在軌服務若干關鍵技術研究進展

肖余之，靳永強，陳歡龍，顧冬晴，徐 峰

（1.上海航天技術研究院，上海 201109；2.上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

在軌服務（On-Orbit Servicing）一般是指通過人、機器人或兩者協同完成涉及延長各種衛星壽命、提升執行任務能力的一類空間操作［1-2］，本文主要論述機器人在軌服務。在軌服務的概念內涵非常豐富，一般來說包括故障維修、碎片清理、物資補給、在軌組裝等幾類［3］。

故障維修是指對在軌發生故障的衛星執行輔助展開、功能模塊更換等修復性操作，廣義上也包含對未能正確入軌衛星的輔助入軌、對壽命末期衛星的接管控制等；碎片清理是指對滯留在軌道上的空間碎片、廢棄衛星進行主動和被動的捕獲清除，維護軌道環境；物資補給是指對衛星的消耗品進行補給，延長使用壽命，最典型的是補加推進劑；在軌組裝是指利用功能模塊在軌構建大型設施，比如超大型天線的在軌組裝等。隨著3D 打印技術的發展，利用軌道環境開展在軌制造也得到了重視。

由于軌位的稀缺性，對地球靜止軌道（Geostationary Orbit，GEO）高價值衛星的故障維修、接管、補加延壽和廢棄衛星清除意義重大。在過去的20 多年中，主要航天大國重點圍繞高軌衛星服務需求開展關鍵技術研究和地面試驗，并接連在低軌開展關鍵技術驗證，部分技術已經轉向應用，取得了顯著的進展。在軌服務的對象，包括已經在軌的衛星，這類衛星無配合服務的設計，一般作為非合作目標處理，技術難度也最大。主要涉及的關鍵技術包括各類目標的運動特性辨識、復雜環境導航測量、平臺與機械臂協同抓捕等。隨著在軌服務技術的發展，也帶動了衛星設計理念的變革，開始逐步具備軟件可升級、推進劑可補加、功能模塊可更換等功能。本文在介紹國內外研究現狀的基礎上，介紹了關鍵技術攻關研究的進展，同時也介紹了幾種典型的服務模式，最后給出了在軌服務的未來發展趨勢和展望。

1 國外研究現狀

衛星在軌發生故障后，大多束手無策。早在20世紀60 年代就提出了“在軌服務”的概念設想，以期解決故障衛星的在軌維修問題。20 世紀80 年代至本世紀初，伴隨國際空間站的在軌運行，有人在軌服務得到快速發展與直接應用。從本世紀初至今，是無人在軌服務持續發展的20 年，各種在軌服務的概念不斷被提出，關鍵技術逐步在軌驗證，接管技術在高軌初步應用，新的驗證計劃也一一排上日程。

1）圍繞在軌服務需求，基于合作目標由易到難持續在軌開展技術驗證，實現了自主交會與零距離高精度的對接。典型的包括日本的工程試驗衛星項目（ETS-VII，1997 年）、美國軌道快車項目（Orbital Express，2007 年）、日本的太空垃圾清理衛星項目（ELSA-d，2021 年）等，如圖1 所示。

圖1 合作目標在軌服務相關技術驗證Fig.1 Validation of orbit service technologies for cooperative targets

軌道快車項目包括兩個航天器，自主空間轉移及機器人軌道器（ASTRO）是任務中的服務星，較小的NextSat 既扮演補給站，又扮演被修復的客戶星的角色。軌道快車項目在軌驗證了太空機器人自主逼近三軸穩定的合作目標、抓捕停靠、模塊更換和在軌燃料補加等技術。

2021 年3 月，以垃圾清理為名義發射入軌的ELSA-d 項目，將在軌驗證目標翻滾情況下，服務機器人完成自主繞飛、跟飛、對接捕獲的全過程，主要驗證機器人平臺的能力。在第1 個演示中，服務星將釋放客戶星，在經過導航及檢測后重新與客戶星進行磁對接，完成無旋抓捕；在第2 個演示中，客戶星將按照設定姿態翻滾，服務星對其進行實時跟蹤并動態機動到對接位置，完成目標翻滾姿態下的磁對接抓捕；第3 個演示的內容為丟失客戶星后的重新定位、追蹤、交會及捕獲。

