从设计到伴飞：数字孪生赋能航天航空新时代

当今社会，航天航空作为科技高速发展的核心技术领域正在快速崛起，数字孪生技术在其中发挥着至关重要的作用。从设计、制造、维护到运营，数字孪生已渗透飞机等飞行器的全生命周期，为行业带来了前所未有的变革。

• 设计和制造领域：基于飞行器的高保真物理模型、历史数据以及传感器实时更新数据，构建完整映射的虚拟模型，便于提前发现潜在设计缺陷，优化性能并加速产品开发周期，有助于提高飞机安全性和可靠性；
• 维护和保养领域：实时监测各部件的运行状况，及时发现未知问题，进而激活自修复机制或任务重规划，以减缓系统损伤和退化；
• 运营领域：便于智能化管理，实现预测性维护，提高效率、减少不必要的停机时间，降低运营开支。

飞行器伴飞是数字孪生技术在航天航空中的重要应用，其具体概念与“数字卫星”类似。

基于数字孪生的伴飞技术在航空航天领域的首次应用最早可以追溯到20世纪70年代的美国阿波罗工程：NASA在项目中建造了一个与实际飞行飞船完全相同的地面飞船（也称为“孪生体”），在孪生体中执行实际飞行经历的“所有”操作，以镜像实际飞行飞船的实际状态，并为飞船的维护提供参考。

时至今日，伴飞技术在航天领域已得到质的突破：在轨航天器的地面伴飞系统的实现打破了地面试验对空间环境模拟能力有限的束缚。

▲2020年11月24日22时06分，嫦娥五号探测器3000N发动机工作约2秒钟，顺利完成第一次轨道修正。

2020年，嫦娥五号（Chang'e-5）作为我国首个实施无人月面取样返回的月球探测器，是“数字伴飞”在我国航空航天领域的首次应用。技术数字伴飞系统实现了航天器在轨运行状态的实时评估，能够模拟并快速推演故障状态，辅助制定航天器在轨运行策略。

▲2024年8月9日，国航首架C919完成首次试飞

作为备受关注的国产大型客机，C919也应用了不少新技术，其中就包括数字孪生技术：建成了飞控系统功能测试、人机协同线束安装、多工序协同等典型场景的数字孪生系统。随着C919飞机进入商业运营阶段，该系统可支持多机型总装生产线研发和建设，实现更多旅客早日坐上国产大飞机的愿望。

飞行器伴飞系统的构建高度依赖虚拟仿真工具的支持，这些工具能够为飞行器在复杂环境中的运行提供精准的模拟与验证，选择一款强大且高效的仿真平台至关重要。

在众多仿真系统中，国产自研、自主可控的天目全数字实时仿真系统SkyEye凭借其可视化建模和硬件行为级仿真能力，成为飞行器伴飞系统开发的理想工具。SkyEye不仅支持复杂的系统集成仿真，还能够快速构建虚拟运行环境，帮助工程师随时随地进行系统开发、测试和验证，有效提升设计质量和开发效率。基于SkyEye的伴飞系统能够更加灵活、精准地应对各种飞行任务，为飞行器的安全运行保驾护航。

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基于SkyEye的机载显控系统仿真

机载显控系统承担着航电系统的集中显示和任务管理功能，使飞行员能高效获得并管理所需信息，有效减少飞行员的工作负荷。SkyEye飞行器显控系统GPU JM7200仿真通过截获目标程序调用OpenGL的API并转译到宿主机上运行的方式实现，调动宿主机的GPU能力对目标机的GPU进行半虚拟化仿真。虚拟化的仿真技术使开发设计阶段可以脱离GPU硬件的束缚，有效缩短系统设计周期。

▲SkyEye显控系统GPU仿真案例

基于SkyEye的飞机ICD工具测试

ICD为接口控制文件，用于确保飞机系统之间的兼容性与一致性，规避飞行风险。本案例中，ICD工具集成于测试上位机中，通过ICD数据总线与SkyEye仿真模型进行数据交互。用户可自定义ICD工具报文字段，实现基于SkyEye的飞机各子功能针对性测试，有助于过程分析与故障排除。

▲SkyEye飞机ICD工具测试案例