美国太空部队利用数字孪生体推进数字革命

2020年5月，美国太空部队作战部部长杰伊·雷蒙德将军称太空部队打算成为世界上第一个完全数字化的军种，对卫星战场环境进行极度逼近现实的仿真，设计建设数字孪生化的架构、星座、卫星、载荷、地面系统，变革设计、购买和建造太空装备系统的方式。

美国太空部队的数字革命开始于采办过程的起点：作战部队设计。这一步是确定太空部队总体需求以及完成其使命的最佳架构。

通过使用高保真模拟来描述轨道环境、太空和陆地气象、威胁以及预期会遇到的问题，建立一个“数字孪生太空环境”，重点实现威胁、物理和工程成本三个要素，从而为成千上万的作战部队设计方案提供低成本的测试验证基础设施。

利用数字孪生体研制太空装备

太空部队的装备需求在正式确定后，会被送到采办社区，该社区将在数字工程环境中与承包商合作。数字工程不再依赖于1950年代和1960年代推动太空竞赛的2D蓝图，而是使用3D模型，即数字孪生体。

数字工程最重要的能力是能够在设计阶段测试系统，测试要远在它们进入工厂车间之前。这些真实卫星的数字孪生体非常的详细和准确，太空部队可以在虚拟的太空环境中对其进行测试，看看它们是否正常工作。

这种方式允许在系统的生命周期中尽早的对其进行验证和测试。而过去的方法是把测试和评估放在最后，这样就必须建造出东西再进行测试。

现在则可以以接近真实的保真度来模拟，在数字世界直接构建出实际需要的东西，然后用计算机进行虚拟测试，例如，在实际开始弯曲金属或开始制作电路板之前，工程师就可以在设计过程中消除所有设计错误和设计缺陷。

并且在任何时候，太空部队都可以将刚得到的数字孪生体插入到基于模型的系统工程环境中，替换掉系统中的占位符以查看它的执行情况。

基于数字孪生体的数字工程具有一个重要特点，它能够随着需求的变化快速修改设计，从而为承包商提供额外的灵活性。这是L3 Harris公司的太空系统总裁Bill Gattle 在开发导弹防御局的高超音速和弹道跟踪太空传感器时发现的。

Bill Gattle表示，“你可以提出一个新的要求，数字工程会修改需求，告诉你新需求与之前有什么不同，还会告诉你哪些硬件会出问题或者你必须修复什么。所有这一切都是相互关联的，你可以在一天内完成修改。”

新的人工智能工具还加快了设计过程，可以自动运行计算数量惊人的工程参数，以找到满足用户需求的最佳系统。采用数字工程后，人在设计过程的中就不是必须的了，工程师可以利用生成式设计，将需求输入到软件工具中，工具会自动设计一个部件以满足需求。

目前该过程主要用于简单的任务，例如设计一个物理手臂以将天线固定在卫星上，但这可以让人类工程师腾出时间来解决更难的问题，例如设计实际的天线。

不仅仅是太空部队能够与数字孪生体互动，数字工程的另一个重要好处是无需面对面会议即可进行协作。来自分散地点的工程团队可以同时访问数字孪生体。当一个团队将新部件的数字孪生体插入系统时，其他团队可以看到其更改如何影响或破坏自己工作。

太空部队的数字孪生训练

数字革命不会止步于采办过程。太空部队首席作战官Chance Saltzman中将表示，基于数字孪生体的训练环境将成为太空部队培训监护人工作的不可或缺的组成部分。

数字太空部队必须建立一个虚拟测试和培训基础设施，为作战人员提供想关作战系统的使用经验，让他们面对“他们可能在将来面临的一系列强大威胁”来验证他们的作战策略，Saltzman 说。

数字孪生训练必须包括部队武器系统的数字孪生体、逼真的太空气象模型和连接红/蓝部队的交互式模拟器。

从感觉来说，数字化培训应该更像是一款增强现实视频游戏。太空部队需要采用此类技术，将作战人员置于其作战环境中，与系统交互并看到/感受其行为带来后果及影响。

这种数字孪生训练环境中培训方式还处于早期探索阶段，但可以将其与现在流行足球视频游戏进行对比，虚拟培训就像特许经营模式，用户可以组建团队并设置战术，但不必控制单个球员。同样，太空作战人员也不需要学习如何用操纵杆来控制卫星。他们需要做的是学习如何找出一组合适的能力并制定最佳策略来对抗任何给定的对手。

