CN110032168B - 一种基于数字双胞胎的在轨卫星状态监测与预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于数字双胞胎的在轨卫星状态监测与预测方法及系统，根据需要监测的目标卫星，建立卫星数字双胞胎；读取需要监测的目标卫星在轨遥测下行数据，根据在轨遥测下行数据，配置数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星一致，形成与在轨状态配置一致的数字双胞胎；通过与在轨状态配置一致的数字双胞胎，查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量状态，实现对在轨卫星状态监测；通过与在轨状态配置一致的数字双胞胎，根据任务需要对该数字双胞胎发送控制指令，加速数字双胞胎运行，观察该数字双胞胎加速运行结果，实现对在轨卫星状态的预测。

Description

一种基于数字双胞胎的在轨卫星状态监测与预测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于数字双胞胎的在轨卫星状态监测与预测方法及系统，属于于在轨卫星状态判读、任务规划、故障诊断和在轨维护技术领域。

背景技术

现代航天飞控对地面支持提出新需求，随着航天技术不断进步，航天器在轨可操作性大幅提高，地面系统可对航天器运行提供更多的支持与服务，包括复杂任务规划、运行参数优化以及故障处理等。这些支持与服务都对地面仿真规划验证能力提出了新的需求，航天器仿真从传统的方案阶段活动逐步转变为航天器产品全周期的活动。以往以数据处理为主的飞控支持技术已经不能满足现代卫星飞控的需求。针对在轨卫星，尤其是空间天文观测卫星运行姿态复杂、存在多种姿态机动方案、星上自主能力强等特点，飞控人员难以对卫星状态给出精确描述；同时，由于空间天文观测卫星的任务特点及各种全新的功能，以数据处理为主的飞控支持技术已经不能满足卫星飞控的需求，亟需可支持卫星快速准确动作预测、故障诊断、任务规划和在轨维护的技术。

在缪远明等的《硬X射线调制望远镜卫星数字伴飞系统设计与应用》中，提到了使用数字伴飞系统的设计与应用。但文中尚未给出应用数字双胞胎的具体方法和流程，同时该文章中的数字伴飞系统主要以控制与动力学仿真为主，无法完成本发明中数字双胞胎对系统中各个子系统行为的模拟。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于数字双胞胎的在轨卫星状态监测与预测方法及系统，可解决在轨卫星各子系统行为模拟、状态准确判读、快速准确动作预测、及时故障诊断、任务规划和有效在轨维护等问题。为飞控人员提供更好的技术支持。

本发明解决的技术方案为：一种基于数字双胞胎的在轨卫星状态监测与预测方法，步骤如下：

(1)根据需要监测的目标卫星，建立卫星数字双胞胎；

(2)读取需要监测的目标卫星在轨遥测下行数据，根据在轨遥测下行数据，配置数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星运行状态一致，形成与在轨状态配置一致的数字双胞胎；

(3)通过步骤(2)与在轨状态配置一致的数字双胞胎，查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量状态，实现对在轨卫星状态监测；

(4)通过步骤(2)与在轨状态配置一致的数字双胞胎，根据任务需要对该数字双胞胎发送控制指令，加速数字双胞胎运行，观察得到该数字双胞胎加速运行结果，实现对在轨卫星状态的预测。

还包括步骤(5)，对数字双胞胎加速运行结果进行判断，若结果与预期不符，恢复该数字双胞胎至加速前状态，修改控制指令，执行步骤(4)；若结果与预期相符，则将步骤(4)的控制指令作为在轨卫星的控制指令，发送给在轨卫星。

在步骤(3)通过步骤(2)与在轨状态配置一致的数字双胞胎，查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量状态，实现对在轨卫星状态监测时，若若需要检测的在轨卫星发生故障，执行如下步骤(5)

