石小林 王为
(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)
建造空间站、建成国家太空实验室，是实现我国载人航天工程“三步走”战略的重要目标，是建设科技强国、航天强国的重要引领性工程。空间站为超大型载人航天器，系统组成复杂，组装建造过程需多航天器参与，建成后在轨运行寿命长达10年以上，研制过程涉及专业面广，技术难度大，由此对系统设计，制造集成，测试试验，在轨管理及应用等都带来了新的挑战。当前随着以互联网为代表的信息技术飞速发展，信息技术向工业、商业等领域的渗透日益加强，工业化与信息化融合发展的趋势日趋明显。随着美国“再工业化战略”，德国“工业4.0”，中国制造2025的提出，加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展已经被提升到新的高度。在此背景下传统的航天系统工程模式需要结合数字化手段进行变革，通过数字化方法的全面应用保障空间站研制，以适应载人航天器系统复杂性提升对系统工程能力的要求。面向空间站工程研制的空前复杂性，传统以文档为主的研制模式难以满足高质量、高效率、高效益“三高”发展要求，空间站系统遵循基于模型的系统工程(Model-Based System Engineering, MBSE)思想，采用先进数字化技术手段，开展了数字空间站建设与应用，旨在提升系统仿真验证水平，以数字化创新为空间站任务成功提供有力保障。
结合当前数字化仿真技术发展趋势以及空间站型号任务实际需求，本文提出以下数字空间站概念。数字空间站是指能基于数字化的手段构建应用于空间站型号全生命周期的空间站仿真模型并提供相关仿真服务的技术系统，其终极目标是建立与空间站物理实体相一致的多学科、多尺度、高度集成的空间站仿真模型，即空间站数字镜像或数字孪生体，为空间站型号任务提供全面的数字化仿真服务支持。值得注意的是由于数字化仿真相关技术一直处于快速发展之中，业界对类似的概念还没有形成统一的参考定义，因而数字空间站的概念也会随着相关技术的发展以及空间站工程任务需求而不断演变。
当前基于文档的载人航天器研制过程主要的设计验证闭环是依赖初样和正样阶段的实物试验，实现对方案设计的全面闭环验证。虽然研制过程也开展部分仿真验证工作，但仿真验证工作的系统性不强，主要针对专业局部方案分别开展，难以达到对系统方案的综合闭环验证作用，并促进设计重心前移。而且随着航天器任务功能的多样化发展和系统复杂度提升，有些方案难以通过地面实物试验全面验证，为此需要更多的依赖仿真技术手段来辅助开展方案验证。
对于基于模型的研制模式，由于模型本身具有虚拟仿真验证的功能，因此可以在合适的阶段对各种方案设计，甚至包括在实物产品研制完成后运行阶段的方案，进行综合闭环验证，提前暴露设计问题，降低研制风险。
在空间站工程研制过程中，重点关注以下3个闭环综合验证。
1)系统设计闭环验证
系统设计闭环验证是研制过程最早期的闭环综合验证，主要目的是通过模型虚拟仿真手段对系统功能性能设计进行全面仿真验证，确保系统功能性能设计的正确性，作为研制过程由系统设计环节转向产品设计环节的依据。
2)产品设计闭环验证
产品设计闭环验证主要目的是通过模型虚拟仿真验证对产品详细设计进行多专业综合仿真验证，确保产品工程设计的正确性，作为研制过程由产品设计环节转向产品实现环节的依据。
3)实做产品闭环验证
实做产品闭环验证通过产品实做状态构造实做模型，通过实做模型的仿真分析验证方案设计和产品实现结果是否满足设计要求。
图1展示了空间站工程在V字型研制过程中三个闭环综合验证所处的位置，在图中分别表示为小、中、大3个三角形。
图1 基于V模型的3个研制闭环验证Fig.1 Three close-loop development verifications based on V model
