面向在轨服务遥操作技术的研究与展望*

2008-12-12孙富春吴凤鸽刘华平

空间控制技术与应用 2008年1期

关键词：操作员航天器时延

孙富春，吴凤鸽，刘华平

（清华大学计算机科学与技术系，北京l00084）

面向在轨服务遥操作技术的研究与展望*

孙富春，吴凤鸽，刘华平

（清华大学计算机科学与技术系，北京l00084）

回顾了面向在轨服务遥操作技术的发展现状。针对现代航天器对在轨服务的技术需求，分别从系统结构与体系结构、控制模式、控制技术等方面论述了面向在轨服务遥操作技术需要研究的主要关键技术问题。最后，对遥操作技术的未来发展进行了展望。

空间飞行器；在轨服务；遥操作

1 引言

随着航天技术的发展，太空竞争愈加激烈，越来越多的航天器被发射到太空执行各种任务。当航天器自身携带的燃料用尽或者功能单元老化失效就会导致航天器使用寿命终结。如何提高航天器在太空轨道的生存能力，增强其控制效能是未来航天器在轨服务的难点和热点问题。

远程控制和网络通信技术的发展为解决上述问题提供了可能。空间飞行器可以借助遥操作技术提供各种在轨服务，包括在轨航天器的捕获、加注和维修更换等操作，达到延长在轨航天器的服务寿命、提高其灵活执行多种空间任务的目的。这种操作手段对于提高空间应用效率，降低系统成本都大有好处。因而从长期发展角度来看，面向在轨服务的遥操作技术将成为我国未来探索与控制太空必不可少的一项应用技术。

2 面向在轨服务遥操作技术的发展

遥操作技术是一种达到人与实验设备之间远程交互的技术手段，根据控制对象的不同，到目前为止在轨服务的遥操作技术已经发展了两代。

加拿大设计制造的航天飞机专用空间机械臂系统（SRMS）[l]随哥伦比亚号航天飞机一起升空，从航天飞机上释放，并用其捕捉和回收有效载荷，为宇航员提供工作平台。其控制方式是典型的主从式遥操作，主端由宇航员控制。

空间站遥控操作系统（SSRMS）较先前研制的SRMS要更加先进，可进行力矩测量，操作手借此可了解到臂的推力或拉力有多大。图l为SSRMS机械臂。与航天飞机不同，空间站上不大可能通过窗口来观察机械臂的动作，即使能看到，也难以判断远近。为了解决这个问题，专门设计了图像显示监视系统。日本开发的日本实验舱遥控机械臂系统（JEMRMS）[2]安装在空间站日本实验舱（JEM）本体部分，在Exposed Deck作业台上做各种有效载荷的安装和维修作业。JEM机械手的操作是由JEM给压室内设置的2根单向操纵杆进行控制，分臂具有双向力反馈。此外，还有欧洲机器人手臂（ERA），俄罗斯的主从机械手设备（PELICAN）等。这种用于载人飞船、航天飞机与空间站的机械手分别进行了多次有宇航员协助的在轨服务，包括对接、物质补给、燃料加注和维修等等。

图l SSRMS机械臂

由宇航员通过机械手直接进行的空间操作对宇航员要求很高，且工作强度大。为了减少宇航员空间活动的高风险性，节省时间和成本，达到长期在轨服务的目的，人们开始关注利用自由飞行机械手完成在轨服务的遥操作技术。

l993年，德国在哥伦比亚航天飞机的密封实验舱中进行了空间机器人实验（ROTEX）[3]。ROTEX既可以由宇航员借助摄像机进行在轨遥操作，也可由地面人员进行地面遥操作。它通过一个数据中继航天器和一个通信航天器实现通信回路，延迟大约为6s。该装置具有远地环境三维计算机预测和立体显示能力，验证了基于传感器的离线编程操作技术，并完成了轨道替换单元（ORU）的插拔、桁架装配及抓取物体等任务。这是人类第一次在空间完全由机器人进行的在轨操作。l997年，日本进行了空间机械手的飞行试验（MFD），宇航员在航天飞机的增压舱内通过监视屏幕花费l6h进行了更换单元和开关门的试验，以对机器人操作控制性能和作业性能进行评价。

日本技术试验卫星ETS-Ⅶ[2，4]的成功发射是在轨服务遥操作的一个里程碑。主要实验内容包括地面遥操作空间机械臂的试验、卫星姿态与星载机械臂的协调控制和在轨卫星服务试验。地面遥操作试验采用了多种力反馈技术，包括可视化预测力方法、基于预测力的地面遥控以及可视化力反射和力调节控制方法。地面系统有两种机械臂控制模态：主从控制与自主控制。在主从控制中，地面操作员通过两个操作杆控制装在航天器上的机械臂。根据从机械臂上的CCD摄像机得到的原始视觉图像和从航天器得到的遥测数据，为操作员提供星上机器人系统的状态。