步骤(5)对数字双胞胎注入故障，模拟在轨卫星故障现象，实现在轨卫星的故障诊断。

还包括步骤(6)，对注入故障的数字双胞胎注入解决故障的控制指令，若该指令无效，则更换指令重新注入；若该指令有效，则将该指令作为在轨卫星的控制指令，发送给在轨卫星，实现在轨卫星的在轨维护。

建立卫星数字双胞胎，具有如下功能：a、能够由地面注入指令和数据块；b、能够对地面指令作出与需要监测的目标卫星相同的响应。c、通过接收在轨的需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据，配置数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星一致；d、卫星数字双胞胎能够输出比在轨的需要监测的目标卫星遥测更加详细的卫星状态；e、卫星数字双胞胎具有加速运行、反复运行的功能。

步骤(1)需要监测的目标卫星，具体为：低轨卫星、中高轨卫星、月球及深空探测器或巡视器。

步骤(1)建立的卫星数字双胞胎，具体为：与在轨卫星具有相同逻辑层的模拟系统，数字双胞胎在逻辑层面拥有与在轨卫星相同的系统组成、工作模式，同时具备空间环境的仿真计算能力。

步骤(2)需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据，包括：卫星的星时、姿态、轨道、各分系统工作模式、各单机开关机状态、电池剩余电量、贮箱剩余推进剂。

步骤(2)根据在轨遥测下行数据，配置数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星运行状态一致，形成与在轨状态配置一致的数字双胞胎，具体如下：

初始数字双胞胎各单机设备处于关机状态，按照需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据中的各单机开关机状态，为数字双胞胎的单机设备加电，同时根据遥测中的各分系统工作模式设置数字双胞胎中各分系统工作模式，根据遥测中的星时、姿态、轨道设置数字双胞胎的星时、姿态、轨道，根据电池剩余电量、贮箱剩余推进剂设置数字双胞胎的电池剩余电量、贮箱剩余推进剂，形成与需要监测的目标卫星状态一致的数字双胞胎。

步骤(3)查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量数据，具体为：

数字双胞胎运行时，可输出比在轨的需要监测的目标卫星遥测更加详细的卫星状态数据，包括遥测中包含的数据和遥测中不包含的如敏感器可用性情况、喷气卸载产生的速度增量、星敏感器安装偏差、主要矢量方向和敏感器视场、星上计算机内存值、控制算法中间变量数据，能够通过数字双胞胎显示界面进行查看。

步骤(3)实现对在轨卫星状态监测，具体为：

根据敏感器可用性情况判断星上敏感器是否可用，根据喷气卸载产生的速度增量判断卫星轨道偏差，根据星上计算机内存值监测卫星延时指令上注及执行状态、根据卫星控制算法中间变量检测卫星控制系统参数选择是否合理。

步骤(4)根据任务需要对该数字双胞胎发送控制指令，具体为：任务为对特定目标进行定点观测时，发送的控制指令具体为：转向特定目标的姿态机动指令和切换定点观测模式指令。

任务为下传载荷数据时，发送的控制指令具体为：选择数传天线指令和下传载荷数据指令。

任务为对特定区域进行小天区扫描时，发送的控制指令具体为：区域中心点坐标和扫描速度、间隔指令。

步骤(4)加速数字双胞胎运行，具体为：

数字双胞胎可根据需要设置运行步长，通常运行步长设置为0.001s至数秒能够在数分钟内实现数小时甚至数天的模拟运行。

步骤(4)观察得到该数字双胞胎加速运行结果，实现对在轨卫星状态的预测，具体为：

加速运行后，根据数字双胞胎输出的卫星状态数据，包括卫星的姿态、轨道、星时、电量剩余信息，判读卫星状态，实现对在轨卫星状态的预测。

步骤(5)对数字双胞胎注入故障，具体为：设置错误的控制参数、施加额外的干扰力矩、断开数字双胞胎中某些设备、短路数字双胞胎中某些回路。

步骤(6)解决故障的控制指令，具体为：相关设备主分备份切换、复位、关机及参数上注。

一种基于数字双胞胎的在轨卫星状态监测与预测系统，包括：建立模块、配置模块、监测模块、控制模块；

建立模块，根据需要监测的目标卫星，建立卫星数字双胞胎；

配置模块，读取需要监测的目标卫星在轨遥测下行数据，根据在轨遥测下行数据，配置卫星数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星运行状态一致，形成与在轨状态配置一致的数字双胞胎；

