國外地球靜止軌道在軌服務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概況

陳士明 周志成 曲廣吉 王典軍 袁俊剛（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部）

地球靜止軌道（GEO）在軌服務(wù)技術(shù)在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、國防和空間技術(shù)發(fā)展方面有重要意義。本文概述了國外在軌服務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)研究進(jìn)展，包括美國、歐洲及其他國家的GEO在軌服務(wù)研究計(jì)劃和美國在軌服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)情況，從目標(biāo)監(jiān)視和導(dǎo)航測(cè)量、捕獲連接、在軌服務(wù)機(jī)械臂和組合體動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)及建?？刂频确矫娼榻B了在軌服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展情況?？偨Y(jié)了在軌服務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了未來GEO在軌服務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展展望。

1 引言

位于GEO的衛(wèi)星覆蓋面積大，且相對(duì)于地面靜止，在通信、導(dǎo)航、預(yù)警、遙感等軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在軌服務(wù)是指在空間通過人、機(jī)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。

GEO在軌服務(wù)的主要任務(wù)、功能和基本內(nèi)涵包括5個(gè)方面：①在軌目標(biāo)監(jiān)測(cè)，指在目標(biāo)衛(wèi)星附近，采用可見光、紅外、微波等敏感器對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行成像、位姿測(cè)量，并獲取目標(biāo)衛(wèi)星相關(guān)信息；②在軌輔助變軌，指服務(wù)衛(wèi)星協(xié)助目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行軌道調(diào)整，包括輔助入軌和輔助離軌等；③在軌燃料補(bǔ)給，指通過補(bǔ)給燃料，為目標(biāo)衛(wèi)星提供完整的姿態(tài)和軌道控制功能，包括燃料加注和接管目標(biāo)衛(wèi)星的控制推進(jìn)系統(tǒng)等；④在軌故障修復(fù)，指排除目標(biāo)衛(wèi)星的故障，恢復(fù)衛(wèi)星的正常功能，包括更換故障部件和排除故障展開太陽電池翼或天線等；⑤在軌有限裝配，指通過更換或增加硬件的方式保持或增強(qiáng)目標(biāo)衛(wèi)星的能力，包括更換模塊、增加模塊和模塊的回收利用等。

GEO在軌服務(wù)的優(yōu)勢(shì)主要是降低衛(wèi)星任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，減少任務(wù)費(fèi)用，增強(qiáng)任務(wù)系統(tǒng)功能及提高任務(wù)的靈活性等，在經(jīng)濟(jì)、國防和促進(jìn)空間技術(shù)發(fā)展方面有重要意義。

2 國外在軌服務(wù)技術(shù)進(jìn)展情況

對(duì)于在軌服務(wù)技術(shù)特別是GEO在軌服務(wù)技術(shù)，世界上各個(gè)航天大國進(jìn)行了大量的研究。隨著這些項(xiàng)目計(jì)劃的逐步提出和在軌試驗(yàn)，美國和歐洲等將具有在GEO上對(duì)絕大多數(shù)合作/非合作目標(biāo)進(jìn)行交會(huì)、監(jiān)測(cè)、捕獲、釋放、維修、變軌等操作的技術(shù)能力。

美國GEO在軌服務(wù)研究計(jì)劃

美國很早就開展了GEO在軌服務(wù)方面的研究，1996年就針對(duì)未能入軌的特高頻-1（UHF-1）衛(wèi)星提出了在軌服務(wù)設(shè)想并申請(qǐng)了專利，隨后美國針對(duì)GEO衛(wèi)星提出并開展了一系列在軌服務(wù)計(jì)劃。

