数字太空、孪生系统及应用

+王世金（数字太空智能技术研究院）林宇生（中国电子科技集团第54研究所）

一、太空进入3.0时代

自1957年第1颗人造卫星上天以来，太空产业经历了60余年成长，2018年已具备2980亿美元的市场规模（Euroconsult ’ Space Economy Report 2019’）。数字太空研究院将太空发展历程划分为3个时代。

太空1.0——竞争探索时代（1957～1992），以美苏太空竞争探索为主要特征。标志事件有1957年第1颗卫星、1961年人类第1次进入太空、1969年人类第1次登上月球、1982年航天飞机首次商业飞行、1977年发射的旅行者在1982年首次飞临土星等。

太空2.0——体系构建时代（1993～2016），以各航天大国面向应用构建航天业务体系为主要特征，美、欧、中、俄等国家的通信、遥感、导航等卫星业务体系基本形成。标志事件有1993年美国GPS系统建成并提供服务、1998年国际空间站开始组建、1999年我国神舟一号发射、2001年快鸟卫星对地全色遥感分辨率达到0.61米、2009年第4代高通量海事通信卫星开始提供陆海空全球移动宽带服务等。

太空3.0——融合应用时代（2017～），以几百颗至几万颗的卫星星座为特征，以天地信息互连、全球快速洞察为业务方向，将给全球信息产业带来革命性影响。2017年印度1箭发射104颗卫星，其中88颗是Planet公司的遥感卫星，2019年该公司又一次发射了146颗遥感卫星，累计发射了351颗遥感卫星，基本实现“洞察地球变化速度”的愿景。2019年SpaceX的42000颗Starlink计划开始发射组网，截止到2020年6月13日已发射了540颗，并将在今年启动天地互连服务。我国正在实施的天地一体化信息网络、高分辨率对地观测系统、长光卫星技术有限公司的吉林一号星座等也逐渐提升了我国天地信息融合应用的能力。（参见图1）

图1 近20年来全球每年发射卫星数量（截止到2020年4月1日）

融合应用阶段刚刚开始，其革命性的天地信息融合效应还未显现。但可以预见：每天，甚至小时量级的对全球活动和变化的连续观测，全球无死角的快速通信连接，以及数字孪生、人工智能等技术的助力，地球活动的准实时在线，将对军事、经济、社会产生前所未有的影响。全球信息网络将由二维地表层，走向天空地一体的三维空间。全球一个村，不再是一个愿望，而是信息现实，并逐渐改变人的认知。虽然全球化当前处于倒退状态，但5～10年后全球化将逐渐上升到一个新的层面。

二、数字太空需求

1.认识太空

太空除星体外不是空无一物，其间充斥着电磁场、等离子体、粒子辐射、中性气体等环境物质，其剧烈的变化称为“太空天气Space Weather”，对卫星、空间站等太空活动，甚至地面的通信导航、航空飞行、大型电网、输油管网都有重要的影响。

太空是卫星、空间站、洲际导弹等航天器的飞行空间。这些航天器的轨道、姿态、能源、通信、载荷等都有很强的物理模型和工程技术属性。在太空3.0时代，卫星不再是孤立个体，它与星座其它卫星、地面运维、应用终端构成有机网络，是天地信息网络中的一个节点。智能技术已走进卫星，卫星逐渐具备从感知、诊断，到推演、决策，再到自主控制的能力。

人类进入太空、利用太空，最终目的是服务人类。现今广播电视、导航定位、海上通信、应急通信、气象海洋、环境监控、国土普查、侦察监视、导弹预警等等都强烈依赖卫星。在太空3.0时代，太空提供的不仅是传统的卫星通信、导航、遥感等能力，还在万物互联方面提供全球的快速整合与接入能力。即太空具备将全球各离散的信息网整合成统一网的能力，其次未来的太空信息中心还具备太空遥感、情报等信息处理、任务决策的能力，太空将成为地球信息网的大脑或大脑的天基备份。天地一体的信息融合应用将逐步改变现今的信息运作业态，从全球快速感知、风险预警，到决策应对都会带来革命性的变化。