监测模块，通过配置模块形成的与在轨状态配置一致的数字双胞胎，查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量状态，实现对在轨卫星状态监测；

控制模块，通过配置模块形成的与在轨状态配置一致的数字双胞胎，根据任务需要对该数字双胞胎发送控制指令，加速数字双胞胎运行，观察得到该数字双胞胎加速运行结果，实现对在轨卫星状态的预测。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明面向卫星复杂任务，根据飞行任务的需求和特点，结合卫星使用约束，按照有效预示动作效果、快速准确动作评估、及时故障诊断和有效在轨维护的要求，强化仿真和预估功能，进行功能全面、快速灵活、仿真精准、使用方便、可视化强的飞控支持。

(2)本发明通过卫星数字双胞胎，“镜像”卫星在轨状态，结合数字双胞胎状态量丰富、可加速运行、可反复运行的特点，在数字双胞胎上开展卫星状态判读、故障诊断、参数优化、任务方案迭代仿真，得到上注至实体卫星的飞控数据，完成卫星的任务规划、故障诊断和在轨维护。

(3)本发明通过形成的与在轨状态配置一致的数字双胞胎，可实时进行卫星状态判读，不受测控弧段的约束，极大提升了状态判读效率。

(4)本发明通过形成的与在轨状态配置一致的数字双胞胎，可输出比在轨卫星下行遥测更为丰富的卫星状态，提升了卫星状态判读的准确度。

(5)本发明通过对数字双胞胎加速运行，迭代飞控方案，可实现对在轨卫星进行快速任务规划和飞控验证。

(6)若在轨卫星发生异常，本发明通过对数字双胞胎注入故障，模拟在轨卫星故障现象，实现对在轨卫星进行快速故障诊断。

(7)本发明通过对数字双胞胎加速运行，迭代控制策略及参数，可实现对在轨卫星进行快速在轨维护。

附图说明

图1是卫星数字双胞胎系统组成框图；

图2是利用数字双胞胎进行卫星状态监测；

图3是利用数字双胞胎进行卫星状态预测。

图4卫星利用数字双胞胎进行状态监测与预测的流程图

图5是卫星利用数字双胞胎进行参数优化前的姿态稳定度

图6是卫星利用数字双胞胎进行参数优化后的姿态稳定度

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

卫星由于其独特的空间运行环境，一旦发生故障难以进行修理，因此，在轨卫星状态监测尤为重要。通过对在轨卫星进行状态监测，尽可能在早期发现卫星的异常现象，尽早采取措施，避免引起不可逆的卫星故障。

随着卫星复杂程度和智能程度进一步提高，针对同一项任务，在不同的条件下可能会有不同的执行方案，预测将会执行的方案，确保其不违背卫星约束条件，达到预定目标是卫星在轨测试期间必须完成的任务之一。

采用数字双胞胎进行卫星状态监测和预测，相比于常规手段，具有效率高、能力强、实施简单等优势，同时还具备卫星的任务方案迭代、故障诊断和在轨维护等功能。

数字双胞胎，包括：遥测及参数配置输入接口、数字双胞胎变量状态输出接口、数据处理模块、空间环境仿真模块、系统行为仿真模块；其中，系统行为仿真模块中包含了供配电分系统、数管分系统、控制分系统、推进分系统等各分系统行为仿真模块，系统行为仿真模块可根据任务需要对各分系统行为仿真模块进行增加和裁剪，如图1所示；

