美国国防高级研究计划局启动“地球同步轨道卫星自主服务”项目

王雪瑶 宋博（北京空间科技信息研究所）

美国国防高级研究计划局启动“地球同步轨道卫星自主服务”项目

DARPA Started the RSGS Program

王雪瑶 宋博（北京空间科技信息研究所）

1 项目背景

目前，美国已有价值超过10亿美元的单个在轨系统。特别是在地球静止轨道（GEO）上，美国的在轨资产远超其他国家。有许多商用卫星和军用卫星正用于通信、气象预报和国家安全服务等。如果这些卫星一旦出现故障，现有技术不能对这些卫星进行故障部件的检测和诊断，更不能进行升级和维修。每年约有15颗商业通信卫星或者1～2颗政府卫星会达到设计寿命，因此，虽然这些卫星的某些系统功能依然很好，但这些卫星在未经检验和未修理升级的情况下被移至坟墓轨道。还有许多卫星因为无法进行能力升级，不能满足市场不断变化的需求，而在使用寿命中就已被淘汰。另外，由于目前卫星没有在轨服务能力，所以GEO卫星都有冗余备份设计，且卫星大部分质量和空间都被燃料占用。美国国防高级研究计划局（DARPA）希望未来能够在GEO上完成大型天线、结构与机构的组装，为应对技术提升和安全威胁，开展对GEO资产进行不断升级及整合在轨资源等一系列技术活动。

早在21世纪初，DARPA就开始研究太空服务概念，希望能够寻找到提供给在轨卫星的增值服务和为现有GEO卫星群增值的硬件、软件及操作方法，相继开展了“轨道万能维修航天器”（SUMO）机械臂地面试验、“近期能验证的前端机器人”（FREND）机械臂地面试验和“凤凰”（Phoenix）计划等。2016年5月，DARPA的战术技术办公室（TTO）启动“地球同步轨道卫星自主服务”（RSGS）项目，招标合作商业公司，旨在建立地球同步轨道（GSO）上的灵巧自主操作能力，既能提高美国现有空间基础设施的弹性，又能开启空间基础设施能力的革命性变化。

此次，DARPA希望通过公私合作的方式，实现为所有运营商GEO卫星的在轨服务能力，并从中获取多重效益。DARPA积极开拓长期GEO服务的商业市场，不仅会带来经济利益，也有利于在轨服务产业的长期转型，同时增强空间弹性。对于RSGS项目，商业合作公司主要研制并运行能够进行空间服务操作的自主服务航天器（RSV）平台，DARPA将主要研制RSV的机器人有效载荷，美国海军实验室（NRL）则协助平台与有效载荷的集成以及主要的技术接口。

2 RSGS项目计划任务、研制顺序及管理模式

项目计划任务与预期服务能力

（1）项目计划任务

RSGS项目的长期目标是以该项目的RSV为开端，建立GSO上的持久自主服务能力，实现持久、可靠、高性价比的GEO卫星服务。

RSGS项目的架构元素包括RSV系统、客户卫星和地面站。RSV系统同时为GEO“客户”——商业卫星和美国政府卫星提供合作式在轨服务操作。RSV系统将使用政府运载火箭运送入轨，可能会运送至地球同步转移轨道（GTO，最终转移至GEO），也可能直接运送至近GEO进行激活和检查。随后，RSV需要完成政府的演示任务，同时也会验证RSV过渡到商用的准备情况。目前，政府验证任务还未完全确定，DARPA将安排1颗或2颗验证客户卫星供RSV系统交会、对接并进行服务任务。RSV系统的政府指定服务演示任务主要包括：

1）与未进行在轨服务设计的客户卫星（没有交会基准点和合作抓捕目标）自主交会，并抓捕客户卫星的连接接头（Marman环、螺栓配件等）；

2）转移客户卫星，演示转移机动推力水平下的稳定控制；

3）在不同范围内检查客户卫星，包括在不到1m的拍摄范围内进行精密检查；

4）在客户卫星结构上施加11.35kg的作用力；

5）演示并操作空间机械臂。

RSV系统在完成政府的演示任务后，预计在6～9个月的时间内将执行商业服务任务和有偿的政府服务任务。RSV系统在任务寿命末期将会转移至符合国家标准（美国政府轨道碎片减缓标准）的坟墓轨道，最终很可能提高至近地点高于36100km的轨道。

