空间在轨服务技术及发展现状与趋势

2016-05-16王晓海空间电子信息技术研究院空间微波技术重点实验室

卫星与网络 2016年3期

关键词：航天器轨道卫星

+ 王晓海空间电子信息技术研究院空间微波技术重点实验室

空间在轨服务技术及发展现状与趋势

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【摘要】本文首先介绍在轨服务技术的概念内涵与重要意义，重点研究探讨国外在轨服务技术最新发展现状，分析总结在轨服务技术未来发展趋势。

【关键词】在轨服务演示验证试验卫星地球静止轨道GEO 空间机器人

1　在轨操作与在轨服务

1.1在轨操作

在轨操作泛指在空间环境中，航天器为完成空间任务而进行的空间操作活动的统称。这里的空间任务专指应用任务，而不包括演示验证任务，因为演示验证任务的目的是进行技术能力验证，为应用任务做准备。根据当前在轨操作涉及的应用范畴，将空间任务分为以下3类：轨道机动、在轨服务及轨道清理。

①轨道机动可分为：轨道保持、轨道改变以及空间威胁规避等。轨道保持是指航天器为克服空间摄动或其他外力引起的轨道变化并维持其正常工作轨道而采取的一系列控制措施；轨道改变是指航天器由于任务的变化而导致转移至新的运行轨道的过程；空间威胁规避是指航天器为了避免与空间碎片或其他航天器发生碰撞而临时改变运行轨道，并在威胁解除后恢复至原正常工作轨道的过程。

②在轨服务是指服务航天器携带设备装置与目标航天器发生相互作用的过程，进而达到服务的目的。随着载人航天技术的发展和逐渐成熟，在轨服务的概念也随着延伸扩展，今天在轨服务则是指在空间通过人、机器人或两者协同完成的空间操作。在轨服务是在轨操作技术的主要应用方向，它能有效延长航天器在轨寿命。

③轨道清理主要是指为改善空间环境而进行的空间碎片及失效卫星等非合作目标的监测与清理（辅助离轨）等工作。

1.2在轨服务

在轨服务包括由服务飞行器对目标航天器实施在轨补给、功能扩展、碎片清除和故障维修等操作。在轨补给是指对在轨航天器消耗品进行补给，补给方式包括对航天器在轨加注、贮箱等单元更换等。功能扩展是指将分批独立发射入轨的航天器舱段和部件进行对接、组装和展开，实现大型卫星的功能增强。故障维修是指对航天器进行在轨检查、维修和部件更换，常规维护包括检查、测试、定标等工作内容；异常维护包括维修和故障部件更换等工作内容；升级维护则包括用高性能的部件替换现有部件，或补充新的部件。碎片清除主要对滞留在重要轨道上的废弃卫星，以辅助变轨方式腾出轨位。

在轨服务为空间任务的实施提供了更多选择，其意义主要表现在于：①实现传统方式不可能实现的空间任务；②降低航天任务的初始成本；③通过降低风险来提高在轨系统的性能；④增强在轨系统功能灵活性和适应性。

此外，在轨服务技术的军事意义也显而易见。在以信息化为特点的新军事变革时期，在轨服务技术在军事航天领域的应用能够有效提高空间战略威慑力。对各种军用侦察卫星、导航卫星、通信卫星甚至即将出现的空间机动作战平台进行在轨维护和服务，能够有效地提高空间态势感知能力、第一时间情报获取能力和应急作战能力。同时，在轨服务系统在战时可以适时参与空间作战，对敌方航天器实施空间干扰、捕获或损毁，从而保证我方掌握制天权和制信息权，提升空间作战部队的整体战斗力。

2　空间在轨服务技术发展现状

1973年5月-7月，两批美国航天员出舱对舱外热控和太阳电池翼进行了成功的维修，挽救了重达一百吨的“天空实验室”，实现了人类历史上第一次舱外在轨维修服务。

自20世纪60年代提出概念以来，在轨服务技术迄今已经历四十多年的发展历程。期间各国航天机构开展了一系列地面、空间实验和应用研究，取得了丰硕的成果，并显示出了巨大的社会经济效益和良好的应用前景。在轨服务技术发展至今，世界各国已经进行过和正在开展有多项在轨服务项目的试验验证。本文主要研究探讨无人在轨服务项目。

2.1美国在轨服务技术发展现状

美国在在轨服务技术领域遥遥领先世界其他各国，已开展和正在进行与计划开展的在轨服务项目主要有“自主交会技术验证卫星”（Demonstration Autonomous Rendezvous Technology，DART）、“试验卫星服务系统”（Experimental Small Satellite，XSS）、“轨道快车”（Orbital Express，OE）、“微小卫星技术试验”（Micro-Satellite Technology Experiment，MiTEx）、“轨道通用轨道修正航天器”（Spacecraft for the Universal Modification of Orbits，SUMO）、“前端机器人使能近期演示验证”（The Front end Robotics Enabling Next-term Demonstration，FREND）、“凤凰”（Phoenix）及“詹姆斯·韦伯空间望远镜”（James Web Space Telescope，JWST）等。未来，美国以“有限目标，滚动发展；循序渐进、逐步突破”的思路作为空间自主在轨服务技术的发展方向。

