張玉良，張佳朋，王小丹，陳錫寶，劉檢華

（1.北京衛(wèi)星制造廠，北京100094；2.北京理工大學(xué)，北京100081）

0 引言

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，空間飛行器的結(jié)構(gòu)、組成日趨復(fù)雜，性能、技術(shù)水平不斷提高，在這種情況下，保證空間飛行器在復(fù)雜的空間環(huán)境中更加持久、穩(wěn)定地在軌運(yùn)行，成為目前空間技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的重要問題。傳統(tǒng)的航天器研制體系是在地面完成航天器結(jié)構(gòu)研制生產(chǎn)、總裝和測(cè)試，再通過運(yùn)載火箭運(yùn)送航天器進(jìn)入預(yù)定軌道，最后由航天器進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)調(diào)整。傳統(tǒng)研制體系下，航天器需要在地面安裝調(diào)試到位，確保 “在軌零故障”，發(fā)射前需要攜帶全生命周期所需燃料，而且缺乏對(duì)于空間碎片的主動(dòng)防護(hù)能力。針對(duì)上述存在的問題，國內(nèi)外均開展了利用在軌裝配技術(shù)在空間環(huán)境中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行維護(hù)和操作的相關(guān)研究，通過在軌裝配技術(shù)可以很好地解決傳統(tǒng)航天器研制體系面臨的困難，確保空間系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作，目前已成為新的研究方向。為解決上述難題，航天器在軌裝配需要解決在軌維護(hù)、在軌加注和在軌防護(hù)3方面的功能需求：

1）實(shí)現(xiàn)在軌維修維護(hù)。目前由于缺乏在軌維修維護(hù)能力，當(dāng)航天器發(fā)生機(jī)構(gòu)展開失利、部組件失效等故障時(shí)，往往導(dǎo)致整個(gè)航天器失效。所以，“在軌零故障”是空間系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制的理想目標(biāo)，并且在整個(gè)航天器研制生產(chǎn)流程中不懈貫徹嚴(yán)格的質(zhì)量管理，但是受制于航天產(chǎn)品固有的系統(tǒng)復(fù)雜性、空間運(yùn)行環(huán)境的苛刻性以及成本周期的限制性，以一定概率發(fā)生在軌故障很難避免。通過在軌裝配技術(shù)構(gòu)建在軌維修維護(hù)能力，可以解決由于部組件故障導(dǎo)致航天器失效的問題，確?？臻g系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作。

2）實(shí)現(xiàn)在軌加注功能。目前低軌衛(wèi)星壽命一般為3年～8年，高軌衛(wèi)星為8年～15年。隨著空間電子技術(shù)水平的不斷提高和衛(wèi)星平臺(tái)日趨成熟，衛(wèi)星所攜帶燃料不足已經(jīng)成為制約衛(wèi)星壽命的主要因素。預(yù)計(jì)至2022年，約有203顆GEO衛(wèi)星在軌需要燃料補(bǔ)給，包括150顆商業(yè)衛(wèi)星和53顆軍事衛(wèi)星。對(duì)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)在軌燃料補(bǔ)給，以相對(duì)低的代價(jià)，快速使衛(wèi)星的任務(wù)能力得以延續(xù)，使衛(wèi)星的工作壽命得到大幅提高。

（3）實(shí)現(xiàn)空間防護(hù)功能?？臻g軌道資源極為寶貴，隨著人類空間活動(dòng)日益頻繁，空間碎片急劇增加，滯留在重要軌道 （如GEO）上的廢棄衛(wèi)星已成為正常在軌運(yùn)行航天器的嚴(yán)重威脅。目前，毫米級(jí)以上的空間碎片數(shù)以億計(jì)，5cm～10cm的已編目空間碎片在軌總數(shù)接近17000個(gè)，僅GEO帶內(nèi)（GEO±200km）廢棄衛(wèi)星數(shù)量超過 330顆，約占GEO帶飛行器總數(shù)的44%。這些碎片已對(duì)正常在軌航天器構(gòu)成嚴(yán)重威脅，對(duì)于上述非合作目標(biāo)的捕獲，不僅可以實(shí)現(xiàn)廢棄航天器關(guān)鍵部件的重用，也可以大大提高航天器在軌運(yùn)行安全。

