在軌服務(wù)若干關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

肖余之，靳永強(qiáng)，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(jī)器人或兩者協(xié)同完成涉及延長(zhǎng)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(jī)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(lái)說包括故障維修、碎片清理、物資補(bǔ)給、在軌組裝等幾類［3］。

故障維修是指對(duì)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(duì)未能正確入軌衛(wèi)星的輔助入軌、對(duì)壽命末期衛(wèi)星的接管控制等；碎片清理是指對(duì)滯留在軌道上的空間碎片、廢棄衛(wèi)星進(jìn)行主動(dòng)和被動(dòng)的捕獲清除，維護(hù)軌道環(huán)境；物資補(bǔ)給是指對(duì)衛(wèi)星的消耗品進(jìn)行補(bǔ)給，延長(zhǎng)使用壽命，最典型的是補(bǔ)加推進(jìn)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(duì)地球靜止軌道（Geostationary Orbit，GEO）高價(jià)值衛(wèi)星的故障維修、接管、補(bǔ)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(guó)重點(diǎn)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(yàn)，并接連在低軌開展關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，部分技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)向應(yīng)用，取得了顯著的進(jìn)展。在軌服務(wù)的對(duì)象，包括已經(jīng)在軌的衛(wèi)星，這類衛(wèi)星無(wú)配合服務(wù)的設(shè)計(jì)，一般作為非合作目標(biāo)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(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性辨識(shí)、復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)航測(cè)量、平臺(tái)與機(jī)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(dòng)了衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念的變革，開始逐步具備軟件可升級(jí)、推進(jìn)劑可補(bǔ)加、功能模塊可更換等功能。本文在介紹國(guó)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(jìn)展，同時(shí)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)和展望。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星在軌發(fā)生故障后，大多束手無(wú)策。早在20世紀(jì)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(jì)80 年代至本世紀(jì)初，伴隨國(guó)際空間站的在軌運(yùn)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(jì)初至今，是無(wú)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(yàn)證，接管技術(shù)在高軌初步應(yīng)用，新的驗(yàn)證計(jì)劃也一一排上日程。

1）圍繞在軌服務(wù)需求，基于合作目標(biāo)由易到難持續(xù)在軌開展技術(shù)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了自主交會(huì)與零距離高精度的對(duì)接。典型的包括日本的工程試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目（ETS-VII，1997 年）、美國(guó)軌道快車項(xiàng)目（Orbital Express，2007 年）、日本的太空垃圾清理衛(wèi)星項(xiàng)目（ELSA-d，2021 年）等，如圖1 所示。

圖1 合作目標(biāo)在軌服務(wù)相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證Fig.1 Validation of orbit service technologies for cooperative targets

軌道快車項(xiàng)目包括兩個(gè)航天器，自主空間轉(zhuǎn)移及機(jī)器人軌道器（ASTRO）是任務(wù)中的服務(wù)星，較小的NextSat 既扮演補(bǔ)給站，又扮演被修復(fù)的客戶星的角色。軌道快車項(xiàng)目在軌驗(yàn)證了太空機(jī)器人自主逼近三軸穩(wěn)定的合作目標(biāo)、抓捕?？?、模塊更換和在軌燃料補(bǔ)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(xiàng)目，將在軌驗(yàn)證目標(biāo)翻滾情況下，服務(wù)機(jī)器人完成自主繞飛、跟飛、對(duì)接捕獲的全過程，主要驗(yàn)證機(jī)器人平臺(tái)的能力。在第1 個(gè)演示中，服務(wù)星將釋放客戶星，在經(jīng)過導(dǎo)航及檢測(cè)后重新與客戶星進(jìn)行磁對(duì)接，完成無(wú)旋抓捕；在第2 個(gè)演示中，客戶星將按照設(shè)定姿態(tài)翻滾，服務(wù)星對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤并動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)到對(duì)接位置，完成目標(biāo)翻滾姿態(tài)下的磁對(duì)接抓捕；第3 個(gè)演示的內(nèi)容為丟失客戶星后的重新定位、追蹤、交會(huì)及捕獲。