图1　美国在轨服务项目现状

图2　日本在轨服务项目现状（左）及中长期在轨服务发展规划（右）

DART计划是美国航空航天局（NASA）提出的旨在验证自主空间交会技术。DART卫星的任务是在轨道上与目标卫星进行一系列自主交会、逼近和绕飞操作，验证其敏感器、推进系统、控制器及软件的性能。

XSS计划是美国空军提出的“模块在轨服务概念”研究计划。目前，已经公布的XSS系列卫星有XSS-10和XSS-11。XSS-10的任务目标是演示验证自主导航、近距离交会以及目标监视技术；XSS-11卫星研究了包括在轨维护、修理和补给在内的多种具有前景的太空应用。

OE计划演示试验包括：分离至预定距离，交会、接近和捕获，对接及相关操作。处于分离状态下的操作内容包括：分离，远场交会，近场交会，接近操作，最终逼近以及捕获；处于对接状态下的操作内容有：电池传送，计算机移除与替换，燃料传输。

MiTEx项目由DARPA、美国空军USAF和美国海军USN共同负责，用于演示验证效费比高、重量轻的货架化组件技术，包含电源系统、推进系统、综合电子系统、结构系统等组件技术，以及在发射和轨道运行环境中应用的高级通信与软件技术。值得注意的是，MiTEx可用于GEO卫星的精细编目、近距离监视等军事用途。

SUMO项目由DARPA支持、海军研究实验室NRL主要负责，其主要是利用机器视觉、机器人、机构、自主控制算法等技术，验证自主交会对接、抓捕未来卫星各种不同类型接口的服务操作能力。SUMO项目原计划于2008年进行飞行演示验证，后于2006年更名为RREND，意为近期可演示验证的机器人技术，但至今尚未进行飞行演示验证。

从功能上看，FREND计划是研制了一种空间机器人，其主要作用包括：①对于合作目标的航天器，能够进行在轨维修、转移并安装替换单元、补充燃料等；②对于非合作目标的航天器，能够进行位置保持、姿态控制、轨道转移和修正。

在FREND项目的基础上，DARPA又提出了“凤凰”计划，力图通过创新发射、部署方式的突破，探索新型在轨服务模式，建立起一个面向重复利用的在轨服务支援体系。“凤凰”计划的设想是发展一种从废弃卫星上抢救、再利用零部件（如天线）并重新构造一颗新卫星的技术。

JWST是美国深空探测计划中的红外线太空望远镜，作为将于2010年结束观测活动的哈勃太空望远镜的后续机。该深空轨道大型望远镜项目是欧洲空间局（ESA）和美国宇航局（NASA）的共用计划，将被放置于太阳─地球的第二拉格朗日点。

机器人航天员2（Robonaut 2，R2）由NASA约翰逊空间中心机器人系统技术部与美国通用动力公司联合开发，其目的是在人附近安全可靠地工作（和人协同工作）、用于代替航天员进行舱外作业，以及从事其他太空研究和探索工作。

2.2日本在轨服务技术发展现状

日本是较早开展空间在轨服务技术研究的国家之一，其中，已经开展的在轨服务项目包括MFD项目及搭载于“工程技术试验卫星”（Experiment Test Satellite-VII，ETS-VII）上的世界上第一个真正的自由飞行空间机器人项目；正在开展的项目包括“日本实验舱机械臂”（Japan Experiment Module Remote Manipulator System，JEMRMS）项目和“运载飞船”（H-ⅡTransfer Vehicle，HTV）项目。

MFD是日本的第一个空间机器人臂飞行实验，于1997年在NASA的“发现号”航天飞机上进行，用于演示JEMRMS的SFA机器人臂的功能和性能。

图3　加拿大在轨服务项目现状（左）及中长期在轨服务发展规划（右）

ETS-VII完成了机械臂校准、卫星姿态与机器人运动的协调控制、空间机械手漂浮物体抓取、拨动开关、机器人柔顺控制下的销钉插孔、桁架组装、模拟更换ORU和燃料补给、视觉监测、目标星操作与捕获等试验任务。此外，ETS-VII还进行了无人情况下的自主RVD和舱外空间机器人遥操作实验。

JEMRMS是一个用于空间操作的机器人系统，它将被安装在ISS日本实验舱的常压模块PM （Pressurized Module）上，用作JEM的机器人实验或者支持JEM的维修服务。

