肖余之，靳永強，陳歡龍，顧冬晴，徐 峰

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

0 引言

在軌服務(wù)（On-Orbit Servicing）一般是指通過人、機器人或兩者協(xié)同完成涉及延長各種衛(wèi)星壽命、提升執(zhí)行任務(wù)能力的一類空間操作［1-2］，本文主要論述機器人在軌服務(wù)。在軌服務(wù)的概念內(nèi)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(fā)生故障的衛(wèi)星執(zhí)行輔助展開、功能模塊更換等修復(fù)性操作，廣義上也包含對未能正確入軌衛(wèi)星的輔助入軌、對壽命末期衛(wèi)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(wèi)星進行主動和被動的捕獲清除，維護軌道環(huán)境；物資補給是指對衛(wèi)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(gòu)建大型設(shè)施，比如超大型天線的在軌組裝等。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，利用軌道環(huán)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(wèi)星的故障維修、接管、補加延壽和廢棄衛(wèi)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(wèi)星服務(wù)需求開展關(guān)鍵技術(shù)研究和地面試驗，并接連在低軌開展關(guān)鍵技術(shù)驗證，部分技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)向應(yīng)用，取得了顯著的進展。在軌服務(wù)的對象，包括已經(jīng)在軌的衛(wèi)星，這類衛(wèi)星無配合服務(wù)的設(shè)計，一般作為非合作目標處理，技術(shù)難度也最大。主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括各類目標的運動特性辨識、復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)航測量、平臺與機械臂協(xié)同抓捕等。隨著在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展，也帶動了衛(wèi)星設(shè)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(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究的進展，同時也介紹了幾種典型的服務(wù)模式，最后給出了在軌服務(wù)的未來發(fā)展趨勢和展望。

1 國外研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星在軌發(fā)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(wù)”的概念設(shè)想，以期解決故障衛(wèi)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(wù)得到快速發(fā)展與直接應(yīng)用。從本世紀初至今，是無人在軌服務(wù)持續(xù)發(fā)展的20 年，各種在軌服務(wù)的概念不斷被提出，關(guān)鍵技術(shù)逐步在軌驗證，接管技術(shù)在高軌初步應(yīng)用，新的驗證計劃也一一排上日程。

1）圍繞在軌服務(wù)需求，基于合作目標由易到難持續(xù)在軌開展技術(shù)驗證，實現(xiàn)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(wèi)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(wèi)星項目（ELSA-d，2021 年）等，如圖1 所示。

圖1 合作目標在軌服務(wù)相關(guān)技術(shù)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(zhuǎn)移及機器人軌道器（ASTRO）是任務(wù)中的服務(wù)星，較小的NextSat 既扮演補給站，又扮演被修復(fù)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(wěn)定的合作目標、抓捕?？?、模塊更換和在軌燃料補加等技術(shù)。

2021 年3 月，以垃圾清理為名義發(fā)射入軌的ELSA-d 項目，將在軌驗證目標翻滾情況下，服務(wù)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(wù)星將釋放客戶星，在經(jīng)過導(dǎo)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(shè)定姿態(tài)翻滾，服務(wù)星對其進行實時跟蹤并動態(tài)機動到對接位置，完成目標翻滾姿態(tài)下的磁對接抓捕；第3 個演示的內(nèi)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(jīng)在軌目標的服務(wù)需求，由于目標的非合作特征，導(dǎo)航逼近與對接的難度加大，目前已實現(xiàn)了對穩(wěn)定目標的零距離“噴管級精度”的對接和接管控制，并轉(zhuǎn)入應(yīng)用。

美國的試驗小衛(wèi)星項目XSS-10（2003 年）、XSS-11（2005 年）等，針對非合作目標，驗證了導(dǎo)航逼近與伴飛繞飛技術(shù)，沒有實現(xiàn)零距離接觸。英國薩里大學(xué)的“太空碎片移除”項目，在軌開展了縮比的發(fā)射飛網(wǎng)、網(wǎng)捕目標技術(shù)驗證試驗（2018 年），縮比尺寸魚叉發(fā)射并捕獲模擬靶板的技術(shù)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(huán)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(fā)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(wù)相關(guān)技術(shù)驗證情況如圖2 所示。

圖2 非合作目標在軌服務(wù)相關(guān)技術(shù)驗證Fig.2 Validation of orbit service technologies for non-cooperative targets