遥测及参数配置输入接口用于接收遥测数据及其他参数数据，该接口收到数据后将数据送至系统行为仿真模块；

系统行为仿真模块收到遥测及参数配置输入接口传入的数据后，将自身状态进行相应设置，使其与输入数据一致；系统行为仿真模块运行时，主要进行对卫星系统本身的模拟，达到反映卫星真实卫星飞行状态的目的，其产生的系统动作将发送至空间环境仿真模块。

空间环境仿真模块接收到系统行为仿真模块发送的系统行为后，将完成轨道动力学、姿态动力学、测控弧段等相关内容的计算，并将计算结果发送给系统行为仿真模块，完成数字双胞胎系统在空间环境中的闭环运行仿真。

最后系统行为仿真模块和空间环境仿真模块将系统参数和空间环境参数发送给数据处理模块。

数据处理模块将数据处理为表格、曲线、图表等形式，输出至数字双胞胎变量状态输出接口。

数字双胞胎变量状态输出接口用于将需要输出的数据输出，包括显示在屏幕上或者存储在硬盘上。

本发明一种基于数字双胞胎的在轨卫星状态监测与预测方法，流程如图4所示。具体方案如下：

(1)根据需要监测的目标卫星如低轨卫星、中高轨卫星、月球及深空探测器、巡视器等，建立卫星数字双胞胎，该数字双胞胎与在轨卫星具有相同逻辑层的模拟系统，数字双胞胎在逻辑层面拥有与在轨卫星相同的系统组成、工作模式等，同时具备空间环境的仿真计算能力。此外，该数字双胞胎具备：a、可由地面注入指令和数据块；b、能够对地面指令作出与需要监测的目标卫星相同的响应。c、通过接收在轨的需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据，配置数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星一致；d、卫星数字双胞胎能够输出比在轨的需要监测的目标卫星遥测更加详细的卫星状态；e、卫星数字双胞胎具有加速运行、反复运行的功能。

(2)读取需要监测的目标卫星在轨遥测下行数据，包括卫星的星时、姿态、轨道、各分系统工作模式、各单机开关机状态、电池剩余电量、贮箱剩余推进剂等。按照需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据中的各单机开关机状态，为数字双胞胎的单机设备加电，同时根据“遥测”中的各分系统工作模式设置数字双胞胎中各分系统工作模式，根据“遥测”中的星时、姿态、轨道设置数字双胞胎的星时、姿态、轨道，根据电池剩余电量、贮箱剩余推进剂设置数字双胞胎的电池剩余电量、贮箱剩余推进剂，形成与需要监测的目标卫星状态一致的数字双胞胎。

(3)通过步骤(2)与在轨状态配置一致的数字双胞胎，查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量状态，实现对在轨卫星状态监测。数字双胞胎运行时，可输出比在轨的需要监测的目标卫星遥测更加详细的卫星状态数据，包括遥测中包含的数据和遥测中不包含的如敏感器可用性情况、喷气卸载产生的速度增量、星敏感器安装偏差、主要矢量方向和敏感器视场、星上计算机内存值、控制算法中间变量数据等，可通过数字双胞胎显示界面进行查看。根据敏感器可用性情况判断星上敏感器是否可用，根据喷气卸载产生的速度增量判断卫星轨道偏差，根据星上计算机内存值监测卫星延时指令上注及执行状态、根据卫星控制算法中间变量检测卫星控制系统参数选择是否合理等。

(4)通过步骤(2)与在轨状态配置一致的数字双胞胎，根据任务需要对该数字双胞胎发送控制指令，例如任务为对特定目标进行定点观测时，发送的控制指令具体为：转向特定目标的姿态机动指令和切换定点观测模式指令；任务为下传载荷数据时，发送的控制指令具体为：选择数传天线指令和下传载荷数据指令；任务为对特定区域进行小天区扫描时，发送的控制指令具体为：区域中心点坐标和扫描速度、间隔指令。加速数字双胞胎运行，在数分钟内得到数小时甚至数天的模拟运行结果，观察得到该数字双胞胎加速运行结果，例如卫星的姿态、轨道、星时、电量剩余等信息，判读卫星状态，实现对在轨卫星状态的预测。