（1）“近期能驗(yàn)證的前端機(jī)器人”/“通用軌道維修航天器”計(jì)劃

2004年，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助了GEO“通用軌道維修航天器”（SUMO）的研究，其目標(biāo)是為絕大多數(shù)非合作目標(biāo)進(jìn)行在軌服務(wù)，以演示驗(yàn)證空間交會(huì)、自主抓捕等技術(shù)。2006年，SUMO更名為“近期能驗(yàn)證的前端機(jī)器人”（FREND），旨在開展自主捕獲非合作目標(biāo)的空間機(jī)械臂技術(shù)演示驗(yàn)證研究。目前，F(xiàn)REND/SUMO計(jì)劃已經(jīng)完成地面演示驗(yàn)證，該項(xiàng)目原定于2011年開展低地球軌道（LEO）的飛行演示驗(yàn)證，但至今未有公開報(bào)道。

（2）“微衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)”計(jì)劃

“微衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)”（M iTEx）計(jì)劃是由美國DARPA、空軍和海軍等共同推出的一項(xiàng)針對(duì)合作/非合作目標(biāo)的在軌目標(biāo)監(jiān)視計(jì)劃。M iTEx系統(tǒng)包括火箭上面級(jí)和2顆小衛(wèi)星。2006年，該計(jì)劃首次在GEO成功演示了在軌目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)。在完成預(yù)定的在軌監(jiān)視演示任務(wù)后，2顆M iTEx小衛(wèi)星在2008年底至2009年初機(jī)動(dòng)至失效的國防支援計(jì)劃-23（DSP-23）導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星附近，成功對(duì)其進(jìn)行了在軌監(jiān)測(cè)。

（3）“任務(wù)擴(kuò)展衛(wèi)星”計(jì)劃

在維維衛(wèi)星公司（V iviSat）的“任務(wù)擴(kuò)展衛(wèi)星”（MEV）設(shè)計(jì)方案中，M EV飛行器與GEO目標(biāo)衛(wèi)星交會(huì)對(duì)接形成剛性連接的組合體后執(zhí)行在軌服務(wù)任務(wù)。不同于在軌燃料加注，與目標(biāo)對(duì)接后，M EV為目標(biāo)衛(wèi)星提供推進(jìn)系統(tǒng)的功能。另外，M EV還可以執(zhí)行輔助離軌任務(wù)。

（4）“鳳凰”計(jì)劃

2011年12月，美國DARPA發(fā)布了新的GEO在軌服務(wù)計(jì)劃—“鳳凰”（Phoenix）計(jì)劃，該計(jì)劃旨在重新利用退役或無法正常工作的在軌衛(wèi)星的大型天線等部件，降低新型衛(wèi)星的開發(fā)成本。Phoenix計(jì)劃定于2015-2016年進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)至少1副天線部件的重復(fù)利用。

FREND/SUMO計(jì)劃中的服務(wù)衛(wèi)星

MEV在軌服務(wù)設(shè)想圖

歐洲GEO在軌服務(wù)研究計(jì)劃

（1）“地球靜止軌道服務(wù)飛行器”計(jì)劃

歐洲航天局（ESA）于1989年提出了“地球靜止軌道服務(wù)飛行器”（GSV）的概念，主要用于對(duì)GEO衛(wèi)星進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)視、燃料加注、模塊更換和輔助離軌等功能。由于種種原因，GSV并沒有進(jìn)入實(shí)際工程階段，而僅開展了概念設(shè)計(jì)。

（2）“試驗(yàn)服務(wù)衛(wèi)星”計(jì)劃

德國航空航天中心（DLR）于1994年提出了“試驗(yàn)服務(wù)衛(wèi)星”（ESS）計(jì)劃，以研究在GEO上對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行交會(huì)、監(jiān)視和維修等在軌服務(wù)技術(shù)。ESS上安裝有一個(gè)機(jī)械臂，用于試驗(yàn)機(jī)械臂的遙操作控制技術(shù)，完成對(duì)故障衛(wèi)星的捕獲、檢查和維修。該計(jì)劃也只進(jìn)行到概念設(shè)計(jì)階段。

