空间翻滚非合作目标消旋技术发展综述

路勇，刘晓光，周宇，刘崇超

哈尔滨工业大学 机电工程学院，哈尔滨 150001

人类对外太空的探索活动逐渐增加，每年都会进行大量的太空发射任务，以满足通信、气象监测以及国际空间站维护等需求。但同时人类活动对空间环境也产生了持续深远的影响，太空中残留的火箭末级、失效卫星、航天器任务抛弃物、航天器解体及碰撞衍生物等大量空间碎片对人类航天事业的发展已构成了巨大威胁[1]。因此，空间碎片的主动移除(Active Debris Removal, ADR)技术已成为目前航天领域研究的热点[2-7]，研究中一般将诸如废弃卫星及火箭末级等尺寸及质量较大的碎片被视为潜在的主动移除目标。ADR通常是借助各类清除装置降低近地目标碎片轨道使其坠入大气层烧毁或者通过提升同步轨道碎片轨道高度至坟墓轨道的方式来进行。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的研究人员Liou指出：为保持空间环境可持续发展，未来发射航天器除了要满足空间碎片减缓措施相关政策要求外，每年还要主动清理5个以上大型航天器才能抑制空间碎片总数量增长[8]。

空间碎片主动移除的首要关键是实施在轨捕获，而空间碎片大多是非合作目标，由于目标已失去姿态调整能力，且长期处于失控状态运行，受太阳光压、重力梯度等摄动力矩及失效前自身残余角动量的影响，往往会出现复杂的旋转运动，乃至最终趋向于自由翻滚运动[9-15]。由于翻滚非合作目标的质量大小、质心位置、几何形状等先验信息均未知，运动规律极其复杂，所以对其实施在轨捕获难度相当大。针对非合作目标或快或慢的无规律自由翻滚运动，目前已经提出的包括采用小型机械臂、飞网、飞爪等在内的多种在轨捕获方法及采用电动力系绳、太阳帆、阻力增强装置等碎片离轨方案，若能做到抓捕前将其转速减慢或直至静止，即消旋处理，将有利于后续的直接捕获及回收处理。例如采用机械臂式的捕获机构在目标消旋后将有助于快速跟踪目标捕获点位置及方便与目标姿态同步化处理；采用飞网、飞爪等捕获机构在目标消旋后实施捕获将有助于解决绳、网的缠绕及次生碎片等问题；利用太阳帆及阻力增强装置附着到翻滚非合作目标进行离轨时，事先进行目标消旋可快速实现安全、准确地附着且减少碰撞风险。基于以上考虑，非合作目标消旋问题已成为航天领域研究热点之一，法国空间研究中心(National Centre for Space Studies, CNES)的ADR任务规划[16]也已将翻滚非合作目标的消旋问题列为了空间碎片主动移除任务中的一个关键环节。

对翻滚非合作目标消旋实际是指利用外部控制力矩衰减目标角速度的过程，实现方式按作用力是否与目标接触主要分为接触式和非接触式两种。利用机械接触力或气体冲击、静电力、电磁力、离子束、激光等非接触力进行消旋在国内外都已经开展了初步研究。日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)的Nishida和Kawamoto[17]提出了采用减速刷对翻滚非合作目标进行消旋的方法。Nakajima等[18]以及欧洲航天局(European Space Agency, ESA)资助的非接触碎片移除(Contactless debris Action, COBAR)计划[19]中，均提出了气体脉冲消旋是一种潜在的调整翻滚非合作目标姿态的方法。NASA的Youngquist等[20]提出利用导体与地磁场间的涡流效应对目标进行电磁消旋也是一种可行的消旋方式。国内相关研究包括接触式消旋中的组合体姿态稳定、目标姿态同步以及基于库仑力的非接触消旋[21]等。徐文福等[22]提出了视觉预测及轨迹规划相结合的双臂空间机器人直接捕获运动目标的方法，在自由漂浮及基座受控两种模式下成功抓捕运动目标。西北工业大学的黄攀峰等[23]提出了一种基于绳系空间机器人的翻滚非合作目标直接抓捕及姿态稳定控制方法，通过系绳拉力及抓捕机器人协同的方式稳定目标姿态。在姿态同步研究方面，耿云海等[24]设计了可同时对干扰进行估计和补偿的非线性反馈控制律，控制服务航天器与目标航天器姿态同步，在抓捕目标上对接端口时具有较高的协同精度与抗干扰能力。任章等[25]也提出了一种基于滑模控制的姿态同步方法，在系统测量存在误差及外部扰动的影响下可以实现与目标航天器快速姿态同步。对于一个完整的ADR任务，各类接触及非接触消旋方式是对服务航天器机械臂直接抓捕或姿态同步能力的有效补充，拓展了ADR任务对不同翻滚速度的非合作目标的适应能力。