太空具备公域属性。别国飞机未经允许进入一个主权国家是非法的，但别国卫星飞临主权国家上空遥感观察符合国际公约。当前发达国家的光学遥感卫星已具备0.1米分辨率，地面活动几乎一览无余。而正在研发的0.1米分辨雷达卫星将实现阴天、夜晚的全天候观察。国际太空法倡导和平利用太空，但当前已知其归属的在轨2667颗卫星中，具备军事属性有483颗，占比18.1%（Satellite Database of Union of Concerned Scientists）。即便商用的SpaceX的星链计划，美军也参与其中。察打一体不仅是无人机，天地一体的综合察打指控能力更强大，太空威慑已成为某大国军事战略的重要组成部分。卫星轨道的可预测性和卫星防护的薄弱性，使未来天地信息体系的安全性和脆弱性凸显。当全球天地一体信息网络形成之后，太空安全、信息安全、国家安全是各国必须引起高度重视的方面。

2.数字太空需求

信息技术的发展，使全球数字化迅速普及。2018年47个国家的数字经济总规模超过30.2万亿美元，占GDP比重高达40.3%（中国信息通信研究院《全球数字经济新图景（2019年）》）。数字化不仅在通信、金融、电商、娱乐、政务等人文世界普及，也悄然改变自然、地理、环境等物理世界的认知和表达形态。1998年美国副总统戈尔发表“数字地球：认识二十一世纪我们所居住的星球”，首次提出了“数字地球Digital Earth”的概念。2016年魏奉思院士发表“数字空间是空间科技战略新高地”，首次提出了“数字空间”概念。同年中国科学院学部咨委会批准设立《数字空间战略研究》院士咨询项目，组织国内相关专家开展战略研究。数字太空研究院在此背景下得以成立。

数字太空研究院认为太空数字化是全球数字化和太空3.0发展的必然趋势，数字太空是太空数字化的必然结果。其战略需求包括如下4个方面。

第一：太空认知的需求。

人类自进入太空仅有60余年历史，太空的内容多样、系统复杂，遥远不可见、远离大众生活、技术快速迭代等特性，不仅是普通公众，就是太空从业人员也只是略知一二，这极大地影响了对太空的认知、管理和应用。太空环境、卫星工程、太空应用、太空安全等内容不是文字、公式、图片所能表达的，需要通过数据、算法、模型，以及信息技术，构建1个系统的、活动的、可见的“数字太空”，为普通公众、从业人员、管理决策者提供一个具象的太空认知、管理和应用工具，将为整个行业的发展奠定认知基础。

第二：卫星产业的需求。

在太空3.0时代，卫星技术的发展已进入数字和智能阶段，从卫星工程论证、设计研制、试验验证（模飞演练）、发射入轨，到测运控管理（尤其是任务规划和健康管理）、应用效能评估等，其系统复杂性已不是简单的仿真计算所能解决的，急需呼唤数字孪生等数字与智能系统的支持。在卫星产业链上，不具备数字化能力的研究、开发、生产型组织终将被淘汰。

第三：融合应用的需求。

在太空3.0时代，太空的地面应用不再是孤立的卫星遥感图片分析、手机导航定位、针对特种应用的昂贵卫星通信等，而是卫星通导遥一体、太空信息网、地面信息网融合应用的场景，如应急救援、大型活动、商品期货、智慧出行等等。虽然应用终端用户可能感觉不到，但支撑这个复杂、快捷信息网的技术系统必须数字化、智能化和时效化。数字太空是支撑这一信息系统的基础。

第四：太空安全的需求。

在太空3.0时代，卫星、测控站、信关站等基础设施是国家信息体系的核心组成部分，拥有强大的信息支援能力和战略威慑能力。这些基础设施不仅要考虑空间碎片、太空天气等自然环境威胁，也要防备非友好国家的人为风险。太空风险的感知与识别、推演与决策、预警与应对，没有数字化的太空系统支持是难以实现的。