（3）“赫爾墨斯”計(jì)劃

ESA、DLR以及宇宙（Kosm as）公司合作開展了“赫爾墨斯”（H erm es）計(jì)劃，探索研究在軌的燃料收集和加注技術(shù)。Herm es計(jì)劃收集已失效但仍有燃料的衛(wèi)星、有多余燃料的正常衛(wèi)星和火箭上面級(jí)中的燃料，然后給需要燃料的GEO通信衛(wèi)星進(jìn)行燃料加注。Herm es在軌服務(wù)系統(tǒng)包括服務(wù)衛(wèi)星、燃料存儲(chǔ)衛(wèi)星、監(jiān)視小衛(wèi)星、可更換推進(jìn)模塊和軌道提升艙五部分，其中僅有服務(wù)衛(wèi)星是必須的。Herm es計(jì)劃目前還處在概念論證階段。

GSV的方案設(shè)想

ESS計(jì)劃方案設(shè)想圖

MiTEx計(jì)劃方案概念圖

Herm es計(jì)劃的在軌加注想象圖

（4）“地球靜止軌道清理機(jī)器人”計(jì)劃

2002年開始的“地球靜止軌道清理機(jī)器人”（ROGER）計(jì)劃，旨在研究捕獲GEO非合作目標(biāo)衛(wèi)星并輔助其離軌等技術(shù)。服務(wù)衛(wèi)星經(jīng)地面引導(dǎo)和自主導(dǎo)航至距離目標(biāo)15m處，然后服務(wù)衛(wèi)星釋放網(wǎng)狀或繩系抓捕系統(tǒng)捕獲目標(biāo)，隨后服務(wù)衛(wèi)星將其拖入“墳?zāi)埂避壍?，與目標(biāo)分離后返回GEO等待下一次任務(wù)。其驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)包括空間交會(huì)、目標(biāo)測(cè)量、飛網(wǎng)/飛爪捕獲技術(shù)以及組合體控制技術(shù)。由于種種原因，該計(jì)劃的研究未能繼續(xù)開展下去，但其思想引起了國際航天界的廣泛關(guān)注。

（5）“空間系統(tǒng)演示驗(yàn)證技術(shù)衛(wèi)星”計(jì)劃

“空間系統(tǒng)演示驗(yàn)證技術(shù)衛(wèi)星”（TECSAS）計(jì)劃的目標(biāo)是研制一個(gè)可接受在軌服務(wù)的目標(biāo)衛(wèi)星和服務(wù)衛(wèi)星。該計(jì)劃于2006年終止后，DLR提出了后續(xù)研究項(xiàng)目為“德國在軌服務(wù)任務(wù)”（DEOS）項(xiàng)目。DEOS包括合作目標(biāo)交會(huì)對(duì)接、慢旋非合作目標(biāo)的捕獲、組合體軌道機(jī)動(dòng)。盡管DEOS以GEO衛(wèi)星為服務(wù)對(duì)象，但近期將先在LEO上開展演示，以驗(yàn)證慢旋非合作目標(biāo)的捕獲連接等關(guān)鍵技術(shù)。

DEOS計(jì)劃對(duì)接示意圖

SMART-OLEV與目標(biāo)衛(wèi)星的對(duì)接示意圖

Phoenix計(jì)劃的在軌演示驗(yàn)證設(shè)想

（6）“軌道延壽系統(tǒng)”計(jì)劃

DLR與軌道復(fù)活公司合作，開展了“軌道延壽系統(tǒng)”（CX-OLEV）航天器的研制。CX-OLEV航天器與目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)接后，接管目標(biāo)衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道控制功能，使其有效載荷繼續(xù)工作。由于CX-OLEV航天器是基于ConeXp ress平臺(tái)建造的，沒有經(jīng)過飛行驗(yàn)證，且僅適用于阿里安-5（A riane-5）運(yùn)載火箭。因此在新一輪的方案中，采用了經(jīng)過飛行驗(yàn)證的“小型先進(jìn)技術(shù)研究任務(wù)”（SMART）小衛(wèi)星平臺(tái)，服務(wù)衛(wèi)星進(jìn)化成SMART-OLEV平臺(tái)。