（2）项目预期服务能力

DARPA计划通过RSGS项目预期实现的服务任务（DARPA任务组）包括：

1）检查。合作式诊断、检查功能异常的GEO航天器。

2）维修。太阳电池阵、天线展开故障等机械异常修正。

3）转移。协助轨道变化机动，包括转移客户航天器至新的工作位置或任务后处理轨道、辅助性能差的推进系统、短期延长航天器寿命等。

4）升级。为运行的合作航天器安装升级包，提供新功能。

其中，每项DARPA任务组都具有较高的经济价值，对美国国家安全都很重要。DARPA任务组可以通过修正客户航天器的异常部署、提供新的有效载荷在轨装配方法、精密检查客户航天器的故障原因等方式，稳定任务成本并提高空间结构的弹性。除此之外，RSGS项目还能使航天服务产业更稳健、更具变革性。

DARPA任务组：检查、维修、转移、升级

项目研制顺序

RSGS项目的开发分为以下5个顺序阶段：

1）航天器及有效载荷开发。商业公司负责研发能够携带有效载荷并执行服务任务的RSV，美国政府负责研发机器人有效载荷，同时还将开发任务模拟能力和机器人硬件回路多自由度任务仿真能力。

2）集成。在政府支持下，商业公司将有效载荷集成至RSV中。

3）发射。政府计划在2020年末至2021年初，将集成后的RSV直接发送至GEO或附近。

4）功能演示。在政府支持下，商业公司将进行一系列政府指定的活动，通过各项RSV在轨操作，演示有效载荷功能，并执行安全任务。

5）商业运营。商业公司运营RSV，为政府及商业GEO卫星提供在轨服务。

项目管理形式

RSGS项目采用公私合作模式，最终实现商业公司研制RSV平台，并搭载美国政府供给的机器人有效载荷，由政府负责航天器的发射。DARPA作为美国政府一方，将负责RSGS项目的全面管理，包括技术问题、采购与安全。DARPA还将负责机器人有效载荷及其自动化任务管理软件的开发、制造、集成和测试，协助RSV平台与有效载荷的集成，合作任务操作中心的关键软件与机器人工作站的开发，发射RSV入轨，并在演示任务期间进行操作团队培训和任务支持等。另一方面，商业合作公司将在NRL的帮助下总领RSV系统工程，进行RSV平台的开发以及RSV平台与有效载荷的集成，并拥有集成系统的所有权与运营权，主要负责实现RSGS项目的功能演示目标，在演示任务完成后持续运营集成系统。

在RSGS项目演示任务结束之后，商业合作公司与政府达成相关协议，获取政府机器人有效载荷的所有权。该协议内容包括：为未来服务政府客户的任务报价；同意为政府客户提供机器人试验；为政府提供运行数据和经验；培训政府工作人员等。

而在RSGS项目中，RSV的商业所有权和操作权不可或缺。目前，GEO上的美国商业通信卫星数量是政府卫星的5倍。因此，商业卫星使用RSV进行在轨服务的可能性比政府卫星高5倍，商业运行RSV可以减少专门服务GEO政府卫星的闲置时间，并能从商业在轨操作中获取经验，有助于之后在轨服务航天器的设计创新与改进。同时，政府可以按需进行有偿在轨服务，不用专门成立RSV运营团队，这种合作模式对政府具有显著的优势。DARPA预计，RSV的商业服务收益足以支持其日常运营费用。

3 RSV系统

RSV系统主要包括RSV平台、RSV有效载荷及地面部分。

RSV系统

RSV平台及主要性能

RSV系统能够在GEO的任意位置进行在轨服务。RSV平台设计将依据但不限于商业在轨服务案例、所需的在轨服务任务总数量、在轨服务任务频率和RSV系统的总任务寿命。

（1）电力系统（EPS）

RSV平台为平台子系统提供发电、分配、故障管理和存储服务，也为RSV有效载荷提供运行及续航状态的电能。RSV平台还需要在某些任务阶段利用约300Ah的存储能量运行平台和有效载荷。RSV平台能为有效载荷提供30～34V的电力，该电压范围对操作RSV有效载荷的FREND机械臂来说很重要。

（2）指挥、遥测与数据处理（CT&DH）

RSV平台的CT&DH系统能够监视平台健康状态、控制平台子系统及有效载荷续航加热装置。平台CT&DH系统为RSV系统提供定时源，并为有效载荷与地面站提供指挥/遥测接口。目前，RSV平台和有效载荷数据交换的关键设计包括：一个用于地面指挥与遥测的完整复式差分时钟和数据接口，一个以星上控制为目的的用于平台和有效载荷之间指挥响应的复式差分接口，以及一个用于高速任务数据的单向差分时钟和数据接口。指挥与遥测/响应回路都不会超过2Mbit/s数据速率，而地面实际指挥数据速率也在10kbit/s范围内。高速任务数据接口预计最小传输速率为10Mbit/s。