綜上所述，利用在軌裝配技術(shù)在空間環(huán)境中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行維護(hù)和操作，可以很好解決傳統(tǒng)航天器研制模式面臨的困難，但是實(shí)現(xiàn)在軌裝配的關(guān)鍵是解決空間無人環(huán)境中的在軌裝配過程的模擬和預(yù)測(cè)，確保在軌裝配任務(wù)可以順利實(shí)施。針對(duì)這些問題，各國研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一系列地面、空間論證實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究。首先是構(gòu)建在軌產(chǎn)品的“孿生體／雙胞胎 （twins）”， 如美國國家航空航天局NASA的阿波羅項(xiàng)目［1］。在該項(xiàng)目中，NASA需要制造兩個(gè)完全一樣的空間飛行器，被留在地球上的飛行器被稱為孿生體 （twin），被用來反映 （或作鏡像）正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)／狀況。其次是模擬空間在軌環(huán)境，斯坦福大學(xué)利用氣浮軸承支撐起實(shí)驗(yàn)樣機(jī)模擬微重力環(huán)境，馬里蘭大學(xué)為空間機(jī)器人Ranger研制的地面試驗(yàn)系統(tǒng)為水浮式驗(yàn)證系統(tǒng)，如圖1所示。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，孿生體不再局限于物理產(chǎn)品，開始向虛擬數(shù)字化方向發(fā)展。2012年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出了 “機(jī)體數(shù)字孿生體”的概念［2］：機(jī)體數(shù)字孿生體作為正在制造和維護(hù)的機(jī)體的超寫實(shí)模型，是可以用來對(duì)機(jī)體是否滿足任務(wù)條件進(jìn)行模擬和判斷的，由許多子模型組成的集成模型。2017年，為實(shí)現(xiàn)制造車間物理世界與信息世界的交互融合，陶飛等［3］提出了數(shù)字孿生車間的實(shí)現(xiàn)模式，并明確了其系統(tǒng)組成、運(yùn)行機(jī)制、特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，為制造車間信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了理論和方法參考。綜上所述，對(duì)于在軌裝配過程的驗(yàn)證，研究成果主要集中在物理孿生體方面，數(shù)字孿生技術(shù)尚處于探索階段，針對(duì)航天器在軌裝配的數(shù)字孿生技術(shù)未見報(bào)道。

為了實(shí)現(xiàn)航天器在軌裝配全過程模擬、狀態(tài)監(jiān)控以及裝配結(jié)果預(yù)測(cè)，本文在分析在軌裝配航天器結(jié)構(gòu)組成及功能需求分析的基礎(chǔ)上，提出了構(gòu)建航天器數(shù)字孿生體的方式來虛擬表達(dá)在軌操作過程和結(jié)果預(yù)測(cè)。首先重點(diǎn)分析了面向在軌裝配的數(shù)字孿生體技術(shù)路線，然后給出了構(gòu)建航天器數(shù)字孿生體的體系結(jié)構(gòu)，最后提出了航天器數(shù)字孿生體在全生命周期各階段實(shí)施途徑。

圖1 在軌裝配的地面驗(yàn)證裝置Fig.1 Ground verification device for on-orbit assembly

1 在軌裝配航天器結(jié)構(gòu)組成及功能需求分析

在軌裝配航天器是一種新概念的航天器，它既具備一般航天器必須的各種分系統(tǒng)，又有適合于執(zhí)行在軌維修維護(hù)、在軌加注以及空間防護(hù)功能的特殊裝備。與一般航天器系統(tǒng)相比，在軌裝配航天器的顯著特點(diǎn)是載荷設(shè)備更多樣，功能更復(fù)雜，智能化水平更高，機(jī)動(dòng)性更好。按照各分系統(tǒng)功能的不同，在軌裝配航天器的組成分為平臺(tái)和載荷兩部分，如圖2所示。

圖2 在軌裝配航天器結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Structure composition of on-orbit assembly spacecraft

平臺(tái)主要包括為載荷提供支持的保障分系統(tǒng)，為在軌擴(kuò)展航天器提供能源、溫控和通信保障等。平臺(tái)主要由結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、熱控、電源、姿態(tài)與軌道控制、推進(jìn)、測(cè)控、數(shù)據(jù)管理、總體電路等分系統(tǒng)組成。

載荷包括用于執(zhí)行在軌服務(wù)操作的各種設(shè)備，如可靈活操控的機(jī)械臂、遠(yuǎn)程觀測(cè)設(shè)備、測(cè)距設(shè)備、服務(wù)對(duì)象所需的補(bǔ)給品和ORU等，可分為空間目標(biāo)識(shí)別和探測(cè)分系統(tǒng)、對(duì)接機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)、機(jī)械臂及其控制分系統(tǒng)、補(bǔ)給品及其存儲(chǔ)管理分系統(tǒng)等。