XSS-10小衛(wèi)星及火箭上面級(jí)

其他國家的GEO在軌服務(wù)研究計(jì)劃

（1）“GEO延壽系統(tǒng)”

加拿大麥德（MDA）公司提出了利用機(jī)械臂對(duì)壽命末期GEO衛(wèi)星進(jìn)行燃料加注的“GEO延壽系統(tǒng)”方案設(shè)想。該系統(tǒng)利用機(jī)械臂捕獲目標(biāo)的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管形成剛性組合體，然后再打開目標(biāo)衛(wèi)星的注排閥門，插入軟管泵入適量燃料。另外，該系統(tǒng)還具備簡(jiǎn)單的維修功能，能夠排除太陽電池翼打開等故障。

ROGER計(jì)劃的流程

（2）“在軌維修系統(tǒng)”計(jì)劃

日本的“在軌維修系統(tǒng)”（OM S）計(jì)劃的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)GEO衛(wèi)星的在軌監(jiān)測(cè)、維修、輔助入軌以及空間碎片處理等任務(wù)。日本國家信息通信技術(shù)研究所（N ICT）和三菱重工工業(yè)公司（M H I）已經(jīng)計(jì)劃在地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）利用智慧衛(wèi)星-1（Sm artSat-1）小衛(wèi)星來演示驗(yàn)證在軌服務(wù)的自主交會(huì)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

XSS-11小衛(wèi)星設(shè)計(jì)圖

Orbita l Express計(jì)劃概念圖

美國低軌道在軌服務(wù)衛(wèi)星試驗(yàn)計(jì)劃

（1）“試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”計(jì)劃

“試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”（XSS）計(jì)劃是美國空軍提出的模塊在軌服務(wù)概念的研究計(jì)劃。目前，已經(jīng)公布的XSS系列衛(wèi)星有XSS-10和11。XSS-10的任務(wù)目標(biāo)是演示驗(yàn)證自主導(dǎo)航、近距離交會(huì)以及目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)。該任務(wù)由微小衛(wèi)星XSS-10和火箭上面級(jí)組成。2003年1月，XSS-10成功完成了在軌試驗(yàn)，驗(yàn)證了微小衛(wèi)星自主交會(huì)、目標(biāo)監(jiān)視的軟硬件技術(shù)。XSS-11小衛(wèi)星對(duì)圖像處理技術(shù)和自主交會(huì)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。XSS-11于2005年4月入軌后，與火箭上面級(jí)在0.5～1.5km的距離先后3次成功交會(huì)，驗(yàn)證了非合作目標(biāo)的自主交會(huì)技術(shù)。

（2）“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證”計(jì)劃

“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證”（DART）計(jì)劃是美國航空航天局（NASA）提出的旨在驗(yàn)證自主空間交會(huì)技術(shù)。DART衛(wèi)星的任務(wù)是在軌道上與目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行一系列自主交會(huì)、逼近和繞飛操作，驗(yàn)證其敏感器、推進(jìn)系統(tǒng)、控制器及軟件的性能。2005年4月，DART衛(wèi)星發(fā)射升空，由于GPS接收機(jī)的軟件錯(cuò)誤導(dǎo)致燃料提前耗完，原計(jì)劃的16～24h的任務(wù)僅進(jìn)行了11h，最終與目標(biāo)衛(wèi)星相撞，任務(wù)失敗。

（3）“軌道快車”計(jì)劃

2007年完成的“軌道快車”（Orbital Exp ress）計(jì)劃，其驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)包括自主交會(huì)與逼近、自主捕獲連接、燃料雙向傳輸、在軌電池和計(jì)算機(jī)模塊更換。Orbital Exp ress計(jì)劃由目標(biāo)衛(wèi)星“下一代衛(wèi)星”（NEXTSat）和服務(wù)衛(wèi)星“自主空間傳送機(jī)器人軌道器”（ASTRO）組成。該計(jì)劃成功完成了在軌飛行試驗(yàn)，由于其具備在軌捕獲、模塊更換和在軌加注等多項(xiàng)功能，因而受到了高度關(guān)注，成為在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展史上的里程碑事件。