近年来，美国的遥操作研究和试验从最初的主从模式转变为半自主模式，并向自主模式过渡。美国国防高级研究计划局（DARPA）组织实施的“轨道快车”（Orbit Express）计划历时7年，花费3亿美元，于2007年3月8日发射，演示了低成本在轨服务途径与自主在轨服务的技术可行性。图2为轨道快车对接图。历经3个月的轨道快车演示实验，成功演示了自主分离、接近、对接、捕获。在“轨道快车”燃料补给任务中，ASTRO航天器成功地将近l4.5kg（32 lb）肼燃料输给了NextSat航天器，并在NextSat航天器上更换了一块电池。这些任务的自主程度是不同的，例如燃料补给中，地面发出了23条核准命令。“轨道快车”任务在发射后不久就遭遇了一次小故障，ASTRO上一条动力齿轮安装错误，导致这艘飞船执行了与导航系统相反的命令。这次故障涉及硬件和软件两方面的问题。飞行控制人员依靠NextSat航天器的导航系统来确保ASTRO太阳电池板朝向太阳。在上载新的软件后，ASTRO的命令才让齿轮按照预想转动。

欧洲一些国家计划发射在轨服务空间飞行器。我国部分研究机构很早就开展了遥操作技术的研究[5～7]，然而面向在轨服务的遥操作技术还处于起步阶段。

从上述情况来看，在轨服务的实现将依赖人力与自主控制的配合。对于一些复杂的在轨服务，地面人员将通过远程交互方式直接将位于太空的航天器与地面控制中心连接在一个回路中。这种遥操作手段能够增加空间各系统的安全系数，确保在轨服务的可靠性和高效性。

图2 轨道快车对接图

3 面向在轨服务的遥操作关键技术

与地面遥操作相比，面向在轨服务的遥操作技术最主要的问题是空间与地面通信中存在较长时间延迟。通信延迟包括遥控指令延迟和遥测信号延迟。以ETS-Ⅶ为例，其时延达到了5～7s。在存在时延情况下，即使操作者完成简单工作也需要比无时延情况花费较长时间，这时操作者为避免系统操作不稳定，必须采取“运动-等待”的阶段工作方式。除此以外，缺乏对工作环境的了解，受到热、辐射、真空、变化的光照环境和对目标视觉条件有限等因素影响，微重力引力，任务具有重复性，对遥操作设备的后勤服务能力有限等因素也影响遥操作技术的实施[6]。

根据在轨服务遥操作技术特点，应当避免地面控制中心向空间机器人频繁发送遥控信号。过长的信息延迟与过快的决策控制出现在一个系统回路中时，完全有可能引发不可靠的结果。所以，正常的操作过程以人的最少介入为好，更为现实的做法是对将由机械手自动进行的操作进行宏观组合，而在修改操作步骤或是处理意外情况时，则需要充分运用遥操作的交互能力，最有效地利用人的知识、经验与设想加以最大限度地干预。

为了完成在轨服务的功能，遥操作系统往往包含很多功能子系统，如预测仿真、通信、本地自主和多传感器信息融合等，使得系统结构复杂和庞大。如何合理设计和组织遥操作系统，如何有效地进行人机协作以及如何对提出的方法理论进行验证等是面向在轨服务的遥操作技术中需要解决问题。下面将论述面向在轨服务遥操作的一些关键技术。

3.1 面向在轨服务的遥操作控制方式研究

根据空间机器人智能程度的高低，遥操作可以分为3种方式：主从遥操作、半自主遥操作和自主遥操作。

主从遥操作是在时延较小或没有时延的场合，主手和从手之间根据视觉信息和双向力反馈使从手跟随主手运动。这种控制方式下的机器人智能程度较低，遥操作质量由操作员决定，不仅要花费很长时间训练操作员，而且操作员工作时劳动强度大，易疲劳，难以完成高精度操作。

半自主遥操作，又称共享遥操作。在这种控制方式中，机器人控制系统具有一定的智能程度，工作目标的部分自由度（或部分工作目标）由操作员控制，而其它的自由度（或工作目标）则由控制系统控制。这种控制模式减轻了操作员的工作强度，大幅度地提高了工作效率。

自主遥操作，又称监测遥操作。监测遥操作系统中远程回路利用传感器反馈信息，自主完成操作现场的工作目标；监控回路估计空间机器人系统的工作效能，设立新的工作目标，必要时由人直接控制机器人的动作；本地回路提供空间机器人状态和工作环境，预报下一个动作。监测控制技术的应用，将操作员排除在远程回路之外，避免了时延的影响，同时操作员又可随时干扰空间机器人的工作情况，大幅度地提高了遥操作机器人的工作效率，增加了系统灵活性。

