自主在軌服務(wù)現(xiàn)狀及分析

韓慧鵬 金雪松 范晨

（1 中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部 2 中國航天科技集團公司）

隨著空間技術(shù)的迅速發(fā)展，人類開發(fā)空間、利用空間的步伐越來越快，航天系統(tǒng)越來越復(fù)雜，規(guī)模也越來越大。由于航天任務(wù)高成本、高風(fēng)險的特點，一旦不能入軌或入軌后發(fā)生嚴(yán)重故障，將導(dǎo)致巨大損失。因此，為了盡可能挽回衛(wèi)星故障或失效造成的損失，并有效保護地球靜止軌道（GEO）的資源，需要開展以延長衛(wèi)星壽命及清除廢棄衛(wèi)星等軌道垃圾為目的在軌服務(wù)技術(shù)研究。

1 自主在軌服務(wù)的研究現(xiàn)狀

利用在軌延壽服務(wù)技術(shù)，可對失控的衛(wèi)星進(jìn)行對接，實現(xiàn)接管控制；同時對壽命末期推進(jìn)劑消耗殆盡的衛(wèi)星延長壽命，降低空間系統(tǒng)的成本與風(fēng)險，也能為處于轉(zhuǎn)移軌道的衛(wèi)星完成機動變軌進(jìn)入地球靜止軌道。另外，利用在軌延壽服務(wù)技術(shù)還可對廢棄衛(wèi)星進(jìn)行清理，以達(dá)到對有限軌道資源的充分利用，并減緩空間垃圾對運行中衛(wèi)星的威脅。目前各航天國家都致力于研究在地球靜止軌道上對現(xiàn)有衛(wèi)星進(jìn)行在軌服務(wù)的系統(tǒng)，其中大多數(shù)僅僅停留在概念設(shè)計階段。國內(nèi)目前還沒有針對靜止軌道衛(wèi)星延長壽命飛行器的設(shè)計方案。

美國的“軌道快車”計劃

“軌道快車”（Orbital Express）計劃是美國國防高級研究計劃局（DARPA）于1999年底提出的，驗證服務(wù)航天器對目標(biāo)航天器自主進(jìn)行推進(jìn)劑加注、模塊更換等在軌服務(wù)技術(shù)的可行性?！败壍揽燔嚒庇伞白灾骺臻g運輸機器人操作”（ASTRO）服務(wù)航天器和“下一代衛(wèi)星”（Nex t Sat）客戶航天器組成。“軌道快車”于2007年3月發(fā)射，整個任務(wù)持續(xù)了3個月左右，先后驗證了自主交會、接近操作、捕獲與對接、燃料輸送和模塊更換等自主在軌服務(wù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

美國的衛(wèi)星延壽服務(wù)

美國空間公司（LLC）與阿連特技術(shù)系統(tǒng)(ATK)公司聯(lián)合成立維維衛(wèi)星(ViviSat)公司。美國空間公司是經(jīng)營實體，負(fù)責(zé)任務(wù)管理、市場、法律和財務(wù)事務(wù)；阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司則是任務(wù)主承包商，負(fù)責(zé)航天器的制造和交付以及發(fā)射與地面段；維維衛(wèi)星公司旨在為地球靜止軌道衛(wèi)星運營商提供靈活且可升級的資本有效、低風(fēng)險在軌延壽和防護服務(wù)，可使衛(wèi)星工作壽命增加數(shù)年。維維衛(wèi)星公司“任務(wù)延長飛行器”(MEV)旨在與在軌衛(wèi)星對接并牢固鎖緊，充當(dāng)備用推進(jìn)系統(tǒng)，這能夠延長機動燃料已耗盡但仍有大量電力可使有效載荷工作的衛(wèi)星的任務(wù)壽命。

“任務(wù)延長飛行器”