针对翻滚非合作目标的消旋问题，本文首先介绍了火箭末级、失效的单自旋及双自旋卫星这类典型非合作目标的翻滚运动形式以及非合作目标消旋过程，然后对当前各类接触、非接触消旋方法的原理、特点进行综述分析，随后总结了翻滚非合作目标消旋过程中的共性关键技术问题，即非合作目标翻滚运动测量及动力学参数辨识和消旋控制，最后归纳总结了当前非合作目标消旋方法并对其研究发展进行了展望预测。

1 典型非合作目标运动形式及消旋过程分析

在空间摄动力矩作用下，失效航天器等非合作目标往往会表现出复杂的翻滚运动形式，这给ADR任务的实施带来了困难。因此对典型非合作目标的运动形式进行分析建模是确定目标主动移除及消旋方案的基础。

1.1 典型非合作目标运动形式分析

火箭末级、失效的单自旋及双自旋卫星等空间非合作目标由于其质量及尺寸较大，是优先级较高的主动移除目标，国内外关于消旋的相关研究也多针对这类目标对象开展前期理论及试验研究。在理论分析研究中目标对象的模型简化，多假设为形状较为简单的刚体[12,17-18]。其中尤以简化为单刚体对称目标居多，惯量矩阵可简化为对角阵的形式I=diag(Ix,Iy,Iz)。

翻滚非合作目标在空间中的典型运动形式如图1所示，图中Oxyz表示目标本体坐标系，目标可能存在的旋转形式可分为绕最小惯量轴Iz的自旋运动(图1(a)所示)、绕最大惯量轴Ix的平旋运动(图1(b)所示)以及存在章动角的翻滚运动(图1(c)所示)。当目标不受外力矩作用时，其运动方程在本体系下满足式(1)。

图1 非合作目标旋转运动的几种状态
Fig.1 Several rotational states of uncooperative target

图1(a)和图1(b)所示为初始角速度与最小、最大惯量轴重合时的运动情况，分别对应单轴自旋及平旋运动状态。当初始角速度矢量与惯量轴不重合时，非合作目标运动表现为自旋轴绕角动量轴圆锥进动的情形，如图1(c)所示，图中建立惯性坐标系OXYZ且令OZ轴与目标角动量矢量H重合，目标角动量矢量H与自旋轴Oz的夹角θ为章动角。对于惯量比Iz/Ix<1的对称火箭末级壳体，其运动方式如图1(d)所示，图中可以看出最小惯量轴Iz绕角动量矢量H做圆锥运动，自旋轴末端(通常指卫星及火箭末级发动机主推力喷管所在位置)轨迹为规则的圆形。但当目标惯量不对称(Ix≠Iy)，且存在惯量积时，末端轨迹不再是规则的圆锥运动，而是表现出一种章动角变化的复杂翻滚运动。作者以文献[27]的非对称惯量阵为输入利用式(1)进行了运动轨迹计算及仿真。

在假设初始角速度为ω(0)=[10 10 40] (°)/s，初始姿态角[φ(0)θ(0)ψ(0)]=[0 0 0] rad时，计算得到的自旋轴末端(本体系坐标为[0 0 0.3] m)在惯性系OXYZ中的运动轨迹如图1(e)所示，与图1(d)规则的圆锥运动相比，可明显看出此时末端轨迹不再是规则的圆锥运动，而是表现出一种章动角变化的复杂翻滚运动。对于这种复杂的运动形式，其运动的预测及目标点的抓捕将更为困难，若能对目标进行消旋处理则有利于后续抓捕任务的进行。