2）針對(duì)已經(jīng)在軌目標(biāo)的服務(wù)需求，由于目標(biāo)的非合作特征，導(dǎo)航逼近與對(duì)接的難度加大，目前已實(shí)現(xiàn)了對(duì)穩(wěn)定目標(biāo)的零距離“噴管級(jí)精度”的對(duì)接和接管控制，并轉(zhuǎn)入應(yīng)用。

美國(guó)的試驗(yàn)小衛(wèi)星項(xiàng)目XSS-10（2003 年）、XSS-11（2005 年）等，針對(duì)非合作目標(biāo)，驗(yàn)證了導(dǎo)航逼近與伴飛繞飛技術(shù)，沒有實(shí)現(xiàn)零距離接觸。英國(guó)薩里大學(xué)的“太空碎片移除”項(xiàng)目，在軌開展了縮比的發(fā)射飛網(wǎng)、網(wǎng)捕目標(biāo)技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)（2018 年），縮比尺寸魚叉發(fā)射并捕獲模擬靶板的技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)（2019 年），未來(lái)還將開展全尺寸在軌試驗(yàn)，可用于移除太空碎片，維護(hù)軌道交通環(huán)境。歐洲空間局（ESA）于2020年3月啟動(dòng)了“清潔太空”（ClearSpace）項(xiàng)目，計(jì)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(biāo)在軌服務(wù)相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證情況如圖2 所示。

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

2020 年，美國(guó)諾格公司的任務(wù)延壽飛行器（MEV-1）采用噴管對(duì)接的技術(shù)手段接管Intel-Sat901 衛(wèi)星輔助延壽是一個(gè)標(biāo)志性事件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)穩(wěn)定非合作目標(biāo)的“零距離”對(duì)接。

2021年4月，MEV-2又對(duì)另一顆在軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了噴管對(duì)接。2020 年美國(guó)DARPA 向諾格公司簽發(fā)了一項(xiàng)合同，研制MRV 飛行器，計(jì)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(biāo)在軌服務(wù)相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證情況如圖3所示。

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

3）為了真正實(shí)現(xiàn)對(duì)已在軌目標(biāo)的服務(wù)需求，美國(guó)有多個(gè)計(jì)劃被提出，由于自主高精度對(duì)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(yàn)證階段。

美國(guó)DARPA 支持的地球靜止軌道服務(wù)機(jī)器人（RSGS）項(xiàng)目最具代表性［4］，如圖4 所示。該項(xiàng)目在2016 年啟動(dòng)，目標(biāo)是發(fā)展可對(duì)地球同步軌道衛(wèi)星進(jìn)行在軌檢測(cè)與維修的機(jī)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(jì)將于2023 年發(fā)射。

圖4 RSGS 項(xiàng)目示意圖Fig.4 Schematic diagram of RSGS program

另一個(gè)典型項(xiàng)目是2017 年美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）戈達(dá)德航天飛行中心提出的Restore-L項(xiàng)目，旨在研制太空機(jī)器人，對(duì)現(xiàn)有的一顆低地球軌道衛(wèi)星進(jìn)行捕獲、加注燃料和重新定位，目標(biāo)是演示驗(yàn)證能在未來(lái)在軌服務(wù)任務(wù)中使用的工具、技術(shù)和方法，并對(duì)Landsat-7 衛(wèi)星進(jìn)行補(bǔ)加。該項(xiàng)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(píng)估，并全面進(jìn)入硬件生產(chǎn)測(cè)試階段，計(jì)劃2023 年12 月發(fā)射，將組裝一個(gè)3 m 天線，制造10 m 的橫梁，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)合作補(bǔ)加口目標(biāo)的補(bǔ)加。