維維衛(wèi)星公司的服務(wù)包括在衛(wèi)星運行不間斷的情況下使“任務(wù)延長飛行器”與之交會對接，執(zhí)行長期位置保持和姿態(tài)控制、重新確定不同的軌道或軌道槽、離軌、救援，以及使擱淺在錯誤軌道槽內(nèi)的衛(wèi)星重新入軌等服務(wù)?！叭蝿?wù)延長飛行器”設(shè)計壽命12年，可以為幾顆衛(wèi)星提供在軌延壽服務(wù)，與用戶星對接完成任務(wù)后可再分離為下一顆用戶星服務(wù)，直到自身壽命結(jié)束。該飛行器的工作方案有兩種：①單個“任務(wù)延長飛行器”可以為6顆衛(wèi)星服務(wù)，每顆衛(wèi)星延壽2年。②2個“任務(wù)延長飛行器”，一個停留在轉(zhuǎn)移軌道，負(fù)責(zé)將用戶星拖到地球靜止軌道，另一個為地球靜止軌道衛(wèi)星服務(wù)。

美國空間公司的聯(lián)合創(chuàng)始人、維維衛(wèi)星公司總裁愛德華D·霍洛維茨說：“維維衛(wèi)星公司是一家專注于為衛(wèi)星運營商、美國政府及其聯(lián)合政府合作伙伴提供在軌衛(wèi)星延壽和防護服務(wù)的新公司。該公司的服務(wù)模式在財務(wù)效率、運行靈活性和風(fēng)險規(guī)避方面提供一種改變游戲規(guī)則的方式?！卑⑦B特技術(shù)系統(tǒng)公司航天器系統(tǒng)和服務(wù)分部總經(jīng)理、維維衛(wèi)星公司董事會成員兼副總裁湯姆·威爾遜說：“在軌任務(wù)擴展和運行防護是一個全新的市場，維維衛(wèi)星公司將使運營商擴展其衛(wèi)星任務(wù)持續(xù)時間，提升資產(chǎn)效益?！?/p>

美國的“軌道萬能維修航天器”演示任務(wù)

美國國防高級研究計劃局在開展“軌道快車”研制和試驗的同時，還資助了“軌道萬能維修航天器”（SU M O）計劃。與“軌道快車”任務(wù)不同，“軌道萬能維修航天器”計劃是一個面向非合作目標(biāo)的自主交會、逼近、抓捕并實施在軌服務(wù)的演示任務(wù)，重點對該航天器視覺、機械臂、自主控制方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗證，主要工作包括服務(wù)飛行器及低成本飛行演示的方案設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)的地面演示驗證，目前這些工作已經(jīng)完成?！败壍廊f能維修航天器”采用模塊化設(shè)計，有一個高性能推進(jìn)艙和載荷艙組成，載荷艙主要裝載進(jìn)行自主交會、接近的敏感器，3個七自由度的機械臂（帶有視覺系統(tǒng)）及工具箱。

歐洲的“棱鏡”任務(wù)

“棱鏡”（PRISMA）任務(wù)是歐洲第一個以演示驗證編隊飛行和自主交會技術(shù)為主的任務(wù)，同時驗證綠色無毒的新型推進(jìn)系統(tǒng)?！袄忡R”任務(wù)由主星（Main）和目標(biāo)星（Target）組成，涉及到自主在軌服務(wù)技術(shù)的驗證項目主要是自主交會和近距離逼近與繞飛（兩顆衛(wèi)星的最近距離將達(dá)到1m以內(nèi)），驗證主星環(huán)繞目標(biāo)星自主進(jìn)行在軌服務(wù)的能力。這兩顆衛(wèi)星已于2010年6月發(fā)射。

德國的“德國軌道服務(wù)任務(wù)”計劃

“德國軌道服務(wù)任務(wù)”（DEOS）計劃是德國航天局（DLR）進(jìn)行自主在軌服務(wù)技術(shù)演示驗證項目，其主要目標(biāo)是用一個服務(wù)飛行器捕獲一個姿態(tài)失控的非合作客戶飛行器，并對捕獲的衛(wèi)星沿預(yù)定的軌道實施離軌操作，驗證自主交會、捕獲和對接的相關(guān)技術(shù)。服務(wù)飛行器上有制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)和用于操作的機械臂，兩顆星發(fā)射時連接在一起，入軌后由機械臂釋放客戶飛行器，然后開展自主交會、對接與操作的實驗任務(wù)。