1）空間目標(biāo)識(shí)別和探測(cè)分系統(tǒng)用于在一定范圍內(nèi)對(duì)服務(wù)對(duì)象進(jìn)行搜索、捕獲、跟蹤、測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)其他服務(wù)操作提供前提。其支撐技術(shù)預(yù)計(jì)后續(xù)開展。

2）對(duì)接機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)在軌擴(kuò)展航天器與服務(wù)對(duì)象的連接和分離操作，大部分服務(wù)任務(wù)都需要用到對(duì)接機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)在軌擴(kuò)展航天器與目標(biāo)間的剛性或柔性連接。對(duì)接機(jī)構(gòu)一般包括傳動(dòng)緩沖、捕獲、連接密封、結(jié)構(gòu)與附件以及控制等子系統(tǒng)，其支撐技術(shù)為本課題重點(diǎn)驗(yàn)證部分。

3）機(jī)械臂／手及其控制系統(tǒng)用于完成復(fù)雜的在軌服務(wù)操作，如在軌裝配、在軌維修、在軌模塊更換等。在軌擴(kuò)展航天器是機(jī)器人技術(shù)與航天器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，機(jī)械臂／手的使用是在軌擴(kuò)展航天器區(qū)別于其他航天器的明顯特征，其支撐技術(shù)預(yù)計(jì)后續(xù)開展。

4）補(bǔ)給品及其儲(chǔ)存管理分系統(tǒng)用于儲(chǔ)存和管理燃料和ORU等補(bǔ)給品，精確記錄補(bǔ)給品的用量、庫存量，配合其他系統(tǒng)完成在軌加注和在軌模塊更換任務(wù)。

2 面向在軌裝配的數(shù)字孿生體技術(shù)內(nèi)涵

為了完成在軌裝配的過程模擬和結(jié)果預(yù)測(cè)，需要構(gòu)建與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)，抽象表達(dá)真實(shí)裝置，并可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行真實(shí)條件或模擬條件下的測(cè)試。首先，需要構(gòu)建在軌裝配航天器的數(shù)字孿生體。該數(shù)字孿生體概念模型如圖3所示，包括3個(gè)主要部分：1）物理空間的航天器實(shí)體；2）虛擬空間的虛擬航天器；3）物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口。

圖3 在軌裝配航天器的數(shù)字孿生體概念模型Fig.3 Conceptual model of digital twins in orbit assembly spacecraft

航天器數(shù)字孿生體是反應(yīng)航天器制造過程和執(zhí)行任務(wù)過程的超寫實(shí)模型，可以對(duì)航天器是否滿足在軌裝配任務(wù)條件進(jìn)行模擬和判斷的，由許多子模型組成的集成模型。以航天器艙體數(shù)字孿生體為例，其組成元素如圖4所示。

圖4 航天器數(shù)字孿生體的組成元素Fig.4 Elements of the digital twin of a spacecraft

航天器艙體數(shù)字孿生體是艙體在整個(gè)產(chǎn)品生命周期的一致性模型和計(jì)算模型，它與制造和維護(hù)航天器所用的材料、制造規(guī)范及流程相關(guān)聯(lián)。它也是航天器數(shù)字孿生體的子模型，其中航天器數(shù)字孿生體是一個(gè)包含電源系統(tǒng)模型、熱控系統(tǒng)模型、控制系統(tǒng)模型、推進(jìn)系統(tǒng)模型和其他子系統(tǒng)模型的集成模型。所以，在軌裝配航天器的數(shù)字孿生體應(yīng)具有多種特性，主要包括：虛擬性、唯一性、多物理性、多尺度性、層次性、集成性、動(dòng)態(tài)性、超寫實(shí)性、可計(jì)算性、概率性和多學(xué)科性。綜上所述，構(gòu)建航天器數(shù)字孿生體的基本內(nèi)涵主要包括以下幾方面：

1）要具備層次性和集成性，例如航天器數(shù)字孿生體、艙體數(shù)字孿生體、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型、結(jié)構(gòu)模型、材料狀態(tài)演化模型等，有利于數(shù)字孿生體的逐步實(shí)施及最終實(shí)現(xiàn)。

2）要具備超寫實(shí)性，包括航天器幾何模型、多敏感信息融合與處理模型、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及氣液傳輸物理模型、材料演化模型等。