三、数字太空相关理念

1.三个世界

数字太空研究院提出“三个世界”的概念：物理世界、数字世界和人文世界。物理世界是由自然和人工物质所构成的、客观存在的实体世界；数字世界是由数据、算法、模型等构建的，反映物理世界和人文世界的数字化的虚拟世界；人文世界是由政治、经济、军事、社会等构成的，反映人活动及需求的世界。

自然界的物理世界从宇宙诞生就一直存在。而人文世界从人类文明时代开始形成并持续发展。近几十年现代信息技术兴起，数字世界在互联网、电子金融、电子商务、数字工厂、数字园区等领域开始形成，并快速发展。数字世界是为满足人文世界的各项需求而诞生，她从物理世界或人文世界的联系交织开始，逐渐生长、相互连接、最终成为满足某大类或行业需求的数字世界。

2.数字太空

数字太空是以时空为基准，以地表和日地空间为场景，将卫星、碎片、火箭、雷达、飞机、船舶、车辆、地面站、发射场、基地等实体，大气和太空等环境，以及运控、遥感、通信、导航、预警等活动数字化，采用现代信息技术所构建的、满足特定或通用应用需求的数字虚拟太空。

数字太空以数字化的太空环境、卫星及其业务为主，但卫星制造、发射、运控，以及通信、导航、遥感等主要服务对象在地面。因此数字太空还包括了地表的地理信息、自然环境、气象信息，以及飞机、车辆、船舶、城市、港口等数字地球的相关内容。

完整的数字太空具备10大要素：1）统一的时空基准及坐标转换；2）日地月星空场景；3）地球及地表信息，包含地理信息、地表环境等；4）卫星、火箭、飞机、舰船、雷达等实体及其活动；5）空间碎片、太空环境、大气环境及其对技术系统的影响；6）卫星发射、运控、通导遥等太空相关业务活动；7）各类数据与物理模型算法；8）构建数字太空的系统架构及接口通信；9）三维虚拟可视化与人机互动界面；10）相关标准与规范。

3.太空数字孪生

“数字孪生digital twin”的概念源于产品的生命周期管理，NASA除了用于航天器的生命周期管理，也用于太空辐射风险、航天员行为模拟等（2020 NASA technology Taxonomy）。当前工厂数字孪生、城市数字孪生等大系统级的理念已经产生并逐渐开始实施。

数字太空研究院团队2年前提出了“太空数字孪生”概念，它是由真实数据驱动、由数字太空10大要素构成、与实体太空并行、满足某种或多种需求的数字太空映像。其信息系统称为数字太空孪生系统。

太空数字孪生与太空模拟仿真有相似之处，但又不是太空模拟仿真。其主要差别体现如下。

1）连接性与封闭性的差别：太空数字孪生与物理世界和人文世界均持续保持信息的双向连接，系统是开放和非限定条件的。而太空模拟仿真系统通常是限定条件的、封闭的、独立运行的。

2）时效性与非时效性的差别：太空数字孪生是物理世界的映像，它必须由来自物理世界的实时数据驱动，才能保持与物理世界的一致性与同步性。而太空模拟仿真系统主要是参数驱动，它通常没有时效性要求。

3）业务性与辅助性的差别：太空数字孪生是物理太空的数字影像，具有完整性、真实性、时效性的属性，可以成为太空相关的业务系统。而太空模拟仿真通常针对某些功能，假设其它边界条件，常用于分析、评估等。

4）可视化与结论化的差别：太空数字孪生的优势体现在复杂系统，为便于人的感知与应用，其态势可视化要求很高。而太空模拟仿真的重点在模拟仿真的条件与结论，可视化是锦上添花不是模拟仿真的重点。

当然太空模拟仿真是太空数字孪生的重要组成部分，在物理和人文世界的实时驱动数据中断或需要太空活动推演时，太空数字孪生具备独立运行和仿真推演的能力。

数字孪生来源于产品的生命周期管理，在当前的许多数字孪生的认知中，都强调其生命周期。但国际太空产业链中，卫星设计制造只占10%，卫星运营与卫星应用是产业的主要贡献者。因此太空数字孪生的概念不应局限于面向卫星制造的产品周期管理，还应面向卫星运营、卫星应用、太空安全等用户，其关注点偏向各自的业务需求。如果脱离卫星制造者视角，产品生命周期的概念就被弱化了。随着太空3.0时代的来临，天地一体化网络及其融合应用是发展方向。太空数字孪生应将重心放在太空各要素的复杂相互作用上，这为太空智能化、自主化管理与融合应用奠定技术基础。

