自主在軌服務現狀及分析

韓慧鵬 金雪松 范晨

（1 中國空間技術研究院通信衛(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)越來越復雜，規(guī)模也越來越大。由于航天任務高成本、高風險的特點，一旦不能入軌或入軌后發(fā)生嚴重故障，將導致巨大損失。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技術研究。

1 自主在軌服務的研究現狀

利用在軌延壽服務技術，可對失控的衛(wèi)星進行對接，實現接管控制；同時對壽命末期推進劑消耗殆盡的衛(wèi)星延長壽命，降低空間系統(tǒng)的成本與風險，也能為處于轉移軌道的衛(wèi)星完成機動變軌進入地球靜止軌道。另外，利用在軌延壽服務技術還可對廢棄衛(wèi)星進行清理，以達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有衛(wèi)星進行在軌服務的系統(tǒng)，其中大多數僅僅停留在概念設計階段。國內目前還沒有針對靜止軌道衛(wèi)星延長壽命飛行器的設計方案。

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，驗證服務航天器對目標航天器自主進行推進劑加注、模塊更換等在軌服務技術的可行性?！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，整個任務持續(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系統(tǒng)的關鍵技術。

美國的衛(wèi)星延壽服務

美國空間公司（LLC）與阿連特技術系統(tǒng)(ATK)公司聯合成立維維衛(wèi)星(ViviSat)公司。美國空間公司是經營實體，負責任務管理、市場、法律和財務事務；阿連特技術系統(tǒng)公司則是任務主承包商，負責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、低風險在軌延壽和防護服務，可使衛(wèi)星工作壽命增加數年。維維衛(wèi)星公司“任務延長飛行器”(MEV)旨在與在軌衛(wèi)星對接并牢固鎖緊，充當備用推進系統(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)星的任務壽命。

“任務延長飛行器”

維維衛(wèi)星公司的服務包括在衛(wèi)星運行不間斷的情況下使“任務延長飛行器”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的衛(wèi)星重新入軌等服務?！叭蝿昭娱L飛行器”設計壽命12年，可以為幾顆衛(wèi)星提供在軌延壽服務，與用戶星對接完成任務后可再分離為下一顆用戶星服務，直到自身壽命結束。該飛行器的工作方案有兩種：①單個“任務延長飛行器”可以為6顆衛(wèi)星服務，每顆衛(wèi)星延壽2年。②2個“任務延長飛行器”，一個停留在轉移軌道，負責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。

美國空間公司的聯合創(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、美國政府及其聯合政府合作伙伴提供在軌衛(wèi)星延壽和防護服務的新公司。該公司的服務模式在財務效率、運行靈活性和風險規(guī)避方面提供一種改變游戲規(guī)則的方式?！卑⑦B特技術系統(tǒng)公司航天器系統(tǒng)和服務分部總經理、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)星任務持續(xù)時間，提升資產效益?！?/p>

美國的“軌道萬能維修航天器”演示任務

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”任務不同，“軌道萬能維修航天器”計劃是一個面向非合作目標的自主交會、逼近、抓捕并實施在軌服務的演示任務，重點對該航天器視覺、機械臂、自主控制方法等關鍵技術進行驗證，主要工作包括服務飛行器及低成本飛行演示的方案設計和關鍵技術的地面演示驗證，目前這些工作已經完成。“軌道萬能維修航天器”采用模塊化設計，有一個高性能推進艙和載荷艙組成，載荷艙主要裝載進行自主交會、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

“棱鏡”（PRISMA）任務是歐洲第一個以演示驗證編隊飛行和自主交會技術為主的任務，同時驗證綠色無毒的新型推進系統(tǒng)?！袄忡R”任務由主星（Main）和目標星（Target）組成，涉及到自主在軌服務技術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)星的最近距離將達到1m以內），驗證主星環(huán)繞目標星自主進行在軌服務的能力。這兩顆衛(wèi)星已于2010年6月發(fā)射。

