剑桥大学制造研究所 (IfM) 助理教授 Veronica Martinez 博士解释了新技术如何改变卫星行业。随着新的太空技术公司进入市场，特别是在商业近地轨道领域，卫星行业正在经历快速的数字化转型。推动这一变化的关键因素之一是数字双胞胎技术。在过去的六十年中，大约有 6,000 颗卫星被发射到轨道上，现在太空就像水或电力设施一样被视为重要的国家基础设施。多亏了该部门的商业化程度不断提高，空间数据呈指数级增长，为重塑现有卫星服务（如电信、全球定位、天气预报和救灾）提供了重大机遇。而且，随着 Starlink、OneWeb、亚马逊和其他私人投资者等新参与者的加入，帮助推动数字化进程化，有一种在航天工业中提供增值服务的强烈战略愿望。用于其他部门（例如汽车和商业航空航天）的数字孪生能力越来越被视为数字化转型的关键组成部分，并正在推动该技术进入卫星市场。在 IfM 的工作中，我们想了解数字孪生对该行业的潜在价值，并制定卫星行业数字孪生实施的技术路线图。什么是数字孪生？数字孪生是实物资产的虚拟表示。传感器应用于物理资产或系统以收集信息。这实现了物理资产的动态、持续更新的虚拟表示，包括通过基于物理的模拟工具反映其每个相关方面的模型。数字孪生的工业应用涵盖物理资产的整个生命周期，从设计到处置。数字孪生s 在设计阶段用于迭代优化。在制造过程中收集的有关产品的信息用于运营阶段。目前，预测性维护是工业实践中最普遍的数字孪生应用。在制造业中，数字孪生可以通过整合历史数据、近实时数据和预测数据来提供近实时监控，以跟踪过去、监控现在和预测未来。
卫星与太空
Veronica Martinez 博士是剑桥大学制造研究所 (IfM) 的助理教授，第一颗人造卫星 Sputnik 1 于 1957 年由苏联发射。它在轨道上停留了三个月，然后在地球大气层中燃烧殆尽。自那个开创性的时刻以来，许多航天器已被送入地球轨道和月球、太阳和其他行星周围。迄今为止，大约有 4,500 颗现役卫星围绕地球运行。到 2020 年，卫星部门的收入为 2710 亿美元，约占全球航天工业的四分之三。大多数运行中的卫星用于电信服务，其次是遥感、科学活动和国家安全。我们的工作着眼于通信卫星（电视、电话、宽带、无线电和军事）。数字孪生：卫星行业的价值？
从市场角度来看，数字孪生的使用有三个主要驱动因素：数字化趋势、空间拥塞和美国该行业的增长。据行业专家称，如果不解决空间拥塞问题，它将成为一个严重的问题。然而，不仅仅是“太空垃圾”正在成为一个问题；活跃卫星数量的增加会导致信号干扰。例如，数字孪生技术有助于减少空间碎片，使用基于人工智能的碰撞和信号干扰预测模型。它们可以支持现有的跟踪方法并增强卫星的防撞系统。假设场景可用于避免与碎片的潜在碰撞，同时优化燃料使用。从公司的角度来看，提高服务可用性是实施数字孪生的主要好处之一。服务可用性取决于卫星性能，这主要取决于卫星的寿命，通过自我修复实现，并通过防止意外碰撞或网络攻击来实现。由于技术发展迅速，准确的寿命预测变得越来越重要。数字孪生技术可以在安全环境中对一整套场景进行建模，并通过尽早设计出单点故障来确保持续覆盖，从而最大限度地提高性能。降低运营成本也是一个显着的好处，因为价格低廉更好的测试，以及早期的风险识别。在安全的虚拟环境中进行测试可降低故障成本，风险检测可防止代价高昂的损失。今天的实时系统测试有时会导致整个网络瘫痪。模拟在轨卫星及其如何应对辐射和极端温度等条件有助于降低整个操作的风险。实施数字孪生：路线图
通过制定数字孪生使用技术路线图基于卫星的服务，我们一方面希望弥合公司战略与另一方面技术之间的差距。得益于对英国政府和行业专家的一系列半结构化访谈，他们的专长从卫星系统设计到对于运营，我们能够构建和验证路线图。然后，该路线图在国际航空航天公司 Babcock International 的研讨会上得到验证。该路线图概述了数字 twi 的商业模式基于 n 的卫星服务，并将它们与市场和技术驱动因素联系起来，从而弥合战略、市场和技术之间的差距。数字孪生技术在不同层面增加价值，从预测性维护到安全和弹性通信服务，实时监控现在和预测未来，最终实现全系统集成。卫星数字孪生路线图还可以影响有关商业和金融、医疗保健、人道主义危机行动、军事任务和星系探索的产品和服务战略。它可供卫星业务和网络、卫星运营商和技术专家（以及高级管理人员）使用。数字孪生的未来
我们发现数字孪生技术在运营层面提供价值，在通信网络和安全级别或集成系统级别。根据 Babcock International Grou 首席技术官 Rich Drake 博士的说法p，将数字孪生技术应用于卫星系统的地面、轨道和数据架构具有为太空部门引入新的替代解决方案的巨大潜力。他说：“数字孪生能力，例如我们研究过的能力，可以为供应商、用户和投资者之间的合作提供新的方式，以刺激空间技术的进一步发展并刺激市场需求。”然而，尽管有明显的好处，基于卫星的服务应用数字双胞胎的一些障碍。例如，对该技术的信任和接受是一个重大障碍，如果要克服它，需要明确量化利益和所有参与者之间的沟通。另一个问题是关于数据的。获取正确的数据、正确的数据质量和明确数据所有权通常具有挑战性。技能也带来了挑战。未来，寻求通过开发数字双胞胎进行竞争的公司将需要一支具备技术专长和战略性数据驱动思维的数字化员工队伍。进一步阅读报告和随附的路线图由剑桥服务联盟的研究访问者 Nicolai Huss、Babcock International Group 的 Richard Drake 博士和 Shane Mason 共同完成和卡尔斯鲁厄理工学院的 Hansjörg Fromm 教授。完整报告可从 IfM 网站下载：“数字孪生：卫星行业的思想领导力”