(1)

式中：ωx、ωy和ωz分别为本体系Oxyz下x、y和z方向的角速度分量；Ix、Iy、Iz、Ixy、Ixz和Iyz分别为惯量矩阵I的分量表达。

1.2 翻滚非合作目标消旋过程

对非合作目标消旋实质上是指利用外部控制力/力矩衰减目标三轴角动量，最终实现目标姿态稳定的过程。对于做单自旋及平旋运动的非合作目标，消旋过程主要指借助外部控制力矩衰减目标单一方向的角速度ω。当前相关研究集中于利用接触力或静电力、电磁力、离子束、激光、气体冲击等非接触力与目标作用消除目标的三轴转速。按照力/力矩作用范围可分为点作用和面作用(体作用)两种形式。

点作用控制力/力矩利用机械臂末端执行器或激光发生装置在目标表面特定点作用施加作用力F，此力相对目标质心产生的控制力矩T=r×F与目标角动量H相反时即可消除自旋运动，如图2所示。利用减速刷、机械脉冲、激光脉冲进行消旋都属于点作用控制力/力矩。

面作用控制力矩通常利用服务航天器上携带的高压气体、高压静电、外部磁场等发生装置在目标部分表面或整个表面上产生非接触式消旋力矩，衰减目标运动。作用力与相对距离、相对姿态、源场物理参数、目标形状及材料特性有关。利用气体冲击、静电场、电磁场进行消旋均属于面作用控制力/力矩。

对翻滚非合作目标进行消旋时，作用在目标上的消旋力矩与二者相对距离、相对姿态、作用源工作参数相关，目标动力学方程表现出高度非线性特征。消旋时对目标姿态信息需要通过在轨辨识获取，根据实时辨识结果对作用力/力矩进行控制，消旋过程流程如图3所示。

图2 点作用控制力/力矩
Fig.2 Control force and torque at a fixed point

图3 消旋过程流程图
Fig.3 Flowchart of the detumbling process

2 翻滚非合作目标消旋方法

按照消旋力/力矩是否与目标接触，翻滚目标消旋方法可分为接触式和非接触式消旋。基于减速刷或机械脉冲等接触式消旋方法适用于质量较大目标的快速消旋，而利用气体冲击、静电力、电磁力、离子束、激光等非接触力进行消旋可以有效减少碰撞风险，在安全间距外衰减目标三轴转速。

2.1 接触式消旋方法

利用机械臂末端执行器灵活的特性在目标表面施加具有缓冲作用的力或力矩，可以实现对目标的接触式消旋。根据末端执行器不同，依据当前研究可分为减速刷消旋、机械脉冲消旋和绳系机器人消旋等方式。

2.1.1 减速刷消旋

图4 减速刷消旋模型
Fig.4 Detumbling system with brush contactor

JAXA的Nishida和Kawamoto[17]提出了一种接触式目标自旋衰减方法，如图4所示。以直径为2 m的火箭壳体为研究对象，利用附着在机械臂末端的弹性减速刷与目标壳体之间的摩擦力衰减目标转速。图4(b)为消旋过程中仿真分析模型，建立了XY、xGzG、xABzAB、xATzAT和xTzT5个坐标系，分别表示惯性系ΣI清除航天器质心坐标系ΣG、机械臂基座坐标系ΣAB、机械臂末端坐标系ΣAT和目标质心坐标系ΣT来分析消旋动力学问题，研究了目标存在初始转速ω0及相对末端移动速度v0时的消旋过程。由于减速刷与目标是面接触作用，只能提供单自由度N数量级的控制力，适用于目标单轴自旋情况。相比于抓捕后对组合体进行消旋的方式，利用减速刷与目标间的弹性接触力在抓捕前对目标进行消旋带来的冲击会更小，有利于后续的捕获操作。但这类消旋方式实施前需要服务航天器进行复杂的变轨绕飞，接近停靠在距目标非常近的位置处。对于做圆锥运动的翻滚目标，利用该方法进行消旋需要精确控制机械臂与接触表面的相对位置，以提供稳定的接触制动力，且制动力的大小取决于减速刷刚度。

