空間在軌服務技術及發展現狀與趨勢

+ 王曉海 空間電子信息技術研究院 空間微波技術重點實驗室

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空間在軌服務技術及發展現狀與趨勢

+ 王曉海 空間電子信息技術研究院 空間微波技術重點實驗室

【摘 要】本文首先介紹在軌服務技術的概念內涵與重要意義，重點研究探討國外在軌服務技術最新發展現狀，分析總結在軌服務技術未來發展趨勢。

【關鍵詞】在軌服務 演示驗證 試驗衛星 地球靜止軌道GEO 空間機器人

1　在軌操作與在軌服務

1.1在軌操作

在軌操作泛指在空間環境中，航天器為完成空間任務而進行的空間操作活動的統稱。這里的空間任務專指應用任務，而不包括演示驗證任務，因為演示驗證任務的目的是進行技術能力驗證，為應用任務做準備。根據當前在軌操作涉及的應用范疇，將空間任務分為以下3類：軌道機動、在軌服務及軌道清理。

①軌道機動可分為：軌道保持、軌道改變以及空間威脅規避等。軌道保持是指航天器為克服空間攝動或其他外力引起的軌道變化并維持其正常工作軌道而采取的一系列控制措施；軌道改變是指航天器由于任務的變化而導致轉移至新的運行軌道的過程；空間威脅規避是指航天器為了避免與空間碎片或其他航天器發生碰撞而臨時改變運行軌道，并在威脅解除后恢復至原正常工作軌道的過程。

②在軌服務是指服務航天器攜帶設備裝置與目標航天器發生相互作用的過程，進而達到服務的目的。隨著載人航天技術的發展和逐漸成熟，在軌服務的概念也隨著延伸擴展，今天在軌服務則是指在空間通過人、機器人或兩者協同完成的空間操作。在軌服務是在軌操作技術的主要應用方向，它能有效延長航天器在軌壽命。

③軌道清理主要是指為改善空間環境而進行的空間碎片及失效衛星等非合作目標的監測與清理（輔助離軌）等工作。

1.2在軌服務

在軌服務包括由服務飛行器對目標航天器實施在軌補給、功能擴展、碎片清除和故障維修等操作。在軌補給是指對在軌航天器消耗品進行補給，補給方式包括對航天器在軌加注、貯箱等單元更換等。功能擴展是指將分批獨立發射入軌的航天器艙段和部件進行對接、組裝和展開，實現大型衛星的功能增強。故障維修是指對航天器進行在軌檢查、維修和部件更換，常規維護包括檢查、測試、定標等工作內容；異常維護包括維修和故障部件更換等工作內容；升級維護則包括用高性能的部件替換現有部件，或補充新的部件。碎片清除主要對滯留在重要軌道上的廢棄衛星，以輔助變軌方式騰出軌位。

在軌服務為空間任務的實施提供了更多選擇，其意義主要表現在于：①實現傳統方式不可能實現的空間任務；②降低航天任務的初始成本；③通過降低風險來提高在軌系統的性能；④增強在軌系統功能靈活性和適應性。

此外，在軌服務技術的軍事意義也顯而易見。在以信息化為特點的新軍事變革時期，在軌服務技術在軍事航天領域的應用能夠有效提高空間戰略威懾力。對各種軍用偵察衛星、導航衛星、通信衛星甚至即將出現的空間機動作戰平臺進行在軌維護和服務，能夠有效地提高空間態勢感知能力、第一時間情報獲取能力和應急作戰能力。同時，在軌服務系統在戰時可以適時參與空間作戰，對敵方航天器實施空間干擾、捕獲或損毀，從而保證我方掌握制天權和制信息權，提升空間作戰部隊的整體戰斗力。