（3）通信与跟踪（C&T）

RSV平台为RSV系统提供所有的通信子系统。在所有任务的关键操作阶段，需要RSV与地面站持续保持联系。该分系统所需能力包括：自主操作时上行和下行链路速率分别为10kbit/s和10Mbit/s；上行链路与下行链路信号加密。

（4）推进系统

RSV平台推进系统可以使用化学推进和/或电推进。推进系统设计需要考虑RSV系统的整个任务寿命，包括从GTO向GEO的轨道转移、轨道维持、在轨激活与检查、政府演示任务、全寿命周期内商业及政府的在轨服务任务，以及任务末期的移除机动。

（5）导航、制导与控制

RSV平台必须为三轴稳定设计，姿态测量精度达0.05°，绝对轨道距离精度达百米，姿态控制精度达到0.25°。RSV平台应携带相对导航滤波器，在交会与近距离操作阶段能够以1～5Hz的频率接收RSV有效载荷的姿态估计，并向有效载荷返回一个5Hz的滤波姿态。

为实现RSV系统与客户卫星的交会与近距离操作，有效载荷能为RSV平台相对导航滤波器以1Hz频率提供方位数据。与客户卫星交会时，其作用范围为160～1km，在与有效载荷在轨交付（POD）系统交会时，其作用范围为20～1km。同时，在1km～100m范围内，有效载荷以5Hz的频率向平台相对导航滤波器提供三维位置数据，在小于100m范围内，有效载荷实施抓捕，以5Hz的频率向平台相对导航滤波器提供六维位置数据。

（6）任务管理飞行软件

RSV平台和有效载荷共享任务管理器功能，因此接口的开发将成为两者协同工作的关键。平台的任务管理器将监视平台和有效载荷的运行状态，支持各项任务活动。商业合作公司研发的平台任务管理器提供可配置多功能的故障检测、隔离与恢复（FDIR）能力，能够响应平台和有效载荷的活动需求与故障检测。同时，平台任务管理功能为支持在轨服务的任务活动，将为平台和有效载荷提供运行状态。

RSV机器人有效载荷及主要性能

RSV机器人有效载荷的设计寿命一般为5～8年，在服务过程中使用高带宽、低时延/低抖动通信，可以使用脚本操作、自主操作及遥操作模式。以最优化服务情况感知为目的，设计有效载荷布局（组件/工具布局、机械臂布局、近距离感知相机布局等）。RSV有效载荷布局设计有两种方式：双臂系统和单臂系统。都包括FREND－MK2机械臂系统、FREND机械臂、相机和各类抓捕工具等。

RSV有效载荷基于FREND机器人技术，经过在轨校验、调试后，进入6～9个月的演示任务阶段。RSV有效载荷能够抓捕GEO客户卫星的液体远地点发动机（LAE）、螺栓孔以及Marman环接口。RSV有效载荷为安全执行抓捕客户卫星等关键任务，使用机器视觉算法。在进行机械臂操作时，为确保安全进行慢速、高精度可控移动操作。此外，在有效载荷或平台任务管理器检测到异常情况时，有效载荷能够及时自主中止抓捕任务。

（1）FREND机械臂

从21世纪初期开始，DARPA/NRL团队就一直开发在轨自主服务，为美国空间系统提供更先进的能力。2005年，NRL提出FREND机械臂的需求，并进行竞争性采购。2008年，生产商联盟空间系统公司[ASI，现被加拿大麦德公司（MDA）收购，成为麦德公司美国系统分公司]完成机械臂飞行样机，并成功通过环境测试与功能测试。近期，DARPA“凤凰”计划的技术开发重点集中在继续开发机械臂与软件控制，以及航天任务准备等关键因素。

此次RSGS项目将采购生产商联盟空间系统公司研发的升级版的FREND－MK2机械臂，也是机器人有效载荷的核心。FREND－MK2机械臂集成了初始FREND机械臂多年的测试经验，这组机械臂设计长约2m，有7个自由度，能够在GEO恶劣操作环境以及地球1gn的操作环境中运行。在地面测试阶段，指令速率为500Hz，机械臂末端位置精度优于±1mm，能够保证FREND机械臂在GEO上进行安全、灵活、可靠的操作。