为此数字空间站的建设思路为，按照系统工程的V字形研制流程，重点围绕3个闭环综合验证，在总体层面建立一套同源数字化模型，贯穿航天器全生命周期，辅助开展系统全面闭环验证，提升系统仿真验证能力。
2.1 主要功能
数字空间站的主要功能包括以下内容。
1)研制阶段
(1)在系统总体层面进行面向顶层任务的多学科综合仿真验证，对空间站关键技术验证阶段、组装建造阶段和运营阶段的主要任务进行仿真，包括舱段发射入轨、自主飞行、轨道姿态调整机动、交会对接、推进剂补加、航天员出舱、舱段转位、组合体管理与控制、在轨应急、试验支持、来访飞行器停靠，在轨维护维修等不同任务中空间站能源、环热控、信息、姿轨控、应用载荷、机械臂等系统的工作模式和工作状态仿真，验证系统相互之间的匹配性、任务的可行性、合理性，并支持对多个方案的分析与比较。
(2)对空间站系统涉及的轨道、动力学、控制与推进、能源、热控、环控、测控与通信、载荷等各专业详细设计方案进行单项详细仿真验证，验证方案的可行性、合理性。
(3)对空间站系统、分系统、单机等各级产品进行功能、性能仿真，验证其功能、性能指标的正确性以及是否满足设计要求，支持利用产品测量数据、试验测试数据等实做数据对仿真模型进行装订，得到与实物产品状态一致的仿真模型，对产品功能性能进行仿真验证。
(4)对空间站系统极限拉偏、故障等非正常工况进行仿真分析，辅助分析裕度，基于系统故障模式与对策设计构造故障模型，辅助分析可能的故障模式和影响范围，验证故障对策的有效性，实现正常、极限拉偏、故障等工况仿真全覆盖，确保全面验证无死角。
2)在轨运行阶段
(1)依据在轨遥测数据，对在轨空间站进行实时数字仿真伴飞，对系统运行状态进行监控、预示，为系统健康状态综合评估提供支持。
(2)对空间站飞行任务进行仿真，辅助空间站飞行任务规划，维护维修方案和相关飞行程序的制定，并进行仿真验证，在诸如航天员出舱、舱段转位等重要任务前进行仿真推演和预示分析，在任务中进行数字伴飞监测，在任务后进行状态评估。
(3)对空间站故障进行仿真，辅助在轨故障定位以及故障处置策略的制定，对故障处置策略的有效性进行仿真验证，为故障的快速处置提供支持。
(4)对空间站应用载荷支持能力进行仿真验证，根据飞行任务规划并结合应用载荷供电、散热、信息、轨道、姿态、舱内外转移等方面的需求，开展发电能力与能量平衡、舱内温度、总线流量、轨道姿态等仿真预示，辅助能源调配策略、舱间热调配策略、信息调配策略的制定及验证，为应用载荷的在轨运行提供支持保障。
(5)支持空间站平台扩展方案仿真验证，针对有外来飞行器对接停靠条件下空间站平台对扩展飞行器的热控、能源、信息以及构型变化时的姿轨控等方面的支持能力进行仿真验证。
(6)能够与在轨实物空间站、地面电性空间站进行仿真数据交互，形成“三个空间站”运营体系，共同支持空间站长期运营，包括支持半物理仿真验证各种在轨工作状态，为原理样机、工程样机或器上软件提供与总体设计方案一致的硬件仿真环境，支持样机测试验证和器上软件开发，辅助器上设备的联试和验证。
综上，通过数字空间站在型号研制中的应用以期设计和验证工作更全面、更准确、更超前。
2.2 总体架构
根据空间站系统仿真验证需求，结合国内外技术发展趋势，给出以下数字空间站总体架构。该架构共分为4层，包括基础层，模型层，软件工具层和应用层。如图2所示。
图2 数字空间站总体架构Fig.2 Top framework of digital space station
1)基础层
基础层位于最下层，为整个仿真系统提供通用的基础软硬件计算资源及环境，包括仿真计算机，仿真网络，高算中心、数据中心等IT基础设施。
2)模型层
模型层包括面向总体的多学科集成仿真模型库和面向专业的专业仿真分析模型库，为仿真应用提供模型支持。
3)软件工具层
软件工具层提供各类仿真支持软件工具，包括多学科系统集成仿真支撑软件工具，动力学、控制与推进、能源、热控、测控与通信、载荷等各类专业仿真分析软件以及统一集成软件。