圖5 OSAM-1 任務(wù)Fig.5 Schematic diagram of OSAM-1 mission

通過上述項(xiàng)目跟蹤研究不難看出，要實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)關(guān)鍵是2 個(gè)過程：第1 個(gè)過程是實(shí)現(xiàn)對(duì)合作或非合作、翻滾或穩(wěn)定目標(biāo)的自主對(duì)接；第2 個(gè)過程是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的維修操作服務(wù)，包括接管、補(bǔ)加、模塊更換、組裝等。碎片清理任務(wù)對(duì)服務(wù)飛行器操作精細(xì)程度有所降低，但因載荷不能重復(fù)使用，需要發(fā)展廉價(jià)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(biāo)還是非合作目標(biāo)，都包括目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性辨識(shí)、超近距離相對(duì)導(dǎo)航逼近、繞飛、跟飛與懸停、自主抓捕或?qū)印⒕S修操作服務(wù)、網(wǎng)捕拖曳等過程。相對(duì)于合作目標(biāo)有先驗(yàn)信息、有預(yù)先設(shè)計(jì)的適配性接口等特點(diǎn)，對(duì)非合作目標(biāo)服務(wù)的技術(shù)難度更大。本文對(duì)在軌服務(wù)過程相關(guān)的翻滾目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性探測(cè)識(shí)別、主被動(dòng)探測(cè)成像測(cè)量、協(xié)同抓捕、網(wǎng)捕拖曳等關(guān)鍵技術(shù)的研究及試驗(yàn)進(jìn)展進(jìn)行介紹。

2.1 翻滾目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性探測(cè)識(shí)別技術(shù)

需要維修的故障目標(biāo)可能由于姿態(tài)失控而處于翻滾狀態(tài)。相比于逼近一個(gè)姿態(tài)穩(wěn)定目標(biāo)，逼近翻滾目標(biāo)難度更大。1 個(gè)中心本體和2 個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)量軸逼近翻滾目標(biāo)Fig.6 Approaching a tumbling target along the angular momentum

這就要求能夠準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性，包括目標(biāo)的角速度大小、角動(dòng)量軸的空間方位。對(duì)于缺乏先驗(yàn)信息的目標(biāo)，還需要識(shí)別目標(biāo)形貌特性，包括目標(biāo)本體表面適合抓捕的特征部位、目標(biāo)尺寸等。這些信息對(duì)于合理選擇逼近方位、實(shí)現(xiàn)安全逼近是至關(guān)重要的。

采用可見光相機(jī)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(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)翻滾目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性探測(cè)識(shí)別。在相機(jī)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(jī)動(dòng)探測(cè)［9］，如圖7 所示，在A1～A2的繞飛弧段內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)成像。為了確保一次繞飛觀測(cè)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(dá)到毫米級(jí)。繞飛探測(cè)地面試驗(yàn)系統(tǒng)如圖8 所示。

圖7 三維重建繞飛觀測(cè)路徑Fig.7 Schematic diagram of three-dimensional reconstruction of the observation path

圖8 繞飛探測(cè)地面試驗(yàn)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(biāo)相對(duì)姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合目標(biāo)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)，可設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)特性估計(jì)濾波器，從而得到目標(biāo)角速度大小、角動(dòng)量軸方位等運(yùn)動(dòng)特性信息。受到在軌處理能力的限制，采用了“在軌拍照探測(cè)、地面重建估計(jì)”的技術(shù)方案，模擬空間光照條件下的實(shí)物照片如圖9 所示，重建后的目標(biāo)三維構(gòu)型如圖10 所示。經(jīng)過地面實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證，目標(biāo)尺寸重建精度可達(dá)到厘米級(jí)，能夠較清晰識(shí)別目標(biāo)表面厘米級(jí)以上的特征部位輪廓，角動(dòng)量軸方位估計(jì)精度可達(dá)3°以內(nèi)，足以滿足判斷目標(biāo)外形特征和運(yùn)動(dòng)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(shí)物照片F(xiàn)ig.9 Target image under simulated space lighting condition

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

2.2 主動(dòng)探測(cè)成像測(cè)量技術(shù)

