思考：数字卫星可视化如何实现？

01.背景

随着信息化时代的到来，全球范围内的通信和数据传输需求急剧增加，传统的有线通信和数据传输方式已无法满足大范围、远距离的通信和数据传输需求，卫星通信和数据传输技术应运而生。实体卫星的发射和运行成本非常昂贵，需要经常维护和更新，卫星通信和数据传输领域的应用也因此受到限制，一定程度上牵制了卫星通信技术的发展。

在通信和数据传输领域的应用需求和技术发展的驱动下，卫星虚拟化技术逐渐成熟并得到广泛应用，并提供了更为灵活、高效、可靠的解决方案，能够解决实体卫星发射成本高、维护成本大等问题，提高通信和数据传输的效率和质量。

近年来，美国洛马、SpaceX、ANSYS、参数技术公司，法国达索公司，德国西门子公司等均在数字孪生技术方面开展了大量的研究和探索工作，在设计、制造等方面取得巨大成效，而国内由于工业软件技术积累、水平发展限制还有着一定差距。我们知道，航天工程有着严格的研制进度要求，而空间资源通常是先到先得，因此，尽可能缩短虚拟卫星系统的构建周期变得极为重要。使用可靠、稳定且恰当的卫星虚拟化工具链可以在虚拟卫星构建周期的问题上实现“弯道超车”。

02.卫星组成

一个完整的卫星系统通常由几部分组成：卫星本身、卫星地面控制系统、发射系统、地面用户终端、数据处理和分发系统、安全和保障系统。以遥感卫星系统为例，其组成结构如下图所示：

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03.虚拟卫星的仿真组成

虚拟卫星又称“数字卫星”，对应真实卫星，可分为5大模块：运行环境模块、机电热光磁多物理场耦合模块、卫星各子系统零部件模块、星载姿态控制系统软件和星载星务管理软件。

卫星的虚拟仿真可从仿真芯片、动力学模型以及协同仿真软件三部分进行分析，并通过STK软件对虚拟卫星进行可视化展示，具体架构如下图所示：

仿真芯片

仿真芯片是数字卫星中运行卫星操作系统和星上软件的核心仿真模型，主要由CPU处理器及外设组成。芯片的仿真工作可全部通过天目全数字实时仿真软件SkyEye来完成——SkyEye支持用户在可视化界面上通过拖拽的方式快速搭建虚拟硬件模型，支持ARM、DSP、PowerPC、SPARC、X86、MIPS、MCS-51、TriCore等多种架构。SkyEye仿真的MPC750芯片如下图所示：

动力学模型

动力学模型用于仿真真实卫星上随时间变化的模型，包括但不限于姿轨控模型、热控模型、测控模型与数传模型，主要用于接收星务软件的控制信号及返回星务软件需要的实时遥测信息，并由星务软件反馈给地面站进行数据分析。下图为电量模型的动力学模型部分示意图。

协同仿真软件

模型的仿真与动力学模型仿真分属两个领域，而不同领域的仿真模型是很难进行协同仿真的，不仅需要拥有统一的时钟源，也需要统一的数据交互方式。多领域分布式协同仿真软件DigiThread可用于解决多领域仿真模型的协同仿真问题，分别为C、Simulink、FMI、AMESim等仿真模型提供API接口，从而为虚拟卫星的构建提供协同仿真平台。下图为其内部的工作机理：

虚拟卫星可视化工具

STK（Satellite Tool Kit）软件可对虚拟卫星的可视化（卫星轨道、姿态与位置等）提供支持。STK作为航天领域仿真设计的分析软件，可在多维空间中根据用户需要进行直观的可视化显示，支持实时查看数字卫星的运动轨迹、计算数字卫星对地面站的覆盖区域和通信时段和对给定的卫星初始状态进行推算并得出用于定位虚拟卫星的六根数。STK的卫星可视化图示如下图所示：

随着软件技术的蓬勃发展，数字卫星可以借助软件技术不断做出新的技术升级，如使用SkyEye的二进制动态翻译技术提升数字卫星仿真性能，完成超实时仿真；或是结合STK软件技术，将虚拟卫星在轨状态进行可视化展示。相信结合优秀的软件工具，我国的卫星虚拟化技术定能更上一个台阶。