2020 年，美國諾格公司的任務(wù)延壽飛行器（MEV-1）采用噴管對接的技術(shù)手段接管Intel-Sat901 衛(wèi)星輔助延壽是一個標志性事件，實現(xiàn)了對穩(wěn)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(wèi)星實現(xiàn)了噴管對接。2020 年美國DARPA 向諾格公司簽發(fā)了一項合同，研制MRV 飛行器，計劃2024 年發(fā)射，除了延壽，還將開展修理和其他在軌服務(wù)。已在軌目標在軌服務(wù)相關(guān)技術(shù)驗證情況如圖3所示。

圖3 已在軌目標在軌服務(wù)相關(guān)技術(shù)驗證Fig.3 Validation of on-orbit service technologies for existing targets

3）為了真正實現(xiàn)對已在軌目標的服務(wù)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(guān)鍵技術(shù)地面攻關(guān)驗證階段。

美國DARPA 支持的地球靜止軌道服務(wù)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(fā)展可對地球同步軌道衛(wèi)星進行在軌檢測與維修的機器人技術(shù)，建立地球同步軌道上的靈巧自主操作能力，預(yù)計將于2023 年發(fā)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(xiàn)有的一顆低地球軌道衛(wèi)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(wù)任務(wù)中使用的工具、技術(shù)和方法，并對Landsat-7 衛(wèi)星進行補加。該項目目前已經(jīng)演變?yōu)樵谲壏?wù)、裝配和制造任務(wù)（OSAM-1），如圖5 所示。該任務(wù)2020 年通過了評估，并全面進入硬件生產(chǎn)測試階段，計劃2023 年12 月發(fā)射，將組裝一個3 m 天線，制造10 m 的橫梁，實現(xiàn)對無合作補加口目標的補加。

圖5 OSAM-1 任務(wù)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(xiàn)在軌服務(wù)關(guān)鍵是2 個過程：第1 個過程是實現(xiàn)對合作或非合作、翻滾或穩(wěn)定目標的自主對接；第2 個過程是實現(xiàn)對目標的維修操作服務(wù)，包括接管、補加、模塊更換、組裝等。碎片清理任務(wù)對服務(wù)飛行器操作精細程度有所降低，但因載荷不能重復(fù)使用，需要發(fā)展廉價的清理載荷。

2 在軌服務(wù)任務(wù)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

典型的在軌服務(wù)，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(dǎo)航逼近、繞飛、跟飛與懸停、自主抓捕或?qū)?、維修操作服務(wù)、網(wǎng)捕拖曳等過程。相對于合作目標有先驗信息、有預(yù)先設(shè)計的適配性接口等特點，對非合作目標服務(wù)的技術(shù)難度更大。本文對在軌服務(wù)過程相關(guān)的翻滾目標運動特性探測識別、主被動探測成像測量、協(xié)同抓捕、網(wǎng)捕拖曳等關(guān)鍵技術(shù)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(shù)

需要維修的故障目標可能由于姿態(tài)失控而處于翻滾狀態(tài)。相比于逼近一個姿態(tài)穩(wěn)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(wèi)星構(gòu)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(zhuǎn)是穩(wěn)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(xiàn)安全逼近是至關(guān)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(shù)［5-8］結(jié)合目標運動狀態(tài)估計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhì)量的關(guān)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)Fig.8 Ground test system of fly around detection

序列圖像三維重建技術(shù)已經(jīng)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(tài)測量數(shù)據(jù)，結(jié)合目標姿態(tài)運動的動力學(xué)、運動學(xué)，可設(shè)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(shù)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(gòu)型如圖10 所示。經(jīng)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(nèi)，足以滿足判斷目標外形特征和運動特性的需求，為后續(xù)選擇逼近路徑、確定抓捕維修部位奠定了基礎(chǔ)。

圖9 模擬空間光照條件下的實物照片F(xiàn)ig.9 Target image under simulated space lighting condition

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

2.2 主動探測成像測量技術(shù)

合理選擇并融合運用多種相對測量手段，以實現(xiàn)超近距離內(nèi)高精度、連續(xù)穩(wěn)定可靠的相對測量的目的。光電成像探測敏感器是實現(xiàn)空間非合作失穩(wěn)目標超近距離相對導(dǎo)航必不可少的單機設(shè)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(jié)構(gòu)光等測量手段，優(yōu)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(yù)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(jù)需要進行切換。1 太陽常數(shù)空間光照環(huán)境測量試驗結(jié)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(qū)域，稀疏區(qū)域較大會導(dǎo)致點云誤匹配，通過多工況實測結(jié)果，合理設(shè)置點云匹配的權(quán)值可改善該情況；