HTV是一种无人轨道货运飞行器，其设计目的是向国际空间站运送货物并携带站上的垃圾（废弃设备、旧衣物和其他垃圾）返回，在再入大气时烧毁。

在新型在轨服务系统研究方面，日本国家信息和通信技术研究中心（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）于2004年提出了“轨道维护系统”（Orbital Maintenance System，OMS）。OMS是一个对通信卫星进行在轨监测、维护及离轨等操作的卫星服务系统，并可用于处理空间碎片和保护空间环境。

此外，日本还提出了“空间碎片清理者”（Space Debris Micro Remover，SDMR）等几种未来在轨服务的新概念。SDMR主要用于验证电力绳系系统（Electro Dynamic Tether，EDT）移除空间碎片的关键技术及对大尺寸空间碎片进行捕获和离轨操作的可行性，演示几种空间碎片移除操作：与碎片物体进行交会并测量其运动，对目标进行绕飞、接近并捕获，用可展开的折叠包络臂捕获目标，伸展开固定在折叠包络臂根部的电力绳系系统，自助控制绳系系统进行降轨。

2.3加拿大在轨服务技术发展现状

加拿大在在轨服务方面开展的项目主要是“遥机械臂系统”（Shuttle Remote Manipulator System，SRMS）以及用于国际空间站的“移动服务系统”（Mobile Serving System，MSS）。

加拿大的空间机器人项目的开展以国际空间站和航天飞机为载体。加拿大SPAR公司研制的航天飞机遥机械臂系统SRMS（也称为加拿大臂Canadarm），是世界上第一个实用的空间机械臂。通过航天飞机上操作员的操作，SRMS实现了对哈勃望远镜的维修、部件更换与升级、国际空间站建造等大量在轨服务任务，是迄今为止最为成功的空间机器人系统。

在SRMS成功的基础上，加拿大SPAR公司继续开发了空间站遥操作机械臂系统SSRMS和灵巧机械臂SPDM。SPDM是SSRMS臂的灵巧手，用来完成一些更加精细的装配操作。SPDM控制系统具有三种操作模式：主从模式、单关节模式和自动轨迹模式。SSMRS 和SPDM系统是目前功能最为强大的空间机器人，并成为国际空间站建造与维护的主要工具。

此外，加拿大也在积极探讨未来在自由飞行机器人和深空探测（主要与NASA合作）方面的在轨服务机会。从上图（右）“加拿大中长期在轨服务发展规划”可以看出，加拿大开始重视未来新型航天器在轨服务需求，包括：①未来大型科学卫星、太空望远镜的服务；②重视GEO及深空轨道航天器的服务；③重视各种操作工具、控制方法的研究。

“GEO延寿系统”方案设想是利用机械臂捕获目标的远地点发动机喷管形成刚性组合体，然后再打开目标卫星的注排阀门，插入软管泵入适量燃料。另外，该系统还具备简单的维修功能，能够排除太阳电池翼打开等故障。

2.4德国在轨服务技术发展现状

德国一直很重视空间机器人方面的研究，到目前为止，已进行过和正在开展的空间在轨服务项目主要有“机器人技术试验”（RObot Technology EXperiment，ROTEX）、“试验服务卫星”（Experimental Servicing Satellite，ESS）、“国际空间站机器人组件验证”（Robotics Component Verification on ISS，ROKVISS）、“空间系统演示验证技术卫星”（Technology Satellite for Demonstration and Verification of Space System，TECSAS）、“德国在轨服务任务”（DEutsche Orbital Servicing Mission，DEOS）、“轨道寿命延长飞行器”（Orbital Life Extension Vehicle，OLEV）。

ROTEX是德国的第一个空间在轨服务机器人，也是世界上第一个具有地面遥操作能力的空间机器人系统，可工作于自主模式、宇航员操作模式和各种地面遥操作模式，主要演示验证各项关键技术。ROTEX只是一个舱内机器人，但所采用的多传感器手爪、基于预测的立体图像仿真等技术方案，代表了其后的空间机器人发展方向。

图4　德国在轨服务项目

ESS计划旨在利用试验卫星上的机械臂对地球静止轨道上的非合作目标进行在轨服务。具体任务包括：对目标卫星的监测，接近、捕获并与目标星对接，目标星的维修以及释放等。ESS上安装有一个机械臂，用于试验机械臂的遥操作控制技术，完成对故障卫星的捕获、检查和维修

ROKVISS是一个机械臂，它被安装在ISS上的俄罗斯舱外进行在轨实验，主要完成关节元件的空间验证、现场遥操作模式的验证、地面遥操作模式验证等。按照设计，德国的地面控制中心和空间站“星辰”号服务舱内的电脑可以近乎实时地操纵机械臂，使其在空间站外部进行一些危险、繁重的安装和维修工作。