3）數(shù)字孿生體要具備廣泛性，即包括整個(gè)產(chǎn)品全生命周期，并從設(shè)計(jì)階段延伸至后續(xù)的產(chǎn)品制造階段和產(chǎn)品服務(wù)階段。

4）數(shù)字孿生體要具備可計(jì)算性，可以通過仿真和分析來實(shí)時(shí)反映對(duì)應(yīng)產(chǎn)品實(shí)體的真實(shí)狀態(tài)。

3 航天器數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)組成及構(gòu)建途徑

目前，國內(nèi)外對(duì)航天器數(shù)字孿生體的研究成果較少。本文從航天器研制到在軌服務(wù)的全生命周期，分析了航天器數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)組成、實(shí)現(xiàn)方式、作用及目標(biāo)，提出了航天器數(shù)字孿生體的體系結(jié)構(gòu)。

3.1 航天器數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)組成

航天器數(shù)字孿生體遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了數(shù)字樣機(jī)的范疇，除了表達(dá)幾何信息和功能信息外，還包含了航天器研制過程和在軌服務(wù)狀態(tài)的描述信息。同時(shí)，產(chǎn)品數(shù)字孿生體是一個(gè)過程模型和動(dòng)態(tài)模型，會(huì)隨著航天器研制和服務(wù)過程數(shù)據(jù)的產(chǎn)生而不斷演化和增加。

考慮到數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)的不斷演化和增加的特點(diǎn)，本文提出基于航天器全生命周期的階段進(jìn)行數(shù)字孿生體組成數(shù)據(jù)的劃分，組成航天器數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)主要包括：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝過程數(shù)據(jù)、制造過程數(shù)據(jù)和在軌服務(wù)過程數(shù)據(jù)。

1）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：包括航天器三維模型 （表達(dá)幾何形狀信息幾何數(shù)據(jù)），屬性數(shù)據(jù)（表達(dá)產(chǎn)品原材料、規(guī)范、分析數(shù)據(jù)、測(cè)試需求），三維標(biāo)注數(shù)據(jù) （表達(dá)產(chǎn)品尺寸與公差），包含航天器各部組件間裝配關(guān)系的設(shè)計(jì)BOM，以及設(shè)計(jì)文檔。

2）工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：包括工藝過程模型 （毛坯模型、每道工序的工序模型），工序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) （加工特征信息、制造資源信息、加工方法、工藝參數(shù)信息），質(zhì)量控制數(shù)據(jù)（檢驗(yàn)／測(cè)量要求信息、關(guān)鍵／重要工序質(zhì)量控制要求信息），工藝仿真數(shù)據(jù) （幾何仿真、物理仿真、焊接仿真、裝配過程仿真），工裝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

3）制造過程數(shù)據(jù)：包括制造BOM、檢測(cè)數(shù)據(jù)、技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進(jìn)度數(shù)據(jù)、工裝數(shù)據(jù)、質(zhì)量信息數(shù)據(jù)、生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、工藝裝備數(shù)據(jù)。

4）在軌服務(wù)數(shù)據(jù)：包括在軌操作動(dòng)作數(shù)據(jù)、過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、健康預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、多敏感器采集和分析數(shù)據(jù)等。

3.2 航天器數(shù)字孿生體的構(gòu)建方式

基于上述航天器數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)組成分析，本文針對(duì)航天器設(shè)計(jì)、制造和在軌服務(wù)3個(gè)階段分別提出了數(shù)字孿生體的實(shí)現(xiàn)方式。

（1）航天器設(shè)計(jì)階段

在航天器設(shè)計(jì)階段，為了構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字孿生體，首先需要用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息，基于模型的定義 （Model Based Definition，MBD）技術(shù)是解決這一難題的有效途徑。該技術(shù)以模型為核心實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制全過程一致性、關(guān)聯(lián)性和共享，解決了工程數(shù)字化與管理信息化緊密關(guān)聯(lián)紐帶，使得產(chǎn)品的定義數(shù)據(jù)能夠驅(qū)動(dòng)整個(gè)制造過程下游的各個(gè)環(huán)節(jié)。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

①有序規(guī)劃設(shè)計(jì)階段數(shù)字孿生體的體系結(jié)構(gòu)。將上述設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中的所有信息進(jìn)行分類管理和顯示，將信息按照各種需求分類，形成信息的各種描述形式，如設(shè)計(jì)描述、工藝描述、制造描述、檢驗(yàn)描述、維護(hù)描述和協(xié)作描述等。提出將航天器數(shù)字孿生體分為構(gòu)型層、艙段層、布局層和總裝層4層模型，并規(guī)定每層模型包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容和接口，既保證數(shù)據(jù)模型輕量化又保證數(shù)據(jù)利用效率。