四、数字太空孪生系统

1.系统工程方法

构建数字太空孪生系统是复杂的系统工程。国际系统工程协会INCOSE已发布了第4版《系统工程手册》，并提供了基于模型的系统工程方法MBSE。美国航空航天局NASA、我国航空工业公司等实践了其系统工程方法。数字太空研究院在系统工程V4.0基础上，结合当前实际形成自己的系统建设方法。

从技术流程角度，系统工程通常涉及如下活动：识别客户需求、规定系统需求、确定系统架构与技术、系统设计与定义、系统分析与评估、实施开发与编码实现、系统组装与集成、系统测试验证、系统交付转移、系统功能与性能确认、系统运行与维护、系统退出处置等。从系统的生命周期角度，存在瀑布模型、螺旋模型和V型模型等多种模型。

数字太空孪生系统是全新的事物，无论是研究者还是客户都没有建立完整清晰的概念。因此在上述活动中，许多都是探索性的，这为整个系统的开发带来不确定性和实施难度。

数字太空研究院采用“并行迭代增量模型”，即一种混合开发模型，来实现数字孪生系统的开发。（参见图2）

首先，在目前认知能力下，确定数字太空的客户需求和系统需求，采用微服务等技术确定系统架构、研讨系统相关标准，构建了数字太空孪生的总体框架。

然后面向当前客户的特定需求，按增量模型方法逐个开发各组成系统。对需求和方案清晰的系统采用V型模型开发，并逐代升级。对全新的系统，采用迭代模型，在迭代中不断清晰完善。对已成形的系统进行集成验证。

随着客户需求在深度和广度上的升级，数字太空孪生系统不断迭代、发展壮大。

数字太空孪生系统的并行迭代增量模型法，属于一种敏捷和精益系统工程方法，在顶层设计基础上，注重迭代和递归的作用。以下2点决定着系统能否开发成功。

1）深入认知3个世界：在孪生系统构建之前，要深入理解物理世界，并用数字方法重构，即对物理数据的时空重构、模型算法的构建与优化。同时深入理解客户业务，掌控未来的发展趋势，抽离出其共性的内容。

2）架构与标准必须先行：建系统必须先有顶层设计并确定好架构。标准规范是系统构建的基础，当实体定义、术语规范、接口标准等不明确时，这种复杂的系统很难构建。这既要考虑我国卫星产业现有的标准和规范，也要技术和市场前瞻，需有迭代发展的思路。

2.系统组成与架构

数字太空孪生系统以物理世界为数字孪生对象，以人文世界需求为信息输出。孪生系统的内容和规模取决于人文世界的需求。基于前述的并行迭代增量模型，在初步确定框架和标准后，数字太空孪生系统从卫星模飞试验、测运控管理、通导遥应用等几个需求点开始，逐渐增长，在深度和广度上迭代发展。

数字太空孪生系统由信息后台、孪生中台、服务前台构成。

图2 数字太空孪生系统开发的并行迭代增量模型

图3 数字太空孪生系统组成架构

信息后台SpaceIS是数字太空的信息仓库和数据处理器。它收集原始数据和信息，完成清洗等处理，并转换成面向应用对象和时空基准的、有组织的数据、算法、模型、标准等。

孪生中台SpaceDT是“活”的、与物理太空并行的太空孪生系统。它采用微服务架构，以日地月和地表为可视化背景，以高轨卫星通信网、天地一体化信息网络、北斗导航系统、高分系列、资源系列、风云系列、天和等空间站、空间目标、空间碎片、空间环境、发射场、测控站、信关站、相控阵雷达、导弹、舰船、车辆等实体为数字化对象，以卫星测试、发射、运管、通导遥应用、太空安全、环境保障、地表活动等为业务功能，通过数据、模型、算法，基于大地坐标系、地心直角坐标系等几十个坐标系的时空基准，采用现代仿真虚拟信息技术手段，最终以二、三维可视化呈现，实现人机交互的数字系统。