2）針對已經在軌目標的服務需求，由于目標的非合作特征，導航逼近與對接的難度加大，目前已實現了對穩定目標的零距離“噴管級精度”的對接和接管控制，并轉入應用。

美國的試驗小衛星項目XSS-10（2003 年）、XSS-11（2005 年）等，針對非合作目標，驗證了導航逼近與伴飛繞飛技術，沒有實現零距離接觸。英國薩里大學的“太空碎片移除”項目，在軌開展了縮比的發射飛網、網捕目標技術驗證試驗（2018 年），縮比尺寸魚叉發射并捕獲模擬靶板的技術驗證試驗（2019 年），未來還將開展全尺寸在軌試驗，可用于移除太空碎片，維護軌道交通環境。歐洲空間局（ESA）于2020年3月啟動了“清潔太空”（ClearSpace）項目，計劃于2025 年發射“清道夫”清理ESA位于軌道上一塊100 kg 的碎片。非合作目標在軌服務相關技術驗證情況如圖2 所示。

圖2 非合作目標在軌服務相關技術驗證Fig.2 Validation of orbit service technologies for non-cooperative targets

2020 年，美國諾格公司的任務延壽飛行器（MEV-1）采用噴管對接的技術手段接管Intel-Sat901 衛星輔助延壽是一個標志性事件，實現了對穩定非合作目標的“零距離”對接。

2021年4月，MEV-2又對另一顆在軌衛星實現了噴管對接。2020 年美國DARPA 向諾格公司簽發了一項合同，研制MRV 飛行器，計劃2024 年發射，除了延壽，還將開展修理和其他在軌服務。已在軌目標在軌服務相關技術驗證情況如圖3所示。

圖3 已在軌目標在軌服務相關技術驗證Fig.3 Validation of on-orbit service technologies for existing targets

3）為了真正實現對已在軌目標的服務需求，美國有多個計劃被提出，由于自主高精度對接與維修操作的難度都太大，目前都還處于關鍵技術地面攻關驗證階段。

美國DARPA 支持的地球靜止軌道服務機器人（RSGS）項目最具代表性［4］，如圖4 所示。該項目在2016 年啟動，目標是發展可對地球同步軌道衛星進行在軌檢測與維修的機器人技術，建立地球同步軌道上的靈巧自主操作能力，預計將于2023 年發射。

圖4 RSGS 項目示意圖Fig.4 Schematic diagram of RSGS program

另一個典型項目是2017 年美國國家航空航天局（NASA）戈達德航天飛行中心提出的Restore-L項目，旨在研制太空機器人，對現有的一顆低地球軌道衛星進行捕獲、加注燃料和重新定位，目標是演示驗證能在未來在軌服務任務中使用的工具、技術和方法，并對Landsat-7 衛星進行補加。該項目目前已經演變為在軌服務、裝配和制造任務（OSAM-1），如圖5 所示。該任務2020 年通過了評估，并全面進入硬件生產測試階段，計劃2023 年12 月發射，將組裝一個3 m 天線，制造10 m 的橫梁，實現對無合作補加口目標的補加。

圖5 OSAM-1 任務Fig.5 Schematic diagram of OSAM-1 mission

通過上述項目跟蹤研究不難看出，要實現在軌服務關鍵是2 個過程：第1 個過程是實現對合作或非合作、翻滾或穩定目標的自主對接；第2 個過程是實現對目標的維修操作服務，包括接管、補加、模塊更換、組裝等。碎片清理任務對服務飛行器操作精細程度有所降低，但因載荷不能重復使用，需要發展廉價的清理載荷。

2 在軌服務任務相關關鍵技術

典型的在軌服務，不管是合作目標還是非合作目標，都包括目標運動特性辨識、超近距離相對導航逼近、繞飛、跟飛與懸停、自主抓捕或對接、維修操作服務、網捕拖曳等過程。相對于合作目標有先驗信息、有預先設計的適配性接口等特點，對非合作目標服務的技術難度更大。本文對在軌服務過程相關的翻滾目標運動特性探測識別、主被動探測成像測量、協同抓捕、網捕拖曳等關鍵技術的研究及試驗進展進行介紹。