2.1.2 机械脉冲消旋

与减速刷连续消旋过程不同，东京工业大学的Matunaga等[28]将弹性小球作为机械臂末端执行器，利用机械臂末端与目标表面之间弹性碰撞所产生的推力与摩擦力衰减目标转动。接触力是弹性接触面压力p、接触面积S等的函数。采用弹性小球消旋与直接抓捕相比冲击较小，但对消旋力矩建模时需要获取碰撞点相对于目标质心的位置矢量。当目标转速较快时，根据目标角动量矢量方向辨识作用点位置及规划脉冲路径对机械臂末端控制提出了很高的要求。日本国家航空航天实验室(National Aerospace Laboratory of Japan, NAL)的Kawamoto等[29]提出了利用多次接触脉冲作用力交替衰减目标章动角和自旋转速的方法，最终完全衰减目标三轴转速，并给出了脉冲次数的优化过程。机械脉冲消旋虽然只提供单自由度作用力矩，但主动控制力作用点及脉冲施加时刻，可以实现对目标角动量的衰减，适用于自由翻滚目标的消旋。与减速刷相比，机械脉冲在接触瞬间可提供的制动力增加，控制力矩模型更为精确，制动效率更高，但碰撞风险也随之增大。机械脉冲消旋效果建立在对目标表面及质心特征充分辨识以及机械臂对目标点跟踪能力的基础上，受制于在轨辨识效率及机械臂末端执行器控制精度，适用于转速较低的目标消旋。

2.1.3 空间绳系机器人消旋

西北工业大学的黄攀峰[30-32]、张帆[33]等提出了一种基于绳系空间机器人(Tethered Space Robot, TSR)的翻滚非合作目标姿态稳定控制方法，如图5所示。对于目标质量及惯量等参数未知的目标，既可在线辨识目标质量及惯量参数[31,33]，也可采用改进的基于动态逆的自适应控制器，快速稳定目标姿态[32]，同时有效降低执行器的饱和程度。Hovell和Ulrich[34]提出了利用黏弹性绳系附着到旋转非合作目标表面上，通过系绳拉力及变形时的阻尼力控制目标转速直至其姿态稳定。借助绳系机器人本体推进器及系绳拉力，空间绳系机器人可实现3自由度控制力矩的施加，衰减目标三轴转速。空间绳系机器人虽然增加了系统柔性，但是由于在消旋之前绳系机器人需要直接抓捕目标或将系绳附着到目标表面，如何避免抓捕失败同时防止系绳缠绕还需要进一步研究。

图5 绳系机器人姿态稳定系统
Fig.5 Target attitude stabilization system using TSR

2.2 非接触式消旋方法

对于难以直接抓捕的非合作目标，采用气体冲击、静电力、电磁力、离子束、激光等非接触力与目标进行消旋可以有效减少碰撞风险，在安全距离外作用消除目标的三轴转速。

2.2.1 气体冲击消旋

与离子束、激光辐照[35]等非接触作用类似，气体冲击消旋利用喷射的气体对目标运动的阻碍作用消除目标翻滚运动。Nakajima等[18]提出了一种利用气体冲击喷射在目标表面特定区域产生作用力进行消旋的方法，所计算的消旋力矩与喷气推力大小、目标表面形状、相对距离L、方位角β等因素有关。Peters和Olmos[19]提出可利用气体脉冲作用于翻滚非合作目标太阳帆板上来提供消旋力矩的消旋方法。气体冲击消旋优势在于服务航天器只需要额外携带消旋所需燃料，通过自身发动机喷管喷射到目标表面即可实现消旋，而无需再额外携带消旋专用的末端执行装置。当服务航天器相对目标位置固定时，气体冲击力矩只能衰减目标2个方向的角速度分量，而且与气体喷射方向平行的角速度分量需要服务航天器进行绕飞改变相对于目标的位姿才能达到完全衰减。消旋过程中，气体自喷管喷出后会在空间发散，从而加剧了所携带气体的耗散。