4)应用层
应用层直接面向用户，支持开展诸如总体设计方案多学科系统仿真分析验证、专业详细设计方案仿真分析验证等仿真应用，满足航天器实际仿真任务需求。
以上4层架构涵盖了数字空间站的各相关方面，层次概念清晰，便于理解整体和开发使用，依据该架构开展数字空间站建设可以满足各类系统仿真需求。该架构可以将不同专业仿真软件及工具通过FMI接口协议进行集成，实现不同专业仿真软件间仿真数据的传递，构建完整的仿真流程。不同的专业仿真模型可以在高算中心进行集中构建和管理，建立分层分级的仿真模型库，依据仿真应用的需求可以通过网络分发到不同的仿真计算机，保证了模型的统一性以及准确性，提高仿真效率。
上述架构中的多学科集成仿真模型库和多学科集成仿真支撑软件工具主要用于总体层面的多学科综合仿真验证，支持开展诸如总体设计方案仿真、飞行方案仿真等综合性的仿真验证。其中多学科集成仿真模型库是数字空间站最为核心的一套模型库。该模型库采用国际开放标准的Modelica语言，在同一个软件平台上进行机电热信息多领域统一建模，建立能源、环热控、动力学与控制、信息等多学科集成的系统仿真模型，能够充分反映多学科领域间的相互影响。
2.3 多学科集成仿真模型库
2.3.1 模型库开发过程
多学科集成仿真模型库的开发过程如图3所示。开发过程以需求作为驱动，明确设计分析目标，通过自顶向下的设计分解方式，提炼出具有较强模块化、层次化的模型库架构；
按照需求，确定各层次模型的粒度，通过自底向上的方式实现模型开发和验证；
最后，基于所开发验证的模型库，通过系统仿真应用，实现设计分析的目标。
图3 多学科集成仿真模型库开发过程Fig.3 Development process of multidisciplinary simulation model library
该模型库的开发过程主要包含如下技术要点。
1)系统自顶向下分解
分析仿真验证目标，首先将目标系统分解为若干分系统，然后将每个分系统分解为若干单机，得到需要建立的所有单机列表。
2)模型库架构设计
对所有的单机进行归纳概括和结构组织，进行模型库的架构设计。
3)模型自底向上构建
依据模型库架构，针对其中的每一个单机逐一建模，然后调用单机模型构建分系统模型，最后调用分系统模型构建全系统模型，进行系统仿真应用。
4)模型测试与验证
在模型自底向上的构建过程中，须在每一个层次，分别对单机模型、分系统模型和系统模型进行模型测试与验证。
2.3.2 模型库架构
多学科集成仿真模型库的架构如图4所示。
图4 多学科集成仿真模型库架构Fig.4 Framework of multidisciplinary simulation model library
多学科集成仿真模型库中位于最顶层的仿真模型为航天器系统级模型，主要实现系统层面的动力学与控制、轨道与测控、环热控、能源等多专业领域的系统级综合仿真。第二、三层级为分系统及其子系统层面的分系统级和其子系统级模型。第四、五层级的仿真模型则覆盖到各分系统所属的关键单机设备及其关键元素。另外，模型库中还包含了有关环境的仿真模型。
参照对系统自顶向下分解的结果，可以将多学科集成仿真模型库划分为型号模型库、型号分系统模型库、单机模型库和基础模型库四个部分。同时，在模型库设计过程中，要考虑对设备中的一些公共接口、基本函数和工质等进行层次化的设计和统一归类，保证模型的继承性和扩展性。
1)型号模型库
型号模型库由具体型号的航天器全系统模型构成，是用于航天器系统仿真的最高级别模型。
2)型号分系统模型库
型号分系统模型库由具体型号的航天器各分系统模型组成，例如，电源、总体电路、结构机构、机械臂、热控、环控、测控、GNC等分系统模型。一方面，分系统模型用于各分系统的仿真验证；
另一方面，分系统模型用于构建型号系统级的模型。
3)单机模型库