2.1 翻滾目標運動特性探測識別技術

需要維修的故障目標可能由于姿態失控而處于翻滾狀態。相比于逼近一個姿態穩定目標，逼近翻滾目標難度更大。1 個中心本體和2 個大尺寸帆板是具有代表性的一類衛星構型特征。在不受外力矩作用下，自旋物體角動量軸方向是固定不變的，且沿最大慣量軸的旋轉是穩定的。沿角動量軸（大致位于帆板連線的垂線方向附近）逼近是最安全可行的路徑，可以避開帆板而逼近至本體附近，如圖6 所示。

圖6 沿角動量軸逼近翻滾目標Fig.6 Approaching a tumbling target along the angular momentum

這就要求能夠準確識別目標運動特性，包括目標的角速度大小、角動量軸的空間方位。對于缺乏先驗信息的目標，還需要識別目標形貌特性，包括目標本體表面適合抓捕的特征部位、目標尺寸等。這些信息對于合理選擇逼近方位、實現安全逼近是至關重要的。

采用可見光相機多視角成像與序列圖像處理的三維重建技術［5-8］結合目標運動狀態估計方法，能夠實現翻滾目標運動特性探測識別。在相機性能確定前提下，光照條件是影響圖像質量的關鍵因素。在合適的光照角條件下（一般不超過60°）開展繞飛機動探測［9］，如圖7 所示，在A1～A2的繞飛弧段內對目標進行觀測成像。為了確保一次繞飛觀測獲得的圖像足以支撐三維重建的需要，要求拍攝圖片不少于3 000 張，圖像分辨率達到毫米級。繞飛探測地面試驗系統如圖8 所示。

圖7 三維重建繞飛觀測路徑Fig.7 Schematic diagram of three-dimensional reconstruction of the observation path

圖8 繞飛探測地面試驗系統Fig.8 Ground test system of fly around detection

序列圖像三維重建技術已經有較多的研究成果可以借鑒。利用圖像處理獲取的目標相對姿態測量數據，結合目標姿態運動的動力學、運動學，可設計運動特性估計濾波器，從而得到目標角速度大小、角動量軸方位等運動特性信息。受到在軌處理能力的限制，采用了“在軌拍照探測、地面重建估計”的技術方案，模擬空間光照條件下的實物照片如圖9 所示，重建后的目標三維構型如圖10 所示。經過地面實物測試驗證，目標尺寸重建精度可達到厘米級，能夠較清晰識別目標表面厘米級以上的特征部位輪廓，角動量軸方位估計精度可達3°以內，足以滿足判斷目標外形特征和運動特性的需求，為后續選擇逼近路徑、確定抓捕維修部位奠定了基礎。

圖9 模擬空間光照條件下的實物照片Fig.9 Target image under simulated space lighting condition

圖10 重建后的目標三維構型Fig.10 Three-dimensional configuration of the target after reconstruction

2.2 主動探測成像測量技術

合理選擇并融合運用多種相對測量手段，以實現超近距離內高精度、連續穩定可靠的相對測量的目的。光電成像探測敏感器是實現空間非合作失穩目標超近距離相對導航必不可少的單機設備，分為主動探測成像測量和被動探測成像測量［10-13］。主動探測成像包括激光成像雷達、飛行時間（Time of Fight，TOF）相機、結構光等測量手段，優勢是受太陽光照條件限制和干擾影響較小。

激光成像雷達在超近距離段遠場范圍獲取實時測量點云［14］，與預存目標參考點云進行匹配，通過粗匹配、精匹配兩個過程得到相對位姿信息。激光成像雷達也可以工作在點目標測量模式，只提取點云形心，輸出視線距和視線角測量信息。兩種測量模式可根據需要進行切換。1 太陽常數空間光照環境測量試驗結果表明，激光成像雷達對陽光干擾不敏感，除去陽光直接入射視場時不能正常工作以外，其余工況均能可靠輸出測量值。影響相對位姿測量的主要是以下因素：

