01.数字孪生in卫星

卫星及其附属系统在航天领域具有十分重要的意义。近年来，卫星产业发展迅猛，数字化、网络化、智能化、服务化转型升级需求日益增长。为进一步完善星务软件验证工作、获取在轨卫星模拟数据，“数字卫星”成为当下主流趋势。

数字卫星基于数字孪生技术实现。不同于传统意义上基于启发式经验和最坏情况的传统维护方法，数字孪生技术有着如下优势：

1. 使用高精度的主动虚拟模型，能够实现卫星系统的超高保真模拟，有助于卫星电力系统动态任务规划，并能基于大数据创建最为合理的维护策略，可根据主观单一或多个变量的条件变化快速输出结果。

2. 能够对物理实体进行实时监测及分析，实现精准优化和控制，为基于模型的管理实践和决策分析提供了强大的工具，有利于取代卫星领域传统高成本、高风险的物理试验。

据研究表明，数字孪生方法可应用于卫星子系统，并可推广至所有具有完善数据传感与深度学习技术的其他卫星系统中。

02.数字卫星

数字卫星指通过软件模拟出真实在轨卫星的硬件，实现星上软件在仿真硬件上运行，同时利用协同仿真平台连接各个仿真模型（包括动力学模型）对卫星运行姿态进行实时或超实时模拟的仿真工程。数字卫星既能验证软件运行的正确性，也能通过超实时仿真技术提前获取卫星的运行状态，从而采集模拟数据量进行分析。

数字卫星的搭建需要集成多种仿真软件工程，其中最为核心的部分就是芯片仿真。卫星芯片仿真指仿真卫星芯片CPU及各个外设，最终实现星上软件在仿真芯片上的正常运行。下面将以某星务中心计算机为例，介绍数字卫星的系统逻辑及实现。

星务中心计算机是卫星电子系统的核心部件之一，常用双TSC695F处理器加外围功能模块实现，其主要作用是诊断整星状态、控制任务运行和调度，用于保障卫星的正常运行。

卫星所用芯片属于芯片要求最高的宇航级芯片，而实际进入太空后的卫星计算机系统具有不可修复性，因此星务中心计算机需要具备极强的容错能力，即使在故障条件下，也要能够正常工作。因此星务中心计算机采用模块级冗余技术来增强系统可靠性，内部主要电路模块均采用双冗余设计，具体见下图所示：

▲星务中心计算机双冗余系统原理图

TSC695F是整个星务中心计算机控制系统的核心，负责控制系统所有电路。该芯片由欧洲宇航局设计、法国TEMIC公司生产，是专门应用于宇航工业的32位RISC抗辐照处理器。其特点有：速度更高、功耗低于1.5W；抗辐照能力强；内置一个片上调试器（OCD，On-Chip Debugging），用于软件开发和校验期间的非侵入程序执行控制；内部集成了总线奇偶校验和外部总线EDAC纠错检错以支持容错功能。

03.应用案例

搭建星务中心计算机的数字卫星，需要满足下列条件：

1. 支持TSC695F处理器的仿真，实现双机冗余功能；

2. 提供双星运行环境，且与动力学仿真软件同步，双星之间可通过仿真的1553B接口进行数据交互；

3. 提供A/D、RS422串口、OC指令接口、1553B总线等接口的仿真；

4. 支持卫星遥控注数功能和遥测数据存储、解析处理。

天目全数字实时仿真软件SkyEye是一款国产自主的基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，满足数字卫星仿真“低耦合、高兼容”的原则，能够为卫星嵌入式软件提供虚拟化运行环境。

可基于SkyEye搭建一套基于SPARC架构TSC695F处理器的姿轨控嵌入式软件的开发、仿真和验证系统，支持与Simulink仿真模型的系统仿真，可实现全数字高速闭环仿真运行。

▲SkyEye卫星姿轨控系统仿真

在多领域分布式协同仿真平台DigiThread及SkyEye的协作下，可实现全系统全虚拟仿真，即计算机系统、动力学模型、遥测软件、数据动态曲线绘制。双星同步得以实现，处理器运行速度相较真实硬件能够得到5倍的大幅提升，整体性能提升3倍，且仿真速度能够随意控制，大幅度缩短用户的测试时间。

在此基础上，SkyEye还使双星运行系统能够在多台电脑分布式部署，或者在一台电脑上部署完整测试环境，满足多种环境测试需求，为卫星工程师提供了极大便利。