2.2.2 静电消旋

图6 静电消旋示意图
Fig.6 Schematic of electrostatic detumbling system

2.2.3 电磁消旋

由于空间碎片大多含有铝合金、钛合金等导电材料，当目标处于外部磁场时会在导体内部感生出涡流阻碍两者相对运动。东北大学的Sugai等[37-38]提出可利用导电目标转动时与外部磁场源之间的相对运动产生的涡流力来衰减目标运动，所设计的电磁消旋单轴模拟系统如图7所示，可以模拟不同初始转速的消旋过程。

图7中磁场源在作用气隙为5 mm时可产生百mN数量级的消旋力。消旋电磁力是所设计电磁式磁场源尺寸、驱动频率f、相对气隙δ及转速ω等参数的函数。电磁消旋气隙过小限制了其在轨应用，但可考虑利用永磁体磁场源来提供更大的工作气隙，保证消旋过程中的安全性。

图7 单轴自旋消旋模拟
Fig.7 Detumbling platform for single spin target

南安普顿大学的Gomez和Walker[39-40]提出了利用超导线圈构造外部磁场衰减目标运动的方法，如图8所示。质心位于OC处的超导线圈在空间任意位置r处的磁感应强度为B(r)，通过目标质心G处的磁感应强度为BG。感生电磁力矩是目标转速ω、目标磁矩张量M及外部磁感应强度B的函数，表示为T=M(ω×B)×B，其中磁矩张量M是目标本体几何形状、电导率等物理参数的函数，可以选取图中以O为圆心的截面对目标整体求积分得到。在目标角速度方向一定的情况下，电磁力的方向也是一定的。电磁消旋的优点在于电磁阻尼作用会被动消除目标角速度垂直于外部磁场的分量，但是与磁场方向平行的角速度分量需要通过改变磁场源与目标相对位置关系来实现。利用超导线圈构造大范围电磁场需要相应的供电、冷却系统，超导磁场源系统如何简易地与服务航天器结合还需要进一步研究。

针对前述几种消旋方法，从消旋机构形式、对消旋目标要求、消旋作用效果等方面进一步归纳整理，如表1所示。各种消旋方法都有其特定的适用范围及前提条件，综合评价每种方法的优劣并不合适，但表1中可提供以下几点有益参考：① 接触式消旋可提供较大的控制力，有利于实现快速消旋。通常接触作用力可达到N数量级[17,28]，而静电力、电磁力等非接触消旋方式能提供的消旋力仅为mN数量级[37-40]， 且衰减时间要长于接触消旋方式；② 非接触消旋方式作用距离远，对相对距离及姿态容差能力强，能够保证消旋任务安全进行；③ 非接触消旋方式可提供多自由度作用力矩，适用于自由翻滚目标的消旋。

综上，在选取消旋方法时要综合考量目标几何形状、材料特性、运动特性、所需控制力矩自由度、任务有效载荷、任务时间及能量消耗等问题。未来空间碎片主动移除及航天器在轨服务领域可能会面对多样化消旋任务，在选取消旋方法时，应着重考虑以下3个方面因素：① 消旋方法适用的目标运动形式，特别是对自由翻滚运动的消旋能力；② 消旋方法所施加的控制力矩自由度，同时衰减三轴转速有利于提高消旋效率；③ 消旋力作用范围及力数量级，在保证安全前提下实现快速消旋需要较大的消旋力。

图8 电磁消旋系统示意图
Fig.8 Schematic of electromagnetic detumbling system

消旋方法消旋机构类型仿真针对的目标类型仿真采用的目标质量/kg对目标的适应性有效作用距离/m有效作用距离时消旋力数量级仿真时消旋时间/h接触式减速刷[17]机械脉冲[29]空间绳系机器人[32]末端执行器末端执行器系绳及空间机器人火箭末级失效卫星失效卫星500450675单轴转速衰减翻滚运动衰减目标可抓捕,翻滚运动衰减NNN0.020.10.03非接触式气体冲击[18]静电力[12]电磁力[39]星载高压气体星载放电装置星载超导线圈火箭末级火箭末级火箭末级200010002154翻滚运动衰减目标表面导电翻滚运动衰减目标表面导电翻滚运动衰减1012.510mNNmN1.417036