服务前台SpaceSP是面向特定类型客户的、裁剪版与定制版的SpaceDT。孪生中台SpaceDT内容较多，适合天地一体化信息网络、太空安全等综合类系统的应用。但对卫星模飞试验、遥感卫星任务规划、应用效能评估、环境风险评估等特定业务，就不需要完整的SpaceDT。通过配置、裁剪、定制等，形成面向特定客户的前台。特别是地面用户，其关注的是基于地理信息或实体三维场景上的活动，太空仅提供通导遥等信息支持，侧重点明显不同，需针对地面活动需求提供服务。（参见图3）

3.孪生系统特性

数字太空孪生系统是以数字化浪潮为基础，伴随卫星产业与太空安全发展，而产生的新一代技术系统。它继承了以往的仿真系统、业务系统、教学训练系统能力，又增添了以往系统所不具备的特性与优势。

1）孪生特性：这是核心特性，涵盖了目标实体、业务活动、业务环境、计划与流程等等，这种全面的数字并行在以往系统中是很少见的。系统的孪生效能取决于系统的感知与建模支持能力，但孪生理念让系统在架构上就与已有系统不同。

2）连接特性：数字孪生与仿真模拟的核心差异，就是孪生系统具有连接特性。它要保持与物理世界、人文世界的双向连接。数据来源于物理系统，反过来也要控制物理系统。

3）推演特性：数字孪生系统有仿真基础，具备离线加速、回放推演的能力。这种推演能力是系统智能化决策的基础，可用于事件回放、任务规划、风险预警、应对演练等一系列业务。

4）可见特性：太空及其地面活动场景过于宏大，无论从业人员还是公众，都难以实现具象化的理解。孪生系统将庞大、复杂的系统，以业务可视化的方式呈现在客户面前，极大提高了感知、判断和决策的效率。

4.四个发展阶段

数字太空孪生系统连接物理世界和人文世界，属于新兴的数字世界产物，伴随对物理世界的感知和认知，特别是人文世界的需求增长而成长。

数字太空孪生系统从诞生到完善将经历4个发展阶段。

1）业务态势阶段

在本阶段数字太空孪生系统初步成形，但为与现有业务系统的衔接与过渡，它通常在现有业务系统上生长，保持原有系统的连续性、稳定性和可靠性，增量为系统的孪生与可视化，此阶段偏重业务态势。

2）推演规划阶段

在推演规划阶段，数字太空孪生系统更多地深入到系统的业务处理层面，从事件回放、任务推演、任务规划、应急规划、任务优化、应对演练等角度，提升现有系统的能力。

3）风险预测阶段

风险预测阶段，孪生系统的智能预测优势开始显现。不仅是完成任务规划、态势监控、资源调度等常规业务，还能智能预测业务风险、环境风险，及时应对和处置，将系统的风险控制前移，为系统自主管理奠定基础。

4）自主管理阶段

数字太空孪生系统的自主管理是系统智能化的目标。孪生系统及其物理系统将自主运行，人在旁路。这种无人干预的复杂信息系统，使天地一体化的信息融合应用成为可能。

以上4个阶段是根据系统业务能力进行划分的，但实际发展中各阶段的界限不是很明显。当前系统还处于业务态势阶段，但也具备了推演规划、风险预测等许多技术能力。数字太空孪生系统的开发是迭代发展的。

五、应用场景与实践

1.应用场景

数字太空及其孪生系统，当前在系统工程论证、卫星全生命周期管理、卫星运维管理、卫星应用、环境保障、太空安全等方面具有许多应用，未来几年在地面应急减灾、安防安保、智慧出行、航空水运、智慧城市等方面应用更加广泛。