合理選擇并融合運(yùn)用多種相對(duì)測(cè)量手段，以實(shí)現(xiàn)超近距離內(nèi)高精度、連續(xù)穩(wěn)定可靠的相對(duì)測(cè)量的目的。光電成像探測(cè)敏感器是實(shí)現(xiàn)空間非合作失穩(wěn)目標(biāo)超近距離相對(duì)導(dǎo)航必不可少的單機(jī)設(shè)備，分為主動(dòng)探測(cè)成像測(cè)量和被動(dòng)探測(cè)成像測(cè)量［10-13］。主動(dòng)探測(cè)成像包括激光成像雷達(dá)、飛行時(shí)間（Time of Fight，TOF）相機(jī)、結(jié)構(gòu)光等測(cè)量手段，優(yōu)勢(shì)是受太陽(yáng)光照條件限制和干擾影響較小。

激光成像雷達(dá)在超近距離段遠(yuǎn)場(chǎng)范圍獲取實(shí)時(shí)測(cè)量點(diǎn)云［14］，與預(yù)存目標(biāo)參考點(diǎn)云進(jìn)行匹配，通過粗匹配、精匹配兩個(gè)過程得到相對(duì)位姿信息。激光成像雷達(dá)也可以工作在點(diǎn)目標(biāo)測(cè)量模式，只提取點(diǎn)云形心，輸出視線距和視線角測(cè)量信息。兩種測(cè)量模式可根據(jù)需要進(jìn)行切換。1 太陽(yáng)常數(shù)空間光照環(huán)境測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果表明，激光成像雷達(dá)對(duì)陽(yáng)光干擾不敏感，除去陽(yáng)光直接入射視場(chǎng)時(shí)不能正常工作以外，其余工況均能可靠輸出測(cè)量值。影響相對(duì)位姿測(cè)量的主要是以下因素：

1）大曲率反射表面易形成點(diǎn)云稀疏區(qū)域，稀疏區(qū)域較大會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云誤匹配，通過多工況實(shí)測(cè)結(jié)果，合理設(shè)置點(diǎn)云匹配的權(quán)值可改善該情況；

2）對(duì)稱目標(biāo)因?qū)ΨQ面難以區(qū)分，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)匹配，結(jié)合目標(biāo)形貌和運(yùn)動(dòng)特性先驗(yàn)信息可正確匹配；

3）快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)云成像畸變明顯，需進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；

4）由遠(yuǎn)到近過程中，越到近處測(cè)量點(diǎn)數(shù)越多，精匹配計(jì)算量成倍增加，使得逼近至近距離時(shí)測(cè)量實(shí)時(shí)性變差。需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行抽稀處理，保持點(diǎn)數(shù)在逼近過程基本穩(wěn)定。

TOF 相機(jī)采用調(diào)制光源投射目標(biāo)，計(jì)算反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位差，進(jìn)而得到發(fā)射光的飛行時(shí)間，獲取物體的深度點(diǎn)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(cè)量原理與激光成像雷達(dá)相似，優(yōu)點(diǎn)是功耗更低、體積更??；缺點(diǎn)是能量較弱，探測(cè)距離有限。

結(jié)構(gòu)光相對(duì)測(cè)量是采用將結(jié)構(gòu)光投射到目標(biāo)表面后被目標(biāo)表面高度調(diào)制，對(duì)被調(diào)制結(jié)構(gòu)光計(jì)算還原后得出被測(cè)物三維面型數(shù)據(jù)。此處介紹一種線結(jié)構(gòu)光測(cè)量衛(wèi)星星箭對(duì)接環(huán)相對(duì)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(duì)接環(huán)區(qū)域，將在對(duì)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(gè)端點(diǎn)，再利用對(duì)接環(huán)直徑和寬度已知等先驗(yàn)信息，可分別擬合出對(duì)接環(huán)的內(nèi)圓和外圓。通過對(duì)接環(huán)圓平面、圓心信息可解算出以目標(biāo)星箭對(duì)接環(huán)面為基準(zhǔn)的相對(duì)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(cè)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(duì)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(yáng)常數(shù)下的成像測(cè)試與相對(duì)位姿測(cè)量等考核試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)光相對(duì)測(cè)量可用于目標(biāo)逼近過程相對(duì)位姿測(cè)量或者機(jī)械臂抓捕目標(biāo)的局部近距離相對(duì)位姿測(cè)量［15］。