3 翻滚非合作目标消旋共性关键技术

目前提出的各种消旋方法都处于方案设计或地面验证阶段，未来ADR任务的成功实施还需要对消旋过程的关键技术进行进一步的验证，各种消旋方法所涉共性关键技术主要包括非合作目标翻滚运动测量及动力学参数辨识和消旋控制。

3.1 非合作目标翻滚运动测量及动力学参数辨识

对翻滚目标进行消旋及主动移除时首先要对目标几何、运动学、动力学参数进行辨识，在此基础上才能建立准确的目标运动学及动力学模型。抓捕后系统质心位置偏移、惯量参数改变有可能引起组合体姿态失稳，因此在捕获前对非合作目标及其翻滚运动进行测量及估计是后续消旋操作进行的基本保证。

对非合作目标参数识别主要包括几何及运动参数测量和动力学参数辨识两部分。前者包括非合作目标几何尺寸、相对位姿及目标翻滚运动的测量，后者包括目标质量、质心位置和惯量矩阵等动力学参数的在轨辨识。对非合作目标运动及动力学信息的准确获取是在轨捕获任务成功实施的关键步骤。

由于无法与非合作目标进行通讯获取姿态信息，且非合作目标无法提供用于辅助测量的信息标识物，这给非合作目标运动及位姿测量带来了极大的挑战。目前，对于目标状态的获取主要使用视觉的方式，如美国的PHOENIX计划[41]，欧洲航空局的ROGER计划[42]等，也可使用激光测距的方法，如SMART-OLEV计划[43]，其位姿测量系统由视觉与激光测距系统共同组成。

非合作目标运动状态检测方法主要可分为以下3类：基于强几何特征的方法，基于模型的方法和基于三维点云的方法。其中基于强几何特征的方法是对于目标上特有的几何特征进行识别，根据特征与目标本体的位置关系解算目标的位姿信息。哈尔滨工业大学的王志超[44]提出一种基于特征信息融合的位姿测量方法，其方法为同时将航天器本体和远地点发动机引擎喷管作为特征进行识别，并提出了几何卡尔曼滤波的PLK目标追踪算法，提高了识别效率。北京理工大学蔡晗[45]等，提出一种基于几何特征综合匹配的双目超近距相对位姿视觉测量方法，此方法以失效卫星的矩形太阳帆板为特征，经过解算得出卫星的相对位姿。此方法计算量小，易于实现，实时性较好，但是适应性和鲁棒性并不理想。

第2种为基于模型的方法，即在已知目标CAD模型的前提下，对目标进行模板匹配，进而获取目标姿态的方法。Kelsey等[46]利用视觉系统对非合作目标基于模型位姿测量方案进行了研究，在已知非合作目标三维模型的前提下，对目标追踪算法进行了研究，可实现非合作目标位姿参数的实时输出。哈尔滨工业大学的任宇琪[47]对基于模型的算法进行了研究，首先利用POSIT算法求取参考位姿，进而求得图像上的特征点与已知目标模型上的特征点对应关系，利用随机采样表决算法，结合虚拟视觉伺服算法求得目标位姿信息。此种方法匹配精度高，鲁棒性好，但是需要目标CAD模型，适应性受限。

第3种为基于三维点云的方法，此方法为通过视觉或激光测距的方法建立非合作目标表面的三维点云，然后与已知非合作目标三维模型进行迭代配准，利用配准后的信息进行位姿解算。此种方法鲁棒性好，精度高，但是算法复杂，计算量大，导致实时性差。郭瑞科等[48]为提高配准速度和精度提出了一种基于KD-Tree点云均匀采样简化算法，仿真结果表明此方法能够有效的实现点云的配准。为改善识别效率，Lim等[49]提出了基于闪光雷达及预识别目标上直线及角点等强几何特征的点云姿态识别算法，与传统ICP算法相比处理数据量更小，适合10 Hz以上的处理频率，实时性更优。

