数字孪生在军事卫星计划中的地位

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赛达罗（Sedaro）的云平台工程

多年来，数字孪生一直被炒作为航天工业的下一件大事。虽然该技术仍在不断发展，但该行业的公司看到了对复杂设计数字工程的卫星网络需求不断增长。

“我们终于到了这个过渡点，从一个流行语，经历很多愤世嫉俗，到人们看到真正需要的东西，”Sedaro的联合创始人兼首席执行官Robbie Robertson说，Sedaro是一家开发专注于太空系统的数字工程软件的初创公司。

该公司总部位于弗吉尼亚州阿灵顿，成立于2016年。它赢得了国防部和美国宇航局颁发的近300万美元的小企业研究奖，并筹集了一轮风险投资。

卫星星座的规模和复杂性使数字孪生成为必需品，罗伯逊说。他说，问题在于，特别是对于军事项目，它们出售了传统的数字设计工具，重新命名为数字孪生。

在大型卫星星座的规划和设计中，“当你进行虚拟和物理连接时，你可以管理人类无法管理的复杂性事项”他说。

罗伯逊说，随着国防部计划下一代太空系统，数字孪生在军事卫星计划中越来越受欢迎。

Sedaro的软件被五角大楼的需求组织使用，该组织负责监督主要系统采购。例如，导弹跟踪卫星网络的数字孪生可以帮助决策者在获取卫星之前调整要求。

太空部队正在使用数字孪生计划一项名为Tetra 5的实验，为轨道上的卫星加油。“这是一个需要交付数字孪生和物理系统的案例，”罗伯逊说。



美国太空部队计划在2025年向地球同步轨道发射三颗小型卫星，这些卫星将试图与推进剂加油机对接，以便在太空中加油。加油服务架构由不同轨道上的推进剂库和航天飞机组成，这些航天飞机将从这些仓库向客户航天器输送燃料。

这个想法是“测试加油基础设施的一部分”，美国太空系统司令部创新和原型设计主任约瑟夫罗斯上校上周在科罗拉多斯普林斯举行的太空研讨会上告诉太空新闻。

这项耗资5000万美元的实验名为Tetra-5，由太空部队的太空企业联盟负责。该项目的投标已于本月早些时候结束。

罗斯说，Tetra-5的目标是帮助太空部队弄清楚如何利用商业太空服务技术来延长轨道卫星的寿命，特别是执行关键任务且更换成本高昂的地球同步航天器。

“如果我们能够获得燃料即服务，我们就不必在轨道上建造基础设施，我们可以专注于保护卫星，”罗斯说。

Tetra-5实验中的三颗卫星中的每一颗都将具有用于会合和接近操作的传感器，以及用于加油的对接接口。投标人必须在卫星上安装加油口，并可以选择使用Orbit Fab或诺斯罗普格鲁曼公司开发的接口。

Orbit Fab是一家寻求在太空提供加油服务的初创公司，开发了RAFTI端口（可快速连接的流体传输接口），并于最近赢得了太空部队的合同，将其与军用卫星集成。诺斯罗普·格鲁曼公司的卫星服务子公司SpaceLogistics开发了一个不同的港口，称为被动加油模块。

“通过卫星的在轨加油，我们可以通过补充燃料供应来延长卫星的使用寿命，同时还可以实现更小的燃料箱和更少的推进器使用限制，”行业提案征集说。

太空企业联盟计划选择一个主承包商来开发三颗卫星 - Tetra-5A，Tetra-5B和Tetra-5C。该实验旨在演示小型卫星的在轨加油和“不合作的常驻空间物体”的快速检查。


面向数字化工程的 AI 平台


军事太空项目也是一家名为Istari的数字工程初创公司的目标客户，该公司由前谷歌首席执行官埃里克施密特支持，由前五角大楼采购官员威尔罗珀运营。

Istari的创始人兼首席执行官Roper表示，如果平台可以通过建模和模拟进行设计，测试甚至认证，那么军用飞机，卫星和其他系统的开发可以更快，更便宜。

他说，这在今天是不可能的，因为军事采购计划依赖于来自不同承包商的模型和模拟的大杂烩，这些模型和模拟在集成的数字环境中无法协同工作。

Istari的AI平台将作为模型和模拟的通用操作系统。这个想法是允许任何模型即插即用，无论谁拥有它们。

太空部队真的可以从这项技术中受益，罗珀说。例如，卫星操作员将使用工程师设计的与真实情况完全相同的模型进行训练。这将是一个真正的数字线程，允许工程师使用来自用户的实时数据不断更新和改进他们的设计。



太空部队司令部


“真正的”数字孪生


罗伯逊说，客户经常被营销流行语和数字孪生的多种定义所淹没。他将其解释为“物理系统的高保真虚拟展示，存在于其整个生命周期中，直到轨道系统及其孪生体的行为完全同步为止。

Sedaro 在四月份推出了其基于云的数字工程工具的更新版本，希望能够说服怀疑论者，该技术不仅仅是另一个过度炒作的趋势。

“很多人对我们在空间系统数字工程方面的情况感到失望，”他说。这是可以理解的，“因为我们还没有使用软件来显着提高硬件技术的复杂性和质量。

多年来，国防部卫星项目一直依靠内部和数十年前的商业软件产品的混乱组合来设计自己的数字孪生。罗伯逊说，这些传统技术无法扩展到军方计划未来的大型卫星星座，例如太空发展局的低地球轨道架构。


规划星座的数字工程


在最新的通信卫星招标中，航天发展局要求承包商提交其卫星的数字展示，以便该机构可以建立模型。“他们没有特别呼吁数字孪生”，但他们正朝着这个方向前进，罗伯逊说。“你可以打开很多旋钮，了解数字孪生对特定组织可能意味着什么。

他说，对于国防部来说，拥有作战卫星的数字孪生“确实是这项技术最令人兴奋的未来应用”。

传统上，人们认为工程仿真是一种设计工具，“在你拥有硬件之前，在你拥有真实物理系统之前，”他补充说。

“但数字孪生主要用于操作，以非常高的保真度模拟系统，以便您可以优化使用它的方式，从军事角度发现漏洞并进行预测性维护，这就是数字孪生在其他行业中大量使用的方式。

他说，数字工程平台要在国防市场上可行，必须是可互操作的环境，就像互联网一样，因此国防部不依赖于单一供应商。像SDA这样从不同制造商购买卫星的组织不希望为不兼容的型号和软件工具支付数百万美元。

罗伯逊说，在太空部队内部，正在推动将数字技术引入其行动的各个方面，其中包括数字工程。

他说，这在用户层面的实际含义尚不清楚。“领导层说我们将成为一个数字服务，但他们依赖于定制软件工具的传统提供商。

空间数字生态系统和集成平台概念图

根据一项名为“国家太空测试和训练综合体”的新计划，太空部队将寻求包括数字工程在内的多项技术的行业宣传。

“所有这些数字工程生态系统和工具集都站起来了，包括数字孪生的东西，”罗伯逊说。“但没有一个明显的赢家。

他说，在这个领域面临着艰难的决定，“他们有所有这些重叠的、多余的努力。那么哪一个将成为运营云生态系统呢？

太空部队司令部在四月份宣布计划启动一个数字工程生态系统平台，以帮助美国太空部队及其作战合作伙伴保持世界领先地位。

该数字平台预计将于2025年完成，“将有助于整合USSF生态系统中现有的数字工程工作。
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