2021 年 12 月 14 日，北京电子工 程总体研究所发布“虚拟孪生-元宇宙协同建模仿真方法研究”的军工需求公告，要求各单位针 对元宇宙、虚拟孪生等新型虚拟环境交互理念对作战训练带来的新理念新启示开展支撑虚拟孪生 复杂性、动态性的元宇宙体系描述方法、物理引擎等技术研究，采购阶段为预研。自此，军工与 元宇宙相结合，国内各企业开始积极布局元宇宙在军事方面的应用。
仿真技术应用于军事系统，主要有武器平台仿真、作战指挥仿真、战略决策仿真。武器平台仿真 是指对单件武器装备平台或多件武器装备构成的武器系统仿真，主要目的在于对新武器系统研究 设计、武器系统性能评估以及对新武器的人员训练；第二层次是作战指挥仿真，利用计算机模拟 战场环境，用于对作战指挥员进行指挥训练、对作战方案进行评估等；第三层战略决策仿真是指 建立虚拟国家安全环境，对战略层次决策进行研究评估、预测、模拟，着重于决策过程和行为结 果的仿真。据统计，通过仿真技术可缩短导弹武器研制周期 20%-40%、减少鱼雷试航次数 50%-80%、缩短舰船作战系统联调时间 40%-60%。
军工元宇宙严格保密、仿真计算、实时交互，将显著提升各类军事活动综合效益。通过元宇宙， 1）教育：集中院校军事教育，更直观地展示教学内容；2）训练：满足大规模作战背景下的实战 化训练，帮助积累模拟作战经验；3）研究：基于新兴装备、战术推演平台，协调各地专家资源、 借力虚拟 AI 扮演作战力量、集中利用算力，从而完善推演过程；4）试验：提供等效仿真实战场 景，有效测算装备参数变化，助力新型武器装备设计。2019 年，韩国 OPTIMUS 公司研发基于 元宇宙的军事训练系统 DEIMOS 为专业军事训练创造各种环境，包括精确射击训练、战术行为 训练和观察训练，已经应用于韩国武装部队训练中。
军工元宇宙以因果即现为最终目标。元宇宙本质上是通过将物理世界映射到数字化平行空间，是 一种对虚拟技术的应用。通过云仿真平台实现承载海量实体实时参与的仿真环境，同时记录过去 军事模拟行动轨迹作为数字资产保留，是其重要应用。更进一步，在平行空间中“模拟”物理世 界运行状态，极端算力支持下甚至可以超前得到物理空间运行结果，是军事元宇宙的理想状态。
3.1.2 数字孪生及其军事应用
数字孪生以数字化方式实现物理实体与虚拟世界的信息互通和高度融合，实时、准确地促进物理 世界与信息世界的交互。2003 年密歇根大学 Michael Grieves 教授提出数字孪生概念，即一个或 一组特定装置的数字复制品能够抽象表达真实装置并能以此为基础进行真实条件或模拟条件下的 测试。2011年美国空军研究实验室 AFRL将这一概念引入飞机机体结构寿命预测；2012年NASA 提出数字孪生是利用模型、数据采集器、运作过程等，融合多学科和多维度的仿真过程，是对实 体对象的实时仿真，镜像地体现仿真对象的全生命周期状态，这一概念被广泛接受。（报告来源：未来智库）
数字孪生为元宇宙实现提供现实支持，是元宇宙的第一阶段。元宇宙构建的三个阶段是数字孪生、虚拟原生、虚实融生，最终实现现实与 虚拟世界的密切融合、互动、交织。数字孪生作为元宇宙的第一阶段，以现实空间为模型，通过 传感器等外部感知元件，在将物理对象映射到元宇宙的同时分析其数字孪生体的行为并将其反映 在现实世界中，形成现实与虚拟的实时交互，为元宇宙准确模拟物理空间并进行预测提供必要的 技术和理论支撑。
数字孪生助力航发。航空发动机作为在高温、高压、高转速、交变负荷等极端条件下重复使用的 热力机械，研发难度大、周期长、风险高等因素限制其进一步发展。通过应用数字孪生技术，在 真实发动机运行过程中通过传感器测量状态参数、性能变化、功能实现、结构强度等，在虚拟空 间建立模型模拟发动机在现实环境中的功能、性能和演变趋势，提前验证性能、参数等对产品的 影响，最优化运行方案并使得成功可能性最大化。在此过程中，保证虚实之间高度一致性，从而 指导航空发动机的进一步研发。