德國的“德國軌道服務任務”計劃

“德國軌道服務任務”（DEOS）計劃是德國航天局（DLR）進行自主在軌服務技術演示驗證項目，其主要目標是用一個服務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)星沿預定的軌道實施離軌操作，驗證自主交會、捕獲和對接的相關技術。服務飛行器上有制導、導航與控制（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。

加拿大麥德聯合有限公司的自主在軌服務系統(tǒng)

“棱鏡”任務

加拿大麥德聯合有限公司（MDA）是美國航天飛機、“國際空間站”等機械臂的研制方，近年來，基于其先進的空間機器人技術，投入了大量資金開展在軌服務技術開發(fā)，并在運營商的支持下，加拿大麥德聯合有限公司將發(fā)射一顆在軌服務試驗衛(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，所經營的衛(wèi)星在軌工作壽命多一天，利潤就多一份。在大多數情況下，為了節(jié)省推進劑，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，自主在軌延壽服務技術無論對國內衛(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用前景，代表了空間技術發(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、導航、預警、氣象等民用和軍用領域發(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)生大面積泄漏而導致衛(wèi)星完全失效。

據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%，數據管理分系統(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。數據統(tǒng)計可知，世界范圍內每年均有一定數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)展在軌服務技術，不但可以極大減少經濟損失，還能顯著提高經濟和社會效益。

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)星數量逐年增多，然而地球靜止軌道資源是極其有限的。

機構間空間碎片協調委員會(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)星進行離軌操作，即衛(wèi)星利用自身剩余的燃料進行軌道機動，脫離軌道進入墳墓軌道。到目前為止，已有多顆壽命末期衛(wèi)星成功進行了離軌操作。

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，在軌延壽服務的效益是可以預見的。

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所產生的經濟效益。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)星進行在軌延壽服務，能帶來巨額收益，同時延壽飛行器自身可重復使用，進行多次延壽服務，其服務成本隨之大大下降。

3 自主在軌服務涉及的關鍵技術

自主在軌服務的近距離接近與?？恐饕蕾嚬鈱W敏感器，目前國外針對合作目標的光學敏感器（在合作航天器上裝有用于測量的標志器）技術已很成熟，“自主交會技術驗證”（DART）衛(wèi)星和“軌道快車”任務的先進視頻敏感器（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，并進一步小型化。

在空間機械手及對接、抓捕機構方面也開展了大量的研究和試驗，多項關鍵技術取得了突破。在空間機械手方面，加拿大麥德聯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，積累了豐富的經驗。日本在空間機器人方面也處于領先地位，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)星的遠地點發(fā)動機實施捕獲操作開發(fā)的機構奠定了很好的基礎。

自主在軌服務所涉及的關鍵技術主要包括以下幾個方面

1）目標測量技術。對于大多數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(手柄)以及用于輔助測量的合作標志器和特征模塊等，要實現延壽服務，首先需要解決測量問題，即采用相應的測量設備，在遠、中、近距離提供對目標相對位置、姿態(tài)的測量值，作為目標跟蹤、接近、捕獲等過程的導航、制導與控制的輸入。

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

3）抓捕與對接機構。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，因此服務系統(tǒng)需要直接在用戶衛(wèi)星上尋找抓捕、對接部位。經研究發(fā)現，大多數地球靜止軌道衛(wèi)星都具有遠地點發(fā)動機和星箭對接環(huán)。其中，星箭對接環(huán)尺寸較大，難以設計小型的抓捕、對接結構，因此遠地點發(fā)動機成為此類衛(wèi)星理想的捕獲、對接目標。德國空間局針對遠地點發(fā)動機的圓錐形噴嘴設計了一套捕獲機構，該機構的設計巧妙，體積小，質量輕，堪稱噴嘴捕獲的經典機構，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，其針對波音公司生產的衛(wèi)星平臺，設計了對分離螺栓進行對接的機構。

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

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

6）捕獲后復合多體系統(tǒng)的協調控制技術。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，即捕獲目標后機械臂各關節(jié)鎖死或伺服保持在當前位置，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；而開啟噴氣進行姿態(tài)控制，將消耗寶貴的燃料。因此，需要對捕獲后復合體系統(tǒng)進行協調控制。