航天器数字孪生体：数字孪生技术与应用

随着航天技术的飞速发展，空间飞行器的结构、组成日趋复杂，性能、技术水平不断提高，在这种情况下，保证空间飞行器在复杂的空间环境中更加持久、稳定地在轨运行，成为目前空间技术领域亟待解决的重要问题。传统的航天器研制体系是在地面完成航天器结构研制生产、总装和测试，再通过运载火箭运送航天器进入预定轨道，最后由航天器进行轨道转移、姿态调整。传统研制体系下，航天器需要在地面安装调试到位，确保“在轨零故障”，发射前需要携带全生命周期所需燃料，而且缺乏对于空间碎片的主动防护能力。针对上述存在的问题，国内外均开展了利用在轨装配技术在空间环境中对目标进行维护和操作的相关研究，通过在轨装配技术可以很好地解决传统航天器研制体系面临的困难，确保空间系统长期稳定地工作。

为了实现航天器在轨装配全过程模拟、状态监控以及装配结果预测，已有构建航天器数字孪生体的方式来虚拟表达在轨操作过程和结果预测的研究。航天器数字孪生体是反应航天器制造过程和执行任务过程的超写实模型，它是由许多子模型组成的集成模型，可以对航天器是否满足在轨装配任务条件进行模拟和判断。以航天器数字孪生体为例，其组成元素如图4-1所示。

图4-1　航天器数字孪生体的组成元素

下面从航天器研制到在轨服务的全生命周期，即航天器数字孪生体的数据组成、构建方式（设计、制造、在轨服务）、作用，来介绍航天器数字孪生体的体系结构。

4.1.1　航天器数字孪生体的数据组成［35］

产品数字孪生体是一个过程模型和动态模型，会随着航天器研制和服务过程数据的产生而不断演化和增加，航天器数字孪生体已远远超出了数字样机的范畴，除了表达几何信息和功能信息外，还包含了航天器研制过程和在轨服务状态的描述信息。同时，考虑到数字孪生体数据的不断演化和增加的特点，本节提出了基于航天器全生命周期的阶段进行数字孪生体组成数据的划分，组成航天器数字孪生体的数据主要包括：设计数据、工艺设计数据、制造过程数据和在轨服务过程数据。

（1）设计数据。

设计数据包括航天器三维模型（表达几何形状信息、几何数据），属性数据（表达产品原材料、规范、分析数据、测试需求），三维标注数据（表达产品尺寸与公差），包含航天器各部组件间装配关系的设计物料清单（bill of material，BOM）以及设计文档。

（2）工艺设计数据。

工艺设计数据包括工艺过程模型（毛坯模型、每道工序的工序模型），工序设计数据（加工特征信息、制造资源信息、加工方法、工艺参数信息），质量控制数据（检验、测量要求信息，关键、重要工序质量控制要求信息），工艺仿真数据（几何仿真、物理仿真、焊接仿真、装配过程仿真），工装设计数据。

（3）制造过程数据。

制造过程数据包括制造BOM、检测数据、技术状态数据、生产进度数据、工装数据、质量信息数据、生产环境数据、工艺装备数据。

（4）在轨服务数据。

在轨服务数据包括在轨操作动作数据、过程监控数据、健康预测数据、多敏感器采集和分析数据等。

4.1.2　航天器数字孪生体的构建方式

基于上述航天器数字孪生体的数据组成分析，针对航天器设计、制造和在轨服务三个阶段分别提出数字孪生体的实现方式。

（1）航天器设计阶段。

在航天器设计阶段，为了构建产品数字孪生体，首先需要用一个集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息，基于模型的定义（model based definition，MBD）技术是解决这一难题的有效途径。该技术以模型为核心实现产品研制全过程一致性、关联性和共享，搭建工程数字化与管理信息化紧密关联纽带，使得产品的定义数据能够驱动整个制造过程下游的各个环节。具体实现过程如下：

①有序规划设计阶段数字孪生体的体系结构，将上述设计数据中的所有信息进行分类管理和显示，将信息按照各种需求分类，形成信息的各种描述形式，如设计描述、工艺描述、制造描述、检验描述、维护描述和协作描述等。同时将航天器数字孪生体分为构型层、舱段层、布局层和总装层四层模型，并规定每层模型包含的数据内容和接口，既保证数据模型轻量化又保证数据利用效率。

②构建一个全三维标注的产品模型，包括三维模型的设计信息、工艺技术要求、尺寸公差以及工艺信息的规范化表达。将设计要求、工艺技术要求、尺寸与公差、材料特性、检验要求等统一表达在三维设计模型中，依据三维标注的国家标准，建立三维标注模板，实现基于三维的规范化标注，标注效果如图4-2所示。

