近十幾年來，随着國内計算機技術的飛速發展，衆多國内學者及研究機構投身于仿真技術及工具平台的開發，并将其應用于軍用仿真及複雜裝備的型号研制中。
國防科技大學将 HLA 标準進一步系統化、規範化，開發了面向軍用仿真場景的仿真支撐平台 KD-HLA，該平台是一種以多智能體模組化仿真方法為基礎，以面向對象元件化模組化和并行離散事件仿真技術為核心的模組化仿真平台。
将全面提升航天裝備數字化、智能化研制能力，是促進空間産業更新，實作航天強國目标的必由之路。
在這股數字化浪潮推動下，航天器數字化模拟技術迅速發展。
本文分析了航天器數字化涉及的關鍵技術，闡述了航天器數字化模拟技術在航天器研制、飛控支援及體系仿真領域的應用，給出了航天器數字化模拟技術的發展方向。
仿真架構
在模組化仿真領域應用MDA思想建立基于模型的仿真系統架構，定義平台無關模型層，該層模型主要用來描述被仿真對象的業務邏輯。
可以采用不同計算機語言進行模型開發，但所建構的模型需要包含模型屬性和規範的接口描述，以便與仿真元件模型形成無歧義的接口關聯。
在此基礎上，定義平台相關模型層，通過仿真元件模型模闆、标準函數庫以及标準仿真服務，實作平台無關模型到平台相關模型的轉換，形成直接支援系統內建及仿真運作的仿真元件模型。
定義仿真工具層，該層的重點在于為仿真系統的內建及仿真運作提供軟體工具支撐。
模組化規範：
模型是仿真的核心。形成一個合理有效的模組化規範是航天器模拟與仿真應用項目成敗的關鍵。
模組化規範是模組化人員與計算機之間進行知識互動的一種協定，是模組化人員為了讓計算機“了解”模型的一種基本表達。
随着仿真模組化技術的不斷發展，航天器模拟與仿真應用場景對模組化規範提出的更高的要求。
模組化規範的制定不僅局限于模型的正确表達，而且還要滿足模組化友好性、仿真高效性、內建便捷性及模型重用性等一系列更高的标準。
模型演化：
航天器及所處的空間環境是一類複雜的實體系統，很難通過完全的機理模型對其屬性及行為進行精确描述。
随着機器學習技術的快速發展和應用，以資料驅動的方式，利用航天器的測試資料和實時運作資料，對機理模型進行更新、修正和補充，可以實作航天器模型向更真實狀态的演化，演化後的模型能夠更精确地映射航天器的行為及動态。
模型演化方法中數值計算與解析表達相結合的方式主要有兩種，一種是以具有明确解析形式的機理模型為主，基于數值計算的方法對解析模型中的參數和狀态進行修正。
另一種是将兩種方法并行，解析關系式和數值計算方法同時接收輸入資料，将兩者輸出結果的組合作為模型的最終輸出。
常用的解析模型包括結構模型、力學模型、電學模型等，常用的數值計算方法包括深度學習、強化學習、遷移學習等。模型演化的方法既可以是離線的，又可以是線上的。
離線方法是通過深度挖掘航天器地面測試資料，得到一種确定的輸入輸出關系。
線上方法是使航天器數字模型與實體航天器并行運作，将實體航天器的運作資料接入用于模型演化運算的地面系統，虛實系統在運作狀态下趨于同步。
面向多學科仿真的求解計算
面向航天器的多學科仿真是一類為了滿足航天器系統整體功能設計需求的一種聯合模組化和仿真方法。
它主要以機械、電子、電磁、氣動、控制和熱學等學科的知識為基礎，将航天器系統按照學科進行子產品化模組化，進而通過某種方式實作各學科子產品的協同仿真，進而對航天器整體性能進行評估和預測。
随着航天器運作及應用場景日益複雜，多節點大規模仿真需求凸顯。
為了提升仿真算力，必須為大規模分布式仿真建立先進、高效、規範的應用開發模式。
在相容通用模組化規範的基礎上，分布式仿真平台還應具有高性能、跨平台的仿真運作及監控管理能力。
從本質上來說，航天器數字化仿真可以看做是一個資料處理和計算系統。随着航天任務的日益複雜多樣，仿真系統對平台的計算資源和性能也提出了更高的要求。