目前数字孪生技术已在美俄发动机研发领域发挥重要作用。2018 年，罗罗公司将发动机实体工作 时的场景映射到数字孪生体，改进和调整发动机的运行状态，实现发动机高效维护；通过为每个 发动机的叶片创建数字孪生体，于2019年成功测试“超扇”发动机设计方案。俄罗斯航空发动机 行业也将数字孪生技术看做未来发展的重中之重，预计在 2024 年完成数字孪生技术引入工作。 2019 年年底，俄罗斯圣彼得堡理工大学完成涡桨发动机第一阶段数字孪生技术开发项目，预计可使该型发动机质量减轻 50%；同时，联合发动机公司（UEC）下属土星科研生产联合体在进行发 动机台架试验时建立数字孪生体，可实时了解发动机工作过程，有效查找和排除台架试验阶段发 现的问题。
数字孪生助力产品全生命周期协同，能科科技数字孪生解决方案发布并投入使用。2019年，能科 科技发布公告称将其募集资金用于“基于数字孪生的产品全生命周期协同平台”项目，投资额 1.79 亿元，于 2021 年 7 月进入使用状态并达到预计效益。公司本身具有较强的制造企业数字化 能力，其为北京动力机械研究所建设的数字化柔性生产线设备利用率提升 11%，生产成本降低 12.8%，生产及后勤人员减少 70%。2021 年，公司陆续发布数字孪生方案在船舶海工、航空航天、 兵器军工等方面的应用概述，可降低设计失误风险、提升装配可生产性、缩短研制周期。
元宇宙基于数字孪生技术应用于军事战场。2019 年 10 月，美国海军信息战系统司令部为“林肯” 号航母构建首个名为“数字林肯”的孪生体，提升装备可靠性、降低作战风险。现代战场是海陆 空天、信息、网络、心理七位一体联合作战，数字特征设计和特征数据及时获取困难较大，数字 孪生技术难以完全覆盖。元宇宙基于更全面的信息交互技术，有望构建平行作战空间、囊括战争 要素，利用雷达、卫星、无人机、电磁侦察等各类传感器形成智能化战场情报收集和自动研判体 系，实时掌握战前和交战过程中敌我情况及战场环境变化，实现对多种作战方案的智能化推演和 评估，支撑未来虚实一体的平行战争。
3.1.3 海外进展
美国航空国防领域最早应用数字孪生技术。NASA 早在阿波罗项目中就使用数字孪生技术，建立 空间飞行器完全镜像空间飞行器孪生体，通过对地面孪生体的仿真实验预测正在执行任务的空间 飞行器行为和状态。2010 年 NASA 发布的“建模、仿真、信息技术和过程”路线图中明确数字孪 生发展愿景；到2013年，美国空军发布《全球地平线》顶层科技规划文件，其中将数字孪生技术 视为“改变游戏规则”的颠覆性技术。
2014 年起美国军工巨头开始推进相应技术研发，波音、洛克希德-马丁、通用电气、普惠等公司 开展一系列应用研究项目。美国空军与波音合作构建 F-15C 机体数字孪生体，综合利用计算机材 料学和多尺度仿真模型，实现材料微结构不确定性以及结构组件寿命预测。洛克希德-马丁公司在 F-35 研制过程中，构建了进气道数字孪生体，支持劣品处理决策，使 F-35 进气道加工缺陷的决 策时间缩短了 33%，获得 2016 年度美国国防制造技术奖。空壳集团构建装备配线数字孪生体， 优化 A350XWB 飞机装配流程，提高运行效率，提升 F-35 的生产速度，预计将每架 22 个月的生 产周期缩短至 17 个月。达索航空公司将基于数字孪生理念建立的 3DExperience 平台应用于“阵 风”系列战斗机和“隼”系列公务机的设计和改进，降低浪费 25%，首次质量改进提升 15%以上。
GE 公司持续推进“工业数字化”战略转型。2012 年，GE 正式提出“工业互联网”概念，次年 成功开发软件平台“Predix”，起初作为 GE 飞机引擎配套软件服务，后被定义为在工业应用中 基于云的操作系统，逐渐覆盖 GE 旗下各大业务板块。2015 年 GE 成立“GE Digital”并宣布将 Predix 全面对外开放。2018 年发布《GE 的长期数字化计划》，重申 GE 将继续数字工业化转型 之路，不断提升企业创新能力。