1）大曲率反射表面易形成點云稀疏區域，稀疏區域較大會導致點云誤匹配，通過多工況實測結果，合理設置點云匹配的權值可改善該情況；

2）對稱目標因對稱面難以區分，會導致錯匹配，結合目標形貌和運動特性先驗信息可正確匹配；

3）快速運動目標點云成像畸變明顯，需進行運動補償；

4）由遠到近過程中，越到近處測量點數越多，精匹配計算量成倍增加，使得逼近至近距離時測量實時性變差。需要對點云進行抽稀處理，保持點數在逼近過程基本穩定。

TOF 相機采用調制光源投射目標，計算反射信號與發射信號的相位差，進而得到發射光的飛行時間，獲取物體的深度點云。通過在鏡頭上安裝濾光片可濾除大部分雜光干擾，受環境雜散光干擾較小。其測量原理與激光成像雷達相似，優點是功耗更低、體積更小；缺點是能量較弱，探測距離有限。

結構光相對測量是采用將結構光投射到目標表面后被目標表面高度調制，對被調制結構光計算還原后得出被測物三維面型數據。此處介紹一種線結構光測量衛星星箭對接環相對位姿的技術方案。3 條平行線結構光照射衛星星箭對接環區域，將在對接環上形成3 條直線段。利用圖像處理技術提取直線段的6 個端點，再利用對接環直徑和寬度已知等先驗信息，可分別擬合出對接環的內圓和外圓。通過對接環圓平面、圓心信息可解算出以目標星箭對接環面為基準的相對位置和姿態信息。合理選擇結構光線的距離和條數可提升測量的精度和冗余度，在鏡頭前安裝窄帶濾光片或采用閃爍結構光相鄰圖像作差的辦法可以有效減少背景干擾。對接環結構光圖像如圖11 所示，濾光以后的結構光圖像如圖12 所示。該技術方案通過了1 太陽常數下的成像測試與相對位姿測量等考核試驗。結構光相對測量可用于目標逼近過程相對位姿測量或者機械臂抓捕目標的局部近距離相對位姿測量［15］。

圖11 對接環結構光圖像Fig.11 Structured light image of the docking ring

圖12 濾光以后的結構光圖像Fig.12 Structured light image after filtering

2.3 被動探測成像測量技術

被動探測成像測量重點介紹可見光視覺測量技術。合作目標可以設計視覺導航靶標配合相對測量，如圖13 所示。非合作目標則以目標表面的對接環、發動機噴管或太陽電池陣連接架等相對通用的部位為特征進行相對測量，如圖14 所示。

圖13 一種合作目標靶標Fig.13 A kind of cooperative target

圖14 星箭對接環、發動機噴管等特征部位Fig.14 Characteristic positions such as docking ring and nozzle

可見光相機高精度測量主要用于超近距離段近場范圍（一般不超過幾十米）。相對位姿測量本質是利用雙目視覺相機二維圖像求解非合作目標的相對位置和姿態［16-17］。在立體視覺極線約束下進行特征匹配并采用計算機視覺的N點透視（Perspective-n-Points，PnP）位姿求解算法［18］。采用3 臺相機等邊三角形布局，可實現冗余測量并能夠有效避免遮擋。非合作目標雙目視覺測量相對位置姿態精度大約為4 cm 和3°，合作靶標相對位置姿態測量精度為2 cm 和1°以內。模擬空間光照環境動態運動過程中能夠可靠輸出相對測量值。在工程應用中需要注意以下問題并加以解決：

1）相對俯仰、偏航角度測量較為穩定連續，而滾動角測量跳動較多。主要原因是對接環圓形特征所導致。需要結合其他非對稱特征點提高滾動角測量精度。

2）在空間太陽光照環境下，由遠到近目標亮度變化劇烈，相機應具備積分時間自動調整功能，確保圖像明暗適中，便于后續相對位姿計算。

3）相對距離更近時，對接環可能會有部分超出相機視場、機械臂運動會遮擋部分對接環，導致測量輸出不穩定。這是在軌服務過程中必然出現的情況，完全由相機視覺測量算法解決難度較大。需要利用相機測量信息和多源測量信息融合的導航濾波信息進行互判校驗，利用導航濾波系統的魯棒性彌補相機測量輸出不穩定的固有不足。

