韓慧鵬 金雪松 范晨

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

隨著空間技術(shù)的迅速發(fā)展，人類開(kāi)發(fā)空間、利用空間的步伐越來(lái)越快，航天系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，規(guī)模也越來(lái)越大。由于航天任務(wù)高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，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(hù)地球靜止軌道（GEO）的資源，需要開(kāi)展以延長(zhǎng)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(duì)失控的衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)接管控制；同時(shí)對(duì)壽命末期推進(jìn)劑消耗殆盡的衛(wèi)星延長(zhǎng)壽命，降低空間系統(tǒng)的成本與風(fēng)險(xiǎn)，也能為處于轉(zhuǎn)移軌道的衛(wèi)星完成機(jī)動(dòng)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(duì)廢棄衛(wèi)星進(jìn)行清理，以達(dá)到對(duì)有限軌道資源的充分利用，并減緩空間垃圾對(duì)運(yùn)行中衛(wèi)星的威脅。目前各航天國(guó)家都致力于研究在地球靜止軌道上對(duì)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(jì)階段。國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有針對(duì)靜止軌道衛(wèi)星延長(zhǎng)壽命飛行器的設(shè)計(jì)方案。

美國(guó)的“軌道快車”計(jì)劃

“軌道快車”（Orbital Express）計(jì)劃是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）于1999年底提出的，驗(yàn)證服務(wù)航天器對(duì)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(yùn)輸機(jī)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?！败壍揽燔嚒庇?007年3月發(fā)射，整個(gè)任務(wù)持續(xù)了3個(gè)月左右，先后驗(yàn)證了自主交會(huì)、接近操作、捕獲與對(duì)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(guó)的衛(wèi)星延壽服務(wù)

美國(guó)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(guó)空間公司是經(jīng)營(yíng)實(shí)體，負(fù)責(zé)任務(wù)管理、市場(chǎng)、法律和財(cái)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(yùn)營(yíng)商提供靈活且可升級(jí)的資本有效、低風(fēng)險(xiǎn)在軌延壽和防護(hù)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(zhǎng)飛行器”(MEV)旨在與在軌衛(wèi)星對(duì)接并牢固鎖緊，充當(dāng)備用推進(jìn)系統(tǒng)，這能夠延長(zhǎng)機(jī)動(dòng)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(zhǎng)飛行器”

維維衛(wèi)星公司的服務(wù)包括在衛(wèi)星運(yùn)行不間斷的情況下使“任務(wù)延長(zhǎng)飛行器”與之交會(huì)對(duì)接，執(zhí)行長(zhǎng)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(cuò)誤軌道槽內(nèi)的衛(wèi)星重新入軌等服務(wù)?！叭蝿?wù)延長(zhǎng)飛行器”設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)“任務(wù)延長(zhǎng)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(gè)“任務(wù)延長(zhǎng)飛行器”，一個(gè)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(gè)為地球靜止軌道衛(wèi)星服務(wù)。

美國(guó)空間公司的聯(lián)合創(chuàng)始人、維維衛(wèi)星公司總裁愛(ài)德華D·霍洛維茨說(shuō)：“維維衛(wèi)星公司是一家專注于為衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商、美國(guó)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(hù)服務(wù)的新公司。該公司的服務(wù)模式在財(cái)務(wù)效率、運(yùn)行靈活性和風(fēng)險(xiǎn)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(huì)成員兼副總裁湯姆·威爾遜說(shuō)：“在軌任務(wù)擴(kuò)展和運(yùn)行防護(hù)是一個(gè)全新的市場(chǎng)，維維衛(wèi)星公司將使運(yùn)營(yíng)商擴(kuò)展其衛(wèi)星任務(wù)持續(xù)時(shí)間，提升資產(chǎn)效益?！?/p>

美國(guó)的“軌道萬(wàn)能維修航天器”演示任務(wù)

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局在開(kāi)展“軌道快車”研制和試驗(yàn)的同時(shí)，還資助了“軌道萬(wàn)能維修航天器”（SU M O）計(jì)劃。與“軌道快車”任務(wù)不同，“軌道萬(wàn)能維修航天器”計(jì)劃是一個(gè)面向非合作目標(biāo)的自主交會(huì)、逼近、抓捕并實(shí)施在軌服務(wù)的演示任務(wù)，重點(diǎn)對(duì)該航天器視覺(jué)、機(jī)械臂、自主控制方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)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(jì)和關(guān)鍵技術(shù)的地面演示驗(yàn)證，目前這些工作已經(jīng)完成?！败壍廊f(wàn)能維修航天器”采用模塊化設(shè)計(jì)，有一個(gè)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(huì)、接近的敏感器，3個(gè)七自由度的機(jī)械臂（帶有視覺(jué)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(gè)以演示驗(yàn)證編隊(duì)飛行和自主交會(huì)技術(shù)為主的任務(wù)，同時(shí)驗(yàn)證綠色無(wú)毒的新型推進(jìn)系統(tǒng)。“棱鏡”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(yàn)證項(xiàng)目主要是自主交會(huì)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(yàn)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(guó)的“德國(guó)軌道服務(wù)任務(wù)”計(jì)劃