3 在軌服務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

目標(biāo)監(jiān)視和導(dǎo)航測(cè)量技術(shù)

（1）空間交會(huì)、繞飛和懸停技術(shù)

空間交會(huì)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)的基礎(chǔ)，交會(huì)過程中兩顆衛(wèi)星之間的相對(duì)位置和姿態(tài)控制精度決定了后續(xù)捕獲連接操作能否順利進(jìn)行。目前，針對(duì)合作目標(biāo)的空間交會(huì)技術(shù)比較成熟，一般采用共橢圓軌道的交會(huì)逼近技術(shù)。但是對(duì)于在軌服務(wù)而言，交會(huì)過程中需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行交會(huì)、繞飛和懸停，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的監(jiān)視測(cè)量，因此需要研究在軌服務(wù)的交會(huì)技術(shù)，包括軌道面內(nèi)/外繞飛、任意位置懸停等技術(shù)。

（2）目標(biāo)測(cè)量敏感器技術(shù)

空間目標(biāo)監(jiān)視測(cè)量是保障在軌服務(wù)順利進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)。目前能夠提供相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息的敏感器包括微波雷達(dá)、激光雷達(dá)、星敏感器、紅外敏感器、可見光相機(jī)等。

微波雷達(dá)依靠目標(biāo)表面的蒙皮反射或應(yīng)答機(jī)工作，可用于合作/非合作目標(biāo)的測(cè)量。微波雷達(dá)可測(cè)量出目標(biāo)衛(wèi)星的距離和方位，但在距離較近時(shí)距離測(cè)量不準(zhǔn)。激光雷達(dá)通過測(cè)量激光在目標(biāo)和測(cè)量設(shè)備之間往返時(shí)間計(jì)算出距離，主要包括激光測(cè)距雷達(dá)、激光測(cè)速雷達(dá)、激光跟蹤雷達(dá)和激光成像雷達(dá)。激光雷達(dá)可測(cè)量合作/非合作目標(biāo)的距離、速度，甚至可以測(cè)量角度及相對(duì)姿態(tài)等?？梢姽庀鄼C(jī)采集目標(biāo)的圖像，通過圖像處理技術(shù)可以提取目標(biāo)的幾何構(gòu)型信息。如果在目標(biāo)上安裝有標(biāo)志器時(shí)，可以在較近的距離測(cè)量給出目標(biāo)的相對(duì)位置和姿態(tài)；如果采用立體視覺技術(shù)，在有先驗(yàn)知識(shí)的前提下也可以應(yīng)用于非合作目標(biāo)的相對(duì)位置和姿態(tài)測(cè)量，但立體視覺技術(shù)目前還不成熟。

（3）相對(duì)導(dǎo)航濾波技術(shù)

在空間交會(huì)過程中，由于服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星之間距離較近，由地面定軌的絕對(duì)導(dǎo)航不再適用，因此需要進(jìn)行相對(duì)導(dǎo)航。相對(duì)導(dǎo)航是指服務(wù)衛(wèi)星基于自身攜帶相對(duì)導(dǎo)航設(shè)備的測(cè)量，在一定條件下實(shí)時(shí)估計(jì)其相對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的位置和速度的技術(shù)。敏感器測(cè)量到服務(wù)衛(wèi)星與目標(biāo)衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，需要對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行濾波估計(jì)，使?fàn)顟B(tài)估計(jì)值比觀測(cè)值更接近于真實(shí)值。

濾波分為線性和非線性兩大類，線性濾波的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程均為線性，主要包括卡爾曼濾波、加權(quán)最小二乘濾波等；當(dāng)狀態(tài)方程和觀測(cè)方程全部或部分呈現(xiàn)非線性時(shí)，則應(yīng)采用非線性濾波估計(jì)，主要包括推廣卡爾曼濾波（EKF）、無跡卡爾曼濾波（UKF）、粒子濾波等。