加拿大麥德聯(lián)合有限公司的自主在軌服務(wù)系統(tǒng)

“棱鏡”任務(wù)

加拿大麥德聯(lián)合有限公司（MDA）是美國航天飛機、“國際空間站”等機械臂的研制方，近年來，基于其先進(jìn)的空間機器人技術(shù)，投入了大量資金開展在軌服務(wù)技術(shù)開發(fā)，并在運營商的支持下，加拿大麥德聯(lián)合有限公司將發(fā)射一顆在軌服務(wù)試驗衛(wèi)星，用于靜止軌道衛(wèi)星的在軌燃料補給，在必要的時候它還能把小衛(wèi)星推入墓地軌道。

2 自主在軌服務(wù)需求分析和意義

衛(wèi)星運營商總是以追求最大利潤為目標(biāo)，所經(jīng)營的衛(wèi)星在軌工作壽命多一天，利潤就多一份。在大多數(shù)情況下，為了節(jié)省推進(jìn)劑，地球靜止軌道衛(wèi)星在壽命末期，往往放棄南北位保，而只做東西位保。因為南北位保每年需要的速度增量約為46m/s，而東西位保僅需3m/s。衛(wèi)星在日、月引力的攝動下，其軌道面偏離赤道面而逐漸傾斜，即相對于地球不再靜止。其結(jié)果造成地面用戶使用不方便，因為這需要使用昂貴的、指向可調(diào)節(jié)的跟蹤天線，費用也隨之上升。從商業(yè)角度考慮，衛(wèi)星的運營商希望能夠開發(fā)出一種可延長衛(wèi)星壽命的飛行器，幫助衛(wèi)星繼續(xù)留在地球靜止軌道工作。因此，自主在軌延壽服務(wù)技術(shù)無論對國內(nèi)衛(wèi)星還是國外衛(wèi)星，在軌型號還是在研型號，均有迫切的需求和廣闊的應(yīng)用前景，代表了空間技術(shù)發(fā)展的重要方向。

近幾年發(fā)生故障（含發(fā)射失敗）的地球靜止軌道衛(wèi)星

1997－2008年地球靜止軌道衛(wèi)星的發(fā)射及離軌情況

地球靜止軌道衛(wèi)星輔助離軌的預(yù)期收益情況

地球靜止軌道衛(wèi)星故障情況

地球靜止軌道衛(wèi)星在通信、導(dǎo)航、預(yù)警、氣象等民用和軍用領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。因此，地球靜止軌道衛(wèi)星的損失和失效將造成巨大的經(jīng)濟損失和極大的社會影響。典型的例子是歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）的W3B通信衛(wèi)星在2010年10月28日發(fā)射升空后，星上燃料（氧化劑）發(fā)生大面積泄漏而導(dǎo)致衛(wèi)星完全失效。

據(jù)Mak Tafazoli統(tǒng)計，1980－2005年共有129顆衛(wèi)星在軌失效，其中控制分系統(tǒng)發(fā)生故障的比例占32%，電源占27%，數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)占15%，測控分系統(tǒng)占14%，其他占14%。實際上，與其他幾種類型的衛(wèi)星相比，地球靜止軌道衛(wèi)星所處的空間環(huán)境更惡劣，更容易受到太空物體的撞擊和空間高能粒子的撞擊而失效。數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，世界范圍內(nèi)每年均有一定數(shù)量的地球靜止軌道衛(wèi)星未能成功入軌或發(fā)生故障。因此，大力發(fā)展在軌服務(wù)技術(shù)，不但可以極大減少經(jīng)濟損失，還能顯著提高經(jīng)濟和社會效益。

地球靜止軌道衛(wèi)星離軌情況

自1963年第一顆地球靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射升空以來，衛(wèi)星數(shù)量逐年增多，然而地球靜止軌道資源是極其有限的。

