空間碎片接近及捕獲技術地面試驗調研研究

李揚,張烽,焉寧,唐慶博,童科偉

(中國運載火箭技術研究院研究發展中心,北京100076)

1 引言

空間碎片主要包括運載火箭末級或上面級、廢棄衛星及飛行器爆炸或碰撞后產生的碎片,這些空間碎片占據了寶貴的軌道資源,不僅造成了資源浪費,而且嚴重影響在軌衛星的生存。空間碎片的在軌接近、捕獲與清除技術,是目前國內外的研究熱點和航天領域未來的重要發展方向,是中國從航天大國向航天強國轉變所必須掌握的核心技術。

隨著近些年計算機技術、機器人技術和傳感技術的迅猛發展,以航天器在軌維護、廢棄航天器清理等為目的的空間目標捕獲技術已成為了空間領域的熱點研究方向,而地面仿真驗證技術則是解決上述問題并開展工程應用的前提。地面仿真實驗平臺可以為空間碎片接近及捕獲過程中的關鍵技術,如航天器相對目標的高精度姿態跟蹤、超近距離強迫伴飛的控制技術、機械臂抓捕翻滾目標過程中的跟蹤控制技術、機械臂捕獲非合作目標運動規劃技術等空間的實際應用提供技術驗證手段,驗證在模擬環境下航天器接近及捕獲控制理論與方法的工程可行性,為未來空間任務應用提供技術基礎。

2 研究現狀與發展動態分析

世界很多航天大國都在集中精力研制空間操縱飛行器,實現對空間目標的接近及捕獲任務,并且已經取得了大量的成果,美國、加拿大、日本及德國等歐洲國家的空間機器人研究均處于世界領先水平。與此同時,為了提升空間任務的可靠性,通過在地面搭建模擬平臺,模擬空間目標運動狀況并驗證其相關的關鍵技術。下面針對典型的空間碎片接近及捕獲操作任務的關鍵技術突破驗證需求,調研和分析相應的地面試驗。

2.1 空間環境與目標特性仿真

MD Robotics(MDR)公司研制的空間視覺測試平臺包括兩個六自由度工業機械臂,如圖1。一個機械臂用于支撐縮比復制的衛星模型,另一個末端執行器上帶有相機可以用于探測。通過跨尺度等效實現視覺信息的模擬,在地面近距離尺度下驗證空間停靠接近技術。該平臺建立在空間暗室中,可模擬目標光學特性以及目標運動特性,通過編程操作可實現基于視覺系統的閉環控制驗證。對于目標的姿態識別更新速率在中距離(1.2～5m)可達到2Hz,在近距離 (小于1.5m)可達到12Hz[1],但該視覺測試平臺難以滿足空間翻滾目標的在線估計與測量需求。

圖1 MDR視覺測試平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of MDR visual testing platform

同步位置保持重定向試驗衛星平臺 (SPHERES)項目研制了空間自由翻滾運動的目標模擬器,可在空間微重力環境下繞任意軸自由翻滾。該項目在國際空間站上進行了一系列的試驗和技術演示驗證,使用 “通用目標檢測的視覺估計和相對跟蹤”(VERTIGO)計算機基于 “同步定位與地圖構建算法”(SLAM)算法驗證了空間翻滾目標三維重建技術、旋轉特征軸檢測與測量技術等[2-4],該項目依托空間站的微重力環境完成了翻滾目標探測識別技術驗證,但相比地面試驗的成本要昂貴許多。

2.2 繞飛停靠與跨尺度等效技術

2007年,美國國防高級研究計劃局 (DARPA)的 “近期能演示驗證的空間機器人技術”(FREND)成功進行了2次地面演示試驗[5-7]。FREND最大特點在于能抓捕大部分的空間非合作目標,并為其提供位置保持、姿態控制、軌道修正、離軌、碎片清理等操作,其地面試驗由美國海軍研究實驗室 (NRL)負責。

NRL研究人員利用接近操作試驗設施,在不同的光照條件和變角速率 (0.1～1°/s)情況下,進行了一系列的自主交會和抓捕試驗,對 “通用軌道修正航天器”(SUMO)計劃的機器視覺、機器人技術、自主控制算法的集成系統進行演示驗證。盡管在實驗室環境下可以對分系統進行演示驗證,但無法完全復制空間的微重力環境和光照條件。接觸動力學、太陽光照和自主操作是SUMO面臨的三個基本問題,需要進行飛行演示驗證。

圖2 SPHERE項目地面試驗驗證及在空間站技術驗證Fig.2 SPHERE ground test demonstration and space station technical demonstration

圖3 暗室內LED燈打開和實驗室開燈的狀態Fig.3 Situations with LED on in darkroom and light on in laboratory