想象一个游戏，你沉浸在一场战斗中，以保护你的任务，比如卫星通信，对抗试图破坏关系的对手。现在你做出决定，游戏去执行战术。我们得到关于什么是有效的，什么是无效的反馈。你做出调整，做出更多的决定。

有人赢了，有人输了。双方要进行汇报，太空部队可以从他们中的错误吸取教训。

与太空作战分析中心用于设计作战能力的虚拟环境一样，该训练环境将承载太空部队的数字孪生体、高保真效果、对太空气象和轨道环境的真实反映，以及地面气象信息，这些都是可能对作战任务造成影响的因素。

数字工程的应用状况

到目前为止，基于数字孪生体的数字工程在国防领域的应用差异性比较大。

太空部队在 2021年5月宣布了其数字化意图，在这之前数字工程就已经存在了很多年。然而它在国防部内的使用是有限的，罗珀认为仅有三个项目达到了“彻底数字化”：T-7A 红鹰飞机、陆基战略威慑武器系统和下一代空中优势战斗机。

在采用数字工程方面，太空产业正处于“爬行、行走、奔跑”的各个阶段。即使在洛克希德马丁公司，不同的项目也有不同程度的数字参与。例如，虽然该公司在整个下一代拦截器项目中集成了数字过程，但其他公司只使用了部分数字线程。

AGI曾聘请了一家独立公司来分析引入数字工程的好处。研究人员发现它可以将开发周期提高六倍，通常需要六年的时间可以在一年内完成。

诺斯罗普·格鲁曼公司数字化转型副总裁卡罗尔·埃里克森表示，该公司长期以来一直致力于采用数字化工具，从主战飞机项目开始，并进入其他领域。在十年前开发增强型极地系统控制和规划部分时，该公司就发现数字工程使其能够更早地发现和纠正缺陷，从而节省时间和金钱。

洛克希德马丁公司一直在探索扩大其数字实践的方法,公司在科罗拉多州丹佛市外的工厂设立了一个数字工程加速器环境，这是一个小型的开放式空间，提供了一些用于支持数字化工作的工具，为工程师和实习生测试新想法提供了一个验证环境。

该公司正在探索的技术包括允许用户在3D空间中与数字模型交互的新虚拟现实系统，以及可以将制造数据上传到云端的智能工具。

通过在虚拟现实中完成装配动作，工程师可以识别潜在问题并在制造开始之前解决这些问题。在脉冲星加速器项目的一个演示示例中，用户控制了一个内部面板，将其带入航天器中，以查看它是否适合狭窄的空间。演示中技术人员发现面板上的紧固件不能与设计的其余部分配合，这本来是在组装之前无法发现的。

洛克希德的工程师们也在探索如何将智能工具与数字模型相结合。

以扭矩为例。在建造卫星时，技术人员从一个紧固件到另一个紧固件，用扳手将每个紧固件拧到规格，并用笔和纸记录测量结果，然后第二位技术人员再次检查扭矩，这是非数字化处理的方式。

借助新的智能扭矩工具，该过程实现了部分自动化和数字化。智能工具上的绿灯表示扭矩（或施加的力）在规格范围内，测量结果上传到云端，不再需要二次检验。

洛克希德希望最终能够将这些扭矩测量结果直接插入数字模型中，以便工程师可以实时查看系统的构建方式。人工智能工具将通过扭矩数据来识别异常并测试产品的承受能力。

对数字太空部队的展望

太空部队官员表示，太空部队在数字服务的工程实现方面取得了一些进展。其中一个关键部分将是新的基于云的“数字工程环境”，供应商可以在其中与太空部队和其他合作伙伴共享数字孪生体。太空部队官员表示，保密版本在5月宣布时将上线，而非保密环境预计将在秋季就绪。

数字服务的要求已经反映在太空部队的卫星合同中。太空与导弹系统中心与两家公司——雷神技术公司和千禧年太空系统公司——签订了合同，内容是设计导弹预警卫星的数字模型，以便在高保真模拟环境中进行测试。这些测试将验证该服务是否可以通过对卫星使用新的轨道组网方式来改进其导弹预警架构。

作者：刘继业，数字太空实验室主任