人类有很好的视力。与大多数动物相比，它们可以看到更长的距离、更多的颜色和更精细的细节。但是，进化来帮助人类在洞穴、草原和丛林中生存和繁荣的眼睛，无法与一个充满大国竞争、城市战争、恐怖主义和气候变化等复杂威胁的世界相匹敌。管理这些和其他现代风险需要有能力看到更多、更快、看得更好。
在美国，对视觉优势的渴望正在推动一场由太空精美商业图像驱动的遥感革命。受到商业发射能力成本下降和节奏加快的鼓舞，空间技术公司渴望用新一代有效载荷来升级他们的卫星，这些有效载荷可以更频繁、更经济、更高保真地捕获地球的高分辨率图像。
Maxar业界领先的WorldView Legion平台完美体现了这些雄心壮志。雷神公司WorldView Legion项目的技术研究员兼技术总监Keith Carrigan表示：“发射供应商的竞争已经降低了进入轨道的每公斤成本。”。“但是，为了充分利用这些低成本的发射机会，你需要继续减小大孔径、高分辨率传感器的尺寸、重量和功率，或者SWAP，这样你就可以将它们与成本较低的航天器配对。这是整体成本降低方程式的后半部分，这正是我们的工作所做的。”
2024年，计划中的六颗WorldView Legion卫星中的四颗被发射到低地球轨道。第五颗和第六颗卫星于2025年2月发射。每次发射都携带了一对配备雷神公司设计的成像仪器的卫星，这些仪器以最小的SWAP提供最大的分辨率，确切地说，与传统传感器相比，其分辨率要低两到三倍。经过15年的研发，这些仪器采用了创新的望远镜设计和比以前设计更坚固、更轻的新型光学材料。更小的相机电子设备和更轻的望远镜帮助Maxar将整个航天器的质量减少了两倍以上，这反过来又帮助它降低了发射成本和进入轨道的时间。
卡里根说：“大多数公司的资本支出有限，正在寻找优化其在市场上的能力的方法。雷神公司以较低的成本提供高性能传感器的能力使我们的客户能够飞行更多的卫星，收集更多的图像，这有助于像Maxar这样的公司更及时、更准确地掌握人类事件的脉搏。”。“我们已经看到了当前地缘政治冲突区、极端天气事件和时事的价值。Maxar分发用我们的望远镜收集的图像，这些图像与全球媒体以及世界各地的政府和商业客户共享，为实地发生的事情提供第二个真相来源。”
Maxar首席太空系统官Matt Jenkins表示：“雷神公司提供的传感器与我们的其他WorldView Legion设计创新相结合，有助于确保我们在未来很长一段时间内拥有30厘米的收集能力优势。”。“我们正在收集的30厘米级图像的质量是惊人的。随着六颗最先进的WorldView Legion卫星加入我们的星座，Maxar现在每天可以收集多达360万平方公里的高分辨率30厘米级的图像，并且每天可以重访地球上的一些地方多达15次——这是其他商业运营商无法比拟的能力。”
然而，雷神公司的新仪器之所以如此引人注目，不仅仅是因为它们的能力。这是雷神公司用来开发它们的过程，它利用尖端的数字工程实践来生产传感器，这些传感器不仅更小、更轻、更有能力，而且具有高度的可扩展性和极强的适应性。
Carrigan继续说道：“我们的目标不仅仅是为一个客户制造一台望远镜，而是开发一系列广泛的解决方案。”。“我们已经证明这些技术在轨道上是有效的。现在我们问自己：我们还能在哪里帮助作战人员或整个社区向前发展？使用相同的技术，我们可以在许多其他领域利用SWAP优势取得巨大成效。”
什么是数字工程？
传统上，数字工程侧重于工具和技术——使用计算机模型和数据分析进行产品设计、开发和交付——但在雷神公司，这一过程始于人，而不是机器。
Carrigan说：“雷神公司在应用新技术方面有着悠久的历史，我们能够捕捉客户的需求并提供更好的系统。这始于我们的领导团队。”。“我们的领导层拥抱变革，并表示：这个行业20年或30年来一直以同样的方式做事。其中哪些要素有点长？我们可以简化哪些方面？哪些技术和技术假设不如以前有效？”