③进行基于设计模型的可制造型评价。根据结构件加工精度要求，对三维设计模型进行工艺性审查，实现模型的可装夹性、可加工性、可焊接性、可装配性的全面评估，建立工艺能力约束集合，发现设计中的缺陷，并及时反馈和更改，实现设计数据与可制造性工艺数据的快速交互，缩短设计制造过程的迭代周期。

图4-2　全三维标注的产品模型示意图

（2）航天器制造阶段。(www.chuimin.cn)

在航天器制造阶段，航天器数字孪生体的演化和完善是通过与产品实体的不断交互开展的。因此，如何实现航天器制造过程数据的实时准确采集、有效信息提取与可靠传输是实现数字孪生体的前提条件。随着物联网、工业互联网技术的不断发展和完善，为信息获取提供了技术保障。在制造阶段，构建数字化孪生体的方式如下：

①构建面向数字孪生体的制造工艺体系。首先将以3P1R（product-process-plantresource）数据构架的产品、工艺、工厂、制造资源整合成一个统一的LDA（lifecycle data architecture）数据模型，形成企业单一的数据源，保证数据的唯一性和准确性；再以结构化及3D可视化的工艺形式进行工艺规划和3D工装设计，对于工艺/工序/工步数据、工装设备等生产资源数据、工厂/生产线/装配区等生产布局数据，通过集成PDM，MES，ERP来实现物理空间和虚拟空间下的数据协同。

②编制三维结构化工艺。基于产品BOM分解的每个零件节点均可分解为若干工艺，工艺可分解为若干工序，工序可分解为若干工步。各级节点挂接工艺内容、所需要的工装工具、检验标准、工艺过程模型等相关信息，形成工艺的结构化数据描述。对于三维结构化工艺的各项数据，均可真实地反映实体产品的演化过程和最终状态，该演化过程同时在数字孪生体上体现。以三维工艺中的工序过程模型为例，数字孪生体除了要体现零件从毛坯到产品过程的几何信息变化外，还需体现切削力、切削温度、切削变化对产品的影响信息，如图4-3所示。

图4-3　工序过程模型和物理仿真示意图

③实时采集实体空间的动态数据。针对制造资源［生产人员、仪器设备、工装工具、物料、AGV（automated guided vehicle）小车、托盘］，结合产品生产现场的特点与需求，利用条码技术、RFID、传感器等物联网技术，进行制造资源信息标识，对制造过程感知信息采集点进行设计，在生产车间构建一个制造物联网络，实现对制造资源的实时感知，并将数据进行标准化封装，形成统一的数据服务，供其他环节调用。

④不断优化数字孪生体状态。通过制造工艺体系中的数据接口，将动态数据传输至统一数据源，并分发给相应数字化系统，实现航天器数字孪生体的生成和不断更新。

（3）航天器在轨服务阶段。

航天器在轨服务阶段，需要完成在轨维修维护、在轨加注和空间防护任务，并且是在高空无人环境下进行的，因此需要对航天器的状态进行实时跟踪和监控，包括航天器的空间姿态、空间环境、质量状况、使用状况、技术和功能状态等，并根据航天器实际状态、实时数据、使用和维护记录数据对航天器的健康状况、寿命、功能和性能进行预测与分析，并对执行任务情况进行提前预警。

①多敏感器参数获取。在物理空间中，在轨装配航天器需要采用物联网、传感技术、移动互联技术，通过多种敏感器获取与在轨装配任务相关的实测数据，包括测距仪信息、多目相机的目标识别信息、外部环境感知信息、力/位精细感知信息、气液传输信息等。将上述信息获取后，通过天地通信设备，将获取到的航天器全部信息传递至地面服务器，供数字孪生体提取相关数据。

②信息融合与评估。上述物理空间获取的信息，需要映射到虚拟空间的航天器数字孪生体中。在虚拟空间中，采用模型可视化技术实现对物理产品使用过程的实时监控，并结合历史使用数据、历史维护数据等，采用动态Bayes、机器学习等数据挖掘方法和优化算法实现对产品模型、结构分析模型、热力学模型、产品故障和寿命预测与分析模型的持续优化［36］，进而通过数字孪生体完成航天器在轨装配任务验证和结果预测，并用以制定物理空间中航天器的控制策略。

③持续优化与改进。需要指出的是，航天器数字孪生体是物理产品在虚拟空间的超现实模型，始终存在拟实化程度的问题，所以要针对数字孪生体与物理空间产品之间的偏差不断进行修正，只有通过数据的不断积累，才能持续提高数字孪生体的拟实化程度。对于已发生的偏差，采用追溯技术、仿真技术实现问题的快速定位、原因分析、解决方案的生成，并修正数字孪生体模型以及其与物理产品之间的映射关系，既能保证数字孪生技术的不断推进，又能为后续任务的执行提供数据支撑。