2）對稱目標因?qū)ΨQ面難以區(qū)分，會導(dǎo)致錯匹配，結(jié)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(shù)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(shù)在逼近過程基本穩(wěn)定。

TOF 相機采用調(diào)制光源投射目標，計算反射信號與發(fā)射信號的相位差，進而得到發(fā)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(huán)境雜散光干擾較小。其測量原理與激光成像雷達相似，優(yōu)點是功耗更低、體積更??；缺點是能量較弱，探測距離有限。

結(jié)構(gòu)光相對測量是采用將結(jié)構(gòu)光投射到目標表面后被目標表面高度調(diào)制，對被調(diào)制結(jié)構(gòu)光計算還原后得出被測物三維面型數(shù)據(jù)。此處介紹一種線結(jié)構(gòu)光測量衛(wèi)星星箭對接環(huán)相對位姿的技術(shù)方案。3 條平行線結(jié)構(gòu)光照射衛(wèi)星星箭對接環(huán)區(qū)域，將在對接環(huán)上形成3 條直線段。利用圖像處理技術(shù)提取直線段的6 個端點，再利用對接環(huán)直徑和寬度已知等先驗信息，可分別擬合出對接環(huán)的內(nèi)圓和外圓。通過對接環(huán)圓平面、圓心信息可解算出以目標星箭對接環(huán)面為基準的相對位置和姿態(tài)信息。合理選擇結(jié)構(gòu)光線的距離和條數(shù)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(jié)構(gòu)光相鄰圖像作差的辦法可以有效減少背景干擾。對接環(huán)結(jié)構(gòu)光圖像如圖11 所示，濾光以后的結(jié)構(gòu)光圖像如圖12 所示。該技術(shù)方案通過了1 太陽常數(shù)下的成像測試與相對位姿測量等考核試驗。結(jié)構(gòu)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(huán)結(jié)構(gòu)光圖像Fig.11 Structured light image of the docking ring

圖12 濾光以后的結(jié)構(gòu)光圖像Fig.12 Structured light image after filtering

2.3 被動探測成像測量技術(shù)

被動探測成像測量重點介紹可見光視覺測量技術(shù)。合作目標可以設(shè)計視覺導(dǎo)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(huán)、發(fā)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(huán)、發(fā)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(zhì)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(tài)［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(xiàn)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(tài)精度大約為4 cm 和3°，合作靶標相對位置姿態(tài)測量精度為2 cm 和1°以內(nèi)。模擬空間光照環(huán)境動態(tài)運動過程中能夠可靠輸出相對測量值。在工程應(yīng)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(wěn)定連續(xù)，而滾動角測量跳動較多。主要原因是對接環(huán)圓形特征所導(dǎo)致。需要結(jié)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(huán)境下，由遠到近目標亮度變化劇烈，相機應(yīng)具備積分時間自動調(diào)整功能，確保圖像明暗適中，便于后續(xù)相對位姿計算。

3）相對距離更近時，對接環(huán)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(huán)，導(dǎo)致測量輸出不穩(wěn)定。這是在軌服務(wù)過程中必然出現(xiàn)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(dǎo)航濾波信息進行互判校驗，利用導(dǎo)航濾波系統(tǒng)的魯棒性彌補相機測量輸出不穩(wěn)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(guān)區(qū)域，或降低圖像分辨率，減輕計算壓力。通過反復(fù)地面試驗確定合適的圖像預(yù)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(huán)情況如圖16 所示，噴管和對接環(huán)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(huán)情況Fig.16 Docking ring partly obscured by objects

圖17 噴管和對接環(huán)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(nèi)工作，并且在相機鏡頭設(shè)計、相機周圍防雜散光散射等方面需開展針對性設(shè)計。

2.4 協(xié)同抓捕技術(shù)

維修操作在軌服務(wù)任務(wù)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(wèi)星并沒有事先安裝適應(yīng)機械臂抓捕工具的適配器，并且自身可能存在復(fù)雜的自旋、章動等運動，對機械臂動態(tài)抓捕能力要求極高。主要難點是機器人平臺和機械臂協(xié)同的翻滾目標動態(tài)跟蹤抓捕技術(shù)。

非合作目標抓捕是一個復(fù)雜動力學(xué)與控制耦合過程［19］，需要從動力學(xué)建模、相對測量、視覺伺服跟蹤、協(xié)同控制、數(shù)學(xué)仿真、地面試驗等多方面協(xié)同攻關(guān)研究和充分驗證，才能確保任務(wù)實施的可行性和可靠性［20］。