“德國(guó)軌道服務(wù)任務(wù)”（DEOS）計(jì)劃是德國(guó)航天局（DLR）進(jìn)行自主在軌服務(wù)技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目，其主要目標(biāo)是用一個(gè)服務(wù)飛行器捕獲一個(gè)姿態(tài)失控的非合作客戶飛行器，并對(duì)捕獲的衛(wèi)星沿預(yù)定的軌道實(shí)施離軌操作，驗(yàn)證自主交會(huì)、捕獲和對(duì)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(jī)械臂，兩顆星發(fā)射時(shí)連接在一起，入軌后由機(jī)械臂釋放客戶飛行器，然后開(kāi)展自主交會(huì)、對(duì)接與操作的實(shí)驗(yàn)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(guó)航天飛機(jī)、“國(guó)際空間站”等機(jī)械臂的研制方，近年來(lái)，基于其先進(jìn)的空間機(jī)器人技術(shù)，投入了大量資金開(kāi)展在軌服務(wù)技術(shù)開(kāi)發(fā)，并在運(yùn)營(yíng)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(yàn)衛(wèi)星，用于靜止軌道衛(wèi)星的在軌燃料補(bǔ)給，在必要的時(shí)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(yùn)營(yíng)商總是以追求最大利潤(rùn)為目標(biāo)，所經(jīng)營(yíng)的衛(wèi)星在軌工作壽命多一天，利潤(rùn)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?yàn)槟媳蔽槐Ｃ磕晷枰乃俣仍隽考s為46m/s，而東西位保僅需3m/s。衛(wèi)星在日、月引力的攝動(dòng)下，其軌道面偏離赤道面而逐漸傾斜，即相對(duì)于地球不再靜止。其結(jié)果造成地面用戶使用不方便，因?yàn)檫@需要使用昂貴的、指向可調(diào)節(jié)的跟蹤天線，費(fèi)用也隨之上升。從商業(yè)角度考慮，衛(wèi)星的運(yùn)營(yíng)商希望能夠開(kāi)發(fā)出一種可延長(zhǎng)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(wú)論對(duì)國(guó)內(nèi)衛(wèi)星還是國(guó)外衛(wèi)星，在軌型號(hào)還是在研型號(hào)，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?。┑牡厍蜢o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(jì)損失和極大的社會(huì)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(jì)，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(cè)控分系統(tǒng)占14%，其他占14%。實(shí)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(jì)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(jì)損失，還能顯著提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(lái)，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(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)(IADC)于1997年提出了對(duì)地球靜止軌道空間碎片處置的建議，要求對(duì)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(jī)動(dòng)，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(lái)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(yùn)行的衛(wèi)星多是價(jià)值高、壽命長(zhǎng)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(jiàn)的。

地球靜止軌道衛(wèi)星的造價(jià)和發(fā)射費(fèi)用高昂，衛(wèi)星價(jià)格從1.5億美元[如國(guó)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(jì)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(dòng)離軌的推進(jìn)劑用于軌道保持，則衛(wèi)星可獲得6個(gè)月左右的額外工作壽命，這6個(gè)月的服務(wù)壽命將使衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)公司獲得額外收益。

由此可見(jiàn)，對(duì)地球靜止軌道衛(wèi)星進(jìn)行在軌延壽服務(wù)，能帶來(lái)巨額收益，同時(shí)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)的近距離接近與停靠主要依賴光學(xué)敏感器，目前國(guó)外針對(duì)合作目標(biāo)的光學(xué)敏感器（在合作航天器上裝有用于測(cè)量的標(biāo)志器）技術(shù)已很成熟，“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)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(yàn)衛(wèi)星－7（ETS－7）的接近敏感器（PXS）都已經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證，國(guó)外下一步的發(fā)展主要是提高測(cè)量精度和可靠性，并進(jìn)一步小型化。