GE 航空公司将数字孪生技术应用于发动机开发领域。2015 年，GE 基于数字孪生体，实现对发 动机的实时监控、及时检查和预测性维修；此外，建立波音 777 飞机 GE90 发动机叶片数字孪生 体，通过汇总设计、制造、运行各阶段积累的数据及发动机实体在各阶段的情况，实现对发动机 运行过程进行精准监测、故障诊断、性能预测和控制优化。公司拥有 120 万个数字孪生体、超 330 种数字孪生“蓝图”，包括喷气式发动机、近海石油钻机、发电设备、压缩机等，为日常运 营和成本维护节省了 15 亿美元。
围绕军工元宇宙、虚拟孪生，目前部分国内企业可提供软硬件、设备、系统支持，并围绕相关项 目开展研发、验证和实装工作。硬件方面，泰豪科技和川大智胜中标军方 VR/AR 项目、运达科技 和航天发展可提供模拟训练设备、海兰信可架构海底数据中心；软件方面，华力创通具有仿真解 决方案、观想科技可提供装备信息化、能科科技助力数字孪生建设等。当前元宇宙概念火热背景 下，一些公司相关研发开展领先、已经有成熟技术、相关产品投入使用，更加具有长期配置价值， 有望在军工元宇宙、企业数字化转型下迎来新的发展机会。
3.2 商业航天
商业卫星产业是商业航天经济的主要构成部分，卫星互联网前景广阔。商业航天领域是军工技术 外溢的典型案例，是航天领域军民融合深度发展的突破口，全球商业航天产业可分运载火箭、人 造卫星、载人航天、深空探测及空间站五大方向，其中载人航天、深空探测及空间站产业尚处于 萌芽阶段，整体规模较小，因此人造卫星以及与卫星发射相关的商业运载火箭产业构成了目前太 空经济的主体。根据 Statista 预测，全球航天经济规模到 2030 年将达到 6000 亿美元，基于卫星 互联网的卫星宽带市场将增至 460 亿美元，2020-2030 年之间增长 5 倍，衍生应用市场将增至 990 亿美元、2020-2030 年增长约 100 倍，为全球商业航天及应用服务企业提供广阔发展空间。 卫星互联网是地面通信手段的重要补充，能够有效实现全球的覆盖及服务。
卫星互联网进入快速发展阶段，国际巨头竞相布局这一新赛道，太空圈地运动如火如荼。美国、 英国、加拿大、俄罗斯等国政府、军方、企业纷纷提出卫星互联网星座发展计划，其中“星链” 项目是目前发展最快的。星链是美国 SpaceX 公司计划推出的一项通过低地轨道卫星群，为全球 任何地方的住宅用户、商业用户、社会公共机构、政府以及专业用户提供类似光缆的宽带低时延 互联网接入及通信服务的项目。
该项目计划在 2019~2024 年在太空搭建由约 1.2 万颗卫星组成 的“星链”网络，并于 2018 年 2 月 22 日发射首批测试卫星，在更长远的计划中，SpaceX 将 发射 4.2 万颗低轨卫星，这些卫星将在近地空间连点成线、织线成网。截至 2021 年 11 月 13 日 首次部署第四个轨道层，“星链”卫星已累计发射 1844 颗，在轨 1719 颗，空间操作 1696 颗， 正式运营 1454 颗。
除此之外，“行业龙二”英国 OneWeb 在经历**后发展步入正轨，目前已发射 322 颗在 轨卫星；2021 年 11 月 5 日，亚马逊向 FCC 提出申请，将 Kuiper 网络的卫星数量增加到 7774 颗，从而向 SpaceX 发起挑战；2021 年 11 月 3 日，美国联邦通信委员会（FCC）宣布批准了 航空业巨头波音于 2017 年首次提出的发射和运营 147 颗卫星以提供高速宽带互联网接入的申请。
行业龙头关注商业卫星投资机会。波音为了保证其在现代太空竞争中保持领先地位，近年来在商 业卫星领域动作不断。先后对纳米卫星物联网公司 Myriota、卫星推进系统公司 Accion Systems、下一代集成卫星终端解决方案供应商 Isotropic Systems Ltd 和航空航天光通信公 司 BridgeSat 等进行投资。
此前国内国有和民营的卫星星座计划整体呈现多点开花、分兵而战的格局。2018 年航天科技集 团宣布全球低轨卫星星座通信系统“鸿雁星座”计划，分三期建设共计 300 余颗卫星，目前仅于2018 年底成功发射首颗“鸿雁星座”。民营低轨通信卫星初创公司银河航天规划组建的 “银河 Galaxy”低轨宽带卫星星座，由上千颗自主研发的 5G 卫星组成近地轨道组成网络星座，2020 年 1 月首发星成功发射。