它需要在虛拟世界中，通過數字化模型來重制現實世界中航天器實體運動規則以及與環境之間的互相作用，然後用來自現實世界的真實資料重制航天器全生命周期，并快速得到不同階段的運作結果。
航天器的研制、生産、試驗及在軌運維是極其複雜的系統工程，仿真過程需要處理的資料是海量的。
大規模仿真的運作需要大量級的計算資源。
尤其是在航天任務複雜化、網絡化的背景下，仿真所要解決的問題種類和複雜程度大幅度提升，傳統航天器仿真驗證所需要的計算資源已經無法滿足未來航天任務的需求。
随着雲計算的普及，航天器數字化模拟與仿真業務也必然走向雲計算的路線。
在傳統的網格計算、分布式計算、并行計算、網絡存儲、虛拟化、負載均衡等計算機技術基礎上。
并與先進網絡技術深度融合，對各種網絡上的大量計算資源進行統一管理、排程，構成一個虛拟化計算資源池，按照航天任務仿真場景的需求向使用者端提供計算資源。
應用場景分析
航天器方案論證是一個快速疊代的過程，在這個過程中系統的組成、工作模式、參數性能等都會被高頻地更新。
一般情況下，在方案論證階段，不需要定義航天器裝置的機電熱接口，也不需要逼真模拟信号的電特性。
是以，建立能夠表達器上裝置輸入與輸出傳遞關系的功能級模型，就可以滿足這個階段的仿真需求。
同時，由于航天器方案具有多系統、多專業耦合的特點，通過跨學科數字仿真手段，将多系統的方案設計結果進行形式化表達，有助于項目内部系統間互相了解和配合。
航天器數字模拟器結合資料可視化與人機互動技術，進一步加強了航天器功能性能的展示效果，是一種研制團隊和航天器使用者之間更直接的交流方式。
航天器方案設計階段，數字仿真運作産生的資料可以接入資料管理與分析系統，除了實時觀測，還可以進行事後統計分析，作為方案設計疊代的依據。
發展方向
航天器數字化模拟可有效提高航天器研制效率，豐富航天器應用場景，然而，目前存在多方面的因素制約其更廣泛的應用。
這些制約因素可總結為：缺乏相容多種業務模型、應用場景的通用化架構；缺乏模型的可信度評價體系與高精度模型建構方法；缺乏全流程自主可控的标準化工具；缺乏自主重構和自主學習的應用系統。
是以，我們結合前文調研的關鍵技術，暢想未來的應用場景，提出航天器數字化模拟技術的發展建議。
智能化應用：
數字化模型的自主重構新一代資訊技術的飛速發展深刻地影響了航天器數字化模拟技術的發展，同時極大豐富了其應用場景。
在大資料、雲計算、人工智能等技術的加持下，其應用也将朝着更“智慧”的方向進化。
不需要人為幹預便實作應用系統的自動學習、自我優化、更新疊代，是最深層次的需求和最理想的狀态。
先進測控技術使得地面應用系統對在軌航天器具備了更強的資料擷取能力。
以豐富的資料樣本為依據，地面應用系統可以自主重構數字化模型，形成與真實航天器高度一緻的數字映射，更高效可靠地支撐可視化、預測、決策、優化等應用服務。
實作案例
對地觀測多星協同任務規劃設計和驗證：某低軌對地觀測衛星使用 3 星協同實作對目标的電子和光學偵察。
單星功能仿真快速搭建驗證：
針對某新任務需求設計相應的功能點，充分利用已有模型庫完成新功能子產品設計。
基于衛星數字并行系統的星座成像排程：針對星座成像排程問題。
根據本文提出的方法，設計了衛星數字并行系統架構，建立了數字孿生衛星模型及超實時仿真環境，通過衛星數字并行系統的超實時仿真生成衛星成像序列可行解集。
總結
數字航天器的應用探索與實踐方面的研究涉及到多個領域，包括數字孿生技術、資料驅動故障診斷、虛拟現實教育訓練和深度學習分析等。
這些研究為航天器設計、運作和應用帶來了新的機遇和挑戰，并有望推動航天技術的發展與創新。
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