1 引言

随着全域通信、泛在互联、空天信息服务需求持续增长，空天地一体化网络以地面网络为基础、天基网络为骨干、空基网络为补盲，整合通信、导航、遥感、计算、感知等多维资源，形成全球化、立体化、智能化信息服务能力，成为各国空间战略布局的核心方向。以Starlink为代表的低轨巨型星座计划相继实施，数万颗卫星组网部署对网络设计、卫星研制、系统验证、在轨管控、运维保障提出前所未有的挑战。传统单星设计、分立验证、人工管控模式存在效率低、周期长、成本高、风险不可控等问题，难以支撑大规模、高动态、强异构的复杂网络运行。

数字孪生作为实现物理世界与数字世界精准映射、实时交互、闭环优化的关键技术，已在航空航天装备设计、制造、运维等环节得到广泛验证。将数字孪生与空天地一体化网络深度融合，构建可动态演化、可虚拟验证、可智能管控、可全局优化的数字孪生系统，成为突破网络研制与运维瓶颈的核心路径。现有数字孪生研究多面向单一装备或固定场景，缺乏面向空天地一体化网络这种多域、异构、动态巨系统的通用模型与标准化架构。

基于上述背景，立足空天地一体化网络的结构特征与运行规律，提出专用数字孪生系统模型与分层架构，明确关键技术体系与应用机制，为网络全生命周期数字化转型提供理论依据与技术支撑。

2 主要研究内容

2.1 空天地一体化网络数字孪生五维模型

五维数字孪生模型，由物理实体、虚拟实体、孪生数据、孪生服务、连接关系五大要素构成，实现对网络全域、全要素、全流程的数字化表达。

物理实体是系统的现实基础，按粒度分为单元级、系统级、复杂系统级三个层次。单元级包括星上路由器、天线、传感器、存储器等单机设备；系统级包括高/中/低轨卫星、高空飞艇、无人机、地面站、用户终端等独立节点；复杂系统级即由天基、空基、地基、海基节点互联构成的完整空天地一体化网络。不同层级实体可按需组合，支撑分层次仿真、测试与管控。

虚拟实体从几何、物理、行为、规则四个维度对物理实体进行精准映射，构建与实体一致的虚拟镜像。几何模型描述外形、尺寸、接口等结构特征；物理模型表征力学、热学、电磁等物理属性；行为模型描述轨道运动、姿态调整、数据转发、故障响应等动态行为；规则模型定义约束条件、决策逻辑、任务准则与应急策略，使虚拟实体可随运行数据持续迭代优化，无限逼近物理实体真实特性。

孪生服务分为支撑性服务与业务性服务两类。支撑性服务面向孪生系统自身运行，包括数据采集、清洗、存储、接口适配、模型管理、控制调度等；业务性服务面向网络实际应用，包括信息传输、导航定位、遥感测绘、广播中继、应急通信等，以模块化形式封装数据、模型、算法与流程，支撑各类任务执行。

孪生数据是系统运行的核心驱动，集成物理实体数据、虚拟实体数据、孪生服务数据、环境数据四类。物理实体数据包含卫星平台、载荷、轨道、姿态等参数；虚拟实体数据包含仿真结果、虚拟状态、演化过程等数据；服务数据包含系统运维数据与业务运行数据；环境数据包含轨道、电磁、气象、地理等外部约束数据。所有数据具备时序与空间标识，支撑虚实同步与智能决策。

连接关系实现五维要素内部及之间的互联互通，包括物理实体间连接、虚拟实体间连接、虚实映射连接、实体与服务连接、虚拟与服务连接。虚实连接是核心纽带，支持物理状态实时采集、虚拟模型动态更新、指令闭环反馈，实现以虚映实、以虚控实、以虚预实、以虚优实。

2.2 四层系统架构设计

该文提出实体层、资源层、编排层、应用层四层架构，实现从物理设备到上层服务的端到端数字化支撑。

实体层由物理实体与虚拟实体共同组成，涵盖天基、空基、地基、海基各类节点与设备，支持单元级、系统级、复杂系统级多粒度建模与仿真，为上层提供统一的实体抽象接口。

资源层作为系统中间支撑层，整合实体资源、数据资源、服务资源、模型资源、协议资源、环境资源，通过标准化接口与实体层双向交互，为编排层提供统一资源视图与调度能力，屏蔽底层异构差异。

编排层是系统智能中枢，负责用户需求解析、状态感知预测、全域资源调度、任务智能编排、仿真验证与性能评估。根据上层任务需求与底层实时状态，自动完成模型映射、流程生成、指令下发、结果回传，实现高保真模拟与自主优化。

应用层是人机交互入口，面向用户提供风险识别、态势监控、指挥调度、性能评估、可视化呈现等服务，通过多视图联动、全息影像、增强虚拟现实等技术，直观展示网络状态与运行趋势，支撑高效决策。