TECSAS用于验证空间机器人的在轨服务技术，最初预定演示诸如接近和交会、绕飞监测、编队飞行、机器人捕获、耦合航天器对（即捕获目标星后整个复合体）的机动飞行等试验，但该项目一直没有实质进展，于2006年9月正式停止，转而启动为DEOS项目。

DEOS项目将主要用于验证对处于低地轨道上的失控翻滚非合作目标航天器进行捕获，并使航天器组合体在可控状态下脱离运行轨道。值得注意的是该项目是以GEO卫星为服务对象的，但前期将先在LEO轨道上开展演示，以验证翻滚非合作目标的自主捕获、对接等关键技术。

OLEV项目是一个商业项目，最初名称为“空间寿命延长系统”（Space Life Extension System，SLES）。OLEV目标是通过与目标星对接，接管目标星的姿态和轨道控制，同时为目标星加注燃料，用于挽救在轨道定位操作中搁浅的卫星和延长卫星寿命。

2.5欧空局在轨服务技术发展现状

欧空局在航天器在轨服务技术领域开展了一定的工作，但从未开展过在轨实验验证。其空间在轨服务项目主要有“地球静止轨道服务飞行器”（Geostationary Service Vehicle，GSV）、“欧洲机械臂”（The European Robotic Arm，ERA）、“自动运输飞行器”（Automated Transfer Vehicle，ATV）、“地球静止轨道清理机器人”（RObotic GEostationary orbit Restorer，ROGER）等。

GSV主要用于对GEO卫星进行目标监视、燃料加注、模块更换和辅助离轨等功能，但GSV并没有进入实际工程阶段，而仅开展了概念设计。

ATV可以同国际空间站自主交会对接，并为其提供货物、饮用水、食物、空气以及推进剂的补给。对接之后，还可以为ISS提供轨道和姿态调整。

ERA项目从1999年开始实施，它是一个可重定位的机械臂，主要用于完成空间站装配、检测、更换部件等操作。

ROGER旨在研究捕获GEO非合作目标卫星并辅助其离轨等技术。其验证的关键技术包括空间交会、目标测量、飞网/飞爪捕获技术以及组合体控制技术。该计划的研究也未能继续开展下去，但其思想引起了国际航天界的广泛关注。

此外，ESA与DLR及宇宙（Kosmas）公司合作开展了“赫尔墨斯”（Hermes）计划，探索研究在轨的燃料收集和加注技术。Hermes计划收集空间在轨废弃航天器上的燃料，然后给需要燃料的GEO通信卫星进行燃料加注。Hermes计划目前还处在概念论证阶段。

3　空间在轨服务技术发展趋势

通过以上对各国在轨服务项目及其未来发展规划的介绍分析可以看出，未来在轨服务的发展趋势主要集中在如下几点：

①服务的轨道范围更广。结合美国大力开展深空探测、太空中转/后勤基地的实际情况，美国在轨服务技术的发展呈现出从低轨到高轨再到深空的渐进式在轨服务发展态势。

②更大的目标航天器。未来将出现各种大型、超大型航天器/空间站，这些航天器必然面临着在轨组装、在轨维护等操作任务，因此，需要开展面向此类大型航天器的在轨服务技术研究。

③更多、更复杂的服务内容。随着航天技术的发展和模块化空间系统的建设，对未来系统的升级改造使在轨服务从单一服务内容、单次服务频率向多次复杂、多次服务频率发展。

④更多数量、更多类型的服务对象。未来大量规模庞大的空间系统（如采用星座、分布式部署、编队等形式的空间系统）的建设，大大增加了在轨服务对象的数量和类型，需要考虑采用更经济、更高效的在轨服务方式。

⑤空间机器人技术在在轨服务中的应用取得了卓越成果并且作用越来越重要和突出，应用也越来越广泛普及。到目前为止，国外开展的与空间机器人技术相关的项目共27项，其中15项进行了在轨演示验证。空间机器人技术覆盖了空间平台技术、空间机械手技术、遥操作技术、目标捕获跟踪与测量技术、复合体动力学技术、复合控制技术等多个方面，技术创新点多，难度大。

⑥非合作目标捕获技术成为新的发展重点。由于早期航天器以及空间碎片并不具备专门的捕获机构，因此非合作目标捕获技术是对其进行在轨服务或者清理的前提。

4　结语

从国外在轨服务技术发展现状可以看出，在轨服务技术已经广泛应用于空间任务，并取得了良好效果。GEO卫星是未来在轨服务的主要对象，针对GEO卫星进行在轨服务操作，不仅可以获得显著的经济效益，而且在促进国防建设、空间技术的发展上具有重要意义。我国在航天领域正面临新的重要机遇和挑战。因此，我国应科学规划在轨服务技术发展战略，推进在轨服务技术演示验证，促进在轨服务技术的应用，提升航天任务效益。

参考文献

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