在挑战现状的领导者的支持下，雷神公司的工程师可以自信地探索数字双胞胎等创新工具——可以在精确模拟现实世界条件的虚拟环境中操纵和测试的产品和系统的精确3D模型。
数字建模在WorldView Legion成像有效载荷的开发中发挥了关键作用。通过复杂的计算机分析，工程师成功地模拟了不同材料的性能，以确定其物理性能和操作优势。通过这样做，他们找到了不同材料之间的理想结合。Carrigan表示，其中一个具有较低的热膨胀系数，另一个具有较高的刚度重量比，他的团队将这些材料结合在一起，创造了一种获得专利的多材料反射镜系统，这是其下一代望远镜的心脏。
Carrigan说：“通过模拟同一光学系统中不同材料类型的行为，我们得到了一种望远镜，它具有与传统系统相同的有效热弹性和成像特性，但成本更低，重量更轻。”。
工程师随后使用望远镜的数字孪生模型来预测它将如何与Maxar的卫星集成，以及它在轨道上的表现。
Carrigan继续说道：“我们也接受了数字自动化。”他的团队创建了数字工作单元，可以自动记录其设计中即使是最小的螺母和螺栓上的扭矩。“我们甚至通过开发一系列执行器并专门设计望远镜，使其可以由机器进行对准，从而实现了望远镜光学对准的自动化。这种自动化缩短了实验室的接触时间，使我们每天可以操作更多小时，使光学对准和测试过程更加收敛和可预测。”
卓越的速度和质量
数字工程的好处既多又大。例如，最重要的因素之一是速度。
Carrigan说：“能够模拟传感器的完整性能，包括来自航天器和电子设备的输入，在开发速度方面是一个改变游戏规则的因素。”。“对于WorldView Legion，我们在12个月内进行了关键的设计审查，这意味着我们的设计过程非常成功。传统上，项目需要更长的时间才能达到这一里程碑。”
加速设计的数字模型也简化了制造。“拥有一个非常详细的系统模型，使我们能够使用基于模型的工作指令，而不是简单的文书工作指令，”Carrigan继续说道。“有了基于模型的工作指令，地板上试图弄清楚如何把东西放在一起的人不必阅读指令或与工程师交谈。相反，他们可以点击模型并在三维空间中查看它来识别，‘好的。这就是它的方向。’”
数字工作流程还支持质量和任务保证。因为它们可以实时更新，所以模型本质上是迭代的，允许工程师通过在测试和生产过程中进行的学习来不断改进设计和指令。
Carrigan指出，在组装和实施之前能够审计设计和制造过程“可以直接生产出更高质量的产品”，他说，使用数字工作流程的操作员可以使用一个不可篡改的系统实时记录质量和任务保证项目。“有一个系统可以提示您并帮助您记录关键的制造细节，这是一个比我们过去看到的更强大的质量管理系统，它通过允许您在流程的早期发现错误并减轻错误，转化为可负担性。”
扩大规模以取得成功
Carrigan建议，展望未来，数字工程最重要的好处可能是可扩展性，他说，基于模型的设计和仿真驱动的性能测试允许系统更有效地扩展或缩小，从而可以轻松优化不同尺寸和性能水平的设计，使同一系统可以适应多个用例。
新的成像系统就是这种情况，其底层设计和制造过程可以很容易地扩展到生产孔径大小在40厘米到150厘米之间的版本，以便在任何轨道上运行。Carrigan说：“该设计的SWaP优势在地球同步轨道和顺月轨道领域更为重要，在这些领域，一切都需要更多的能量来移动。”。这使得新的、激增的任务应用成为可能，如太空领域意识和非地球成像。
得益于数字工程的另一个好处——模块化，工程师可以在不重新设计整个望远镜的情况下轻松更换成像子系统——目前正在飞行的全反射多光谱可见光和近红外传感器可以很容易地进行修改，以用于需要其他光谱带的任务，如高光谱和中长波红外（IR）。
卡里根说：“我们最新的有效载荷是专门设计的，具有模块化、可互换的后端，这样你就可以在前端望远镜后面放置不同的任务模块。”。
这就是遥感有效载荷数字工程的前景：这不仅仅是SWAP的速度、效率和可负担性优势。对于国防和商业工业中的应用来说，这是关于使用它们来快速扩展和适应，以便从太空中清楚地看到地面上越来越看不到的东西。
