DARPA制定全球首套无人在轨服务标准

贾平（中国航天系统科学与工程研究院）

2019年2月，由美国国防高级研究计划局（DARPA）招标组建的交会与服务操作执行联盟（CONFERS）发布了无人在轨服务《设计与操作实践建议》文件，用于支持制定有望于2019年发布的、全球首套无人在轨交会与服务操作相关技术和安全标准。制定该标准在一定程度上反映了美国军方积极推动在轨服务系统发展，谋求利用商业力量发展太空控制能力的战略意图。

1 背景和目的

近年来，越来越多的政府研究机构和私营公司开展了在轨服务及其操作技术研究，以延长在轨航天器的运行寿命，大幅降低任务成本。多个在轨服务项目即将于2020年左右进入在轨验证或商业应用阶段。其中，美国轨道-ATK公司的“任务扩展飞行器”计划2019年入轨，通过接管目标航天器推进系统功能的方式提供服务，有望成为全球首个商业在轨服务系统；美国国家航空航天局（NASA）的复元-L（Restore-L）服务航天器将于2020年发射，在近地轨道为陆地卫星－7（Landsat-7）提供推进剂加注服务；DARPA牵头的“地球同步轨道卫星机器人服务”（RSGS）项目计划2021年在轨验证排除机械故障、辅助变轨、安装附加有效载荷等技术，将采取公私合作关系（PPP）方式运行服务航天器。

在轨服务相关交会逼近、快速机动和精确操作技术，既可用于辅助变轨、维修在轨航天器和为其加注推进剂，也具有主动撞击、拆卸破坏等太空对抗潜力。因而，如不通过政策、法规或标准等加以约束，服务航天器就有可能与他国航天器发生意外碰撞，造成外交冲突，或被用于主动攻击他国航天资产，造成军事冲突。此外，如不通过标准和规范等加以统一，相关技术或应用的推广将会较难，或由少数机构强制推行，会导致行业垄断，不利于其可持续发展。但国际和各国政府尚未系统性地对其运营许可、服务范围、行为约束、技术安全标准等方面做出明确的规定。

综上，制定技术标准和安全管理标准势在必行。DARPA提出通过制定该标准达到以下目的：一是规范在轨服务操作，维护轨道交通安全；二是使美国参与的国际商业在轨服务活动透明化，降低外交风险；三是为投资运营方、潜在客户和其他利益相关方提供经济和安全保障，推动商业化发展；四是使政府对商业任务授权管理流程化，降低审查冗余复杂性和监管难度。

2 基本情况

该标准针对在轨交会与逼近、服务航天器设计及其操作技术和行为等进行规范。由DARPA组建基础上，以论坛讨论形式研究制定，具有共识性，无法律约束力。标准制定完成后，美国拟与联合国外空和平利用委员会等国际机构共享并推广。

标准的主要内容

标准主要内容是与商业服务活动相关的在轨交会与逼近，以及太空机器人服务操作技术和行为。目前主要涉及但不限于以下方面：一是航天器界面和设计，以增加安全性、生存性和交互操作性；二是实际操作，以规范交会逼近和在轨操作的行为；三是数据交换和共享，使提供服务的公司与客户（包括政府）实现信息共享；四是建立信任机制，以降低客户对操作服务具有军民两用特性的误解和担忧。

CONFERS于2018年4月发表的一份指南文件草案——《卫星服务安全框架技术和操作指南文件》，对标准框架和要素提出了指导性意见：一是相关术语定义；二是服务航天器设计、任务规划和准备，航天器设计方面涉及传感器套件设计与校准、导航/制导与控制系统、自主故障探测与系统安全软件设计理念、对接和抓捕机制等内容，任务规划和准备方面包括通知协议、无线电频谱管理等；三是服务航天器在12个任务阶段所涉及的操作，12个阶段包括发射、交会、逼近操作、服务操作、寿命结束离轨等；四是供服务商参考的服务任务安全建议，防止出现在轨异常、向客户证明任务安全性，以及满足许可证申请要求。

组织管理和制定形式

该标准由CONFERS汇聚来自政府和非盈利组织、合资公司、行业协会等航天专家，以论坛讨论形式研究制定。CONFERS将逐步从政府资助机构转化为自筹资金运营的组织。

