数字孪生in卫星：数字化助力强国芯

数字化指将复杂多变的信息通过编码方式转换为计算机可识别的二进制数据，并建立适当的数字化模型进行存储。当前，数字化正如火如荼地展开，在各个领域已屡见不鲜，2021年11月，工信部发布了《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》、《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》，首次提出了数字经济与实体经济深度融合，为各领域利用工业软件实现数字孪生技术、促进经济社会高质量发展作出了战略部署。

▲图片来源：QTronic官网

世界经济论坛（World Economic Forum，WEF）在2021年对1.6万家企业进行的数据分析结果显示，相较于传统的工作流程，数字化带来的经济增效已经超过了30%。在嵌入式芯片领域，嵌入式工程师往往会受到物理芯片的限制，不仅在工作效率的提升方面存在瓶颈，安全问题更是难以保证。卫星作为安全关键领域对安全有着高要求、高标准的高端硬件装备，更是受其所累。

卫星的设计、制造成本昂贵众所周知，但很少有人了解一颗卫星真正所耗费的成本。卫星立项后，需要各领域顶端的技术专家形成研究组，进行卫星系统的架构设计、论证的工作。论证完成后，由于卫星需要在大气层外200℃甚至更高的温差环境中运行，还要经受外太空各种电磁辐射等，普通的电子元器件无法支持其正常工作，需要使用价格高昂但能应对最苛刻的使用环境的宇航级电子元器件，还需为之单独设计恒温系统。卫星的射频链路也需要采用损耗较少、防干扰的材料，租用频率、布置发射、维持地面站运营等等，总体成本极其高昂。卫星嵌入式芯片的数字化与数字孪生势在必行，而数字化仿真芯片的出现基本解决了这一难题。

卫星领域的数字化仿真芯片可以在不改变原有芯片硬件逻辑的基础上进行设计与开发，其目的为在不改变程序运行环境的情况下，让程序无法感知到外部硬件的变化，但可同物理芯片一样具备运行操作系统和软件的功能。此外，仿真芯片还可结合调试工具对运行的程序进行故障注入、内存查看、覆盖率统计、异常触发、远程调试、反汇编与设备寄存器查看等操作，最大程度上将硬件功能仿真并简单化操作，尽可能降低成本。

目前，芯片数字化仿真已成为一种趋势，其不仅能够为软件工程师和测试工程师带来调试方面的便利，也能降低企业开发成本和缩短产品上线周期。天目全数字实时仿真软件SkyEye便可为芯片数字化仿真提供多种解决方案，落地的仿真项目正在不断增加。

SkyEye是基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，支持用户通过拖拽的方式对硬件进行行为级别的仿真和建模，可实现真实物理硬件的数字孪生。SkyEye目前支持多种架构的处理器，如ARM、PowerPC、MIPS、SPARC、龙芯、飞腾等，已在航天航空、汽车、轨交、防务等诸多领域展开使用。

以在卫星领域已落地的项目为例，SkyEye仿真PowerPC架构的芯片并在仿真芯片上运行真实的星务软件，通过“LLVM动态翻译技术”实现超实时仿真运行，完成仿真硬件运行加速。协同仿真软件作为不同模型（C模型、动力学模型）之间的控制和同步平台，在不失超实时仿真的情况下，完全还原卫星的实际运行场景，满足卫星协同仿真的需求。

SkyEye与协同仿真软件的共同“合作”，一方面，利用协同仿真软件的模型控制功能和数据传输功能，能够解决不同模型之间的数据交互和时钟同步问题，实现星上软件与动力学模型之间的数据交互。另一方面，双方均为软件，在不需要除计算机外的其他硬件参与下，数字卫星工程完成搭建后，通过软件与工程的可复制性，可以在多个计算机上复制该数字卫星工程，从而用软件化的方式解决嵌入式硬件少和硬件价格昂贵的问题。

数字孪生的加持改变了传统的软件调试方式，弥补了物理芯片的诸多弊端，帮助芯片实现数字化转型，是卫星、汽车等多领域高端装备高速发展的基石。

▲数字卫星仿真设计总览

数字孪生的加持改变了传统的软件调试方式，弥补了物理芯片的诸多弊端，帮助芯片实现数字化转型，是卫星、汽车等多领域高端装备高速发展的基石。