号产品研制中的应用成效显著，但仍存在以下几方面问题：

（1）应用范围小

目前的数字化技术主要应用于航空航天产品结构专业设计和验证过程中。通过应用数字化建模及分析工具，在产品主要设计部门，逐渐实现了基于三维模型的结构设计，并且由基于二维图纸的工程发放向“三维模型工厂”的模式转变。电子电气系统设计初步采用数字化工具，尚未完全实现其与结构设计的协同开展；软件产品的设计验证尚未开展数字样机的应用，更多的依赖于基于实物样机的试验验证，开发周期长，质量难以保证。

（2）协同性差

目前在产品研制各阶段、各专业已不同程度的实现了数字化技术的应用，并生成大量不同的产品数字化模型，然而，不同专业间的数字化模型难以实现信息共享，尚不能实现基于单一模型的多专业间协同设计。

（3）缺乏管控措施

各研制单位基于PDM系统进行产品数据管理，主要侧重于产品技术状态管理，具体内容多为产品设计文件和研试文件，部分将三维模型作为附件依附于技术文件，作为产品技术状态描述载体，尚未将数字模型技术状态管理纳入产品数据管理的范畴，使得数字样机质量难以的保证。随着数字化产品设计、验证、制造技术的深入应用，数字化技术在产品设计、制造、售后保障等全寿命周期中的应用日趋增多，有必要将数字模型作为产品数据的一部分加以规范管理。

3.设计方案

将卫星总体设计、总体装配、组件功能性能、组件挂架参数以及卫星实时状况等各类数据进行模拟仿真构建，构建包含外形结构、装配性、可加工性以及功能特性的高精三维卫星模型。其框架如下图所示：

数字卫星样机定义一级、二级、三级和四级样机分别对应于物理、功能、性能和系统阶段，其分级本质上是产品设计成熟度的不断完善，设计指标的不断优化，系统成熟度的不断提升；对于构造样机，其分级定义面向物理样机的生产，并产生于某一特定研制阶段中。

其中，功能、性能和系统样机的构建和应用为串联关系。功能样机应用于产品的设计和功能验证，解决产品“从能看到能用”的问题；性能样机在产品功能设计完成的基础上对其性能特性进行验证，确保其满足性能指标要求；系统样机用于将设计参数转化为可用于指导实物生产的制造信息。对于不同研制阶段的数字样机，其样机的构建目的、构成要素和构建过程是一样的，只是对应生产的样机能力有所差异。其能力组成如下图所示：

• 一级物理样机建设

采用现有成熟Creator、Revit、 3DMax 以及SalidWorks等工具，对物理卫星样机中的控制组件、数传组件、电源组件、结构组件、热控组件等进行三维模型创建和拼接，之后添加纹理和材质，对模型各组件进行渲染，实现高质量物理卫星模型的生成。

• 二级功能样机建设

基于已完成的物理样机，加载建模仿真引擎，采用建模仿真技术，反应物理实体的机理模型、数据驱动模型等以属性赋值的方式将各类功能特征参数导入到各组件属性列表中，打通指令文件、数据传输链路，构建各类功能模块，实现卫星样机的能力运行。

该样机由可见光相机模块、紫外相机模块、综合电子模块、数传模块、控制模块组成。其详细功能组成如下图所示：

• 三级性能样机建设

基于已完成的功能样机，利用建模仿真引擎，将卫星在轨运行时的工作状态性能进行仿真模拟，加载组件模型特征信息，构建形成各独立组件在轨活动状态能力。同时，将样机各组件在运行工作时的性能信息附加到组件信息中。由可见光相机模块、紫外相机模块、综合电子模块、数传模块、姿轨控模块、电源模块和热控模块等组成。

• 四级系统样机建设

基于性能样机，采用CesiumLab、UNReal等工具，开展卫星在轨运行状态场景构建和渲染工作，建立以综合电子为中心的星上信息采集、处理、管理体系，通过GNSS天线、测控接收和发射天线、数传天线实现指令和数据的上传下达，构建各组件工作状态联动、组件状态监控等能力，并基于物理模型和预测分析模型，对卫星样机的制造、运行和失效分析进行概率预测，打造能够真实还原物理卫星运行状态的数字化样机。