(5)对数字双胞胎加速运行结果进行判断，若结果与预期不符，恢复该数字双胞胎至加速前状态，修改控制指令，执行步骤(4)；若结果与预期相符，则将步骤(4)的控制指令作为在轨卫星的控制指令，发送给在轨卫星。

(6)若需要检测的在轨卫星发生故障，则对数字双胞胎人为注入故障，；例如设置错误的控制参数、施加额外的干扰力矩、断开数字双胞胎中某些设备、短路数字双胞胎中某些回路。人为注入故障后观察数字双胞胎的运行状态，若与在轨卫星故障现象不一致，则更换故障重新注入；若与在轨卫星故障现象一致，则说明在轨卫星故障原因与数字双胞胎注入的故障一致，实现在轨卫星的故障诊断。

(7)对注入故障的数字双胞胎注入解决故障的控制指令，如相关设备主分备份切换、复位、关机及参数上注等，若该指令无效，则更换指令重新注入；若该指令有效，则将该指令作为在轨卫星的控制指令，发送给在轨卫星，实现在轨卫星的在轨维护。

本发明一种基于数字双胞胎的在轨卫星状态监测与预测系统，包括：建立模块、配置模块、监测模块、控制模块；

建立模块，根据需要监测的目标卫星，建立卫星数字双胞胎；

配置模块，读取需要监测的目标卫星在轨遥测下行数据，根据在轨遥测下行数据，配置卫星数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星运行状态一致，形成与在轨状态配置一致的数字双胞胎；

监测模块，通过配置模块形成的与在轨状态配置一致的数字双胞胎，查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量状态，实现对在轨卫星状态监测；

控制模块，通过配置模块形成的与在轨状态配置一致的数字双胞胎，根据任务需要对该数字双胞胎发送控制指令，加速数字双胞胎运行，观察得到该数字双胞胎加速运行结果，实现对在轨卫星状态的预测。

还包括判断模块，对数字双胞胎加速运行结果进行判断，若结果与预期不符，恢复该数字双胞胎至加速前状态，修改控制指令，控制模块执行通过配置模块形成的与在轨状态配置一致的数字双胞胎，根据任务需要对该数字双胞胎发送控制指令，加速数字双胞胎运行，观察得到该数字双胞胎加速运行结果，实现对在轨卫星状态的预测；若结果与预期相符，则将控制模块中的控制指令作为在轨卫星的控制指令，发送给在轨卫星。

在监测模块中通过配置模块形成的与在轨状态配置一致的数字双胞胎，查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量状态，实现对在轨卫星状态监测时，若若需要检测的在轨卫星发生故障，执行对数字双胞胎注入故障，模拟在轨卫星故障现象，实现在轨卫星的故障诊断。

还包括注入模块，对注入故障的数字双胞胎注入解决故障的控制指令，若该指令无效，则更换指令重新注入；若该指令有效，则将该指令作为在轨卫星的控制指令，发送给在轨卫星，实现在轨卫星的在轨维护。

建立卫星数字双胞胎，具有如下功能：a、能够由地面注入指令和数据块；b、能够对地面指令作出与需要监测的目标卫星相同的响应。c、通过接收在轨的需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据，配置数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星一致；d、卫星数字双胞胎能够输出比在轨的需要监测的目标卫星遥测更加详细的卫星状态；e、卫星数字双胞胎具有加速运行、反复运行的功能。

建立模块中需要监测的目标卫星，具体为：低轨卫星、中高轨卫星、月球及深空探测器或巡视器。

建立模块中建立的卫星数字双胞胎，具体为：与在轨卫星具有相同逻辑层的模拟系统，数字双胞胎在逻辑层面拥有与在轨卫星相同的系统组成、工作模式，同时具备空间环境的仿真计算能力。