圖4 NRL的接近操作試驗設施Fig.4 NRL approach operation test facility

NRL實驗室建立的系統仿真實驗臺,該試驗臺能夠試驗全系統動力學仿真,包括傳感器及光照條件,實現 “軟件在回路中”的仿真并完成點到點的場景驗證。

圖5 系統仿真實驗臺Fig.5 System simulation testbed

2.3 捕獲策略研究與組合體控制

德國宇航中心 (DLR)的空間系統演示驗證技術衛星 (TECSAS)項目旨在通過進行遠距離機動、近距離接近、繞飛監測、與目標星編隊飛行、捕獲目標星、組合體穩定調姿與軌道機動、地面遙操作驗證主動控制和被動控制以及組合體離軌操作等[8,9]。于2006年之后開展的名為 “德國在軌服務任務”(DEOS)的計劃,重點對LEO軌道非合作目標的交會、捕獲和離軌等技術進行了研究。

隨后DLR與ROBOTIQ公司聯合研制了基于KUKA機械臂搭建的地面試驗系統,用于驗證對空間翻滾目標的捕獲與穩定控制技術。該平臺通過兩套機械臂分別模擬服務飛行器和目標飛行器的六自由度運動,包括模擬空間慢旋目標運動、捕獲過程中的碰撞動力學與組合體控制等。通過一套額外的機械臂驗證捕獲策略,將空間慢旋目標捕獲中應用的關鍵技術有機集成與驗證。

另外,FREND項目和其它類似系統的最主要區別就在于能夠捕獲非合作目標。被捕獲的目標航天器在設計時無需增加任何專門用于對接的接口和裝置。選取一般衛星上都有的星箭對接環、噴管或設備安裝螺釘等結構特征作為非合作目標的捕捉點。在地面氣浮平臺上對接近停靠與捕獲技術進行驗證,通過引入力傳感器信息驗證柔順控制技術及捕獲策略對結果的影響。

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圖6 DLR虛實結合半物理仿真試驗Fig.6 Virtually-really combined semi-physical simulation test

圖7 DLR地面模擬對接環捕獲試驗Fig.7 DLR ground simulation test for docking ring capture

美國 “軌道快車” (Orbital Express)項目研究人員在地面開展了充分的仿真和驗證工作[10-13],從而保障在軌試驗的順利開展,圖8和圖9為 “軌道快車”項目地面對接試驗情況。

2.4 機械臂柔順控制技術

SUMO/FREND通過主動柔順控制算法,利用安裝在末端執行器下部的力/力矩傳感器輸入,反饋至關節電機使得末端執行器位置指令與作用于目標的力進行折中調整。SUMO采用阻抗控制器用于實現柔順控制,它使得末端執行器能夠對“彈簧-質量-阻尼”系統的動力學進行仿真。通過不同的系統參數調整,末端執行器能夠以任一自由度形式反應。

NRL實驗室的重力偏置實驗臺 (GOT)。該實驗臺為3自由度低摩擦氣浮平臺,基于該平臺開展接觸動力學的高逼真度模擬,用于驗證機械臂柔順控制算法及相關傳感器、末端執行器硬件設計、抓捕控制軟件以及抓捕相關子系統的集成能力。

圖8 “軌道快車”項目機械臂Fig.8 Orbital Express robot arm

圖9 “軌道快車”項目地面對接試驗Fig.9 Orbital Express ground docking test

圖10 重力偏置柔順控制實驗臺Fig.10 Gravity offset compliance control testbed

“實驗服務衛星”(ESS)是德國宇航中心于1994年左右提出的研究計劃。該計劃主要針對早期發射的TV-Sat-1衛星故障 (入軌后未能打開太陽帆板中的一塊)進行維修。該計劃研究了在視覺提供場景信息下,地面端控制抓捕工具接近目標衛星遠地點發動機噴嘴并插入后進行捕獲研究。

結合ESS計劃,DLR設計了2套六自由度機械臂的衛星服務系統地面實驗平臺。機械臂采用工業機器人結構,具有較高的位置精度,手爪位置安裝有力矩和位置傳感器,可完成航天器的對接和抓取等實驗。隨后DLR與ROBOTIQ聯合研制了基于KUKA機械臂搭建的地面試驗系統,用于驗證對空間翻滾目標的捕獲與穩定控制技術。

圖11 DLR地面模擬噴管捕獲試驗Fig.11 DLR ground simulation test for nozzle capture

圖12 ESS抓捕目標衛星遠地點發動機Fig.12 ESS captured target satellite's apogee motor

2.5 飛行試驗及驗證情況

日本在1997年發射的ETS-VII進行了空間自主交會對接和機械臂操作關鍵技術驗證,成為最早成功演示驗證自主在軌捕獲技術的空間飛行器系統[14-16]。ETS-VII系統安裝了一套六自由度的2m空間機械臂和一套五自由度的0.7m空間機械臂,在地面開展了大量的試驗工作,從而保障在軌試驗的順利開展。ETS-VII入軌后成功實現了追蹤星對目標星的多次交會對接試驗和最終在軌捕獲試驗,完成了在軌性能評估、機械臂與飛行基座的協調控制、大時延下機械手遙操作、在軌服務等一系列演示驗證試驗。在軌演示期間進行了兩次重要的漂浮目標抓捕試驗,驗證了自主在軌捕獲相關的自主交會、在軌視覺伺服、機械臂控制、大時延下的遙操作等多項關鍵技術。

