空間機器人非合作航天器在軌服務研究進展§§§§§§

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空間機器人非合作航天器在軌服務研究進展§§§§§§

梁斌1，杜曉東1，李成1，徐文福2

（1. 哈爾濱工業(yè)大學空間智能系統(tǒng)研究所，哈爾濱150001；

2. 哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院，深圳518055）

摘編自《機器人》2012年2期：242~256頁，圖、表、參考文獻已省略。

1　引言

在軌服務（on-orbit servicing）是指在空間通過人、機器人或兩者協(xié)同完成的空間操作，涉及延長各種航天器壽命、提升執(zhí)行任務能力以及清除軌道垃圾[1-4]。自20世紀60年代早期提出概念，在軌服務技術迄今己經(jīng)歷四十多年的發(fā)展歷程。期間各國航天機構開展了一系列地面、空間實驗和應用研究，取得了豐碩的成果，并顯示出了巨大的社會經(jīng)濟效益和良好的應用前景。

早期的在軌服務任務大都是由航天員通過艙外活動來完成的。但由于航天員艙外活動存在著生理限制和巨大風險，而且空間機器人[5-6]、遙操作[7-8]等技術也不斷成熟，因此在軌服務正逐漸向無人自主的方向發(fā)展。2007年，由美國國防高級研究計劃局（DARPA）負責的軌道快車計劃[9]進行了飛行試驗，成功地驗證了無人自主在軌服務的各項內(nèi)容，標志著自主在軌服務已經(jīng)突破了關鍵技術，并逐步走向?qū)嶋H工程應用。

在軌服務任務中，作為客戶系統(tǒng)的目標航天器可分為兩類：合作目標和非合作目標。迄今為止，國外在軌服務的成功案例大都是針對合作目標的空間任務，即客戶系統(tǒng)經(jīng)過了特殊設計以配合完成在軌服務任務。而目前各國實際在軌運行的航天器和在研型號，并沒有專門設計用于接受在軌服務的抓捕手柄和測量標志器（發(fā)光標識器或角反射鏡），即是非合作的，因此，基于合作目標的在軌服務技術無法用于此類目標。針對非合作目標的在軌服務技術可以用來為這些傳統(tǒng)航天器提供在軌維修和壽命延長等服務。

非合作在軌服務技術不僅可以應用于在軌維修，同樣也是空間碎片處理和空間攻防等領域所面臨和需要解決的問題。近年來，各國紛紛開展了針對非合作目標的在軌服務技術研究，提出了許多非合作在軌服務的概念和演示驗證計劃。本文討論了空間非合作目標的特點，并介紹了非合作在軌服務的主要應用領域。在對各國相關在軌服務項目進行綜述的基礎上，歸納總結了空間機器人非合作在軌服務的關鍵技術，并對未來非合作在軌服務技術的發(fā)展趨勢進行了展望。

2　空間機器人非合作航天器在軌服務的特點

2.1 非合作目標的含義

目前，合作目標和非合作目標還沒有統(tǒng)一的定義。習慣上，空間目標具有合作性是指目標可以向服務航天器傳遞相對運動狀態(tài)信息，或向服務航天器提供便于進行交會對接等操作的條件。這類航天器通常安裝有用于測量的特征標識和機械臂抓持或?qū)拥难b置。己經(jīng)成功進行在軌試驗的航天器服務項目大都是針對合作目標的，如日本的ETS-VII[10]和美國的“軌道快車”[11]。

相對而言，非合作目標是指那些無法向服務航天器提供相對狀態(tài)信息，而且交會對接所需信息都未知的航天器。美國空間研究委員會（SSB）、航空與空間工程局（ASEB）在哈勃望遠鏡修復計劃的評估報告中曾這樣定義過非合作目標的概念[12]?！胺呛献髂繕耸侵改切]有安裝通訊應答機或其它主動傳感器的空間目標，其它航天器不能通過電子訊問或發(fā)射信號等方式實現(xiàn)對此類目標的識別或定位”。目前在研的非合作在軌服務任務中所選定的服務對象，其非合作特性的表征和程度有所不同，但大都具有這樣的特點：沒有預先安裝合作標志器，沒有星間鏈路來傳輸其姿態(tài)信息，沒有為機械手抓捕對接設計特殊接口。

非合作目標不能向服務航天器提供有效的合作信息，這就給交會測量、機械臂抓捕和對接等操作帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此如何在沒有合作信息的情況下對目標進行識別、測量和抓捕便成為了非合作在軌服務的一項關鍵技術，同時也是任務中面臨的難點技術。

2.2 針對非合作目標的相對位姿測量

2.2.1 合作目標的位姿測量

在以往的在軌服務任務中，通常利用視覺手段來測量目標的相對位姿，目標上大都會安裝有輔助視覺測量的合作光標[13]。位姿測量算法采用PNP算法[14-15]，即假定相機為小孔模型且已標定好，拍攝一幅在物體坐標系下坐標己知的N個空間點的圖像，利用這N個點的像素坐標以及各點之間的約束關系，就可以確定這N個點在相機坐標系下的坐標，進而能夠解算出目標在相機坐標系下的位姿關系。圖1和圖2分別為美國軌道快車和日本ETS-VII上所用的合作標志器。