4）在計算實時性方面，由遠逼近過程中目標由小變大到充滿視場，近場處圖像處理計算量大幅增大，計算實時性會顯著下降，需盡可能剔除無關區域，或降低圖像分辨率，減輕計算壓力。通過反復地面試驗確定合適的圖像預處理措施可改善該問題。

地面試驗測試中遠場和近場觀測對比如圖15所示，物體遮擋了部分對接環情況如圖16 所示，噴管和對接環特征同時被檢測如圖17 所示。

圖15 地面試驗測試中遠場和近場觀測對比Fig.15 Comparison of far-field and near-field observations

圖16 物體遮擋了部分對接環情況Fig.16 Docking ring partly obscured by objects

圖17 噴管和對接環特征同時被檢測Fig.17 Simultaneous detection of nozzle and docking ring features

非合作目標被動探測成像測量的特點是受光照條件影響較大，對雜散光干擾較敏感。只能在光照條件合適的時間段內工作，并且在相機鏡頭設計、相機周圍防雜散光散射等方面需開展針對性設計。

2.4 協同抓捕技術

維修操作在軌服務任務中，機械臂抓捕目標是操作的前提條件。當前已在軌的故障衛星并沒有事先安裝適應機械臂抓捕工具的適配器，并且自身可能存在復雜的自旋、章動等運動，對機械臂動態抓捕能力要求極高。主要難點是機器人平臺和機械臂協同的翻滾目標動態跟蹤抓捕技術。

非合作目標抓捕是一個復雜動力學與控制耦合過程［19］，需要從動力學建模、相對測量、視覺伺服跟蹤、協同控制、數學仿真、地面試驗等多方面協同攻關研究和充分驗證，才能確保任務實施的可行性和可靠性［20］。

以機械臂抓捕目標星箭對接環為例，協同抓捕過程主要解決以下3 個問題：

1）平臺導引機械臂運動。機器人平臺將對接環相對測量信息發送至機械臂，機械臂利用該信息規劃末端運動路徑，將機械臂末端運動至對接環正前方附近1 m 以內，手眼相機開機，對接環位于相機視場中央，具備相對測量的條件，機械臂工作在位置伺服控制模式。

2）機械臂視覺伺服跟蹤。基于機械臂手眼視覺測量信息采用時間一致性路徑規劃，規劃出兩條機械臂基本上同時到達對接環抓捕部位的運動路徑。機械臂運動過程中不斷根據實時測量信息修正運動路徑，最終兩條機械臂基本上同時到達抓捕部位，對接環進入抓捕工具包絡容差范圍。

3）雙臂可靠抓捕。兩臂滿足抓捕容差條件后，抓捕工具收攏并鎖緊，抓捕目標對接環完成。抓捕接觸目標之后，機械臂由位置伺服控制模式切換進入阻抗控制模式，通過臂的柔順緩沖降低接觸碰撞力，保護機械臂不受損傷。

視覺伺服開始至抓捕完成僅幾分鐘時間，無法通過天地大回路方式人為干預抓捕過程，必須也只能依靠機器人平臺和機械臂高度自主完成抓捕任務。這期間可能存在一臂可抓、另一臂不可抓的情況；可能存在跟蹤過程某個臂丟失目標、數據中斷情況；可能存在一臂抓捕成功、另一臂抓捕失敗情況。在上述多種復雜情況下，既不錯失抓捕目標機會，又要保證抓捕過程安全，有待于根據大量的地面試驗、仿真分析的結果不斷優化完善抓捕和故障處置的邏輯關系。

在地面重力環境下很難用1∶1 試驗系統來驗證協同抓捕關鍵技術，數學仿真也很難精確模擬機械臂對目標操控過程中的接觸動力學。為此建設一套半物理試驗系統，如圖18 所示。試驗系統配置2 套在直線導軌上運動的大型工業機械臂模擬2 個空間航天器的相對運動、2～3 套小型6 自由度機械臂模擬操控機械臂。在相對導航、手眼視覺等相對測量傳感器的配合下，驗證機器人平臺與機械臂協調控制下對空間目標逼近、跟蹤、多機械臂協同抓捕、消旋穩定、精細操作等關鍵技術，系統驗證翻滾目標抓捕維護技術方案。目前已經基于該試驗系統完成了穩定目標、慢旋目標、自旋章動目標等不同類型、不同旋轉角速度、0.1 太陽常數模擬空間光照環境下的復雜組合工況試驗，全面驗證了超近距離導航、安全逼近和多機械臂協同抓捕關鍵技術。