②構(gòu)建一個(gè)全三維標(biāo)注的產(chǎn)品模型，包括三維模型的設(shè)計(jì)信息、技術(shù)要求、尺寸公差以及工藝信息的規(guī)范化表達(dá)。將設(shè)計(jì)要求、工藝技術(shù)要求、尺寸與公差、材料特性、檢驗(yàn)要求等統(tǒng)一表達(dá)在三維設(shè)計(jì)模型中，依據(jù)三維標(biāo)注的國家標(biāo)準(zhǔn)，建立三維標(biāo)注模板，實(shí)現(xiàn)基于三維的規(guī)范化標(biāo)注，標(biāo)注效果如圖5所示。

圖5 全三維標(biāo)注的產(chǎn)品模型示意Fig.5 Product model of all three dimensional annotation

③進(jìn)行基于設(shè)計(jì)模型的可制造型評(píng)價(jià)。根據(jù)結(jié)構(gòu)件加工精度要求，對(duì)三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行工藝性審查，實(shí)現(xiàn)模型的可裝夾性、可加工性、可焊接性、可裝配性的全面評(píng)估，建立工藝能力約束集合，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷，并及時(shí)反饋和更改，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與可制造性工藝數(shù)據(jù)的快速交互，縮短設(shè)計(jì)制造過程的迭代周期。

（2）航天器制造階段

在航天器制造階段，航天器數(shù)字孿生體的演化和完善是通過與產(chǎn)品實(shí)體的不斷交互開展的。因此，如何實(shí)現(xiàn)航天器制造過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集、有效信息提取與可靠傳輸是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體的前提條件。隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，為信息獲取提供了技術(shù)保障。在制造階段，構(gòu)建數(shù)字化孿生體的方式如下：

①構(gòu)建面向數(shù)字孿生體的制造工藝體系。首先將以 3PR （Product-Process-Plant-Resource）數(shù)據(jù)構(gòu)架的產(chǎn)品、工藝、工廠、制造資源整合成一個(gè)統(tǒng)一的LDA（Lifecycle Data Architecture）數(shù)據(jù)模型，形成企業(yè)單一的數(shù)據(jù)源，保證數(shù)據(jù)的唯一性和準(zhǔn)確性；再以結(jié)構(gòu)化及3D可視化的工藝形式進(jìn)行工藝規(guī)劃和3D工裝設(shè)計(jì)，對(duì)于工藝／工序／工步數(shù)據(jù)、工裝設(shè)備等生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)、工廠／生產(chǎn)線／裝配區(qū)等生產(chǎn)布局?jǐn)?shù)據(jù)，通過集成PDM、MES、ERP來實(shí)現(xiàn)物空間和虛擬空間下的數(shù)據(jù)協(xié)同。

②編制三維結(jié)構(gòu)化工藝。基于產(chǎn)品BOM分解的每個(gè)零件節(jié)點(diǎn)均可分解為若干工藝，工藝可分解為若干工序，工序可分解若干工步。各級(jí)節(jié)點(diǎn)掛接工藝內(nèi)容、所需要的工裝、工具、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、工藝過程模型等相關(guān)信息，形成工藝的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)描述。對(duì)于三維結(jié)構(gòu)化工藝的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，均真實(shí)地反應(yīng)實(shí)體產(chǎn)品的演化過程和最終狀態(tài)，該演化過程同時(shí)在數(shù)字孿生體上體現(xiàn)。以三維工藝中的工序過程模型為例，數(shù)字孿生體除了要體現(xiàn)零件從毛坯到產(chǎn)品過程的幾何信息變化外，還需體現(xiàn)切削力、切削溫度、切屑變化對(duì)產(chǎn)品的影響信息，如圖6所示。

圖6 工序過程模型和物理仿真示意Fig.6 Process model and physical simulation

③實(shí)時(shí)采集實(shí)體空間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。針對(duì)制造資源 （生產(chǎn)人員、儀器設(shè)備、工裝工具、物料、AGV小車、托盤），結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)與需求，利用條碼他術(shù)、RFID、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行制造資源信息標(biāo)識(shí)，對(duì)制造過程感知信息采集點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)車間構(gòu)建一個(gè)制造物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造資源的實(shí)時(shí)感知，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，供其他環(huán)節(jié)調(diào)用。