根据视觉系统实时识别的姿态信息即可解算出目标翻滚运动的运动参数，而目标的动力学参数特别是惯性参数的识别目前主要基于动量守恒方式及牛顿—欧拉方程。孙俊等[50]提出了一种基于Adaline网络的空间非合作目标惯性参数辨识方法，基于动量守恒原理建立辨识模型，利用神经网络实现惯量参数的快速辨识。徐文福等[51]提出了一种更加实用的完全惯量参数辨识方法，通过抓捕后依次按顺序解锁机械臂各关节，逐步得到组合体惯量参数，将目标参数辨识问题转化为单体及两体系统辨识问题。楚中毅等[52]提出了一种依据抓捕后接触力进行惯量参数辨识方法，在考虑各种测量误差扰动的情况下，可以实现精确、稳定的惯量参数辨识。

当前对非合作目标惯量参数的识别主要利用机械臂抓捕后进行接触式的辨识及测量，这类方法适合与接触式消旋同步进行。在研究非接触消旋问题时文献[12，53]中假设目标姿态及距离等信息可实时测量为已知量，但与非接触消旋方式相结合的非接触式惯量参数辨识方法还需要进一步研究。

3.2 翻滚非合作目标消旋控制

翻滚非合作目标消旋的难点在于非合作目标质量、惯量及运动参数未知，需要通过在轨辨识获取，且作用于目标表面的控制力矩与相对位姿高度相关，消旋过程中相对距离和姿态的改变对力矩的控制提出了很高的要求。当前对非合作目标消旋控制问题主要有以下3类解决思路：

1) 将非合作目标转化为合作目标，利用合作目标消旋方法解决非合作目标消旋问题。例如采用推力器附着[26]，磁场源附着[54]等方式为非合作目标提供姿控执行机构。Caubet和Biggs[54]等提出了将磁性构件附着到非合作目标上的方案，当目标上附着磁场源时，可利用磁偶极子模型建立相互作用力模型。此时消旋问题转化为磁控姿态问题，可采用成熟的B-dot算法[55]或比例反馈控制方式[56]控制目标姿态，完成消旋任务。非合作目标姿态合作化控制可借助成熟的姿态控制算法，但附着过程本身就是控制外部场源直接与翻滚非合作目标接触并连接到一起，如何安全、准确地附着同时减缓碰撞仍是一个难题。

2) 当非合作目标为简单运动情况时(自旋)，只需要单自由度控制力，保证外部控制力矩与角动量方向相反即可实现运动衰减，目标单自旋运动方程可简化为

I·Δω=r×F·Δt

(2)

式中：I为目标的惯量矩阵；Δω为目标角速度增量；r为控制力作用点在目标本体系位置矢量；F为作用力矢量；Δt为力作用时间。

通过服务航天器向目标施加单自由度控制力实现较为容易，Nishida和Kawamoto[17]提出了利用柔性末端执行器与目标表面接触产生的摩擦力衰减目标转速。Yudintsev等[57]提出了一种yo-yo消旋机构附着在自旋火箭末端，通过yo-yo球的释放衰减目标单自旋转速。

3) 当非合作目标为自由翻滚状态时，需要根据在轨辨识得到的目标位姿信息实时改变服务航天器控制力矩施加装置与目标相对位姿，以保证控制力矩满足姿态稳定需求。

针对接触式消旋法中脉冲消旋控制，Kawamoto等[29]提出了利用多次接触脉冲作用力去除目标章动角的方法，并给出了脉冲次数的优化过程。Yoshikawa和Yamada[58]提出了一种基于离散控制的目标三轴角动量脉冲式衰减方法，结果表明该离散控制方法可有效衰减目标三轴角动量且系统稳定。脉冲消旋控制的优势在于消旋过程中不需要实时反馈，通过视觉系统测量外力作用后目标运动状态的改变量，然后逐步调整重复作用即可达到衰减目标转动的效果。