2.2.2 非合作目標的位姿測量

空間非合作目標一般都沒有安裝輔助測量的標志器，這給相對位姿的測量提出了新的問題。根據(jù)計算機視覺理論，通過圖像中一個像點的位置直接估計其3D景物的對應點是一個病態(tài)問題[16]。從3維空間到2維平面的投影丟失了深度信息，圖像中的一個點可以是3D空間中的一條直線或直線上任一點的投影結果。在合作目標測量中，由于特征點兩兩之間的精確距離是已知的，因此可以從2維圖像中恢復出標志器的3維位置。而在非合作目標測量中卻不具備這一約束條件，因此簡單的單目相機已不能滿足非合作目標位姿測量的需要，如圖3所示，3維空間中的點P、點P'、點P''都對應著相機像平面上的成像點P，由于缺乏深度信息，單目相機無法確定點P是空間直線OP上的哪一點所成的像。

立體視覺相機是從兩個或多個視點去觀察同一場景，通過不同視角下圖像的視差能夠獲得深度信息，進而計算出場景中目標的形狀以及它們之間的相對位姿關系。如圖4所示，通過匹配雙目圖像中的對應點P1和P2，可以唯一確定空間點P的3維位置。因此，雙目立體視覺[17]更適合在非合作交會對接任務中實現(xiàn)目標測量功能。

此外，激光雷達以及其他一些先進的成像系統(tǒng)能夠獲取目標的3維空間信息，利用相關的解算算法也可以得到目標的相對位姿[18]。單目相機需搭配能夠獲取深度信息的測量設備（如激光測距儀等）才能完成某些非合作測量任務[21]。

2.3 針對非合作目標的抓捕與對接

2.3.1 合作目標的抓捕與對接

合作目標設計有專門的對接機械接口，使得服務航天器能夠與目標實現(xiàn)剛性結構連接。若服務航天器采用機械臂來完成在軌操作時，目標上會安裝有特殊的抓捕手柄和合作光標來配合機械臂的操作。機械臂會在手眼視覺的引導下逐漸向目標接近，并最終捕獲目標，圖5為軌道快車上的空間抓捕手爪及其捕獲接口[22]。抓捕手爪設計為圓柱形，手爪末端中心為球形槽，球槽邊有兩個手指，用于夾持捕獲手柄。捕獲接口為通過柔性鋼繩連接的小球。抓捕時，手爪末端的球槽對準捕獲接口的小球，接著兩個手指收攏，將小球壓靠在球窩內(nèi)，并通過校準圓棒進行最后的定位定姿。

2.3.2 非合作目標的抓捕與對接

由于非合作航天器沒有安裝專門用于抓捕、對接的機構，因此服務航天器需要直接在目標上尋找抓捕、對接的部位。根據(jù)對目前在軌航天器的調(diào)研，可供識別和抓捕的對象包括太陽帆板或?qū)Φ赝ㄐ盘炀€支架、星箭對接環(huán)、遠地點發(fā)動機噴嘴等。

服務航天器上的抓捕對接機構需具有一定的柔性和兼容性，以對具有不同特征和不確定尺寸的目標進行抓捕對接。同時還需要對接機構具有一定的包絡范圍，以便在一定的測量誤差下完成操作，避免因碰撞使目標衛(wèi)星飛離對接位置而導致整個對接任務失敗。一般考慮根據(jù)目標航天器上的典型結構來設計抓捕機構。

目前文獻中出現(xiàn)的非合作目標捕獲和對接機構主要有：

1）多指手爪：負責完成抓捕的末端執(zhí)行器構型設計為兩指或多指手爪。當目標航天器上的抓捕特征進入捕獲范圍后，手爪將完成對捕獲接口的閉合、鎖緊以及鎖緊之后的定位和夾緊等操作。多指手爪可用于抓捕航天器上的天線支架、太陽帆板支架等機構[23]。

2）遠地點發(fā)動機捕獲機構：德國宇航局（DLR）針對遠地點發(fā)動機的圓錐形噴嘴設計了一套捕獲機構[24-25]，該機構的設計非常巧妙，體積小、質(zhì)量輕，堪稱噴嘴捕獲的經(jīng)典機構（如圖6所示），己被多個項目（ESS。DEOS, OLEV）參考甚至直接采用.

3）分離螺栓對接機構：比較典型的是美國SUMO/FREND項目所采用的捕獲機構，其針對波音公司生產(chǎn)的衛(wèi)星平臺，設計了對分離螺栓進行對接的機構[26]。

4）對接環(huán)抓捕裝置：對接環(huán)是航天器與運載火箭的對接裝置，是傳統(tǒng)航天器上十分常見的一種機構。FREND項目曾將對接環(huán)的抓捕機構設計為空間機械臂的末端執(zhí)行器[27]，如圖7所示。

5）三臂型對接捕獲裝置：哈爾濱工業(yè)大學的張廣玉等設計了針對地球靜止軌道（geostationary orbit，GEO）衛(wèi)星的對接機構[28]。該機構采用3個機械臂與目標對接平臺構成封閉區(qū)域來包絡遠地點發(fā)動機噴管，這樣就使噴管處在一個無法逃脫的空間內(nèi)，由3個機械臂下壓與目標對接平臺上推來卡緊、固定目標。

6）飛網(wǎng)、飛爪及其他包絡裝置：對于空間碎片或其它需要離軌的航天器，不需要近距離的交會接近，可采用飛網(wǎng)、飛爪等機構實現(xiàn)對目標的捕獲，并完成離軌操作。歐空局的Roger項目[29]就曾提出過這樣的概念，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學的翟光[30-31]等也進行了相關的研究。

3　非合作在軌服務技術的應用

3.1 傳統(tǒng)航天器在軌維修

盡管航天器在發(fā)射之前都經(jīng)過了周密的設計和嚴格的測試，但是由于空間環(huán)境十分惡劣以及其他一些不確定因素，一些航天器沒有達到設計壽命，便出現(xiàn)了故障無法繼續(xù)開展工作[32-33]航天器的研制與生產(chǎn)代價非常大，一旦發(fā)生故障將會帶來巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。

