一箭15星丨数字样机：商业航天创新发展的关键引擎

▲力箭一号遥五运载火箭发射现场

此次任务是力箭一号运载火箭的第五次飞行，也是中国商业航天企业首次向国际用户提供发射服务。15颗卫星中的其中一颗是由深圳航天东方红卫星有限公司等多方合作，为阿曼客户定制的一颗智能遥感光学计算卫星。这颗卫星的亮点在于其搭载了先进的AI计算载荷，并配备了智能操作系统，能够在轨进行高效的数据处理与分析，可广泛应用于国土详查、城市规划、森林调查、灾害监测等多个领域，可以为用户提供更加精准、及时的数据支持。此举标志着力箭一号运载火箭已正式进入国际商业市场，开启了国际商业发射的新篇章。

我国航天产业发展于1956年。1970年，长征一号运载火箭完成了我国第一颗人造卫星“东方红一号”的发射升空，1984年完成了第一颗通信卫星的发射，自此我国已成熟掌握了运载火箭发射、卫星制造、卫星通信等航天产业技术。在商业航天的概念和支持政策出台前，我国航天产业主要目标是服务国家重大专项任务，参与主体主要是航天科技集团、航天科工集团等央国企和相关体制内单位，积累的成熟技术和知识产权并未进行商业转化。

转变始于2014年11月，国务院印发《关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》，“鼓励民营资本参与商业遥感卫星的研发、发射和运营”，标志着我国商业航天拉开帷幕。

中国航天工业质量协会统计数据显示，从2015年至2020年，我国商业航天产值由3764.2亿元增长至超过万亿元，年均增长率达22%，2024年我国商业航天市场规模预计将超2.3万亿元。

细分类型上，卫星遥感、卫星通信与卫星导航的占比分别达到了46.78%、36.42%与16.07%，整体科技含量较高，2023年度商业航天专利统计中的发明专利占比高达73.5%。然而，在如火如荼的发展势头下，我国商业航天也面临高技术、高附加值产业普遍会遇到的问题：市场回报尚未充分显现，许多企业短期内无法盈利，高度依赖融资。

商业航天最为人熟知的应用之一是通过部署成千上万颗通信卫星构建“星链”，来实现更高效、更可靠的通信，进而创造市场价值。然而，这些市场价值的兑现，要以大量卫星部署为前提。在基础设施条件完善之前，产品无法实现规模化、常态化应用，相关企业盈利之路尤为艰难。此外，商业航天企业“一命系于发射”的残酷现实，也使试错成本高昂，因此出现了商业航天企业高创业率与高淘汰率并存的现状。

“一命系于发射”的魔咒可使用数字样机技术得到极大改善：火箭与卫星的设计与研发需要高度复杂的多学科协作，又有着极高的安全性要求，正是数字样机技术的舒适区。

数字样机是数字孪生技术的一个重要应用领域，通常指通过虚拟模型对产品进行全方位的数字化设计和测试，减少物理样机的制作成本和周期。在卫星研发中，数字样机可以帮助工程师快速验证设计方案，优化系统性能，并有效降低失败风险。

以卫星领域为例，基于数字样机技术构建的数字卫星有着如下优势：

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。

在数字卫星的实际构建中，需要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，实现“双星同步”。

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。

用户可基于SkyEye搭建一套基于虚拟计算机模型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。

根据上图所示，数字卫星架构由以下几部分组成：

1. 虚拟计算机模型：基于SkyEye搭建的虚拟处理器，实现虚拟处理器上翼辉操作系统和星上软件的正确运行。

2. 动力学模型和姿轨控模型：包括姿控模型、热控模型、数传模型、测控模型、载荷模型、供配电模型。模型将接收软件或者上位机的指令，并输出正确的动力学模型和姿轨控模型数据结果。

3. 协同仿真软件：多领域分布式协同仿真平台DigiThread作为控制多个仿真模型工程的软件工具，主要功能是向仿真芯片和动力学模型提供协同仿真接口，承担数字卫星工程搭建、控制、时钟同步和数据交互的功能。

4. 上位机软件（可视化仿真环境）。

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、姿轨控模型、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。