機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)于1997年提出了對地球靜止軌道空間碎片處置的建議，要求對壽命末期的地球靜止軌道衛(wèi)星進(jìn)行離軌操作，即衛(wèi)星利用自身剩余的燃料進(jìn)行軌道機動，脫離軌道進(jìn)入墳?zāi)管壍?。到目前為止，已有多顆壽命末期衛(wèi)星成功進(jìn)行了離軌操作。

從1997－2008年地球靜止軌道衛(wèi)星的發(fā)射及離軌情況表中可以看出，這12年中，平均每年發(fā)射成功28顆衛(wèi)星，平均每年成功離軌6顆左右。近年來衛(wèi)星的成功離軌率有很大提高，但盡管如此，地球靜止軌道上的物體還在不停累積。

自主在軌服務(wù)研究的意義

在地球靜止軌道上運行的衛(wèi)星多是價值高、壽命長的通信、導(dǎo)航和氣象等衛(wèi)星，但每年都有一定比例的地球靜止軌道衛(wèi)星不能成功入軌，一部分雖成功入軌但在壽命初期即失效。因此，在軌延壽服務(wù)的效益是可以預(yù)見的。

地球靜止軌道衛(wèi)星的造價和發(fā)射費用高昂，衛(wèi)星價格從1.5億美元[如國際通信衛(wèi)星－603（Intelsat－603）]到12億美元[軍事星－2（Milstar－2）]不等，因此故障造成的損失非常巨大，這還不包括有效載荷提供服務(wù)所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。如果采用延壽飛行器輔助地球靜止軌道衛(wèi)星離軌，將衛(wèi)星本用于主動離軌的推進(jìn)劑用于軌道保持，則衛(wèi)星可獲得6個月左右的額外工作壽命，這6個月的服務(wù)壽命將使衛(wèi)星運營公司獲得額外收益。

由此可見，對地球靜止軌道衛(wèi)星進(jìn)行在軌延壽服務(wù)，能帶來巨額收益，同時延壽飛行器自身可重復(fù)使用，進(jìn)行多次延壽服務(wù)，其服務(wù)成本隨之大大下降。

3 自主在軌服務(wù)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

自主在軌服務(wù)的近距離接近與?？恐饕蕾嚬鈱W(xué)敏感器，目前國外針對合作目標(biāo)的光學(xué)敏感器（在合作航天器上裝有用于測量的標(biāo)志器）技術(shù)已很成熟，“自主交會技術(shù)驗證”（DART）衛(wèi)星和“軌道快車”任務(wù)的先進(jìn)視頻敏感器（AVGS），工程試驗衛(wèi)星－7（ETS－7）的接近敏感器（PXS）都已經(jīng)過飛行驗證，國外下一步的發(fā)展主要是提高測量精度和可靠性，并進(jìn)一步小型化。

在空間機械手及對接、抓捕機構(gòu)方面也開展了大量的研究和試驗，多項關(guān)鍵技術(shù)取得了突破。在空間機械手方面，加拿大麥德聯(lián)合有限公司先后為美國的航天飛機、“國際空間站”和“軌道快車”計劃提供了機械臂，積累了豐富的經(jīng)驗。日本在空間機器人方面也處于領(lǐng)先地位，工程試驗衛(wèi)星－7上的機械臂也得到了驗證。德國航天局在輕型機械臂、抓捕機構(gòu)方面也做了大量工作，并獲得了很多成果，特別是其針對在軌通信衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點發(fā)動機實施捕獲操作開發(fā)的機構(gòu)奠定了很好的基礎(chǔ)。

自主在軌服務(wù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面

1）目標(biāo)測量技術(shù)。對于大多數(shù)已在軌運行的地球靜止軌道衛(wèi)星，沒有安裝用于機械臂捕獲的抓捕機構(gòu)(手柄)以及用于輔助測量的合作標(biāo)志器和特征模塊等，要實現(xiàn)延壽服務(wù)，首先需要解決測量問題，即采用相應(yīng)的測量設(shè)備，在遠(yuǎn)、中、近距離提供對目標(biāo)相對位置、姿態(tài)的測量值，作為目標(biāo)跟蹤、接近、捕獲等過程的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的輸入。