有關研究機構的分析表明，航天器在軌服務技術在許多情況下可以大大節(jié)省任務費用[34]。但目前在軌運行的航天器和在研型號采用的往往是傳統(tǒng)的研制方法，即只考慮一次性使用，并沒有針對在軌服務進行相應設計。如果對傳統(tǒng)的航天器進行在軌服務，那么目標將無法向服務航天器提供交會對接所需的合作信息和支撐條件。因此，掌握針對非合作目標的在軌服務技術，是對傳統(tǒng)航天器進行在軌維修的基礎和前提。即便是未來要研制的航天器，添加光學角反射器等合作標志器，也會給設計和安裝、質(zhì)量功耗等方面帶來一定的負擔。非合作在軌服務技術的應用將降低目標航天器接受服務所需的設計費用和復雜度。

3.2 空間碎片清理

在過去半個多世紀里，航天技術取得了飛速的發(fā)展和巨大的成就。但與此同時，人類探索太空的活動也產(chǎn)生了大量的空間碎片。體積較大的空間碎片如果與在軌航天器發(fā)生高速碰撞，會將巨大的動能傳遞給航天器，使航天器的姿態(tài)或軌道發(fā)生變化。一些尺寸更大的碎片甚至可以打散航天器的結構，使航天器徹底損壞。此外，壽命到期的航天器所攜帶的推進劑或蓄電池還可能引發(fā)低強度的爆炸，使航天器發(fā)生碎裂解體，產(chǎn)生更多小的空間碎片，從而使地球周圍的空間環(huán)境進一步惡化。

空間碎片對在軌航天器構成了嚴重的威脅，因此對它的研究引起了世界各國的高度重視[35-36]對于大尺寸的空間碎片（諸如完成任務的運載火箭上面級、失效的航天器等），利用碎片清理航天器將其捕獲并拖入墳墓軌道是碎片問題減緩的一項重要措施，由于目前在軌的廢棄航天器等空間碎片不可能為“碎片清理航天器”提供合作信息，因此需要利用非合作交會技術對目標進行跟蹤接近并實施抓捕，以進行脫軌處理。對于處在低軌上的衛(wèi)星和火箭上面級，結束任務后可以考慮將其拖入到軌道高度為650 km的甚至更低的軌道上，使其最終重返大氣層銷毀。而那些位于高軌的衛(wèi)星可以被拖入到軌道高度更高的墳墓軌道上去。

3.3 空間攻防

軍用航天系統(tǒng)的出現(xiàn)，使現(xiàn)代戰(zhàn)爭的形態(tài)發(fā)生了深刻的變革?？臻g系統(tǒng)可以為參戰(zhàn)的陸、海、空力量提供實時和近實時的偵察、通信、氣象、導航、定位等作戰(zhàn)支援和保障，成為了現(xiàn)代作戰(zhàn)體系中不可缺少的一部分。如何保護己方空間系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，同時削弱敵方應用空間系統(tǒng)的能力，是未來戰(zhàn)爭所面臨的一項重要命題。

進入21世紀，空間攻防技術已朝著多樣化方向發(fā)展，其中基于空間機器人的空間攻防技術尤為引人注目。由于缺乏敵方空間系統(tǒng)的詳細資料，更不可能獲取目標的合作信息，因此作為空間作戰(zhàn)機器人的關鍵技術之一，針對非合作目標的空間攻防及相關技戰(zhàn)術在軍事領域具有強大的應用前景。

4　面向非合作目標的在軌服務研究現(xiàn)狀

4.1 美國的非合作在軌服務技術

無論在有人在軌服務還是自主在軌服務方面，美國一直處于國際領先地位。其基于航天飛機的有人在軌服務技術早已成功應用于哈勃望遠鏡的維修和國際空間站的裝配當中[37]。由于2003年2月“哥倫比亞”號失事導致7名宇航員遇難，NASA推遲了所有的航天飛機飛行任務。之后，NASA曾考慮發(fā)射飛行機器人對哈勃望遠鏡進行維修和升級，但由于相關技術尚未成熟使得該計劃最終擱淺。這是美國首次提出的針對非合作目標的在軌服務任務。2007年，軌道快車計劃開展在軌實驗，在完成基本任務后，開展了遠距離非合作交會技術的演示驗證。通過軌道快車成功地驗證了自主在軌服務技術之后，美國并沒有停下他們發(fā)展在軌服務技術的腳步，為了實現(xiàn)針對非合作目標的自主在軌服務，在DARPA主持下又開始了新一代空間機器人研制計劃——FREND。該計劃不僅可以突破傳統(tǒng)航天器在軌服務的關鍵技術，同時還具有極強的軍事應用價值。后面將對美國的主要非合作在軌服務任務進行闡述。

4.1.1 哈勃望遠鏡機器人修復計劃

哈勃望遠鏡是有史以來最大、最精確的天文望遠鏡[38]。1990年4月25日，耗資15億美元的哈勃太空望遠鏡搭乘“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機進入太空，迄今己經(jīng)在軌服役21年。這期間，NASA曾5次派出舫天飛機，通過航天員出艙活動對哈勃進行修理和升級。