④不斷優(yōu)化數(shù)字孿生體狀態(tài)。通過制造工藝體系中的數(shù)據(jù)接口，將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，并分發(fā)給相應(yīng)數(shù)字化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航天器數(shù)字孿生體的生成和不斷更新。

（3）航天器在軌服務(wù)階段

航天器在軌服務(wù)階段，需要完成在軌維修維護(hù)、在軌加注和空間防護(hù)任務(wù)，并且是在高度無人環(huán)境下進(jìn)行，因此需要對(duì)航天器的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)控，包括航天器的空間姿態(tài)、空間環(huán)境、質(zhì)量狀況、使用狀況、技術(shù)和功能狀態(tài)等，并根據(jù)航天器實(shí)際狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、使用和維護(hù)記錄數(shù)據(jù)對(duì)航天器的健康狀況、壽命、功能和性能進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，并對(duì)執(zhí)行任務(wù)情況進(jìn)行提前預(yù)警。

①多敏感器參數(shù)獲取。在物理空間，在軌裝配航天器需要采用物聯(lián)網(wǎng)、傳感技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，通過多種敏感器獲取與在軌裝配任務(wù)相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包括測(cè)距儀信息、多目相機(jī)的目標(biāo)識(shí)別信息、外部環(huán)境感知信息、力／位精細(xì)感知信息、氣液傳輸信息等。將上述信息獲取后，通過天地通信設(shè)備，將獲取到的航天器全部信息傳遞至地面服務(wù)器，供數(shù)字孿生體進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)提取。

②信息融合與評(píng)估。上述物理空間獲取的信息，需要映射到虛擬空間的航天器數(shù)字孿生體中。在虛擬空間，采用模型可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理產(chǎn)品使用過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并結(jié)合歷史使用數(shù)據(jù)、歷史維護(hù)數(shù)據(jù)等，采用動(dòng)態(tài)Bayes、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)挖掘方法和優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品模型、結(jié)構(gòu)分析模型、熱力學(xué)模型、產(chǎn)品故障和壽命預(yù)測(cè)與分析模型的持續(xù)優(yōu)化［4］，進(jìn)而通過數(shù)字孿生體完成航天在軌裝配任務(wù)驗(yàn)證和結(jié)果預(yù)測(cè)，并用以制定物理空間中航天器的控制策略。

③持續(xù)優(yōu)化與改進(jìn)。需要指出的是，航天器數(shù)字孿生體是物理產(chǎn)品在虛擬空間的超現(xiàn)實(shí)模型，始終存在擬實(shí)化程度的問題。所以要針對(duì)數(shù)字孿生體與物理空間產(chǎn)品之間的偏差不斷進(jìn)行修正，只有通過數(shù)據(jù)的不斷積累，才能持續(xù)提高數(shù)字孿生體的擬實(shí)化程度。對(duì)于已發(fā)生的偏差，采用追溯技術(shù)、仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)問題的快速定位、原因分析、解決方案的生成，并修正數(shù)字孿生體模型，以及其與物理產(chǎn)品之間的映射關(guān)系，既能保證數(shù)字孿生技術(shù)的不斷推進(jìn)，又能為后續(xù)任務(wù)執(zhí)行提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3 航天器數(shù)字孿生體的作用

通過上述方法，完成航天器數(shù)字孿生體構(gòu)建后，可以帶來諸多好處。首先，可以對(duì)航天器在物理空間中的形成過程完成模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)和控制；其次，可以推進(jìn)航天器生命周期內(nèi)各階段的高效協(xié)同；最后，還可以進(jìn)一步完善數(shù)字化的航天器全生命周期檔案，為全過程質(zhì)量追溯和產(chǎn)品研發(fā)的持續(xù)改進(jìn)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［5-6］。

（1）模擬、預(yù)測(cè)、監(jiān)控、診斷和控制航天器研制和服務(wù)過程

模擬在軌任務(wù)執(zhí)行：通過構(gòu)建航天器數(shù)字孿生體，可以在執(zhí)行在軌裝配任務(wù)前，使用數(shù)字孿生體在搭建的虛擬仿真環(huán)境中模擬執(zhí)行任務(wù)過程，盡可能掌握航天器在軌服務(wù)的狀態(tài)、行為、任務(wù)成功概率，以及在設(shè)計(jì)階段未考慮到的問題。同時(shí)，可以通過改變虛擬環(huán)境的參數(shù)設(shè)計(jì)，模擬航天器在不同環(huán)境下的運(yùn)行情況；通過改變?cè)谲壢蝿?wù)策略，模擬不同操作方式下對(duì)任務(wù)成功率、航天器壽命產(chǎn)生的影響。通過模擬為在軌任務(wù)內(nèi)容確定、在軌任務(wù)策略制定以及面對(duì)異常情況的決策提供依據(jù)，并從實(shí)際使用端優(yōu)化航天器設(shè)計(jì)。