配置模块中需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据，包括：卫星的星时、姿态、轨道、各分系统工作模式、各单机开关机状态、电池剩余电量、贮箱剩余推进剂。

配置模块中根据在轨遥测下行数据，配置数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星运行状态一致，形成与在轨状态配置一致的数字双胞胎，具体如下：

初始数字双胞胎各单机设备处于关机状态，按照需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据中的各单机开关机状态，为数字双胞胎的单机设备加电，同时根据遥测中的各分系统工作模式设置数字双胞胎中各分系统工作模式，根据遥测中的星时、姿态、轨道设置数字双胞胎的星时、姿态、轨道，根据电池剩余电量、贮箱剩余推进剂设置数字双胞胎的电池剩余电量、贮箱剩余推进剂，形成与需要监测的目标卫星状态一致的数字双胞胎。

监测模块中查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量数据，具体为：

数字双胞胎运行时，可输出比在轨的需要监测的目标卫星遥测更加详细的卫星状态数据，包括遥测中包含的数据和遥测中不包含的如敏感器可用性情况、喷气卸载产生的速度增量、星敏感器安装偏差、主要矢量方向和敏感器视场、星上计算机内存值、控制算法中间变量数据，能够通过数字双胞胎显示界面进行查看。

监测模块中实现对在轨卫星状态监测，具体为：

根据敏感器可用性情况判断星上敏感器是否可用，根据喷气卸载产生的速度增量判断卫星轨道偏差，根据星上计算机内存值监测卫星延时指令上注及执行状态、根据卫星控制算法中间变量检测卫星控制系统参数选择是否合理。

控制模块中根据任务需要对该数字双胞胎发送控制指令，具体为：任务为对特定目标进行定点观测时，发送的控制指令具体为：转向特定目标的姿态机动指令和切换定点观测模式指令。

任务为下传载荷数据时，发送的控制指令具体为：选择数传天线指令和下传载荷数据指令。

任务为对特定区域进行小天区扫描时，发送的控制指令具体为：区域中心点坐标和扫描速度、间隔指令。

控制模块中加速数字双胞胎运行，具体为：

数字双胞胎可根据需要设置运行步长，通常运行步长设置为0.001s至数秒能够在数分钟内实现数小时甚至数天的模拟运行。

控制模块中观察得到该数字双胞胎加速运行结果，实现对在轨卫星状态的预测，具体为：

加速运行后，根据数字双胞胎输出的卫星状态数据，包括卫星的姿态、轨道、星时、电量剩余信息，判读卫星状态，实现对在轨卫星状态的预测。

判断模块对数字双胞胎注入故障，具体为：设置错误的控制参数、施加额外的干扰力矩、断开数字双胞胎中某些设备、短路数字双胞胎中某些回路。

注入模块解决故障的控制指令，具体为：相关设备主分备份切换、复位、关机及参数上注。

以硬X射线调制望远镜卫星飞控任务中使用数字双胞胎进行卫星状态监测和预测为优选方案，具体说明本发明的使用情况。

由于硬X射线调制望远镜卫星控制系统具有高度自主性，为确保对卫星控制系统状态可控，针对硬X射线调制望远镜卫星建立了数字双胞胎，其中系统行为模块中主要包括卫星控制系统行为模块。

卫星发射入轨后，根据卫星遥测，设置了数字双胞胎状态，运行数字双胞胎，得到如图2所示的孪生体状态输出，包括卫星当前的姿态、太阳照射情况、任务规划情况和部分设备状态等，实现了通过数字双胞胎进行卫星状态监测。

使数字双胞胎加速运行，得到卫星第三天开展数传任务时的天线与地面站夹角，如图3所示，得到了卫星与密云站、喀什站和三亚站三站的天线夹角。与地面站1、2夹角大于90°，与地面站3夹角小于90°。实现了卫星状态预测。