采用何种遥操作控制方式依赖于在轨服务的步骤与任务。完成在轨服务的前提是进行服务星与客户星的对接。在对接过程中捕获阶段可以有两种模式：直接捕获和自由飞行捕获。直接捕获是使空间机器人机动到“捕获包络”中，执行轨道保持，直到使用对接机构将客户星固定；自由飞行捕获是使用机械臂抓取客户星并对其执行停靠操作，这是一种更加安全的捕获模式，适用于捕获具有巨大附属肢体或者机动能力差的航天器，也能减轻羽流的影响。选用何种捕获模式直接影响到选用何种遥操作控制方式。对接完成后就可以执行燃料传输或者单元更换等在轨服务任务。燃料传输可以选择对接部分的流体连接器，利用流体输送泵或贮箱再压缩技术进行肼推进剂的传输，或者采用间接传输。先执行ORU更换，在ORU中有一个燃料罐和一套在航天器平台上连接该燃料罐和其它燃料罐的液体连接器，然后进行燃料传送。其关系如图3所示。

实验研究表明，由于空间作业环境的复杂多变性，让空间机器人完全自主地完成各种空间作业任务是不现实的，它往往需要宇航员或地面操作人员进行必要的监控和遥操作。同时，由于受天地之间的通信大时延和微重力影响，用宇航员或地面操作人员的肉眼作为操作依据往往容易造成误判，甚至失去遥操作的因果关系，造成遥操作的失败或设备部件的损坏。需要针对不同的阶段步骤选用不同的遥操作控制方式，得到燃料最省、时间最短和负荷最小的条件下进行对接在轨服务遥操作控制步骤，保证在轨服务任务的成功。

图3 在轨加注与单元更换任务分解图

3.2 面向在轨服务的遥操作系统设计

面向在轨服务的遥操作系统结构需要满足如下的设计要求：

（l）用最少数目的操作员控制空间服务卫星，监控和操作航天器的操作员人数决定航天器操作的主要经费。

（2）在存在延时及有限通信能力情况下也能容易操作。众所周知，大于几秒的延时使得遥控操作相当困难。

（3）采用模块化设计以便对一些易老化损坏的部分进行单元替换。

据此我们设计了在轨服务遥操作系统的方框图，如图4所示，它由空间卫星系统与地面控制系统组成，其中任务协调模块分别接收来自操作者发出的控制命令和接收到传感器信息，根据一定原则对操作者的命令进行处理：接受、拒绝或等待，并将此信息发回主操作端。如果安全信息返回正常，则继续运行程序，进入轨迹规划模块；否则调用异常处理模块。任务解释模块能够将操作者发出的操作命令和各种传感器返回的系统信息转换为底层控制所需的格式。这样的系统结构可以进行主从遥操作，半自主遥操作以及自主遥操作，但是还需进一步细化系统结构模块，设计或者选择相应合适的遥操作机构以及利用软件仿真、半实物仿真验证系统结构是否满足设计要求，改进在轨服务遥操作系统。同时还需设计能够接收空间在轨服务的客户星遥操作系统，两者能够很好的互相配合也是能够实现在轨服务的关键。

图4 遥操作系统的方框图

经过分析比较国内外先进的遥操作系统体系结构，我们认为基于任务的分层体系结构模型是一个较好的选择，与面向在轨服务的遥操作系统模块化设计思想相一致。这样的设计比较符合遥操作技术的需求。为了更好的描述遥操作结构，可以针对在轨服务的不同阶段设计相应的体系结构，并对比较复杂的系统模块设计相应的子系统体系结构。

3.3 基于Agent的遥操作参考模型与控制技术

在轨遥操作系统中的长时延使整个遥操作控制系统的设计具有挑战性，即长时延的存在将导致系统性能下降，甚至是系统的不稳定。此外遥操作系统的透传性、同步性很难得到保证。

现有的方法往往只解决系统某些方面的问题。基于电路网络的无源通信法则对解决短时延问题具有很好的效果。而在长时延情况下，要保证系统稳定又具有良好的可操作性则显得无能为力，并且它只是系统稳定性的一个充分条件，具有较大的保守性，系统在不满足无源性的条件下仍可能是稳定的。LOG控制、H∞控制和Lyapunov-like函数等方法虽然可以得到较好的系统性能或者优化指标意义下的稳定控制，但需要对系统的时延有足够的了解。基于事件的方法也可以得到对任意时延的稳定控制，且不需知道时延的任何特性，但系统的操作性能却有待改善，尤其是如何寻找一个合理的非时间参考变量是一个技巧问题。