2　空間在軌服務技術發展現狀

1973年5月-7月，兩批美國航天員出艙對艙外熱控和太陽電池翼進行了成功的維修，挽救了重達一百噸的“天空實驗室”，實現了人類歷史上第一次艙外在軌維修服務。

自20世紀60年代提出概念以來，在軌服務技術迄今已經歷四十多年的發展歷程。期間各國航天機構開展了一系列地面、空間實驗和應用研究，取得了豐碩的成果，并顯示出了巨大的社會經濟效益和良好的應用前景。在軌服務技術發展至今，世界各國已經進行過和正在開展有多項在軌服務項目的試驗驗證。本文主要研究探討無人在軌服務項目。

2.1美國在軌服務技術發展現狀

美國在在軌服務技術領域遙遙領先世界其他各國，已開展和正在進行與計劃開展的在軌服務項目主要有“自主交會技術驗證衛星”（Demonstration Autonomous Rendezvous Technology，DART）、“試驗衛星服務系統”（Experimental Small Satellite，XSS）、“軌道快車”（Orbital Express，OE）、“微小衛星技術試驗”（Micro-Satellite Technology Experiment，MiTEx）、“軌道通用軌道修正航天器”（Spacecraft for the Universal Modification of Orbits，SUMO）、“前端機器人使能近期演示驗證”（The Front end Robotics Enabling Next-term Demonstration，FREND）、“鳳凰”（Phoenix）及“詹姆斯·韋伯空間望遠鏡”（James Web Space Telescope，JWST）等。未來，美國以“有限目標，滾動發展；循序漸進、逐步突破”的思路作為空間自主在軌服務技術的發展方向。

圖1　美國在軌服務項目現狀

圖2　日本在軌服務項目現狀（左）及中長期在軌服務發展規劃（右）

DART計劃是美國航空航天局（NASA）提出的旨在驗證自主空間交會技術。DART衛星的任務是在軌道上與目標衛星進行一系列自主交會、逼近和繞飛操作，驗證其敏感器、推進系統、控制器及軟件的性能。

XSS計劃是美國空軍提出的“模塊在軌服務概念”研究計劃。目前，已經公布的XSS系列衛星有XSS-10和XSS-11。XSS-10的任務目標是演示驗證自主導航、近距離交會以及目標監視技術；XSS-11衛星研究了包括在軌維護、修理和補給在內的多種具有前景的太空應用。

OE計劃演示試驗包括：分離至預定距離，交會、接近和捕獲，對接及相關操作。處于分離狀態下的操作內容包括：分離，遠場交會，近場交會，接近操作，最終逼近以及捕獲；處于對接狀態下的操作內容有：電池傳送，計算機移除與替換，燃料傳輸。

MiTEx項目由DARPA、美國空軍USAF和美國海軍USN共同負責，用于演示驗證效費比高、重量輕的貨架化組件技術，包含電源系統、推進系統、綜合電子系統、結構系統等組件技術，以及在發射和軌道運行環境中應用的高級通信與軟件技術。值得注意的是，MiTEx可用于GEO衛星的精細編目、近距離監視等軍事用途。

SUMO項目由DARPA支持、海軍研究實驗室NRL主要負責，其主要是利用機器視覺、機器人、機構、自主控制算法等技術，驗證自主交會對接、抓捕未來衛星各種不同類型接口的服務操作能力。SUMO項目原計劃于2008年進行飛行演示驗證，后于2006年更名為RREND，意為近期可演示驗證的機器人技術，但至今尚未進行飛行演示驗證。

從功能上看，FREND計劃是研制了一種空間機器人，其主要作用包括：①對于合作目標的航天器，能夠進行在軌維修、轉移并安裝替換單元、補充燃料等；②對于非合作目標的航天器，能夠進行位置保持、姿態控制、軌道轉移和修正。

在FREND項目的基礎上，DARPA又提出了“鳳凰”計劃，力圖通過創新發射、部署方式的突破，探索新型在軌服務模式，建立起一個面向重復利用的在軌服務支援體系。“鳳凰”計劃的設想是發展一種從廢棄衛星上搶救、再利用零部件（如天線）并重新構造一顆新衛星的技術。

JWST是美國深空探測計劃中的紅外線太空望遠鏡，作為將于2010年結束觀測活動的哈勃太空望遠鏡的后續機。該深空軌道大型望遠鏡項目是歐洲空間局（ESA）和美國宇航局（NASA）的共用計劃，將被放置于太陽─地球的第二拉格朗日點。