卫星使用一次姿态机动时，要求卫星X轴与太阳夹角大于70°。对于某次机动任务，需确定机动时间，对于选定的机动时间，无法准确评估机动过程中太阳于卫星X轴夹角是否会小于70°。利用数字双胞胎，注入相关的姿态机动参数，对机动全过程卫星X轴与太阳夹角参数进行监视，发现全过程中，夹角均大于70°，表明机动时间选择合理，飞控方案可行，实现了在轨卫星飞控任务规划。

在数字双胞胎上进行了动量轮参数优化，将优化结果上注卫星，使得卫星定点观测模式的姿态稳定度大幅提高，如图5和图6所示，优化前卫星姿态稳定度(以滚转通道为例)约为0.01°/s,优化轮控参数后，姿态稳定度达到了约0.0003°/s。

本发明在硬X射线调制望远镜卫星飞控任务中已得到使用，成功实现了对硬X射线调制望远镜卫星各子系统行为模拟、状态监测和预测、任务规划和在轨维护。具体包括：完成了超过400项状态量的监测和判读、完成了超过3次对地数传任务天线与地面站夹角的预测以及天线主分备份的选择、完成了超过3次姿态机动任务参数选择、完成了1次动量轮控制参数在轨优化。实现了卫星各子系统行为模拟、快速准确动作预测、故障诊断、任务规划和在轨维护的飞控任务要求。

Claims (2)

1.一种基于数字双胞胎的在轨卫星状态监测与预测方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据需要监测的目标卫星，建立卫星数字双胞胎；建立卫星数字双胞胎，具有如下功能：a、能够由地面注入指令和数据块；b、能够对地面指令作出与需要监测的目标卫星相同的响应；c、通过接收在轨的需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据，配置数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星一致；d、卫星数字双胞胎能够输出比在轨的需要监测的目标卫星遥测更加详细的卫星状态；e、卫星数字双胞胎具有加速运行、反复运行的功能；需要监测的目标卫星，具体为：低轨卫星、中高轨卫星、月球及深空探测器或巡视器；建立的卫星数字双胞胎，具体为：与在轨卫星具有相同逻辑层的模拟系统，数字双胞胎在逻辑层面拥有与在轨卫星相同的系统组成、工作模式，同时具备空间环境的仿真计算能力；

(2)读取需要监测的目标卫星在轨遥测下行数据，根据在轨遥测下行数据，配置步骤(1)的卫星数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星运行状态一致，形成与在轨状态配置一致的数字双胞胎；需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据，包括：卫星的星时、姿态、轨道、各分系统工作模式、各单机开关机状态、电池剩余电量、贮箱剩余推进剂；

步骤(2)根据在轨遥测下行数据，配置数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星运行状态一致，形成与在轨状态配置一致的数字双胞胎，具体如下：

初始数字双胞胎各单机设备处于关机状态，按照需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据中的各单机开关机状态，为数字双胞胎的单机设备加电，同时根据遥测中的各分系统工作模式设置数字双胞胎中各分系统工作模式，根据遥测中的星时、姿态、轨道设置数字双胞胎的星时、姿态、轨道，根据电池剩余电量、贮箱剩余推进剂设置数字双胞胎的电池剩余电量、贮箱剩余推进剂，形成与需要监测的目标卫星状态一致的数字双胞胎；

(3)通过步骤(2)与在轨状态配置一致的数字双胞胎，查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量状态，实现对在轨卫星状态监测；在步骤(3)通过步骤(2)与在轨状态配置一致的数字双胞胎，查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量状态，实现对在轨卫星状态监测时，若需要检测的在轨卫星发生故障，执行如下步骤(5)

(4)通过步骤(2)与在轨状态配置一致的数字双胞胎，根据任务需要对该数字双胞胎发送控制指令，加速数字双胞胎运行，观察得到该数字双胞胎加速运行结果，实现对在轨卫星状态的预测；