4.1.3　航天器数字孪生体的作用

通过上述方法，完成航天器数字孪生体构建后，可以带来诸多好处。首先，可以对航天器在物理空间中的形成过程完成模拟、监控、诊断、预测、评估和控制；其次，可以推进航天器全生命周期内各阶段的高效协同；最后，还可以进一步完善数字化的航天器全生命周期管理系统，为全过程质量追溯和产品研发的持续改进奠定数据基础［37，38］。

（1）模拟、监控、诊断、预测、评估和控制航天器研制和服务过程。

①模拟在轨任务执行：通过构建航天器数字孪生体，可以在执行在轨装配任务前，使用数字孪生体在搭建的虚拟仿真环境中模拟执行任务过程，尽可能地掌握航天器在轨服务的状态、行为、任务成功概率，以及在设计阶段未考虑到的问题。同时，可以通过改变虚拟环境的参数设计，模拟航天器在不同环境下的运行情况；通过改变在轨任务策略，模拟不同操作方式下对任务成功概率、航天器寿命产生的影响。通过模拟为在轨任务内容确定、在轨任务策略制定以及面对异常情况的决策提供依据，并从实际使用端优化航天器设计。

②监控和诊断航天器制造和在轨服务过程：由航天器数字孪生体创建过程可知，在航天器制造以及在轨服务过程中，制造数据和在轨服务数据会实时反映到数字孪生体中，数字孪生体可以动态实时地监控航天器研制过程和在轨服务过程，并将过程数据以数字化形式存储下来。所以，不论航天器在研制过程中或者在轨服务过程中发生故障，均可以通过数字孪生体中的监控数据和历史数据进行故障诊断和定位。

③预测和评估：在航天体制造阶段，通常会遇到各种非理想状态，如焊接变形导致轮廓度差、应力释放导致平面度差等，这时需要技术人员对非理想状态进行分析，并评估其对后续研制的影响。而通过构建航天器数字孪生体，可在虚拟空间中对非理想状态进行集成模拟、仿真和验证，依托制造环节实时映射到数字孪生体中的检验和测量数据、关键技术状态参数等数据，实时预测和评估对后续研制任务的影响，并用以指导对非理想状态的决策。

④在航天器在轨服务阶段，通过航天器上的多敏感器获取实时数据，包括负载、温度、应力、结构损伤程度以及外部环境，并将实测数据关联映射至航天器数字孪生体。基于已有的产品档案数据、基于物理属性的产品仿真和分析模型，实时准确地预测航天器实体的健康状况、剩余寿命、故障信息以及在轨任务的成功概率等。

（2）推进航天器全生命周期各阶段的高效协同。

与三维数字化制造模式不同，通过构建航天器数字孪生体，可以在其全生命周期各阶段，将产品设计、产品制造、产品服务等各个环节的数据在产品数字孪生体中进行关联映射。在此基础上，以产品数字孪生体为单一产品数据源，实现航天器各阶段的高效协同。同时，基于航天器数字孪生体技术，可实现对产品设计数据、产品制造数据和产品服务数据等产品全生命周期数据的可视化统一管理，并为产品全生命周期各阶段所涉及的各类人员（包括工程设计和分析人员、生产管理人员、操作人员、在轨服务指挥人员）提供统一的数据和模型接口服务。另外，Michael Grieves也指出，数字孪生体的出现，使得企业能够在产品实物制造以前就在虚拟空间中模拟和仿真产品的开发、制造和使用过程［4］，避免或减少了产品开发过程中存在的物理样机试制和测试过程，能够降低企业进行产品创新的成本、时间及风险，极大地驱动了企业进行产品创新的动力。

（3）实现航天器研发的持续改进和全过程质量可追溯。

航天器数字孪生体是航天器全生命周期的数据中心，记录了航天器从概念设计直至报废的所有模型和数据，是物理产品在全生命周期的数字化档案，反映了产品在全生命周期各阶段的形成过程、状态和行为。航天器数字孪生体实时记录了航天器从设计到退役的全过程，并且在航天器的各阶段都能够调用该阶段以前所有的模型和数据，在任何时刻、任何地点和任何阶段都是状态可视、行为可控、质量可追溯的。比如在航天器在轨服务阶段，当发生异常情况，之前地面验证试验未进行相关环境测试时，航天器数字孪生体在设计和制造阶段的所有数据和模型记录集合，能够在新环境下提供准确的模型和数据来源，并预测结果，为异常突发情况提供决策基础。