单机模型库由各所属分系统的单机设备模型构成，例如，GNC分系统的GNC控制器、星敏感器、控制力矩陀螺等，推进分系统的推力器、贮箱等，电源分系统的太阳帆板、分流调节器、充放电调节器、锂离子蓄电池等，总体电路分系统的母线切换单元、母线控制单元、并网控制器等，热控分系统的泵、阀、辐射器等。单机模型一方面用于单机设备的单独仿真验证，另一方面用于构建分系统模型。
4)基础模型库
基础模型库由比单机更小的组成元素构成，包括设备组件、接口、工质、基本函数、物理单位、物理常量等。接口包括机械接口、电接口、流体接口、控制接口、热接口、信息接口等。
2.3.3 模型集成
模型集成是多学科集成仿真模型库开发中的一项关键技术。正是由于采用多领域统一建模语言Modelica来建立模型，在模型集成时这一优势得以体现。
首先建立各分系统所属的单机模型，即采用Modelica语言建立包含动力学与控制、能源、环热控、信息等4个专业层面的单机设备级模型。每个单机设备模型都包含这4个专业层面的属性，从而支持多学科耦合的集成仿真。具体包括对单机设备动力学与控制层面的多体动力学特性、能源层面的供配电负载、环热控层面的热负载、信息层面的总线收发与解析机制进行抽象，设计构建机械、供配电负载、热负载、总线接口等4个公共组件。单机模型进行集成封装时，先以一个专业层面的模型为基础，逐步将其它3个专业层面的公共组件放入集成模型，继承3个公共组件的专业属性，最终形成完整的包含多学科特性的单机模型，并对外暴露机械、供配电、热、总线4种接口。
单机模型建立后，根据单机模型间的连接关系，使用机械连接、供配电连接、热连接、总线连接等4种连接将各单机设备模型的机械、供配电、热、总线接口连接，形成一个有机整体，由此形成上一级即分系统级的模型。
1)总线连接
单机设备模型通过总线连接与外部建立信息连接。各单机设备模型的信息组件通过总线接收指令与仿真数据，根据指令编码与数据包地址码判断指令作用域，响应该单机设备的指令并完成仿真数据交互。
2)机械连接
各单机设备模型通过机械连接，形成动力学拓扑结构。最终连接到舱体的单机模型，表示将单机设备固连在舱体上。通过设置单机模型机械组件的质量、惯量、安装位置、安装角度等参数，体现对整个舱体质量、惯量的影响。
3)供配电连接
各单机设备模型通过供配电连接，形成电路拓扑。各单机设备模型根据开关机指令做出开关机响应以及运行过程的电特性响应，并通过电接口和供配电电连接线将电特性响应反应到外部。
4)热连接
各单机设备模型通过热连接，形成热流回路。各单机设备模型根据开关机指令做出热特性响应，并通过热接口和热连接将单机热热性变化反应到外部。
类似地，通过机械连接、供配电连接、热连接、总线连接等4种连线将分系统模型连接，最终形成系统级集成模型。图5和图6为空间站单舱及多舱段的多学科集成仿真模型示例。
图5 空间站单舱多学科集成仿真模型Fig.5 Multidisciplinary simulation model of single module of space station
图6 空间站多舱段多学科集成仿真模型Fig.6 Multidisciplinary simulation model of multi modules of space station
已经建成的数字空间站具有以下技术特点。
1)构成“三个空间站”的新型运营体系
数字空间站与在轨空间站、地面电性空间站共同构成“三个空间站”运营体系，协同支持在轨飞行任务。为数字孪生技术在大型载人航天器在轨运维中的应用进行了有效的探索。
2)模型规模大、复杂程度高
数字空间站共包括3个舱段、4个专业、9个分系统，二千余台单机设备的数字化模型。目前构建的天和核心舱、问天实验舱多学科仿真模型，包含能源、环热控、动力学与控制、信息4个专业，热控、机械臂、总体电路、数管、测控、GNC、推进、电源、环控等9个分系统，共1200余台关键设备，模型规模达到100万个方程组。数字空间站模型规模和复杂程度在国内载人航天领域已达到空前高度。
3)多学科深度耦合