有效载荷单臂布局系统的一种设计方案

RSGS任务组的FREND－MK2机械臂的特有属性包括：刚度大，能作为对接系统抓捕客户系统的硬点；精度高，能准确定位末端装置，并与客户航天器交互；能力强，能容纳工具、相机和灯光等末端机械臂组件，并能通过机械臂传递电能和数据；可在重力环境下完成自主服务任务的地面飞行仿真测试。

（2）机器人有效载荷飞行软件

机器人控制算法和飞行软件是空间机器人系统的重要组成部分。NRL工程师已花费10多年时间开发在轨服务机械臂的自主控制算法。飞行软件包括能够执行脚本操作、遥操作、部分或全部自主操作的高效有效载荷任务管理器，能够根据不同的在轨任务使用合适的操作模式，还能进行故障检测、隔离及恢复等操作。飞行软件还包括能够进行机械臂在轨安全操作和规避在轨操作障碍的机械臂轨迹规划等。飞行软件能够不断验证有效载荷的安全操作，并进行在轨服务操作的各项测试。此外，飞行软件还具备能够进行实时指挥与遥测处理、命令序列处理等的CT&DH功能。

机械臂末端系统初步设计

（3）机械臂末端系统

FREND机械臂末端有旋转工具驱动器、力矩传感器和电源/数据连接。为了能够执行更多在轨服务任务，NRL开发能够进行灵活操作的机械臂末端系统。该系统包括工具转换装置（tool changer）、工作灯、多台照相机以及与连接FREND机械臂的控制电子设备。系统能够进行力/力矩传感器的信号调节，相机和工作灯可进行视觉伺服手臂控制和近距离检查，也可以为遥操作地面控制提供图像。

（4）机器人工具套件

RSGS任务的机器人工具秉承NRL的关键发展。在SUMO/FREND机械臂开发阶段，直接将NRL内部原型工具安装至FREND机械臂末端。在“凤凰”计划的技术研发阶段，又采购了众多原型工具和工具转换装置。新的RSGS项目需要许多新的设计工具，主要包括根据客户航天器与运载火箭的不同连接形式，配备能够抓捕客户航天器的Marman环抓捕工具、螺栓孔抓捕工具或液体远地点发动机抓捕工具，以及考虑POD补给发射的POD系统捕获工具。除此之外，还包括德国航天局（DLR）开发的四指人形手以及能够提供部署异常分析服务的异常分析工具。

地面部分

作为RSGS项目的一部分，其地面部分必须支持RSV系统在整个GEO轨道环上的在轨服务任务。地面部分需要支持RSV平台及有效载荷操作，也需要规划、训练和执行在轨服务任务。商业合作公司主要负责地面部分的运营。

地面部分需要与客户卫星运营商之间建立实时接口，以便协调控制与规划执行RSV系统的所有在轨服务任务。地面部分需要利用高保真模拟器及硬件回路测试设备，进行在轨服务任务支持。地面部分对在轨服务任务的信息保障与网络安全的作用关键，能够提供安全的信息收集、分配和图像存储。

目前设计的地面段包括一个能够满足所有RSV在轨服务任务的任务运行中心（MOC），以及一个互补射频通信方案和能够全面覆盖GEO区域的空间基础设施。

4 项目启示

在轨服务任务复杂多样

美国此次启动旨在服务GEO卫星的RSGS项目，预计实现在轨检查、维修、转移、升级等目标，使在轨服务任务内容更加多样化，也更加复杂。该项目将为太空资产的可持续利用奠定基础，通过该项目验证先进机械臂、飞行控制等先进在轨技术，也会为进一步的在轨服务任务做好铺垫。

政府与商业公司合作研发

美国政府希望通过公私合作的方式进行RSGS项目开发，并在2016年5月招标合作商业公司，旨在建立地球同步轨道（GSO）上的灵巧自主操作能力。RSV入轨并成功完成政府演示项目后，会为各商业运营商的GEO卫星提供在轨服务，也会为政府卫星提供有偿服务。美国通过这一项目积极开拓长期GEO服务的商业市场，不仅会带来经济利益，也有利于在轨服务产业的长期转型。

增加空间弹性

美国通过该项目成功实现GEO在轨服务，既能开启空间基础设施能力的革命性变化，又能提高美国现有空间基础设施的弹性。空间资产通过在轨维修、轨道转移、在轨升级等方式，能够得以重新利用或升级利用，增强生存能力，降低脆弱性，进而增强空间弹性。这也是未来空间发展的一个重要方向。