2.3 关键支撑技术体系

本文明确四大核心技术，支撑数字孪生系统高效构建与稳定运行。

数字仿真技术通过高保真建模复现网络结构、运行规律与复杂环境，支撑卫星设计、轨道优化、算法验证、任务规划、极端场景推演与故障注入测试，在全生命周期提供虚拟验证环境，降低实物试验成本与风险。

系统建模技术基于标准化体系架构与模型驱动系统工程方法，采用统一建模语言对网络需求、设计、制造、运维全流程进行规范化数字化表达，实现跨域、跨层级、跨系统的数据互通、接口统一与可追溯性保障。

人工智能技术利用深度学习、强化学习等算法，实现网络状态精准感知、多实体动态协同、任务智能规划、负载均衡、故障自愈与全局优化，提升系统在高动态、强异构、强扰动场景下的自适应与自主决策能力。

大数据技术面向海量、多源、异构、时序数据，提供全流程采集、清洗、融合、存储、挖掘能力，通过历史数据与实时数据联合分析，优化模型精度、预测运行趋势、支撑健康管理与星座协同管控。

2.4 技术挑战与发展展望

当前空天地一体化网络数字孪生仍面临三大挑战：一是多物理场耦合模型与高保真虚拟实体构建能力不足；二是多源异构数据标准化程度低、数据积累不足、价值挖掘不充分；三是数字化研制周期与卫星快速部署需求不匹配，工程落地受限。未来需在模型保真、数据治理、虚实联动、工程适配等方向持续突破，推动数字孪生在网络优化、在轨运维、巨型星座管控等场景规模化应用。

3 关键内容归纳

3.1 空天地一体化网络五维数字孪生建模

构建物理实体、虚拟实体、孪生数据、孪生服务、连接关系五位一体的系统模型，实现网络全域多维度、多层次、多粒度统一数字化表达，为复杂网络数字孪生提供基础理论模型。

3.2 多尺度虚实映射与动态演化技术

从几何、物理、行为、规则四维度构建虚拟实体，支持随数据迭代自优化，实现单元级、系统级、复杂系统级三级实体精准镜像与动态同步，保障虚实一致性。

3.3 四层协同架构与资源编排

设计实体-资源-编排-应用四层架构，实现异构实体统一接入、全域资源抽象调度、任务智能编排与服务可视化输出，屏蔽底层异构差异，提升系统通用性与扩展性。

4 核心创新点提炼

4.1 模型创新：提出空天地一体化网络专用五维数字孪生模型

突破传统数字孪生面向单一装备或固定场景的局限，针对空天地网络高动态、强异构、巨系统特征，构建包含物理、虚拟、数据、服务、连接的五维统一模型，完整刻画网络全域要素与交互关系，填补领域通用模型空白。

4.2 架构创新：设计四层协同式数字孪生系统架构

提出实体层、资源层、编排层、应用层分层解耦架构，实现从物理设备到上层应用的纵向贯通与横向协同，支持多粒度实体接入、异构资源调度、智能任务编排与可视化服务交付，具备良好通用性、扩展性与工程可实现性。

4.3 体系创新：形成全链条关键技术支撑体系

系统梳理数字仿真、系统建模、人工智能、大数据四大技术的协同作用机制，构建覆盖建模、映射、调度、优化、服务全流程的技术体系，为空天地一体化网络数字孪生落地提供完整技术路径。

4.4 应用创新：支撑巨型星座高效管控与全域服务优化

面向数万颗卫星巨型星座，提供高保真仿真、全局态势感知、智能任务编排、故障预测自愈能力，解决动态拓扑、异构接入、路由切换、资源竞争等行业痛点，提升网络可靠性与服务能力。

5 结论

面向空天地一体化网络规模化、智能化、高效化发展需求，本文将数字孪生技术与空天地信息网络深度融合，提出五维系统模型与四层架构，明确四大关键支撑技术，系统构建了领域内完整的数字孪生理论与技术框架。研究成果有效解决了传统模式下网络设计难、验证难、调度难、运维难等问题，可为数字孪生系统的理论研究、技术研发、工程实现与标准制定提供重要参考。

未来，随着模型精度提升、数据治理完善、人工智能与大数据技术深度赋能，空天地一体化网络数字孪生将逐步实现全流程、全要素、全业务数字化与智能化，推动卫星网络从传统管控向自主智能、从物理分立向虚实协同、从人工经验向数据驱动转型，为全球全域泛在互联、空天信息高效服务提供核心支撑，对我国空间信息基础设施高质量发展具有重要战略意义。

参考文献：面向空天地一体化网络的数字孪生系统架构，赵晶等，电讯技术