機器人航天員2（Robonaut 2，R2）由NASA約翰遜空間中心機器人系統技術部與美國通用動力公司聯合開發，其目的是在人附近安全可靠地工作（和人協同工作）、用于代替航天員進行艙外作業，以及從事其他太空研究和探索工作。

2.2日本在軌服務技術發展現狀

日本是較早開展空間在軌服務技術研究的國家之一，其中，已經開展的在軌服務項目包括MFD項目及搭載于“工程技術試驗衛星”（Experiment Test Satellite-VII，ETS-VII）上的世界上第一個真正的自由飛行空間機器人項目；正在開展的項目包括“日本實驗艙機械臂”（Japan Experiment Module Remote Manipulator System，JEMRMS）項目和“運載飛船”（H-ⅡTransfer Vehicle，HTV）項目。

MFD是日本的第一個空間機器人臂飛行實驗，于1997年在NASA的“發現號”航天飛機上進行，用于演示JEMRMS的SFA機器人臂的功能和性能。

圖3　加拿大在軌服務項目現狀（左）及中長期在軌服務發展規劃（右）

ETS-VII完成了機械臂校準、衛星姿態與機器人運動的協調控制、空間機械手漂浮物體抓取、撥動開關、機器人柔順控制下的銷釘插孔、桁架組裝、模擬更換ORU和燃料補給、視覺監測、目標星操作與捕獲等試驗任務。此外，ETS-VII還進行了無人情況下的自主RVD和艙外空間機器人遙操作實驗。

JEMRMS是一個用于空間操作的機器人系統，它將被安裝在ISS日本實驗艙的常壓模塊PM （Pressurized Module）上，用作JEM的機器人實驗或者支持JEM的維修服務。

HTV是一種無人軌道貨運飛行器，其設計目的是向國際空間站運送貨物并攜帶站上的垃圾（廢棄設備、舊衣物和其他垃圾）返回，在再入大氣時燒毀。

在新型在軌服務系統研究方面，日本國家信息和通信技術研究中心（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）于2004年提出了“軌道維護系統”（Orbital Maintenance System，OMS）。OMS是一個對通信衛星進行在軌監測、維護及離軌等操作的衛星服務系統，并可用于處理空間碎片和保護空間環境。

此外，日本還提出了“空間碎片清理者”（Space Debris Micro Remover，SDMR）等幾種未來在軌服務的新概念。SDMR主要用于驗證電力繩系系統（Electro Dynamic Tether，EDT）移除空間碎片的關鍵技術及對大尺寸空間碎片進行捕獲和離軌操作的可行性，演示幾種空間碎片移除操作：與碎片物體進行交會并測量其運動，對目標進行繞飛、接近并捕獲，用可展開的折疊包絡臂捕獲目標，伸展開固定在折疊包絡臂根部的電力繩系系統，自助控制繩系系統進行降軌。

2.3加拿大在軌服務技術發展現狀

加拿大在在軌服務方面開展的項目主要是“遙機械臂系統”（Shuttle Remote Manipulator System，SRMS）以及用于國際空間站的“移動服務系統”（Mobile Serving System，MSS）。

加拿大的空間機器人項目的開展以國際空間站和航天飛機為載體。加拿大SPAR公司研制的航天飛機遙機械臂系統SRMS（也稱為加拿大臂Canadarm），是世界上第一個實用的空間機械臂。通過航天飛機上操作員的操作，SRMS實現了對哈勃望遠鏡的維修、部件更換與升級、國際空間站建造等大量在軌服務任務，是迄今為止最為成功的空間機器人系統。

在SRMS成功的基礎上，加拿大SPAR公司繼續開發了空間站遙操作機械臂系統SSRMS和靈巧機械臂SPDM。SPDM是SSRMS臂的靈巧手，用來完成一些更加精細的裝配操作。SPDM控制系統具有三種操作模式：主從模式、單關節模式和自動軌跡模式。SSMRS 和SPDM系統是目前功能最為強大的空間機器人，并成為國際空間站建造與維護的主要工具。