由于“哥倫比亞”號失事的影響，NASA曾考慮發(fā)射空間機器人對哈勃望遠鏡進行維修和升級。哈勃望遠鏡維修服務機器人（HST robotic vehicle，HRV[39]包括兩個獨立的模塊—離軌模塊（de-orbit module，DM）和噴射模塊（ejection module，EM），如圖8所示。服務機器人首先與哈勃望遠鏡進行交會，接近至一定距離后利用一個大型機械臂對望遠鏡進行抓捕，并與其進行對接操作。完成對接后，由特殊用途靈巧機械手（special purpose dex-trous manipulator，SPDM）對望遠鏡開展在軌維修。維修任務結束，噴射模塊將與服務機器人分離，僅留下離軌模塊與哈勃望遠鏡對接在一起。在哈勃望遠鏡完成了其科學使命后，離軌模塊將助其脫離軌道。

由于當時美國還未在軌驗證空間機器人技術，其它相關技術也不夠成熟，利用空間機器人維修哈勃望遠鏡的方案最終被認定不可行。2009年5月11日，“亞特蘭蒂斯”號航天飛機搭載7名宇航員完成了維修哈勃望遠鏡的工作。

哈勃望遠鏡在設計時就已經(jīng)考慮了通過宇航員進行維修的情況。一些組件如電池組、陀螺儀、寬視場相機以及光譜儀等，被設計為在軌可替換單元，出現(xiàn)故障時可以通過在軌更換來實現(xiàn)故障維修。但哈勃望遠鏡上面并沒有安裝角反射器和其他有助于視覺測量的裝置，因此在采用無人航天器實現(xiàn)在軌維修時具有相當?shù)碾y度。相關研究機構針對空間機器人在軌維修哈勃望遠鏡的計劃開展了大量的研究工作，為空間非合作自主在軌服務積累了重要的技術基礎。目前，美國已考慮在哈勃望遠鏡退役時通過無人航天器對其捕獲，并使其安全脫離軌道。

4.1.2 XSS-11衛(wèi)星

XSS-11衛(wèi)星是美國空軍“試驗衛(wèi)星系統(tǒng)”（experimental small satellite，XSS）微衛(wèi)星演示驗證計劃的第2顆衛(wèi)星，由洛克希德·馬丁公司負責制造。2005年4月11日，“彌諾陶洛斯Ⅰ”四級運載火箭從美國范登堡空軍基地成功將XSS-11衛(wèi)星發(fā)射入軌，并進入約850 km高的預定軌道，其設計構想圖如圖9所示。XSS計劃主要是用于演示驗證范圍廣泛的航天應用技術，如自主交會與對接、逼近檢查、靠近繞飛等，其總目標是研制完全自主的高性能微小衛(wèi)星。美國空軍研究實驗室、空軍航天司令部、空軍航天與導彈系統(tǒng)中心、海軍研究實驗室以及有關工業(yè)部門等共同參與了該計劃。

XSS-11衛(wèi)星質(zhì)量為145 kg，采用三軸穩(wěn)定，可攜帶15 kg推進劑，能以大于280的傾角在2.4 km之外觀測被逼近目標，具備在軌成像能力，其研制共耗資5600萬美元，其核心部件是抗輻射Power PC750處理器，可使衛(wèi)星自主規(guī)劃與執(zhí)行交會任務。在試驗期間，衛(wèi)星與位于同一軌道內(nèi)的多個空間物體進行自主交會和逼近，但并沒有進行對接。XSS-11上攜帶的激光雷達系統(tǒng)可以在4 km遠的距離上探測到1 m2“大小的非合作目標，并獲得其稠密的掃描圖像。

4.1.3 微衛(wèi)星技術實驗系統(tǒng)

微衛(wèi)星技術實驗（Micro-satellite Technology Ex-periment，MiTEx）是美國DARPA和空軍聯(lián)合實施的微衛(wèi)星驗證科學技術試驗計劃的一部分。MiTEx系統(tǒng)包括MiTEx-A, B和推動進入地球同步軌道的上面級3個飛行器，如圖10所示。

MiTEx系統(tǒng)于2006年6月21日以“一箭雙星”方式秘密發(fā)射進入地球同步軌道，用于試驗和評估具有軍事應用潛力的微小衛(wèi)星技術。它最引人關注的動作是2008年底到2009年初對在軌失靈的“國防支援計劃”（DSP-23）導彈預警衛(wèi)星所進行的在軌檢查。這是美國繼2007年通過“軌道快車”衛(wèi)星演示在軌維修服務能力之后，首次在地球同步軌道執(zhí)行在軌檢查任務。MiTEx也是世界上第一次真正意義上的GEO在軌服務系統(tǒng)，但它沒有對目標進行對接、捕獲、維修等操作。

4.1.4 前端機器人使能近期演示驗證（FREND）計劃

FREND的前身是由DARPA資助，海軍空間技術中心（NCST）具體執(zhí)行的“通用航天器軌道修正系統(tǒng)”（spacecraft for the universal modification of orbits，SUMO）[40-41]。SUMO可為絕大多數(shù)的航天器提供服務，即便目標航天器沒有相應的服務接口，SUMO也能夠自動在目標上尋找抓捕/對接點，對目標進行抓捕對接，然后根據(jù)任務要求進行接管控制或離軌操作，其概念設計圖如圖11所示。

2006年，SUMO更名為F'REND（front-end robotics enabling near-term demonstration），項目目標是研制與GEO軌道上軍用或商用航天器進行對接的空間飛行機器人，并驗證相關技術。FREND將立體視覺測量技術與多自由度機械臂技術結合起來，旨在對那些沒有對接裝置的空間目標實現(xiàn)自主捕獲。此項技術可以延長GEO航天器的壽命，幫助衛(wèi)星進行重定位和離軌操作等。從2007年起DARPA平均每年投入1千1百萬美元左右開展研究，目前已開發(fā)了地面試驗樣機，并在地面進行了關鍵技術的演示驗證，如圖12。