1999年11月,DARPA的 “軌道快車”通過飛行試驗驗證了服務星 “自主空間運輸機器人操作”(ASTRO)與目標星 “下一代衛星”(NEXTSat)之間的自主對接、接近、捕獲和交會能力。“軌道快車”是繼ETS-VII之后第二個開展在軌飛行演示驗證的智能空間機器人系統。“軌道快車”具備軌道機動能力強等特點,ASTRO在天基目標測量系統的導引下,首先完成對NEXTSat交會逼近,然后通過自身攜帶的空間機械手系統,對NEXTSat實施在軌抓捕。這是首次使用具有閉環視覺伺服系統和自動故障恢復功能的機械臂全自主地捕獲自由漂浮目標,首次在捕獲過程中使用了基于被動探測系統的全自主導航與制導技術。

日本ETS-VII與美國軌道快車均開展了在軌飛行試驗驗證,完成了合作且姿態穩定目標的捕獲技術驗證;SPHERES項目在國際空間站上進行了一系列視覺探測與識別技術驗證。美國鳳凰計劃[17-19]、歐洲DEOS計劃雖然均為面向空間翻滾目標的捕獲任務,但均處于關鍵技術的地面試驗驗證階段,尚未開展在軌飛行,因此開展空間翻滾目標捕獲過程中的航天器控制理論與方法地面試驗驗證與飛行試驗的需求迫切。

3 發展趨勢分析

通過對國外航天器控制方法的地面及空間試驗驗證發展現狀調研和分析,可以看出空間目標捕獲過程中的航天器控制理論與方法地面試驗驗證有以下發展趨勢:

(1)隨著動力學建模技術不斷提高,空間飛行器的運動學與動力學建模更加精細化,使地面仿真的真實度和可信度隨之提高。但仍存在諸多物理約束與物理屬性尚未以數學形式描述并集成在仿真模型中,存在天地一致性的差異,因此應持續提升數學模擬的逼真程度,不斷逼近真實空間環境;

(2)近年來地面仿真平臺性能逐步提高,增強了地面試驗復雜模擬及可視化程度。但對于復雜空間目標交互控制試驗仍存在著難以多尺度模擬的問題,因此研究團隊需要在多尺度模擬與地面試驗復雜度之間進行折中,在地面試驗允許條件下實現兩者兼顧的仿真平臺;

(3)通過建設功能完善的地面試驗平臺不斷驗證突破新理論、新方法與新策略,提升天地一致性,加強面向空間翻滾目標捕獲任務的技術儲備。地面試驗終究不能完全替代空間試驗,各國也在適時開展飛行演示驗證對空間碎片接近及捕獲技術進行進一步驗證。

4 后續發展設想

通過對各國空間碎片接近與捕獲技術試驗情況的發展現狀分析可知,面向空間合作目標捕獲的相關研究起步較早,多個國家已經完成在軌技術驗證和應用,技術較為成熟。與此同時,面向空間翻滾目標捕獲的研究地面驗證手段較為全面,但尚未開展在軌試驗。未來仍急需加強針對空間翻滾目標捕獲的理論創新、技術研究與空間實驗驗證,其研究成果可為空間翻滾目標的捕獲的實際應用提供重要的技術基礎,具有重要的理論意義和工程應用價值。

結合空間碎片接近及捕獲所需關鍵技術,對地面大型試驗的后續發展設想如下:

(1)大跨度六自由度地面半物理仿真驗證平臺。建立大跨度六自由度地面半物理仿真驗證平臺,解決空間微重力環境下空間對抗相對位姿大尺度六自由度目標視覺導引、自主交會和捕獲、高精度接近及懸停控制、接觸動力學等試驗問題,滿足全尺寸驗證需求。

(2)光電動力學一體化系統仿真驗證平臺。開發光電動力學一體化系統仿真驗證平臺,解決包含空間熱環境、光學環境、電子信息、耦合動力學等綜合天地一致性模擬試驗問題,如空間目標運動/光學特性模擬、遙操作組裝、軟硬件在回路測試等。

(3)虛實結合的多尺度地面驗證試驗等效。開發基于虛實結合的多尺度地面試驗驗證平臺,解決跨時間/空間尺度等多尺度地面試驗驗證問題,如交會接近速度/距離大跨度、超近距離跟蹤大質量翻滾目標、多視覺探測及態勢感知、可視化虛擬場景等。