首次在载人航天器系统总体层面，采用国际开放标准的Modelica语言，在同一个软件平台上使用同一种语言，实现了机电热信息多领域统一建模，建立了能源、环热控、动力学与控制、信息等多学科集成的系统仿真模型，能够充分反映多学科领域间的相互影响。
4)应用模式新
在空间站运营任务中利用数字空间站开展了任务前仿真分析预示与推演、任务中数字伴飞并进行状态监控及预示、任务后在轨状态评估。此外，还为空间站在轨故障的分析与处置提供支持。通过数字空间站的应用，有力保障了在轨任务的成功实施。
5)模型可持续修正
利用地面研制测试试验数据和前期在轨飞行数据对模型进行修正，使模型能够全面真实反映空间站功能性能。由于空间站后续在轨飞行时间长，飞行过程中会持续产生大量遥测数据，基于这些在轨遥测数据可以持续修正数字空间站仿真模型，使得仿真模型具有时效性，能及时体现当前状态下空间站功能性能特性。
6)仿真模型及建模仿真平台自主可控
采用了国产自主可控的多学科建模仿真平台软件(MWORKS)开展复杂航天器建模与仿真。仿真模型由一线研制队伍掌控，模型原理、建模过程、模型应用均自主可控，模型可根据任务需要灵活开发。
数字空间站建设工作与空间站型号研制工作并行开展。本着边建设边应用的原则，数字空间站在空间站各个研制阶段均开展了相应的应用。在前期的研制阶段，在总体层面基于多学科集成仿真模型和相应的仿真支撑软件工具对总体设计方案开展了各项仿真验证，如飞行方案仿真、能源系统功能及动态性能仿真、关键工况设计方案验证如舱段转位多学科集成仿真等，验证方案的可行性、系统功能性能设计的正确性，以及是否能够满足任务要求；
在专业层面利用各类专业仿真分析软件，以设计模型为基础构建力、热、电、控制、信息、EMC、维修性等各专业仿真模型，分别对专业详细设计方案进行专业设计仿真验证，验证产品工程设计的正确性。
到了空间站在运行阶段，开展了更为深入的应用。面向重大飞行任务提供更为全面的仿真支持，在任务实施前进行仿真预示，验证任务规划及飞行方案的正确性，在任务实施中进行数字伴飞，实现参数监视对比，在任务实施后辅助开展闭环评估，从而有效保证了任务圆满成功。
空间站核心舱成功发射后，数字空间站在机械臂转位、出舱活动、机械臂巡检、首长通话、推进剂补加等一系列关键任务中开展了仿真分析应用，为任务成功提供了有力的支撑。在空间站运行阶段具有代表性的一些应用如下所述。
1)航天员出舱任务
在神舟十二号和神舟十三号航天员乘组的出舱任务中，利用数字空间站多学科集成仿真模型，在飞行程序驱动下开展了出舱过程能量平衡仿真、出舱泄复压仿真、散热能力仿真、控制力矩陀螺CMG角动量积累仿真、中继链路动态遮挡仿真等多学科综合仿真分析工作(图7)。验证了出舱方案在能源、热管理、舱压控制、姿态控制、测控通信等多学科专业方面的匹配性和出舱工作流程的正确性，在出舱窗口时段选取和出舱方案确认中发挥了重要的决策支持作用。
图7 空间站多学科集成仿真模型应用于航天员出舱任务仿真分析Fig.7 Multidisciplinary simulation model of space station is applied to EVA(Extra-vehicular activity) simulation analysis
对出舱窗口时段空间站的轨道、姿态、阳光入射角、帆板遮挡率、帆板发电、负载等情况进行仿真预示，开展能量平衡分析。通过仿真分析确认出舱组合体飞行姿态和太阳帆板转角及锁定方案满足能量平衡约束条件要求。
对出舱任务期间航天员吸氧排氮、舱间抽气及节点舱泄压过程进行仿真预示，开展核心舱舱压的变化分析。通过仿真分析确认出舱泄复压工作时序。
对出舱期间热控系统散热能力进行仿真预示，分析既定飞行姿态下辐射器的散热量和温控阀开度的变化情况。通过仿真分析确认出舱过程热控能力满足要求。