2）目標(biāo)跟蹤、接近、?？康淖灾髦茖?dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)。主要包括地球靜止軌道用戶衛(wèi)星跟蹤接近的導(dǎo)航與指向控制技術(shù)、高精度近距離?？考夹g(shù)，以及受迫繞飛技術(shù)。延壽服務(wù)需要圍繞用戶星飛行并進(jìn)行拍照，若采用自由繞飛技術(shù)，其繞飛周期長（1天），并且在一段時間內(nèi)用戶星將淹沒在地球背景下，導(dǎo)致天基目標(biāo)測量設(shè)備無法進(jìn)行測量，因此，采用受迫繞飛技術(shù)可以設(shè)計所需要的繞飛軌道。

3）抓捕與對接機構(gòu)。地球靜止軌道用戶衛(wèi)星并沒有安裝專門用于抓捕、對接的機構(gòu)，因此服務(wù)系統(tǒng)需要直接在用戶衛(wèi)星上尋找抓捕、對接部位。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)地球靜止軌道衛(wèi)星都具有遠(yuǎn)地點發(fā)動機和星箭對接環(huán)。其中，星箭對接環(huán)尺寸較大，難以設(shè)計小型的抓捕、對接結(jié)構(gòu)，因此遠(yuǎn)地點發(fā)動機成為此類衛(wèi)星理想的捕獲、對接目標(biāo)。德國空間局針對遠(yuǎn)地點發(fā)動機的圓錐形噴嘴設(shè)計了一套捕獲機構(gòu)，該機構(gòu)的設(shè)計巧妙，體積小，質(zhì)量輕，堪稱噴嘴捕獲的經(jīng)典機構(gòu)，已被多個項目參考甚至直接采用；另一套比較典型的是美國“軌道萬能維修航天器”項目所采用的捕獲機構(gòu)，其針對波音公司生產(chǎn)的衛(wèi)星平臺，設(shè)計了對分離螺栓進(jìn)行對接的機構(gòu)。

4）接觸碰撞動力學(xué)建模與實驗驗證。接觸碰撞是一個非常復(fù)雜的動力學(xué)過程，以往的研究多是進(jìn)行大量簡化，并從多體系統(tǒng)本身考慮碰撞動力學(xué)的建模。未來，可以考慮從多學(xué)科出發(fā)，開展多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真研究。

5）地球靜止軌道用戶星動力學(xué)參數(shù)辨識。用戶星質(zhì)量、慣量以及幾何尺寸均很大，而且由于長期在軌運行，燃料大量消耗且構(gòu)型可能發(fā)生改變，其動力學(xué)參數(shù)與發(fā)射之初相比變化很大，且地面無法準(zhǔn)確知道。服務(wù)系統(tǒng)不但要捕獲、對接目標(biāo)，而且需要對捕獲、對接后的復(fù)合體進(jìn)行精確的軌道、姿態(tài)保持或機動控制，因此，需要對復(fù)合體的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行辨識，以調(diào)整控制律，否則無法實現(xiàn)準(zhǔn)確的控制。

6）捕獲后復(fù)合多體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。捕獲的用戶星往往具有一定運動速度(線速度和角速度)，因此捕獲后系統(tǒng)的動量將發(fā)生突變。若按常規(guī)的做法，即捕獲目標(biāo)后機械臂各關(guān)節(jié)鎖死或伺服保持在當(dāng)前位置，則增加的動量將會傳遞到基座，引起基座的失穩(wěn)。即使啟動飛輪進(jìn)行控制，由于飛輪本身所能吸收的角動量和控制力矩很有限，無法有效地穩(wěn)定基座；而開啟噴氣進(jìn)行姿態(tài)控制，將消耗寶貴的燃料。因此，需要對捕獲后復(fù)合體系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。