此外，加拿大也在積極探討未來在自由飛行機器人和深空探測（主要與NASA合作）方面的在軌服務機會。從上圖（右）“加拿大中長期在軌服務發展規劃”可以看出，加拿大開始重視未來新型航天器在軌服務需求，包括：①未來大型科學衛星、太空望遠鏡的服務；②重視GEO及深空軌道航天器的服務；③重視各種操作工具、控制方法的研究。

“GEO延壽系統”方案設想是利用機械臂捕獲目標的遠地點發動機噴管形成剛性組合體，然后再打開目標衛星的注排閥門，插入軟管泵入適量燃料。另外，該系統還具備簡單的維修功能，能夠排除太陽電池翼打開等故障。

2.4德國在軌服務技術發展現狀

德國一直很重視空間機器人方面的研究，到目前為止，已進行過和正在開展的空間在軌服務項目主要有“機器人技術試驗”（RObot Technology EXperiment，ROTEX）、“試驗服務衛星”（Experimental Servicing Satellite，ESS）、“國際空間站機器人組件驗證”（Robotics Component Verification on ISS，ROKVISS）、“空間系統演示驗證技術衛星”（Technology Satellite for Demonstration and Verification of Space System，TECSAS）、“德國在軌服務任務”（DEutsche Orbital Servicing Mission，DEOS）、“軌道壽命延長飛行器”（Orbital Life Extension Vehicle，OLEV）。

ROTEX是德國的第一個空間在軌服務機器人，也是世界上第一個具有地面遙操作能力的空間機器人系統，可工作于自主模式、宇航員操作模式和各種地面遙操作模式，主要演示驗證各項關鍵技術。ROTEX只是一個艙內機器人，但所采用的多傳感器手爪、基于預測的立體圖像仿真等技術方案，代表了其后的空間機器人發展方向。

圖4　德國在軌服務項目

ESS計劃旨在利用試驗衛星上的機械臂對地球靜止軌道上的非合作目標進行在軌服務。具體任務包括：對目標衛星的監測，接近、捕獲并與目標星對接，目標星的維修以及釋放等。ESS上安裝有一個機械臂，用于試驗機械臂的遙操作控制技術，完成對故障衛星的捕獲、檢查和維修

ROKVISS是一個機械臂，它被安裝在ISS上的俄羅斯艙外進行在軌實驗，主要完成關節元件的空間驗證、現場遙操作模式的驗證、地面遙操作模式驗證等。按照設計，德國的地面控制中心和空間站“星辰”號服務艙內的電腦可以近乎實時地操縱機械臂，使其在空間站外部進行一些危險、繁重的安裝和維修工作。

TECSAS用于驗證空間機器人的在軌服務技術，最初預定演示諸如接近和交會、繞飛監測、編隊飛行、機器人捕獲、耦合航天器對（即捕獲目標星后整個復合體）的機動飛行等試驗，但該項目一直沒有實質進展，于2006年9月正式停止，轉而啟動為DEOS項目。

DEOS項目將主要用于驗證對處于低地軌道上的失控翻滾非合作目標航天器進行捕獲，并使航天器組合體在可控狀態下脫離運行軌道。值得注意的是該項目是以GEO衛星為服務對象的，但前期將先在LEO軌道上開展演示，以驗證翻滾非合作目標的自主捕獲、對接等關鍵技術。

OLEV項目是一個商業項目，最初名稱為“空間壽命延長系統”（Space Life Extension System，SLES）。OLEV目標是通過與目標星對接，接管目標星的姿態和軌道控制，同時為目標星加注燃料，用于挽救在軌道定位操作中擱淺的衛星和延長衛星壽命。