MDA公司的GEO延壽系統(tǒng)想象圖

FREND抓捕目標(biāo)星分離螺栓孔和對(duì)接環(huán)

冠狀鎖緊式對(duì)接機(jī)構(gòu)的對(duì)接過程

Orbital Express計(jì)劃中使用的三叉式對(duì)接機(jī)構(gòu)

捕獲連接機(jī)構(gòu)技術(shù)

捕獲連接是指服務(wù)衛(wèi)星捕獲目標(biāo)衛(wèi)星并與其連接形成整體。根據(jù)最終連接形式，捕獲連接可分為剛性連接和柔性連接。

目前，載人飛船上的對(duì)接機(jī)構(gòu)有桿錐式和異體同構(gòu)周邊式，這些對(duì)接機(jī)構(gòu)一般質(zhì)量較大，適用于有人員或大量貨物運(yùn)送需求的對(duì)接。而在軌服務(wù)特別是GEO在軌服務(wù)沒有大量貨物運(yùn)送的需求，因此一般采用小型對(duì)接機(jī)構(gòu)。根據(jù)國外目前已有的捕獲對(duì)接方案，綜合可以得出捕獲連接機(jī)構(gòu)主要分為如下三類：

（1）類桿錐式捕獲對(duì)接機(jī)構(gòu)

類桿錐式捕獲對(duì)接機(jī)構(gòu)由可伸縮的桿和接納錐組成，桿伸入接納錐后，靠接納錐的導(dǎo)向作用進(jìn)入錐孔后部并鎖緊。類桿錐式屬于剛性連接機(jī)構(gòu)，可用于合作或非合作目標(biāo)的捕獲對(duì)接。典型的類桿錐式對(duì)接機(jī)構(gòu)包括軟軸式對(duì)接機(jī)構(gòu)和冠狀鎖緊式對(duì)接機(jī)構(gòu)。冠狀鎖緊式對(duì)接機(jī)構(gòu)是與目標(biāo)衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管對(duì)接，并形成剛性連接的機(jī)構(gòu)。

（2）爪式捕獲對(duì)接機(jī)構(gòu)

爪式捕獲對(duì)接機(jī)構(gòu)是通過手爪捕獲并拉緊鎖定的對(duì)接機(jī)構(gòu)，一般包括抓手和供抓捕的把手或機(jī)構(gòu)組成。由于需要在目標(biāo)衛(wèi)星上安裝把手或供抓捕的機(jī)構(gòu)，爪式捕獲對(duì)接機(jī)構(gòu)一般用于合作目標(biāo)的捕獲對(duì)接。典型的爪式捕獲對(duì)接機(jī)構(gòu)包括Orbital Express計(jì)劃的對(duì)接機(jī)構(gòu)和抓手碰鎖式對(duì)接機(jī)構(gòu)。Orbital Express計(jì)劃中的對(duì)接機(jī)構(gòu)是通過絲杠-抓鉤系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

（3）繩系捕獲機(jī)構(gòu)

繩系捕獲機(jī)構(gòu)包括飛網(wǎng)捕獲機(jī)構(gòu)和飛爪捕獲機(jī)構(gòu)，其中飛網(wǎng)/飛爪與服務(wù)衛(wèi)星通過繩子連接，捕獲目標(biāo)衛(wèi)星后形成服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星的繩系衛(wèi)星。繩系捕獲機(jī)構(gòu)屬于柔性捕獲機(jī)構(gòu)，一般適用于非合作目標(biāo)的捕獲。典型的繩系捕獲機(jī)構(gòu)是ROGER計(jì)劃中提出的。

在軌服務(wù)機(jī)械臂技術(shù)