采用基于Agent的“按需求进行控制”为遥操作技术提供了一种解决方法。这一方法的基本思想就是将整体控制算法分解成许多面向任务的简单控制模块，并利用代理技术将它们包装成可在通信链路上转移的代理，即控制代理。利用这些代理来控制空间机械手，就可以根据运行条件的变化派遣或回收控制代理，从而实现对它的“按需求进行控制”。面向在轨服务的空间服务星只需要支持正在运行的控制代理，而不是同时支持全程工作所需要的所有的代理，从而大大降低所需的内存与计算能力。同时也可解决指令控制“移动-等待”模式造成系统动态性能差，难以实现连续操作和精细操作的问题。代理控制研究的重点将是利用Petri网建立代理控制的解析方法，为基于代理的遥操作系统设计和实现奠定基础。

此外还有多种关键技术需要研究，例如建立预测虚拟仿真所需要的增强现实技术、多种力反馈技术以及为了验证遥操作理论而建立面向在轨服务的地面演示验证平台的相关技术等。

4 遥操作未来技术展望

实用化的遥操作工程系统应该具有优良的人机交互功能，以便以友好的方式充分发挥操作员在回路中的作用。在这一总体发展趋势下，遥操作需要重点发展的技术包括：

（l）交互式未知环境建模技术。面向在轨服务的环境建模要求通过星载传感器采集环境数据，然后与操作员的高层决策进行充分交互。这方面需要有机融合知识库管理、操作员决策等多方面因素。最终能够针对未知环境建立起适合在轨服务的遥操作环境模型。另一方面，由于操作员感知能力的局限性，容易造成操作效率不高、甚至失误的情形。实际系统应能提高辅助支撑系统，充分利用传感器返回的信息及虚拟场景的布局，自动生成遥操作策略供操作者参考或选择。

（2）协同遥操作。现有的遥操作系统大多针对单操作者单操作对象。然而，复杂的在轨服务工作往往需要多个操作者并行地对多个设备进行协调遥操作。如何处理操作员间的协同和操作对象之间的协同是遥操作系统走向大规模实际应用的重要问题。

（3）双边控制。双边控制[8，9]是遥操作性能提高的重要措施。但目前的双边控制技术无论是理论上还是工程上都未能突破大延时的限制。未来的研究应围绕总体提高双边力控制性能展开，包括对大时延的容忍性和提高过渡过程性能等。这方面不仅要进行工程验证，更需要相关理论工作的支持。

（4）性能评价体系。鉴于遥操作在空间在轨服务中的重要性，有必要针对空间在轨服务的实际需要建立起完善的遥操作性能评价体系。具体而言，不仅需要拟订空间在轨服务的遥操作典型任务，还需要针对遥操作不同环节拟订具有针对性的性能指标，最终形成一套科学实用的性能评价体系，以促进遥操作的研究朝着定量化和工程化的方向发展。

5 结论

面向在轨服务的遥操作技术在空间应用中具有经济性、可靠性与安全性，适合于我国国情，对该领域的研究和探索是一件非常有意义的工作。我国在这方面起步较晚，与美欧日等航天先进国家相比，还存在着一定的距离，因此需要我们对这方面的研究给予更大的关注和投入。

[l]Beland S等著，潘科炎译.加拿大的空间机器人——从国际空间站的灵敏作业机器人到行星探测机器人[J].控制工程，200l，（2）：22～29

[2]孙增圻.美日俄等国和欧洲的空间机器人技术[J].国际学术动态，l998，（2）：l3～24

[3]Hirzinger G，Landzettel K，Fagerer C.Telerobotics with large time delays-the ROTEX experience[C].Proc.IEEE Int Conf.Intelligent Robots and Systems，l994，Munich，Germany，57l～575

[4]孙增圻.ETS-Ⅶ卫星的空间远程机器人实验系统[J].863航天技术通讯，l998，（2）：47～55

[5]曾庆军，宋爱国，黄惟一.时延下空间遥操作机器人系统工作模式研究[J].宇航学报，2003，24（2）：l80～l84

[6]李成，梁斌.空间机器人的遥操作.宇航学报，200l，22（l）：95～98

[7]庄骏，邱平，孙增圻.大时延环境下的分布式遥操作系统.清华大学学报，2000，40（l）：80～83

[8]Anderson R J，Spong MW.Bilateral control of teleoperators with time delay[J].IEEE Transactions on Automatic Control，l989，34（5）：494～50l

[9]Niemeyer G，Slotine J E.Telemanipulation with time delays[J].International Journal of Robotics Research，2004，23（9）：873～890

Research and Prospects for Te1e-Operation in On-O rbit Servicing

SUN Fuchun，WU Fengge，LIU Huaping
（Department of Computer Science and Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The state of the art for tele-operation technologies in on-orbit servicing is briefly reviewed in this paper.Some key technologies，such as control mode，architecture and control technigues，are proposed and discussed through analyzing tele-operation characteristic for on-orbit servicing.The prospects of future tele-operation technologies are also highlighted.

spacecraft；on-orbit servicing；tele-operation