2.5歐空局在軌服務技術發展現狀

歐空局在航天器在軌服務技術領域開展了一定的工作，但從未開展過在軌實驗驗證。其空間在軌服務項目主要有“地球靜止軌道服務飛行器”（Geostationary Service Vehicle，GSV）、“歐洲機械臂”（The European Robotic Arm，ERA）、“自動運輸飛行器”（Automated Transfer Vehicle，ATV）、“地球靜止軌道清理機器人”（RObotic GEostationary orbit Restorer，ROGER）等。

GSV主要用于對GEO衛星進行目標監視、燃料加注、模塊更換和輔助離軌等功能，但GSV并沒有進入實際工程階段，而僅開展了概念設計。

ATV可以同國際空間站自主交會對接，并為其提供貨物、飲用水、食物、空氣以及推進劑的補給。對接之后，還可以為ISS提供軌道和姿態調整。

ERA項目從1999年開始實施，它是一個可重定位的機械臂，主要用于完成空間站裝配、檢測、更換部件等操作。

ROGER旨在研究捕獲GEO非合作目標衛星并輔助其離軌等技術。其驗證的關鍵技術包括空間交會、目標測量、飛網/飛爪捕獲技術以及組合體控制技術。該計劃的研究也未能繼續開展下去，但其思想引起了國際航天界的廣泛關注。

此外，ESA與DLR及宇宙（Kosmas）公司合作開展了“赫爾墨斯”（Hermes）計劃，探索研究在軌的燃料收集和加注技術。Hermes計劃收集空間在軌廢棄航天器上的燃料，然后給需要燃料的GEO通信衛星進行燃料加注。Hermes計劃目前還處在概念論證階段。

3　空間在軌服務技術發展趨勢

通過以上對各國在軌服務項目及其未來發展規劃的介紹分析可以看出，未來在軌服務的發展趨勢主要集中在如下幾點：

①服務的軌道范圍更廣。結合美國大力開展深空探測、太空中轉/后勤基地的實際情況，美國在軌服務技術的發展呈現出從低軌到高軌再到深空的漸進式在軌服務發展態勢。

②更大的目標航天器。未來將出現各種大型、超大型航天器/空間站，這些航天器必然面臨著在軌組裝、在軌維護等操作任務，因此，需要開展面向此類大型航天器的在軌服務技術研究。

③更多、更復雜的服務內容。隨著航天技術的發展和模塊化空間系統的建設，對未來系統的升級改造使在軌服務從單一服務內容、單次服務頻率向多次復雜、多次服務頻率發展。

④更多數量、更多類型的服務對象。未來大量規模龐大的空間系統（如采用星座、分布式部署、編隊等形式的空間系統）的建設，大大增加了在軌服務對象的數量和類型，需要考慮采用更經濟、更高效的在軌服務方式。

⑤空間機器人技術在在軌服務中的應用取得了卓越成果并且作用越來越重要和突出，應用也越來越廣泛普及。到目前為止，國外開展的與空間機器人技術相關的項目共27項，其中15項進行了在軌演示驗證?？臻g機器人技術覆蓋了空間平臺技術、空間機械手技術、遙操作技術、目標捕獲跟蹤與測量技術、復合體動力學技術、復合控制技術等多個方面，技術創新點多，難度大。

⑥非合作目標捕獲技術成為新的發展重點。由于早期航天器以及空間碎片并不具備專門的捕獲機構，因此非合作目標捕獲技術是對其進行在軌服務或者清理的前提。

4　結語

從國外在軌服務技術發展現狀可以看出，在軌服務技術已經廣泛應用于空間任務，并取得了良好效果。GEO衛星是未來在軌服務的主要對象，針對GEO衛星進行在軌服務操作，不僅可以獲得顯著的經濟效益，而且在促進國防建設、空間技術的發展上具有重要意義。我國在航天領域正面臨新的重要機遇和挑戰。因此，我國應科學規劃在軌服務技術發展戰略，推進在軌服務技術演示驗證，促進在軌服務技術的應用，提升航天任務效益。

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王曉海（1978-），男，碩士研究生/工程師，空間電子信息技術研究院空間微波技術重點實驗室。主要從事衛星有效載荷技術情報搜集與研究分析工作。

作者簡介