4.2 歐洲的非合作在軌服務技術

歐洲的航天機構一直致力于空間機械臂的研究，其在軌服務技術也是以空間機器人為牽引不斷發(fā)展的，隨著空間機器人技術的發(fā)展和成熟，歐洲航天局（ESA）、德國航天局（DLR）等航天機構提出了多項針對非合作目標的航天任務，包括對近地軌道和地球同步軌道航天器的在軌服務，諸如TEC-S AS, CX-OLEV, ROGER等。但這些非合作自主在軌服務項目大都只進行了概念設計或方案設計，目前還沒有開展在軌的非合作日標交會和抓捕實驗。

近年來，歐洲的在軌服務計劃更多針對的是GEO軌道的航天器。此類航天器具有較高的服務應用價值，同時也都沒有針對在軌服務進行相應設計，具有非合作目標的特性。DEOS和OLEV作為這一應用方向的代表項目，有望開展在軌演示驗證，成為歐洲非合作航天器在軌服務技術的先行者。下面對歐洲的一些非合作在軌服務項目進行介紹。

4.2.1 地球靜止軌道服務飛行器GSV

ESA早在1990年便開始了地球靜止軌道服務飛行器（geostationary servicing vehicle, GSV）[44]的研究，其概念圖如圖13所示。GSV是裝有機械臂的衛(wèi)星，主要用于提供對地球靜止軌道衛(wèi)星的在軌監(jiān)測和服務功能，可執(zhí)行3種類型的服務功能：視覺監(jiān)測，機器人操作，廢棄衛(wèi)星的離軌。GSV設計總質(zhì)量為4.35 t，干質(zhì)量為1.52 t，攜帶2.83 t的推進劑，所能提供總的v速度為3800 m/s（雙組元推進可以產(chǎn)生300 s的比沖），航天器的壽命長達10年。由于當時衛(wèi)星運營商和保險公司對GEO軌道在軌服務的可行性持懷疑態(tài)度，導致該項目僅僅完成了概念設計便被迫中止。

4.2.2 試驗服務衛(wèi)星計劃ESS

1994年，DLIZ開始了針對自由飛行服務衛(wèi)星交會對接能力和動力學的研究實驗—試驗服務衛(wèi)星計劃（Experimental ServicingSatellite, ESS）[24-25]。該計劃旨在研究利用試驗衛(wèi)星上的機械臂來對地球靜止軌道上的非合作目標進行在軌服務。由于GEO軌道上衛(wèi)星大都安裝有遠地點發(fā)動機，因此可以將圓錐形的噴管作為目標實施抓捕，進而完成其他服務操作。該試驗以在軌出現(xiàn)故障的TV-Sat-1衛(wèi)星作為具體的服務對象，設計的在軌任務包括：目標衛(wèi)星的監(jiān)測，接近、捕獲并與目標星對接，目標星的維修，釋放目標星。其概念圖如圖14所示。

4.2.3 地球靜止軌道清理機器人RooER

2002年，歐空局提出了地球靜止軌道清理機器人（RObotic GEostationary orbit Restorer, ROGER）的概念[45-46]，用于研究如何在地球靜止軌道捕獲故障衛(wèi)星、大尺寸空間碎片等非合作目標，并將其拖離軌道。該項目于2003年完成了A階段（方案設計）評審后，由于種種原因未能繼續(xù)開展下去，但其思想引起了國際航天界的廣泛關注。

ROGER系統(tǒng)可以攜帶兩種捕獲裝置，一種是繩系飛網(wǎng)捕獲裝置，另一種是繩系飛爪捕獲裝置，如圖15所示。繩系飛網(wǎng)通過彈射機構進行釋放，在彈射過程當中，由飛網(wǎng)的動能質(zhì)量塊引導飛網(wǎng)張開，當飛網(wǎng)完成對目標的包絡后，由電機驅(qū)動完成網(wǎng)口收緊動作；與飛網(wǎng)捕獲方案不同，飛爪捕獲裝置自身攜帶視覺導引系統(tǒng)和氮氣推進系統(tǒng)，在視覺相機的引導下，飛爪捕獲裝置能夠依靠自身6自由度噴氣推進完成自身姿態(tài)控制以及近距逼近機動，并最終完成對目標的捕獲。

ConeXpress軌道壽命延長飛行器（ConeXpressorbital life extension vehicle, CX-OLEV）最初被稱為航天器生命延長系統(tǒng)（spacecraft life extension system, SLES）[47-48]，是由軌道復原公司（ORC）首先提出并聯(lián)合荷蘭航天局和德國宇航局開展的空間項目。該項目旨在開發(fā)一種“太空拖船”，用于挽救在軌道定位操作中擱淺的衛(wèi)星和延長通信衛(wèi)星的使用壽命。在歐洲航天局的資助下，荷蘭航天局成功地將Ariane-5有效載荷適配器改裝成了一種可自由飛行的航天器-CX-OLEV，其與目標進行對接的構想圖如圖16所示。與火箭分離后，CX-OLEV將接近在軌的目標衛(wèi)星并與之進行對接，接管原來衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道控制—它可以為目標星提供推進、制導、導航和控制，使其在正常的燃料耗盡以后仍然能夠在特定的軌道上運行數(shù)年，大大節(jié)約了成本。