当前已形成的应用能力包括：

1）系统工程论证客户

面向卫星工程论证客户，提供卫星、星座、载荷、地面测运控、地面应用等大系统的设计分析、验证与评估，以及提供空间辐射等环境风险评价；

2）卫星设计研制试验客户

卫星平台、载荷等设计大系统仿真验证，辐射环境防护设计验证，系统或卫星组装验证，卫星测试试验的流程、功能、性能等孪生验证，火箭卫星等大系统模飞试验验证和靶场发射孪生监控等等。

3）卫星运维管理客户

提供综合业务态势监控、活动推演、任务规划、应急规划、健康管理、环境和碰撞风险预警、效能评估、资源管理等功能；

4）面向地面应用客户

地面应用用户十分广泛，但限于当前卫星应用的时效性较差，孪生系统的价值没有体现。主要集中在卫星遥感信息支援、路径规划与监管、环境风险预警、保险定损核赔等几个方面。

未来，随着太空3.0的逐步发展，卫星数据孤岛将逐步消除、处理时效性增加、通导遥融合以及数字太空孪生能力的提升，一大批应用场景将脱颖而出。

在军事领域，有个OODA循环理论，即Observation观察、Orientation判断、Decision决策、Action行动。数字太空孪生系统是实践该理论的重要技术系统。它不仅可用于国防安全，还广泛应用于未来的智能驾驶、航空水运、应急减灾、智慧城市等等。

2.典型实践

数字太空孪生系统的典型应用实践案例很多，限于篇幅这里给出4个典型实践案例。

1）卫星模飞试验验证

在工业部门的合作支持下，孪生系统已应用在几十颗卫星的测试模飞试验中，并11次应用在靶场的卫星发射中。从三维场景构建、计划流程管理、遥测数据监控、发射流程推演等方面发挥了重要的作用。（参见图4）

2）卫星运管综合态势

图4 卫星模飞试验验证与靶场发射监显

卫星运管的综合态势也是数字太空孪生系统应用较多的场景。高轨通信卫星运管综合态势、北斗导航运行综合态势、高分和资源卫星综合态势等10余个卫星系统采用了孪生系统或其中的可视化模块。在北斗导航综合态势系统中不仅对卫星轨位、姿态、健康状态进行监控，还对测控业务，及RNSS、RDSS、导航增强等业务态势进行监管，并能开展卫星故障对业务影响的推演分析等活动。（参见图5）

3）卫星环境风险预警

卫星在轨飞行会遭遇“太阳风暴”、粒子辐射增强、空间碎片碰撞等风险。数字太空孪生系统聚焦卫星安全，建立5级风险等级，结合卫星轨位和健康状况，给出准实时的环境风险预警，提供卫星故障环境风险评估等服务。（参见图6）

4）导弹预警教学训练

孪生系统的推演功能让其成为教学、训练的重要工具。导弹预警教学系统让学员在真实场景下掌握预警卫星、预警雷达、精跟雷达等装备的工作原理，学习目标捕获、跟踪，弹道确定、落点预警等一系列流程，并进行实操训练。

图5 低轨卫星运管综合态势

图6 北斗导航IGSO卫星环境风险态势

六、结束语

“数字空间战略”是魏奉思院士等专家学者们提出的前瞻性战略。数字太空孪生系统是该战略的一个实践尝试。数字太空及其孪生系统的概念、内涵、外延等还在实践发展中。它的庞大性、复杂性和综合性，不是某个人、某个组织所能够完成的，需要各级管理者、终端客户、领域专家学者、产业链上下游的共同努力。

数字太空研究院是数字太空科技股份公司的研究实体，它与数字太空科技股份公司的另两家子公司北京天工科仪空间技术有限公司、深圳星地孪生科技有限公司，共同聚焦数字太空、孪生系统及其应用，为客户提供系统级解决方案。中国电子科技集团第54所是我国电子信息领域专业覆盖面最宽、综合性最强的研究所，也是我国天地一体化信息网络建设的核心单位。我们愿与各客户单位、工业部门、科研院所等单位携手，取长补短、共同发展，落地魏院士推动的“数字空间战略”，推动技术进步，满足国家发展需求。