圖11 對(duì)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(dòng)探測(cè)成像測(cè)量技術(shù)

被動(dòng)探測(cè)成像測(cè)量重點(diǎn)介紹可見光視覺測(cè)量技術(shù)。合作目標(biāo)可以設(shè)計(jì)視覺導(dǎo)航靶標(biāo)配合相對(duì)測(cè)量，如圖13 所示。非合作目標(biāo)則以目標(biāo)表面的對(duì)接環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管或太陽(yáng)電池陣連接架等相對(duì)通用的部位為特征進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，如圖14 所示。

圖13 一種合作目標(biāo)靶標(biāo)Fig.13 A kind of cooperative target

圖14 星箭對(duì)接環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等特征部位Fig.14 Characteristic positions such as docking ring and nozzle

可見光相機(jī)高精度測(cè)量主要用于超近距離段近場(chǎng)范圍（一般不超過幾十米）。相對(duì)位姿測(cè)量本質(zhì)是利用雙目視覺相機(jī)二維圖像求解非合作目標(biāo)的相對(duì)位置和姿態(tài)［16-17］。在立體視覺極線約束下進(jìn)行特征匹配并采用計(jì)算機(jī)視覺的N點(diǎn)透視（Perspective-n-Points，PnP）位姿求解算法［18］。采用3 臺(tái)相機(jī)等邊三角形布局，可實(shí)現(xiàn)冗余測(cè)量并能夠有效避免遮擋。非合作目標(biāo)雙目視覺測(cè)量相對(duì)位置姿態(tài)精度大約為4 cm 和3°，合作靶標(biāo)相對(duì)位置姿態(tài)測(cè)量精度為2 cm 和1°以內(nèi)。模擬空間光照環(huán)境動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中能夠可靠輸出相對(duì)測(cè)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(duì)俯仰、偏航角度測(cè)量較為穩(wěn)定連續(xù)，而滾動(dòng)角測(cè)量跳動(dòng)較多。主要原因是對(duì)接環(huán)圓形特征所導(dǎo)致。需要結(jié)合其他非對(duì)稱特征點(diǎn)提高滾動(dòng)角測(cè)量精度。

2）在空間太陽(yáng)光照環(huán)境下，由遠(yuǎn)到近目標(biāo)亮度變化劇烈，相機(jī)應(yīng)具備積分時(shí)間自動(dòng)調(diào)整功能，確保圖像明暗適中，便于后續(xù)相對(duì)位姿計(jì)算。

3）相對(duì)距離更近時(shí)，對(duì)接環(huán)可能會(huì)有部分超出相機(jī)視場(chǎng)、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)會(huì)遮擋部分對(duì)接環(huán)，導(dǎo)致測(cè)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(jī)視覺測(cè)量算法解決難度較大。需要利用相機(jī)測(cè)量信息和多源測(cè)量信息融合的導(dǎo)航濾波信息進(jìn)行互判校驗(yàn)，利用導(dǎo)航濾波系統(tǒng)的魯棒性彌補(bǔ)相機(jī)測(cè)量輸出不穩(wěn)定的固有不足。

4）在計(jì)算實(shí)時(shí)性方面，由遠(yuǎn)逼近過程中目標(biāo)由小變大到充滿視場(chǎng)，近場(chǎng)處圖像處理計(jì)算量大幅增大，計(jì)算實(shí)時(shí)性會(huì)顯著下降，需盡可能剔除無(wú)關(guān)區(qū)域，或降低圖像分辨率，減輕計(jì)算壓力。通過反復(fù)地面試驗(yàn)確定合適的圖像預(yù)處理措施可改善該問題。