由于CX-OLEV所采用的平臺ConeXpress沒有經(jīng)過航天飛行驗證，且僅適用于Ariane-5運載器，因此，在新一輪方案設計中，通過繼承己在軌應用過的SMART-1衛(wèi)星平臺技術，CX-OLEV發(fā)展成為SMART OLEV[49-50]。SMART-OLEV獲得了ESA和多國航天局的支持，其空間和地面部分是由瑞典的SSC公司、德國的Kayser-Threde公司和西班牙的Sener公司負責研發(fā)的。SMART OLEV是一個一商業(yè)化的在軌服務項目，它的服務對象將是2010年后大批即將因燃料用盡而退役的GEO通訊衛(wèi)星。按計劃該項目于2009年開始啟動了C/D/E階段的研制工作，并將在2012年實現(xiàn)第一個在軌服務任務。SMART OLEV與目標衛(wèi)星的對接過程如圖17所示。

4.2.5 空間系統(tǒng)演示驗證技術衛(wèi)星TECSAS/DEOS

空間系統(tǒng)演示驗證技術衛(wèi)星（technology satel-lites for demonstration and verification of space systerns, TECSAS）[51]是由DLR牽頭，并聯(lián)合加拿大和俄羅斯開展的在軌服務項目，目的是對無人在軌裝配和維修的關鍵技術進行演示驗證，為未來的在軌服務技術實用化奠定基礎，TECSAS計劃研制一個裝有7自由度機械臂的服務衛(wèi)星和一個可接受在軌服務的目標星，如圖18所示。其主要演示任務包括：接近和交會演示、繞飛監(jiān)測、編隊飛行、機器人抓捕、抓捕后的組合航天器穩(wěn)定、組合航天器的機動飛行、對目標星的操作、基于遙現(xiàn)場的地面遙操作控制、組合航天器離軌。由于項目目標的重新定位，TECSAS已于2006年9月終止。2007年4月，其后續(xù)的德國在軌服務項目（Deutsche Orbitale Servicing Mission, DEOS）[54]開始了概念設計。同年7月份，DEOS進行了任務定義評審，并于2009年2月完成了A階段的設計工作。目前該項目正處于B階段。與TECSAS相比，DEOS將更加注重對以下幾方面空間任務的研究：對非合作及合作客戶星的導航、制導與抓捕、組合航天器系統(tǒng)的軌道機動、兩組合衛(wèi)星的離軌控制，需要指出的是，DEOS是以GEO衛(wèi)星為服務對象的，但近期將先在近地軌道（LEO）上開展演示，以驗證翻滾非合作目標的自主捕獲、對接等關鍵技術。其概念設計圖如圖19所示。

4.3 日本的非合作在軌服務技術

日本具有雄厚的工業(yè)機器人技術基礎，促使其很早便開始圍繞空間機器人技術開展了在軌服務的研究。1997年11月，日本發(fā)射了工程試驗衛(wèi)星ETS-VII，成功地驗證了空間機器人技術和交會對接技術。日本對于非合作在軌服務技術的研究更多地體現(xiàn)在其空間碎片領域的工作。這方面的研究活動主要是由宇航探索局（JAXA）和九州大學負責開展，相關工作包括在地面對空間碎片的觀測、空間碎片環(huán)境建模和電力繩系捕獲系統(tǒng)的研制等。

4.3.1 空間碎片清理衛(wèi)星SDMR

目前，JAXA正在研究利用攜帶電力繩系系統(tǒng)（electro dynamic tether, EDT）[53]的微小衛(wèi)星對大尺寸空間碎片進行捕獲和離軌操作的可行性，擬在未來開展在軌試驗。為了在近地軌道演示驗證電力繩系系統(tǒng)移除空間碎片的關鍵技術，JAXA擬開展名為“空間碎片清理者”（Space Debris Micro-Remover, SDMR）的項目[54]，其構想圖如圖20所示。該項目將演示以下幾種空間碎片移除操作：與碎片物體進行交會并測量其運動，對目標進行繞飛、接近并抓捕，用可展開的折疊包絡臂捕獲目標，伸展開固定在折疊包絡臂根部的電力繩系系統(tǒng)，自主控制繩系系統(tǒng)進行降軌。

SDMR利用折疊包絡臂捕獲目標后，將作為繩系系統(tǒng)的末端質(zhì)量隨空間碎片一同墜入大氣層燒毀，因此它只能移除一個目標。之后，JAXA還計劃研制一個專門的碎片清理衛(wèi)星。該衛(wèi)星將攜帶多個標準的電力繩系系統(tǒng)，能夠?qū)Χ鄠€空間碎片進行離軌操作。

4.3.2 在軌維修系統(tǒng)OMS

日本國家信息和通信技術研究中心（NICT）提出的在軌維修系統(tǒng)（orbital maintenance system,OMS）[55]，是一個對通訊衛(wèi)星進行在軌監(jiān)測、維護以及離軌等操作的衛(wèi)星服務系統(tǒng)，并可用于處理空間碎片和保護空間環(huán)境。該計劃的關鍵技術包括：與非合作目標的先進自主交會與接近技術，微重力條件下對非合作目標的高精度捕獲與抓捕技術等。NICT和MHI（三菱重工）已經(jīng)計劃利用型號為S marts at-1的小衛(wèi)星任務來驗證在軌維修的自主交會技術。OMS在軌維修示意圖如圖21所示。

4.4 非合作在軌服務項目匯總

上面幾節(jié)介紹了美國、歐空局以及日本等主要航天大國提出的針對非合作目標的空間機器人在軌服務研究計劃和任務。由于存在著一些技術難題，大多數(shù)的任務只完成了概念設計和關鍵技術地面演示驗證。相關項目的匯總情況如表1所示。