在軌服務(wù)的機(jī)械臂操作任務(wù)包括部件拆卸與安裝、燃料接口對(duì)接等，這些復(fù)雜任務(wù)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度和反饋控制形式等提出了很高的要求。

美國NASA聯(lián)合加拿大航天局（CSA）在“國際空間站”（ISS）上成功利用機(jī)械臂進(jìn)行了燃料加注試驗(yàn)，試驗(yàn)使用了專門設(shè)計(jì)的末端工具為那些設(shè)計(jì)時(shí)未考慮在軌加注和維修的航天器提供在軌服務(wù)，開展了多項(xiàng)在軌加注操作，包括剪斷系繩、劃開隔熱多層、移除加排閥安全帽、模擬燃料傳輸?shù)取?/p>

在軌服務(wù)機(jī)械臂還可以完成輔助捕獲對(duì)接操作，比如FREND計(jì)劃中利用機(jī)械臂抓捕目標(biāo)衛(wèi)星的分離螺栓和對(duì)接環(huán)。

Orbital Express計(jì)劃的機(jī)械臂抓捕

組合體動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)技術(shù)

服務(wù)衛(wèi)星與目標(biāo)衛(wèi)星連接后形成組合體，其動(dòng)力學(xué)參數(shù)相比于服務(wù)衛(wèi)星有較大變化，因此需要研究組合體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)技術(shù)。目前衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法包括濾波方法和最小二乘法。

（1）濾波方法

濾波方法的原理是把動(dòng)力學(xué)參數(shù)增廣到系統(tǒng)狀態(tài)方程中，結(jié)合高精度的敏感器測(cè)量信息進(jìn)行濾波估計(jì)。動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)采用的濾波算法包括高斯二階濾波、卡爾曼濾波和非線性濾波。

（2）最小二乘法

最小二乘法的基本思想是根據(jù)動(dòng)量定理和角動(dòng)量定理構(gòu)造星體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的最小二乘估計(jì)模型，并結(jié)合一定時(shí)間內(nèi)的加速度、角速度、角動(dòng)量、姿態(tài)等測(cè)量信息序列進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)估計(jì)。最小二乘法可以得出質(zhì)量和慣量等參數(shù)，使用的方法包括分布式遞推最小二乘辨識(shí)法和改進(jìn)的最小二乘估計(jì)法等。

組合體動(dòng)力學(xué)建模與控制技術(shù)

衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)控制方面也形成了較成熟的設(shè)計(jì)方法。但對(duì)于組合體而言，當(dāng)目標(biāo)是合作目標(biāo)且控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，需要考慮聯(lián)合采用目標(biāo)衛(wèi)星和服務(wù)衛(wèi)星的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同控制；當(dāng)目標(biāo)是非合作時(shí)，需要論證組合體控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，對(duì)于采用繩系捕獲機(jī)構(gòu)捕獲形成的繩系衛(wèi)星，需要研究其軌道機(jī)動(dòng)控制技術(shù)。

4 結(jié)論

GEO衛(wèi)星是未來在軌服務(wù)的主要對(duì)象，針對(duì)GEO衛(wèi)星進(jìn)行在軌服務(wù)操作，不僅可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且在促進(jìn)國防建設(shè)、空間技術(shù)的發(fā)展上具有重要意義。近年來，歐美等航天大國在GEO在軌服務(wù)方面開展了大量相關(guān)研究和關(guān)鍵技術(shù)研究試驗(yàn)，但總體而言GEO衛(wèi)星在軌服務(wù)系統(tǒng)技術(shù)還處于初期發(fā)展階段，與其相關(guān)的空間交會(huì)、目標(biāo)監(jiān)視測(cè)量、捕獲連接、在軌服務(wù)機(jī)械臂和組合體動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)及建?？刂频汝P(guān)鍵技術(shù)還需深入研究和充分驗(yàn)證。隨著這些技術(shù)的逐漸突破和成熟，在軌服務(wù)技術(shù)必將對(duì)未來GEO衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念及運(yùn)營模式產(chǎn)生重大影響。