还包括步骤(5)，对数字双胞胎加速运行结果进行判断，若结果与预期不符，恢复该数字双胞胎至加速前状态，修改控制指令，执行步骤(4)；若结果与预期相符，则将步骤(4)的控制指令作为在轨卫星的控制指令，发送给在轨卫星；

步骤(5)对数字双胞胎注入故障，模拟在轨卫星故障现象，实现在轨卫星的故障诊断；

还包括步骤(6)，对注入故障的数字双胞胎注入解决故障的控制指令，若该指令无效，则更换指令重新注入；若该指令有效，则将该指令作为在轨卫星的控制指令，发送给在轨卫星，实现在轨卫星的在轨维护。

2.一种基于数字双胞胎的在轨卫星状态监测与预测系统，其特征在于包括：建立模块、配置模块、监测模块、控制模块；

建立模块，根据需要监测的目标卫星，建立卫星数字双胞胎；建立卫星数字双胞胎，具有如下功能：a、能够由地面注入指令和数据块；b、能够对地面指令作出与需要监测的目标卫星相同的响应；c、通过接收在轨的需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据，配置数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星一致；d、卫星数字双胞胎能够输出比在轨的需要监测的目标卫星遥测更加详细的卫星状态；e、卫星数字双胞胎具有加速运行、反复运行的功能；需要监测的目标卫星，具体为：低轨卫星、中高轨卫星、月球及深空探测器或巡视器；建立的卫星数字双胞胎，具体为：与在轨卫星具有相同逻辑层的模拟系统，数字双胞胎在逻辑层面拥有与在轨卫星相同的系统组成、工作模式，同时具备空间环境的仿真计算能力；

配置模块，读取需要监测的目标卫星在轨遥测下行数据，根据在轨遥测下行数据，配置卫星数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星运行状态一致，形成与在轨状态配置一致的数字双胞胎；需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据，包括：卫星的星时、姿态、轨道、各分系统工作模式、各单机开关机状态、电池剩余电量、贮箱剩余推进剂；

根据在轨遥测下行数据，配置数字双胞胎的自身运行状态，使其与在轨卫星运行状态一致，形成与在轨状态配置一致的数字双胞胎，具体如下：

初始数字双胞胎各单机设备处于关机状态，按照需要监测的目标卫星的在轨遥测下行数据中的各单机开关机状态，为数字双胞胎的单机设备加电，同时根据遥测中的各分系统工作模式设置数字双胞胎中各分系统工作模式，根据遥测中的星时、姿态、轨道设置数字双胞胎的星时、姿态、轨道，根据电池剩余电量、贮箱剩余推进剂设置数字双胞胎的电池剩余电量、贮箱剩余推进剂，形成与需要监测的目标卫星状态一致的数字双胞胎；

监测模块，通过配置模块形成的与在轨状态配置一致的数字双胞胎，查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量状态，实现对在轨卫星状态监测；通过与在轨状态配置一致的数字双胞胎，查看该数字双胞胎运行过程中的相关变量状态，实现对在轨卫星状态监测时，若需要检测的在轨卫星发生故障，对数字双胞胎加速运行结果进行判断，若结果与预期不符，恢复该数字双胞胎至加速前状态，修改控制指令，执行步骤(4)；若结果与预期相符，则将步骤(4)的控制指令作为在轨卫星的控制指令，发送给在轨卫星；

对数字双胞胎注入故障，模拟在轨卫星故障现象，实现在轨卫星的故障诊断；

控制模块，通过配置模块形成的与在轨状态配置一致的数字双胞胎，根据任务需要对该数字双胞胎发送控制指令，加速数字双胞胎运行，观察得到该数字双胞胎加速运行结果，实现对在轨卫星状态的预测；

对注入故障的数字双胞胎注入解决故障的控制指令，若该指令无效，则更换指令重新注入；若该指令有效，则将该指令作为在轨卫星的控制指令，发送给在轨卫星，实现在轨卫星的在轨维护。

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