在空間機(jī)械手及對(duì)接、抓捕機(jī)構(gòu)方面也開(kāi)展了大量的研究和試驗(yàn)，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)取得了突破。在空間機(jī)械手方面，加拿大麥德聯(lián)合有限公司先后為美國(guó)的航天飛機(jī)、“國(guó)際空間站”和“軌道快車”計(jì)劃提供了機(jī)械臂，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。日本在空間機(jī)器人方面也處于領(lǐng)先地位，工程試驗(yàn)衛(wèi)星－7上的機(jī)械臂也得到了驗(yàn)證。德國(guó)航天局在輕型機(jī)械臂、抓捕機(jī)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(duì)在軌通信衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施捕獲操作開(kāi)發(fā)的機(jī)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(gè)方面

1）目標(biāo)測(cè)量技術(shù)。對(duì)于大多數(shù)已在軌運(yùn)行的地球靜止軌道衛(wèi)星，沒(méi)有安裝用于機(jī)械臂捕獲的抓捕機(jī)構(gòu)(手柄)以及用于輔助測(cè)量的合作標(biāo)志器和特征模塊等，要實(shí)現(xiàn)延壽服務(wù)，首先需要解決測(cè)量問(wèn)題，即采用相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備，在遠(yuǎn)、中、近距離提供對(duì)目標(biāo)相對(duì)位置、姿態(tài)的測(cè)量值，作為目標(biāo)跟蹤、接近、捕獲等過(guò)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(zhǎng)（1天），并且在一段時(shí)間內(nèi)用戶星將淹沒(méi)在地球背景下，導(dǎo)致天基目標(biāo)測(cè)量設(shè)備無(wú)法進(jìn)行測(cè)量，因此，采用受迫繞飛技術(shù)可以設(shè)計(jì)所需要的繞飛軌道。

3）抓捕與對(duì)接機(jī)構(gòu)。地球靜止軌道用戶衛(wèi)星并沒(méi)有安裝專門(mén)用于抓捕、對(duì)接的機(jī)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(duì)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(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)和星箭對(duì)接環(huán)。其中，星箭對(duì)接環(huán)尺寸較大，難以設(shè)計(jì)小型的抓捕、對(duì)接結(jié)構(gòu)，因此遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)成為此類衛(wèi)星理想的捕獲、對(duì)接目標(biāo)。德國(guó)空間局針對(duì)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的圓錐形噴嘴設(shè)計(jì)了一套捕獲機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)巧妙，體積小，質(zhì)量輕，堪稱噴嘴捕獲的經(jīng)典機(jī)構(gòu)，已被多個(gè)項(xiàng)目參考甚至直接采用；另一套比較典型的是美國(guó)“軌道萬(wàn)能維修航天器”項(xiàng)目所采用的捕獲機(jī)構(gòu)，其針對(duì)波音公司生產(chǎn)的衛(wèi)星平臺(tái)，設(shè)計(jì)了對(duì)分離螺栓進(jìn)行對(duì)接的機(jī)構(gòu)。

4）接觸碰撞動(dòng)力學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。接觸碰撞是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以往的研究多是進(jìn)行大量簡(jiǎn)化，并從多體系統(tǒng)本身考慮碰撞動(dòng)力學(xué)的建模。未來(lái)，可以考慮從多學(xué)科出發(fā)，開(kāi)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(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)。用戶星質(zhì)量、慣量以及幾何尺寸均很大，而且由于長(zhǎng)期在軌運(yùn)行，燃料大量消耗且構(gòu)型可能發(fā)生改變，其動(dòng)力學(xué)參數(shù)與發(fā)射之初相比變化很大，且地面無(wú)法準(zhǔn)確知道。服務(wù)系統(tǒng)不但要捕獲、對(duì)接目標(biāo)，而且需要對(duì)捕獲、對(duì)接后的復(fù)合體進(jìn)行精確的軌道、姿態(tài)保持或機(jī)動(dòng)控制，因此，需要對(duì)復(fù)合體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，以調(diào)整控制律，否則無(wú)法實(shí)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(yùn)動(dòng)速度(線速度和角速度)，因此捕獲后系統(tǒng)的動(dòng)量將發(fā)生突變。若按常規(guī)的做法，即捕獲目標(biāo)后機(jī)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(dòng)量將會(huì)傳遞到基座，引起基座的失穩(wěn)。即使啟動(dòng)飛輪進(jìn)行控制，由于飛輪本身所能吸收的角動(dòng)量和控制力矩很有限，無(wú)法有效地穩(wěn)定基座；而開(kāi)啟噴氣進(jìn)行姿態(tài)控制，將消耗寶貴的燃料。因此，需要對(duì)捕獲后復(fù)合體系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。