以機械臂抓捕目標星箭對接環(huán)為例，協(xié)同抓捕過程主要解決以下3 個問題：

1）平臺導(dǎo)引機械臂運動。機器人平臺將對接環(huán)相對測量信息發(fā)送至機械臂，機械臂利用該信息規(guī)劃末端運動路徑，將機械臂末端運動至對接環(huán)正前方附近1 m 以內(nèi)，手眼相機開機，對接環(huán)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(guī)劃，規(guī)劃出兩條機械臂基本上同時到達對接環(huán)抓捕部位的運動路徑。機械臂運動過程中不斷根據(jù)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(huán)進入抓捕工具包絡(luò)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(huán)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(yù)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(wù)。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(shù)據(jù)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(fù)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(jù)大量的地面試驗、仿真分析的結(jié)果不斷優(yōu)化完善抓捕和故障處置的邏輯關(guān)系。

在地面重力環(huán)境下很難用1∶1 試驗系統(tǒng)來驗證協(xié)同抓捕關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)學(xué)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(xué)。為此建設(shè)一套半物理試驗系統(tǒng)，如圖18 所示。試驗系統(tǒng)配置2 套在直線導(dǎo)軌上運動的大型工業(yè)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(dǎo)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(xié)調(diào)控制下對空間目標逼近、跟蹤、多機械臂協(xié)同抓捕、消旋穩(wěn)定、精細操作等關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)驗證翻滾目標抓捕維護技術(shù)方案。目前已經(jīng)基于該試驗系統(tǒng)完成了穩(wěn)定目標、慢旋目標、自旋章動目標等不同類型、不同旋轉(zhuǎn)角速度、0.1 太陽常數(shù)模擬空間光照環(huán)境下的復(fù)雜組合工況試驗，全面驗證了超近距離導(dǎo)航、安全逼近和多機械臂協(xié)同抓捕關(guān)鍵技術(shù)。

圖18 非合作目標協(xié)同抓捕技術(shù)試驗系統(tǒng)Fig.18 Test system of non-cooperative target coordinate grasp

2.5 維修操作工具技術(shù)

抓捕目標后即可開展故障維修操作。盡管空間機械臂技術(shù)近年來得到了快速發(fā)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(wù)。目前主要圍繞帆板展開故障維修、合作目標接管等任務(wù)開展操作工具設(shè)計。包括抓捕對接環(huán)的工具在內(nèi)共有5 種：對接環(huán)抓捕工具，用于抓捕目標衛(wèi)星的星箭對接環(huán)；噴管抓捕工具，用于伸入目標衛(wèi)星490 N 發(fā)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(huán)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(wù)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(yīng)的操作工具實現(xiàn)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(xù)還將根據(jù)多種在軌服務(wù)操作需求，開發(fā)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(yīng)操作任務(wù)。

3 典型在軌服務(wù)應(yīng)用

基于上述關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與驗證基礎(chǔ)，可形成實用化的在軌服務(wù)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(wù)。

3.1 推進劑補加服務(wù)

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(wù)的成熟應(yīng)用還將促進航天器設(shè)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(wù)是面向合作目標的在軌服務(wù)。被補加航天器需要配置相對導(dǎo)航標志、機械臂合作抓捕手柄來配合服務(wù)航天器逼近、抓捕，還需要配置?？垦a加裝置被動端，配合服務(wù)航天器完成機械停靠和推進劑傳輸。其中，?？垦a加裝置被動端是實現(xiàn)在軌補加的關(guān)鍵部件。

一套合作目標?？垦a加裝置方案如圖20 所示，可以實現(xiàn)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(shè)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(yīng)恒壓式/落壓式推進系統(tǒng)補氣/補液的功能需求。具體可根據(jù)任務(wù)需求選配相應(yīng)的接頭類型和數(shù)量。為確保分離過程可靠性，還具備火工品應(yīng)急分離能力。該產(chǎn)品已經(jīng)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?？垦a加機構(gòu)Fig.20 Integrated docking and refueling mechanisms

為促進推進劑補加任務(wù)大規(guī)模、低成本應(yīng)用，應(yīng)盡快立足當前技術(shù)基礎(chǔ)形成包含相對導(dǎo)航標志、機械臂抓捕手柄、?？垦a加裝置在內(nèi)的補加技術(shù)標準，并在新研發(fā)的航天器上進行推廣，促進推進劑補加服務(wù)廣泛應(yīng)用，逐步構(gòu)建常態(tài)化運營的在軌補加服務(wù)體系。

3.2 模塊更換維修服務(wù)