監(jiān)控和診斷航天器制造和在軌服務(wù)過程：由航天器數(shù)字孿生體創(chuàng)建過程可知，在航天器制造以及在軌服務(wù)過程中，制造數(shù)據(jù)和在軌服務(wù)數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)地反映到數(shù)字孿生體中，數(shù)字孿生體可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地監(jiān)控航天器研制過程和在軌服務(wù)過程，并將過程數(shù)據(jù)以數(shù)字化形式存儲(chǔ)下來。所以，不論航天器在研制過程中或者在軌服務(wù)過程中發(fā)生故障，均可以通過數(shù)字孿生體中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷和定位。

預(yù)測(cè)和評(píng)估：在航天體制造階段，通常會(huì)遇到各種非理想狀態(tài)，如焊接變形導(dǎo)致輪廓度超差、應(yīng)力釋放導(dǎo)致平面度超差等，這時(shí)需要技術(shù)人員對(duì)非理想狀態(tài)進(jìn)行分析，并評(píng)估其對(duì)后續(xù)研制的影響。而通過構(gòu)建航天器數(shù)字孿生體，可在虛擬空間中對(duì)非理想狀態(tài)進(jìn)行集成的模擬、仿真和驗(yàn)證，依托制造環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)映射到數(shù)字孿生體中的檢驗(yàn)和測(cè)量數(shù)據(jù)、關(guān)鍵技術(shù)狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和評(píng)估對(duì)后續(xù)研制任務(wù)的影響，并用以指導(dǎo)對(duì)非理想狀態(tài)的決策。在航天器在軌服務(wù)階段，通過航天器上的多敏感器，獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括負(fù)載、溫度、應(yīng)力、結(jié)構(gòu)損傷程度以及外部環(huán)境，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)映射至航天器數(shù)字孿生體?；谝延械漠a(chǎn)品檔案數(shù)據(jù)、基于物理屬性的產(chǎn)品仿真和分析模型，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)航天器實(shí)體的健康狀況、剩余壽命、故障信息以及在軌任務(wù)的成功率等。

（2）推進(jìn)航天器全生命周期各階段的高效協(xié)同

與目前的三維數(shù)字化制造模式不同，通過構(gòu)建航天器數(shù)字孿生體，可以在其全生命周期各階段，將產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)在產(chǎn)品數(shù)字孿生體中進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射。在此基礎(chǔ)上，以產(chǎn)品數(shù)字孿生體為單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)航天器各階段的高效協(xié)同。同時(shí)，基于航天器數(shù)字孿生體技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)和產(chǎn)品服務(wù)數(shù)據(jù)等產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)的可視化統(tǒng)一管理，并為產(chǎn)品全生命周期各階段所涉及的各類人員（包括工程設(shè)計(jì)和分析人員、生產(chǎn)管理人員、操作人員、在軌服務(wù)指揮人員）提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和模型接口服務(wù)。

另外，Grieves［7］也指出，數(shù)字孿生體的出現(xiàn)，使得企業(yè)能夠在產(chǎn)品實(shí)物制造以前就在虛擬空間中模擬和仿真產(chǎn)品的開發(fā)、制造和使用過程，避免或減少了產(chǎn)品開發(fā)過程中存在的物理樣機(jī)試制和測(cè)試過程，能夠降低企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新的成本、時(shí)間及風(fēng)險(xiǎn)，解決了企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品通常會(huì)面臨的成本、時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)3大問題，極大地驅(qū)動(dòng)了企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新的動(dòng)力。