5　非合作在軌服務任務的關鍵技術

5.1 非合作目標位姿及運動速度測量技術

服務航天器在進行跟蹤接近和抓捕時，需要對目標航天器進行特征識別，以實現(xiàn)對兩航天器間相對位置和姿態(tài)的估計，并確定合適的抓捕部位。由于目標上沒有安裝合作標志器，只能識別目標表面的自然特征。而對于這些自然特征進行識別的難度較大，尤其是在不同的光照條件下，對于圖像識別算法的性能要求很高。利用識別出的特征可以確定非合作目標的相對位置和姿態(tài)，并估計其運動速度，從而實現(xiàn)對服務航天器的六自由度控制。

針對非合作目標的相對測量是空間交會中的一個難點問題，已經(jīng)引起了有關學者和研究機構的廣泛關注。雖然目前已經(jīng)提出了一些相對位姿的測量方法，但都具有一定的局限性，譬如有些方法需要已知目標的外形尺寸[56]，有些方法只是針對某些特定的目標[58-59]，因此距離實際的空間應用還有一定的距離。

5.2 對非合作目標交會接近中的導航制導與控制（GNC）技術

在接近過程中，需要對空間目標進行視線角指向控制，要求姿態(tài)與軌道控制在有質(zhì)心偏心和推力偏心的情況下保證給定的視線指向控制精度，同時在指向過程中完成軌道控制。接近至近距離時，視覺測量設備將向GNC系統(tǒng)提供目標的相對位姿。然而受到空間光照條件、在軌處理能力、視場和機動能力等條件的限制，測量信息可能出現(xiàn)精度下降甚至是失效的情況[60-61]，因此要求導航系統(tǒng)能夠依靠較少的測量信息來提供較大范圍內(nèi)高精度的相對導航信息，同時在部分導航信息失效的時間內(nèi)也能保證相對導航信息的有效性、連續(xù)性和導航精度。

目標航天器的非合作性給交會任務的指導和控制也帶來了諸多困難[62-63]。由于缺乏非合作目標的狀態(tài)信息，一般需要對目標航天器進行繞飛拍照，為近距離的跟蹤接近和抓捕提供信息來源和保障。服務航天器的繞飛技術要求在允許的導航精度下實現(xiàn)穩(wěn)定繞飛，并保證目標出現(xiàn)在成像設備的探測范圍內(nèi)。在接近到停靠位置時，要按照任務要求的位姿精度與目標進行相對保持。

5.3 非合作目標的抓捕與對接技術

服務航天器開展在軌操作，首先要實現(xiàn)對目標航天器的抓捕和對接。由于非合作航天器沒有安裝專門用于抓捕、對接的標準接口，因此服務航天器需要直接在目標上尋找抓捕、對接的部位，并設計合理的抓捕工具和對接機構。對于非合作目標，其運動狀態(tài)、質(zhì)量特性等都是未知的，使得抓捕與對接操作的難度大大增加。為此需要研究的相關技術包括空間機器人系統(tǒng)的復雜動力學建模、動力學參數(shù)辨識、自主路徑規(guī)劃與抓捕策略研究等。

此外，抓捕和對接過程中末端機構會與目標發(fā)生剛性接觸，這也對操作的安全性和精確性提出了更高要求。為了保證不發(fā)生激烈碰撞使鎖緊失敗，需要在抓捕機構上安裝距離、力/力矩、觸覺等多種敏感器。在與目標完成對接后，組合體的質(zhì)量、慣量、質(zhì)心位置發(fā)生突變，應充分考慮這些可能的變化，對系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)心位置等進行在軌自主辨識，并設計相應的魯棒控制或自適應控制算法以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。

5.4 非合作航天器在軌操作技術

在與非合作航天器實現(xiàn)軟對接以后，可利用空間機械臂對故障點進行觀測，提供給地面作為遙操作的圖像來源；然后按照指定的程序維護空間設備或設施，可以開展的維護性活動包括觀察、監(jiān)視、檢察、診斷、表面修補、維修、部件更換、污染物清除、測試、檢驗等。

針對航天器入軌后發(fā)生的故障，文[32]進行了較為全面的梳理和總結，有許多故障是較為典型的。譬如，航天器上需要展開的機構在軌展開失?。òń怄i失敗和機構卡死），是一種發(fā)生比例較高的典型故障。因此，需要充分研究典型故障的類型及其機理、處理措施、修復手段，并開展地面演示驗證試驗。針對不同的故障特征，應設計相應的特種操作工具，以滿足在軌操作的需要甲服務航天器在軌作業(yè)時可能要進行諸如焊接、切割等操作，這要求操作工具能夠完成基于力/位置混合控制的接觸型靈巧操作。

6　非合作在軌服務技術的發(fā)展趨勢

6.1 服務航天器逐漸小型化、輕型化

未來的在軌服務系統(tǒng)一般采用小型化、智能化的空間機器人，這樣可以盡量減少對運載火箭能力的需求，同時能夠減少系統(tǒng)費用和提高經(jīng)濟性。ESA的OLEV項目最早計劃采用的平臺來源于ConeXpress—通過對Ariane-S有效載荷適配器進行改進，使之在與Ariane-5的基本載荷分離后成為一個自由飛行的航天器。而在后期的研制過程中改為己經(jīng)在軌飛行過的SMART 1小衛(wèi)星平臺，使得系統(tǒng)的質(zhì)量減輕了約500 kg，較大程度上降低了系統(tǒng)的成本。此外，在空間攻防任務中，任務航天器往往需要快速完成跟蹤、接近、偵察等一系列操作，因此也要求航天器具有質(zhì)量輕、機動性強的特點。