在非接触消旋法的消旋控制方法上，国内外也开展了相关研究。Nakajima等[18]提出的用气体冲击衰减火箭末级转速的方法，是基于四元数反馈控制喷气点与目标相对距离及角度，实现了对目标姿态控制。Bennett和Schaub等[36]提出了基于bang-bang控制理论的静电消旋及目标稳定姿态控制算法，通过控制目标转动过程中靠近与远离时刻服务航天器电压正负极性产生与目标相互吸引或排斥的作用力，最终稳定目标姿态。Gomez和Walker[39]利用超导线圈构造外部近似均匀磁场，对磁场中运动的非合作目标采用PD控制原理设计控制律控制目标相对距离及姿态，与未采取控制手段相比，消旋时间从一个月减小到几天内。在消旋控制时，由于需要已知与目标间的距离及相对姿态等运动信息，对处于高速翻滚状态的非合作目标还需完善相应的相对距离及姿态参数的快速在轨辨识技术，以有效缩短消旋时间。

4 结论与展望

1) 非合作目标翻滚运动形式复杂，对于空间翻滚非合作目标进行主动消旋是对现有在轨捕获方法的有效补充。对于难以直接抓捕的空间翻滚非合作目标，在捕获前进行消旋处理可降低捕获难度，保证后续任务安全、有效进行。

2) 按作用力是否与目标接触可将非合作目标消旋方法分为接触式和非接触式两类。接触式消旋方法能提供较大的控制力矩，快速稳定目标姿态。而当目标运动情况复杂时，利用气体冲击、静电力、电磁力、离子束、激光等非接触力进行消旋可以有效减少碰撞风险，在安全间距外衰减目标三轴转速。

3) 针对特定目标选择消旋方法要综合考虑目标几何形状、材料特性、运动特性、所需控制力矩自由度、任务有效载荷、任务时间及能量消耗等问题。接触式消旋方法能提供较大的控制力矩从而缩短消旋时间，但要求较高的控制精度。采用非接触作用力矩消旋作用距离远，对相对距离及姿态容差能力强。将消旋装置集成到末端执行器中可有效节省有效载荷。

4) 对非合作目标运动学及动力学信息的在轨辨识及消旋控制方法需要进一步研究。对非合作目标姿态及翻滚运动的测量目前主要采用视觉识别方式，采用基于强几何特征、基于模型的方法或基于三维点云的方法进行辨识。需要更快速有效的识别出目标特征及位姿信息的方法。对目标质量、质心位置及惯量矩阵的识别需要抓捕后结合机械臂运动进行辨识，非接触消旋方法的动力学参数识别问题还需要进一步研究。在研究非合作目标消旋问题时，文献中多假设目标位姿信息已知，基于在轨实测的真实非合作目标位姿信息验证各类控制算法的有效性需要进一步研究。在非合作目标上附着外部场源将其转化为合作目标进行姿态控制是一个较为可行的思路，可借助成熟的算法进行姿态控制，但外部场源如何安全附着到非合作目标上是难点。

未来空间碎片清除任务朝着一次发射清除多个目标的方向发展，且目标捕获后还需对其进行离轨处理。对翻滚非合作目标进行消旋在下述几个方面可以继续探索。

1) 对翻滚非合作目标运动参数进行快速在轨辨识，与静止目标姿态识别不同，翻滚目标运动测量需要更高频率的解算算法，且要适应空间中变化的光照环境。对无法直接抓捕的翻滚目标，非接触式目标惯量参数估计更具潜力。

2) 非接触消旋过程中对目标姿态进行自适应控制，当质量及惯量参数未知的非合作目标与服务航天器固联形成组合体运动时，组合体质量、质心位置及惯量参数发生改变，利用自适应控制算法稳定目标姿态更具优势。

3) 将非接触消旋方法集成到机械臂末端执行器中，可以充分利用空间机器人灵活的特性和非接触消旋的安全特性，连续衰减目标运动直至姿态稳定，实现目标快速消旋，节省有效载荷。

4) 能同时满足消旋+捕获或消旋+离轨的消旋方式更具前景，可以将一个空间碎片主动移除任务多个环节进行简化，减轻任务有效载荷。

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