（1）组织管理

DARPA从提案者中选定秘书处作为组织和执行者。秘书处主要负责制定认证CONFERS成员的过程和方法；通过与CONFERS成员中的领域专家交流，获取并研究相关实践经验和方法；制定知识产权保护计划；选择有资格的标准制定组织机构编撰标准文件并发布；负责安排总体进程等工作；制定详细财务计划。

（2）制定形式

秘书处将CONFERS作为论坛管理机构，通过会议讨论方式研究制定标准，根据参与机构不同，会议分4种：一是美国标准度量（USG）核心会议，仅限USG成员讨论内部技术和政策问题，将基于共享知识和技术达成内部共识；二是USG与私营机构一对一会议，探讨私营机构的商业计划和方法，以及知识产权保护问题；三是CONFERS成员大会，该大会是由USG核心会议成员和由秘书处选出的私营机构参加的多边会议，是CONFERS的工作核心，CONFERS主要通过该会议制定标准；四是开放性会议，每年举行一次，任何非CONFERS成员均可参加讨论进展与新任务。

进程安排与进展

（1）进程安排

按照DARPA发布的公告，CONFERS工作进程安排如下。第一年，CONFERS将在召开USG与私营机构一对一会议后，确定成员资格，并召开USG与主要成员的多边会议；发布首版草案；召开首次CONFERS成员大会/开放性论坛；发布首版修正标准，主要涉及在轨交会和逼近操作。第二年，将召开第二次CONFERS成员大会和开放性论坛，发布补充关于机器人在轨服务内容的第二版标准。第三、四年，召开第三、四次CONFERS成员大会和开放性论坛，从预计于2020年左右开展的商业在轨服务任务中吸取经验教训，纳入届时可能研究出的新技术和新技能；发布第三、四版标准；最后将CONFERS完全交由私营机构资助和运营。

（2）进展情况

CONFERS已组建完毕，发布了指南文件草案并召开了多次研讨会，已发布《卫星服务安全框架技术和操作指南文件》草案、《设计与操作实践建议》文件。

3 几点分析

无人在轨操作技术有望创造较大商业价值，且具有军民两用性，其广泛应用是大势所趋。制定相关操作标准，除了像DARPA提出的有助于维护轨道交通安全环境、避免外交冲突、推动商业化发展、降低监管难度外，还将对相关技术和航天器自身发展产生重要影响。

制定相关操作标准有利于推动技术可持续发展和实现航天器设计变革

相关操作标准的制定和推广将促进军、民、商各方交流合作，共享技术和经验，防止行业垄断，从而推动相关技术可持续、快速发展和广泛应用。相关操作标准广泛推广、在轨操作技术成熟后，将推动航天器的设计与制造向可接受在轨服务方面发展。未来，在轨航天器有望随时随地接受各类在轨延寿和维修服务，且可与新技术、新载荷充分兼容，从而通过在轨服务快速升级、更新换代。

进展情况

谋求降低政府运营经济风险和隐蔽发展太空控制能力是国防机构主导制定标准的深层动因

DARPA作为权威的国防创新机构，储备有丰富的在轨服务技术和经验，这是其牵头制定商业在轨操作标准、力促相关技术商业化发展的动因之一，但此外还有更深层原因。与目标航天器进行交会、逼近和操作的技术，在和平时期可用于军、民、商航天系统的服务保障与延寿，战时可快速形成太空对抗能力。通过该标准促进相关技术大规模商业化后，美国可利用商业资产为政府和国防在轨航天器提供服务，降低自行运营的经济风险。同时，大力推动这种具有军民两用性质的技术发展，也是增强太空系统弹性，隐蔽发展太空控制能力的重要手段。

采用多类型组织管理方式，有利于保障标准的权威、顺利和全面性

首先，由国防机构牵头，并在前期投入大量经费支持标准的制定，有利于汇集行业权威机构和专家，快速、有效推动标准的制定和实施。且政府和国防机构可从中获取技术和实践经验。其次，在标准制定组织稳定运营后，逐步转变为由私营机构自筹资金运行和管理，有利于释放商业活力，同时也可为政府减负。而且在美国商业航天器远多于政府航天器的情况下，和平时期的商业在轨服务需求远大于政府需求。最后，根据参与对象召开政府内部、政府与私营机构、开放式会议等不同层次的研讨会，既能集思广益，引入各方智慧，确保标准制定的权威、可信和全面性，也能确保国家技术信息安全。