6.2 注重高軌在軌服務的發(fā)展

地球靜止軌道是人類在太空僅有的一條獨特的軌道，是極其珍貴的軌道資源，在通信、導航、預警、氣象等民用和軍用領域發(fā)揮著越來越重要的作用。因此對地球靜止軌道上的傳統(tǒng)航天器進行在軌服務具有很高的應用價值[64]。當前，越來越多的國家和研究機構開展了針對地球靜止軌道的在軌服務技術的研究，如美國的FREND項目，歐洲的DEOS項目和OLEV項目等。隨著這些項目的在軌試驗，美國和歐洲將擁有在GEO軌道上對絕大多數(shù)非合作目標進行跟蹤、接近、抓捕、釋放、維修、離軌等操作的技術能力。未來幾年眾多地球靜止軌道衛(wèi)星將進入壽命末期，針對這類航天器的非合作在軌服務技術的應用將帶來相當大的經(jīng)濟效益。

6.3 服務航天器高度自主、智能化

目前，針對傳統(tǒng)航天器的在軌服務主要是通過航天員的艙外活動來實現(xiàn)的，如哈勃望遠鏡的修復任務。但是航天員進行出艙活動具有很高的危險性，并且會加大任務的成本。此外，對于處在地球靜止軌道上的高價值目標，航天飛機是不能到達的，因此也就無法進行人工修復。無人的服務航天器因為受到通訊的延遲、間斷以及天地鏈路帶寬等限制，也很難進行穩(wěn)定可靠的操作。因此，具備自主操作能力的服務航天器將成為未來在軌服務的發(fā)展方向。這種自主能力包括對目標衛(wèi)星相對位姿的測量和跟蹤、導引自身向目標衛(wèi)星接近并實現(xiàn)對接，同時對過程中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象進行診斷以避免事故的發(fā)生等。

另外，由于目前在軌航天器的設計復雜多樣，并且沒有針對在軌服務進行相關設計，因此需要服務航天器具備較好的自適應能力甚至智能處理能力。其中以計算機視覺和認知推理為核心的非合作衛(wèi)星抓捕系統(tǒng)，將成為服務航天器的一個重要研究方向。

6.4 多臂機器人協(xié)調(diào)作業(yè)實現(xiàn)復雜精細操作

由于針對非合作目標進行在軌操作的特殊性和復雜性，單臂的自由飛行空間機器人己難以完成復雜的操作，而雙臂或多臂自由飛行機器人具有更高的靈活性和可靠性，并且具有協(xié)調(diào)作業(yè)的能力同，因此在太空中的某些任務需要通過雙臂或者多臂機器人的協(xié)調(diào)動作來完成。譬如針對某些非合作目標不具備對接機械接口的情況，可以設計服務航天器攜帶兩種機械臂：抓捕機械臂和服務操作機械臂。執(zhí)行任務時首先識別出目標上某些適于抓捕的自然特征，然后利用抓捕機械臂對其實施抓捕。待機械結構鎖死后，再通過基座上攜帶的其它操作機械臂實現(xiàn)對故障點的在軌修復。

此外，單一的末端執(zhí)行器只能完成有限的維修任務，而衛(wèi)星的故障往往是復雜的、不確知的，因此在利用空間機械臂開展在軌服務任務時，可以考慮設計攜帶多種末端執(zhí)行器以針對不同的目標特征進行更換使用。

6.5 天地一體化的智能遙操作

由于缺乏對外形、動力學、故障點等諸多信息的了解，非合作目標已不是簡單的操作對象。完全采用自主的工作方式對其進行在軌操作具有相當?shù)碾y度和風險，尤其是某些鄰近報警區(qū)域的操作和精細的修復操作。因此，在某些高難度作業(yè)中引入地面操作員的遙操作便成為必然。這樣可以充分利用地面操作員的智能，實現(xiàn)天地一體智能操作，使地面操作人員和星上部分構成一個有機的整體。

大時延和有限的通訊帶寬是影響遙操作系統(tǒng)準確執(zhí)行任務的主要因素。針對大時延問題，虛擬預測模型是解決該問題的有效方法，而模型建立的精確與否是影響該系統(tǒng)準確執(zhí)行該任務的關鍵。而且對于目標航天器的非合作性質(zhì)以及其所處的特殊空間環(huán)境，模型往往無法預先建立，因此需要通過多種在軌傳感器（視覺傳感器、力傳感器等）信息實現(xiàn)模型重建。如何在較少的有效信息下建立目標與環(huán)境的可靠模型，值得深入研究。

7　結論

近年來，隨著空間科學和相關技術的不斷發(fā)展，針對非合作目標的在軌服務技術也取得了一定的進步，并有望在傳統(tǒng)航天器在軌維修、空間碎片處理和空間攻防等領域得到廣泛的應用。從目前的發(fā)展狀況來看，針對非合作航天器進行在軌服務的研究大都停留在概念設計階段。未來要將非合作航天器在軌服務技術推向?qū)嶋H應用，還需要解決天基目標測量技術、接近繞飛及?？康腉NC技術、抓捕與對接技術、在軌操作技術等，隨著空間技術的不斷發(fā)展，在在軌服務的任務需求牽引下，非合作航天器在軌服務技術呈現(xiàn)出了諸多發(fā)展趨勢：未來的服務航天器將進一步小型化、輕型化和智能化，服務對象更多地瞄準高軌道的一些高價值目標，多臂機器人、精細遙操作等面向復雜空間操作的技術也將更多地應用于非合作航天器在軌服務任務中。