針對非合作目標的維修技術(shù)難度大、通用性差，難以大面積推廣應(yīng)用，更多的還是對采用可維修設(shè)計的合作目標開展功能模塊更換維修服務(wù)，效費比更高。目前機械臂已經(jīng)具備從工具箱中更換不同工具的能力，該技術(shù)可直接應(yīng)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(shù)難點。關(guān)鍵問題在于功能模塊的標準化電氣、軟件接口和系統(tǒng)功能重構(gòu)技術(shù)。要求被服務(wù)航天器新更換模塊后具備即插即用能力。該技術(shù)通過近幾年的研究已取得了技術(shù)突破并走向工程試用。

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

在軟件方面，設(shè)備即插即用管理主要完成設(shè)備自主識別（如圖21 所示）與設(shè)備通信管理，圖中，DDS（Device Discovery Service）為設(shè)備發(fā)現(xiàn)服務(wù)，EDS（Electronic Data Sheet）為電子數(shù)據(jù)表格。在TEDS 基礎(chǔ)上設(shè)計了數(shù)據(jù)包接口服務(wù)、設(shè)備發(fā)現(xiàn)服務(wù)、設(shè)備訪問服務(wù)和設(shè)備數(shù)據(jù)池服務(wù)等，以此實現(xiàn)自主識別與即插即用通信管理功能。

圖21 設(shè)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(wù)得以大量應(yīng)用推廣的前提條件。目前已經(jīng)在軌的航天器均沒有采用可更換設(shè)計，自然也無法接受模塊更換服務(wù)。應(yīng)基于當前研制技術(shù)基礎(chǔ)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(zhí)行，逐步開展模塊更換任務(wù)推廣應(yīng)用，進一步為后續(xù)模塊化航天器、在軌組裝航天器奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3.3 碎片清理服務(wù)

大尺寸柔性飛網(wǎng)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(shù)。柔性飛網(wǎng)可在數(shù)十米處發(fā)射并捕獲目標，飛網(wǎng)尺寸可以設(shè)計足夠大，并且因飛網(wǎng)的柔性特點，整個網(wǎng)捕過程對兩飛行器相對位姿控制精度要求較為寬松，技術(shù)難度相對較小。主要技術(shù)難點在于飛網(wǎng)捕獲目標后的拖曳控制。

當前技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備針對廢棄衛(wèi)星大型空間碎片的飛網(wǎng)捕獲清理能力。在GEO 軌位資源日趨緊張的情況下，可優(yōu)先研制部署高軌碎片清理飛行器，將占據(jù)軌位的廢棄衛(wèi)星捕獲并拖曳至墳?zāi)管壍?。碎片清理服?wù)關(guān)鍵是要盡可能降低成本，采用成熟可靠簡單的技術(shù)完成廢棄衛(wèi)星逼近懸停捕獲和拖曳。因飛網(wǎng)載荷不能重復(fù)使用的特點，碎片清理航天器可攜帶多個飛網(wǎng)，在軌運行壽命期間清理多個廢棄衛(wèi)星，降低單次清理任務(wù)的平均成本。

4 結(jié)束語

從當前關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)驗證進展來看，廢棄衛(wèi)星捕獲清理、推進劑補加技術(shù)基礎(chǔ)較好，近期內(nèi)有望得到應(yīng)用。面向非合作目標的故障維修開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，儲備了目標抓捕和精細操作的關(guān)鍵技術(shù)，但更應(yīng)著重發(fā)展可維修航天器技術(shù)，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(shè)施的在軌組裝任務(wù)的需求也正在逐步顯現(xiàn)，但受限于大范圍的精密操作、精細裝調(diào)等技術(shù)能力仍然不足，處于技術(shù)儲備階段［21］。

在軌服務(wù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用進展緩慢，主要原因是現(xiàn)有衛(wèi)星并未預(yù)留服務(wù)操作接口，導(dǎo)致在軌服務(wù)技術(shù)難度極大。為充分發(fā)揮在軌服務(wù)效益，應(yīng)推動建立在軌服務(wù)標準規(guī)范。衛(wèi)星基于標準化接口設(shè)計，實現(xiàn)故障自主診斷識別與隔離、功能模塊化、任務(wù)可重構(gòu)等能力。對于服務(wù)航天器而言，結(jié)合最近發(fā)展的人工智能［22］、多航天器協(xié)同等技術(shù)進一步發(fā)展智能自主目標識別、任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同服務(wù)等能力。衛(wèi)星設(shè)計變革和在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展相向而行，必然會促使在軌服務(wù)走向成熟應(yīng)用。