圖18 非合作目標協同抓捕技術試驗系統Fig.18 Test system of non-cooperative target coordinate grasp

2.5 維修操作工具技術

抓捕目標后即可開展故障維修操作。盡管空間機械臂技術近年來得到了快速發展，但是能夠在軌開展的維修操作仍然十分有限，并且要依靠地面遙操作控制完成維修操作任務。目前主要圍繞帆板展開故障維修、合作目標接管等任務開展操作工具設計。包括抓捕對接環的工具在內共有5 種：對接環抓捕工具，用于抓捕目標衛星的星箭對接環；噴管抓捕工具，用于伸入目標衛星490 N 發動機噴管喉部，抓捕目標；夾持工具，用于維修過程中夾持約束帆板，防止帆板意外彈開損傷機械臂；切割工具，用于切割帆板壓緊桿周圍的基板；剪切工具，用于剪斷帆板同步展開鋼絲繩。部分工具如圖19所示。

圖19 部分操作工具Fig.19 Schematic diagram of several operation tools

對接環抓捕工具和噴管抓捕工具是采用不同方式抓捕目標的抓捕工具。夾持工具、切割工具和剪切工具是配合使用，完成帆板輔助展開維修任務的操作工具。在不同的操作階段，機械臂需要通過末端快換接口安裝相應的操作工具實現不同的操作功能。上述工具均已完成地面更換工具、工具操作性能驗證以及防止工具意外脫落、防止工具超限損傷等安全性可靠性措施的驗證，具備在軌驗證條件。

后續還將根據多種在軌服務操作需求，開發其他操作工具。只要采用標準化的工具快換接口，就能夠安裝在機械臂末端完成相應操作任務。

3 典型在軌服務應用

基于上述關鍵技術攻關與驗證基礎，可形成實用化的在軌服務能力，開展在軌試驗試用，包括推進劑補加、功能模塊更換、碎片清理等類型的在軌服務。

3.1 推進劑補加服務

推進劑補加是延長航天器使用壽命、增加機動能力的最有效方法和最根本解決途徑。推進劑補加服務的成熟應用還將促進航天器設計變革，大幅減少貯箱容量和推進劑攜帶量，承載更多載荷入軌。在軌補加任務是面向合作目標的在軌服務。被補加航天器需要配置相對導航標志、機械臂合作抓捕手柄來配合服務航天器逼近、抓捕，還需要配置停靠補加裝置被動端，配合服務航天器完成機械停靠和推進劑傳輸。其中，停靠補加裝置被動端是實現在軌補加的關鍵部件。

一套合作目標停靠補加裝置方案如圖20 所示，可以實現兩航天器停靠過程位姿檢測、捕獲校正、機電氣液接口連接保持和自主分離。該方案采用了一體化、模塊化設計思路，機械連接分離的同時完成管路、電接頭連接分離。管路接頭包括2 路高壓氣路接頭、4 路低壓液路接頭，配置了1 路電接頭。全面考慮了適應恒壓式/落壓式推進系統補氣/補液的功能需求。具體可根據任務需求選配相應的接頭類型和數量。為確保分離過程可靠性，還具備火工品應急分離能力。該產品已經完成了充分的地面驗證，具備開展在軌試驗試用的條件。

圖20 一體化停靠補加機構Fig.20 Integrated docking and refueling mechanisms

為促進推進劑補加任務大規模、低成本應用，應盡快立足當前技術基礎形成包含相對導航標志、機械臂抓捕手柄、停靠補加裝置在內的補加技術標準，并在新研發的航天器上進行推廣，促進推進劑補加服務廣泛應用，逐步構建常態化運營的在軌補加服務體系。