（3）實(shí)現(xiàn)航天器研發(fā)的持續(xù)改進(jìn)和全過程質(zhì)量可追溯

航天器數(shù)字孿生體是航天器全生命周期的數(shù)據(jù)中心，記錄了航天器從概念設(shè)計(jì)直至報(bào)廢的所有模型和數(shù)據(jù)，是物理產(chǎn)品在全生命周期的數(shù)字化檔案，反映了產(chǎn)品在全生命周期各階段的形成過程、狀態(tài)和行為。航天器數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)記錄了航天器從出生到消亡的全過程，并且在航天器的各階段都能夠調(diào)用該階段以前所有的模型和數(shù)據(jù)，在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)和任何階段都是狀態(tài)可視、行為可控、質(zhì)量可追溯的。比如在航天器在軌服務(wù)階段，當(dāng)發(fā)生異常情況，之前地面驗(yàn)證試驗(yàn)未進(jìn)行相關(guān)環(huán)境測(cè)試時(shí)，航天器數(shù)字孿生體在設(shè)計(jì)和制造階段的所有數(shù)據(jù)和模型記錄集合，能夠在新環(huán)境下提供準(zhǔn)確的模型和數(shù)據(jù)來源，并預(yù)測(cè)結(jié)果，為異常突發(fā)情況提供決策基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

在軌裝配是當(dāng)前空間技術(shù)的一個(gè)新的方向，它提供了一種新的航天器研制模式，擁有這項(xiàng)技術(shù)可對(duì)空間的故障飛行器實(shí)現(xiàn)在軌修理，而不是重新發(fā)射予以替代。通過維護(hù)和對(duì)載荷升級(jí)，可有效延長空間飛行器的使用壽命，增強(qiáng)其系統(tǒng)能力。此外，在軌服務(wù)技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)空間防護(hù)，大幅提高航天器在軌穩(wěn)定性。目前，各國研究機(jī)構(gòu)均投入了大量的技術(shù)力量進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，而在軌裝配的地面驗(yàn)證技術(shù)則是影響在軌任務(wù)成敗的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，航天器數(shù)字孿生體的構(gòu)建和應(yīng)用還處于初級(jí)階段，仍需解決多項(xiàng)問題。同時(shí)，數(shù)字孿生體主要在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用，在產(chǎn)品服務(wù)階段的應(yīng)用較少。因此，通過梳理面向在軌裝配的航天器數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)組成，研究各階段航天器數(shù)字孿生體的構(gòu)建方式，不斷優(yōu)化數(shù)字孿生體和物理產(chǎn)品之間的映射關(guān)系，不僅為在軌裝配任務(wù)的驗(yàn)證技術(shù)提供了一種新的技術(shù)手段，而且會(huì)因?yàn)榇罅繑?shù)據(jù)的積累，不斷推進(jìn)在軌裝配任務(wù)的技術(shù)水平，提高完成任務(wù)復(fù)雜程度。

［1］Rosen R， von Wichert G， Lo G， et al.About the importance of autonomy and digital twins for the future of manufacturing［J］.IFAC-PapersOnline，2015，48（3）：567-572.

［2］Tuegel E J.The airframe digital twin： some challenges to realization［C］.AIAA／ASME／ASCE／AHS／ASC Structures， Structural Dynamics and Materials Conference， 2012.

［3］陶飛，張萌，程江峰，等.數(shù)字孿生車間——一種未來車間運(yùn)行新模式［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2017，23 （1）： 1-9.TAO Fei， ZHANG Meng， CHENG Jiang-feng， et.al.Digital twin workshop：a new paradigm for future workshop［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems， 2017，23 （1）： 1-9.

［4］范玉青.基于模型定義技術(shù)及其實(shí)施［J］.航空制造技術(shù)， 2012， 402 （6）： 42-47.FAN Yu-qing.Model based definition technology and its practices［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2012， 402 （6）： 42-47.

［5］周濟(jì).智能制造—— “中國制造2025”的主攻方向［J］. 中國機(jī)械工程， 2015， 26 （17）： 2273-2284.ZHOU Ji.Intelligent manufacturing——main direction of“made in China 2025” ［J］.China Mechanical Engineering， 2015， 26 （17）： 2273-2284.

［6］劉檢華，孫連勝，張旭，等.三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)內(nèi)涵及關(guān)鍵問題［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2014，20 （3）： 494-504.LIU Jian-hua， SUN Lian-sheng， ZHANG Xu， et.al.Connotation and key problem of three-dimensional digital design and manufacturing technology［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems， 2014， 20 （3）： 494-504.

［7］Grieves M W.Product lifecycle management： the new paradigm for enterprises［J］.International Journal Product Development， 2005， 2 （1／2）： 71-84.

［8］莊存波，劉檢華，熊輝，等.產(chǎn)品數(shù)字孿生體的內(nèi)涵、體系結(jié)構(gòu)及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)， 2017， 23 （4）： 753-768.ZHUANG Cun-bo， LIU Jian-hua， XIONG Hui， et.al.Connotation，architecture and trends of product digital twin［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2017， 23 （4）： 753-768.