对出舱任务期间飞行姿态控制进行仿真预示，重点对控制力矩陀螺CMG角动量积累情况进行仿真预示。通过仿真确认出舱过程机械臂及航天员活动、环境力矩等导致的CMG角动量积累在容量包括范围内，不会喷气卸载，满足出舱安全性要求。
基于轨道数据、中继天线动态指向数据和机械臂动态路径规划数据，对出舱任务期间机械臂运动过程中的中继链路动态遮挡情况进行了仿真分析。通过仿真分析确认中继测控弧段和测控条件使用方案。
2)机械臂转位货船试验任务
在机械臂转位货船试验任务前，利用数字空间站多学科集成仿真模型，由飞行程序驱动进行了机械臂转位过程动力学与控制仿真、能量平衡仿真、测控覆盖仿真、视场动态遮挡仿真等多学科深度耦合仿真分析工作。通过仿真分析验证了机械臂转位货船飞行方案在能源、姿态控制、测控通信等多学科专业方面的匹配性。另外依据机械臂转位货船试验任务总体方案以及协同程序，总体组织相关分系统技术人员基于数字空间站多学科集成仿真模型开展了转位货船任务过程数字化推演。在任务实施当天，利用空间站组合体停控时刻的天上遥测数据，开展了天地状态同步与快速仿真预示。在任务结束后，结合任务过程遥测数据，进行了转位货船试验任务后的仿真评估。机械臂转位货船试验任务中，重点对停控期间姿态漂移、蓄电池放电量进行了快速仿真预示，仿真预示结果与实际遥测数据基本一致，误差在5%以内，满足要求。
3)能源系统24小时伴飞监控
根据任务需要，数字空间站多学科集成仿真模型支持针对能源系统的24小时实时伴飞仿真，如图8所示。在伴飞过程中多学科集成仿真模型会实时从天上获取空间站姿态、轨道、太阳翼转角等遥测数据，以实时遥测参数为输入驱动仿真得到能源系统有关参数的实时仿真预期值，然后将该仿真预期值与相应的遥测参数值进行比对。若二者差异超过正常标准，则由自动判读系统进行异常情况报警，从而实现对空间站能源系统有关参数的伴飞状态监控。
以太阳电池翼发电输出电流为例，实际运行结果表明，在稳态发电工况下，基于遥测数据的仿真预期值与实际遥测参数的误差在±4 A以内。而传统的自动判读系统对该遥测参数进行判读时所选取的判读参考范围是0～36 A。很显然，将仿真预期值作为参数判读的参考依据，可大幅提升判读的准确程度。
综上，相比传统的自动判读方式，通过实时伴飞仿真可以为判读系统提供更为精准的参考数据，提升了判读的准确程度。
目前数字空间站在空间站在轨飞行任务中已经全面开展应用，并取得了良好的应用效果。后续随着应用的不断深入，一方面利用在轨飞行数据对模型进行持续修正，使模型能够全面真实反映空间站功能性能，另一方面将进一步拓展其应用范围，为满足新的应用需求而不断完善，为空间站长期在轨运行提供数字化仿真保障支持。
考虑到空间站工程研制的空前复杂性，为全面提升工程研制中的系统仿真验证能力，遵循基于模型的系统工程思想，采用先进数字化技术手段，开展了数字空间站建设。本文主要阐述了数字空间站的概念、建设思路、技术特点、总体技术方案以及应用情况。目前数字空间站已经成功应用于空间站当前飞行任务中。随着数字化仿真技术的蓬勃发展，数字空间站也将汲取众长，不断完善自身，朝着更全面、更逼真、更快速、更智能的方向演进。后续，数字空间站将重点在以下几个方面开展研究与应用工作：
(1)开展基于遥测数据的模型自动校核与验证工具建设，利用空间站长期运营产生的海量遥测数据，持续提升模型的全面性、精细度和仿真精确度，构建高保真度的空间站数字孪生体，并与在轨空间站同步演进；
(2)开展基于模型的数字域飞行任务设计，将空间站飞行任务设计模型与数字孪生仿真模型集成，逐步实现飞行任务设计与仿真的一体化；
(3)在数字空间站模型基础上逐步引入人工智能技术，通过对在轨遥测数据的挖掘分析实现运行态势的智能感知、模型的智能自完善以及飞行任务的智能决策支持，减轻长期运营对地面的工作负担。
可以预见在未来空间站运营阶段中，随着新技术的不断应用，数字空间站将会发挥更大的作用。
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