3.2 模塊更換維修服務

針對非合作目標的維修技術難度大、通用性差，難以大面積推廣應用，更多的還是對采用可維修設計的合作目標開展功能模塊更換維修服務，效費比更高。目前機械臂已經具備從工具箱中更換不同工具的能力，該技術可直接應用于更換功能模塊的操作過程。需要解決的是功能模塊標準化機械封裝、標準化操作工具問題，這并非模塊更換的技術難點。關鍵問題在于功能模塊的標準化電氣、軟件接口和系統功能重構技術。要求被服務航天器新更換模塊后具備即插即用能力。該技術通過近幾年的研究已取得了技術突破并走向工程試用。

已制定一種標準化即插即用協議。該協議中，設備類型表示設備類別，每個類別編號代表一類即插即用設備。設備自描述是模塊即插即用實現的基礎，借鑒IEEE 1451 標準，建立電子數據表格（TEDS）。每一類設備具有專用TEDS，專用TEDS模板因設備類型而異，但遵守共同的規范。TEDS 中還包括可定制參數，便于不同設備描述信息的擴展。

在軟件方面，設備即插即用管理主要完成設備自主識別（如圖21 所示）與設備通信管理，圖中，DDS（Device Discovery Service）為設備發現服務，EDS（Electronic Data Sheet）為電子數據表格。在TEDS 基礎上設計了數據包接口服務、設備發現服務、設備訪問服務和設備數據池服務等，以此實現自主識別與即插即用通信管理功能。

圖21 設備自主識別流程Fig.21 Flowchart of instruments autonomous identify

標準先行也是模塊更換維修服務得以大量應用推廣的前提條件。目前已經在軌的航天器均沒有采用可更換設計，自然也無法接受模塊更換服務。應基于當前研制技術基礎形成模塊更換的機械、電氣、軟件接口標準，在新研航天器中執行，逐步開展模塊更換任務推廣應用，進一步為后續模塊化航天器、在軌組裝航天器奠定技術基礎。

3.3 碎片清理服務

大尺寸柔性飛網捕獲目標并將目標拖曳離軌是目前研究較多的碎片清理技術。柔性飛網可在數十米處發射并捕獲目標，飛網尺寸可以設計足夠大，并且因飛網的柔性特點，整個網捕過程對兩飛行器相對位姿控制精度要求較為寬松，技術難度相對較小。主要技術難點在于飛網捕獲目標后的拖曳控制。

當前技術基礎已經具備針對廢棄衛星大型空間碎片的飛網捕獲清理能力。在GEO 軌位資源日趨緊張的情況下，可優先研制部署高軌碎片清理飛行器，將占據軌位的廢棄衛星捕獲并拖曳至墳墓軌道。碎片清理服務關鍵是要盡可能降低成本，采用成熟可靠簡單的技術完成廢棄衛星逼近懸停捕獲和拖曳。因飛網載荷不能重復使用的特點，碎片清理航天器可攜帶多個飛網，在軌運行壽命期間清理多個廢棄衛星，降低單次清理任務的平均成本。

4 結束語

從當前關鍵技術攻關驗證進展來看，廢棄衛星捕獲清理、推進劑補加技術基礎較好，近期內有望得到應用。面向非合作目標的故障維修開展了關鍵技術攻關，儲備了目標抓捕和精細操作的關鍵技術，但更應著重發展可維修航天器技術，對合作式可維修航天器的在軌維修操作效果更好，更有實用意義。大型空間設施的在軌組裝任務的需求也正在逐步顯現，但受限于大范圍的精密操作、精細裝調等技術能力仍然不足，處于技術儲備階段［21］。

在軌服務的大規模推廣應用進展緩慢，主要原因是現有衛星并未預留服務操作接口，導致在軌服務技術難度極大。為充分發揮在軌服務效益，應推動建立在軌服務標準規范。衛星基于標準化接口設計，實現故障自主診斷識別與隔離、功能模塊化、任務可重構等能力。對于服務航天器而言，結合最近發展的人工智能［22］、多航天器協同等技術進一步發展智能自主目標識別、任務規劃、協同服務等能力。衛星設計變革和在軌服務技術發展相向而行，必然會促使在軌服務走向成熟應用。