地面試驗(yàn)測(cè)試中遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)觀測(cè)對(duì)比如圖15所示，物體遮擋了部分對(duì)接環(huán)情況如圖16 所示，噴管和對(duì)接環(huán)特征同時(shí)被檢測(cè)如圖17 所示。

圖15 地面試驗(yàn)測(cè)試中遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)觀測(cè)對(duì)比Fig.15 Comparison of far-field and near-field observations

圖16 物體遮擋了部分對(duì)接環(huán)情況Fig.16 Docking ring partly obscured by objects

圖17 噴管和對(duì)接環(huán)特征同時(shí)被檢測(cè)Fig.17 Simultaneous detection of nozzle and docking ring features

非合作目標(biāo)被動(dòng)探測(cè)成像測(cè)量的特點(diǎn)是受光照條件影響較大，對(duì)雜散光干擾較敏感。只能在光照條件合適的時(shí)間段內(nèi)工作，并且在相機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)、相機(jī)周圍防雜散光散射等方面需開展針對(duì)性設(shè)計(jì)。

2.4 協(xié)同抓捕技術(shù)

維修操作在軌服務(wù)任務(wù)中，機(jī)械臂抓捕目標(biāo)是操作的前提條件。當(dāng)前已在軌的故障衛(wèi)星并沒有事先安裝適應(yīng)機(jī)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(dòng)等運(yùn)動(dòng)，對(duì)機(jī)械臂動(dòng)態(tài)抓捕能力要求極高。主要難點(diǎn)是機(jī)器人平臺(tái)和機(jī)械臂協(xié)同的翻滾目標(biāo)動(dòng)態(tài)跟蹤抓捕技術(shù)。

非合作目標(biāo)抓捕是一個(gè)復(fù)雜動(dòng)力學(xué)與控制耦合過程［19］，需要從動(dòng)力學(xué)建模、相對(duì)測(cè)量、視覺伺服跟蹤、協(xié)同控制、數(shù)學(xué)仿真、地面試驗(yàn)等多方面協(xié)同攻關(guān)研究和充分驗(yàn)證，才能確保任務(wù)實(shí)施的可行性和可靠性［20］。

以機(jī)械臂抓捕目標(biāo)星箭對(duì)接環(huán)為例，協(xié)同抓捕過程主要解決以下3 個(gè)問題：

1）平臺(tái)導(dǎo)引機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人平臺(tái)將對(duì)接環(huán)相對(duì)測(cè)量信息發(fā)送至機(jī)械臂，機(jī)械臂利用該信息規(guī)劃末端運(yùn)動(dòng)路徑，將機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)至對(duì)接環(huán)正前方附近1 m 以內(nèi)，手眼相機(jī)開機(jī)，對(duì)接環(huán)位于相機(jī)視場(chǎng)中央，具備相對(duì)測(cè)量的條件，機(jī)械臂工作在位置伺服控制模式。

2）機(jī)械臂視覺伺服跟蹤?；跈C(jī)械臂手眼視覺測(cè)量信息采用時(shí)間一致性路徑規(guī)劃，規(guī)劃出兩條機(jī)械臂基本上同時(shí)到達(dá)對(duì)接環(huán)抓捕部位的運(yùn)動(dòng)路徑。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中不斷根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量信息修正運(yùn)動(dòng)路徑，最終兩條機(jī)械臂基本上同時(shí)到達(dá)抓捕部位，對(duì)接環(huán)進(jìn)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(biāo)對(duì)接環(huán)完成。抓捕接觸目標(biāo)之后，機(jī)械臂由位置伺服控制模式切換進(jìn)入阻抗控制模式，通過臂的柔順緩沖降低接觸碰撞力，保護(hù)機(jī)械臂不受損傷。

視覺伺服開始至抓捕完成僅幾分鐘時(shí)間，無(wú)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(jī)器人平臺(tái)和機(jī)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(gè)臂丟失目標(biāo)、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(cuò)失抓捕目標(biāo)機(jī)會(huì)，又要保證抓捕過程安全，有待于根據(jù)大量的地面試驗(yàn)、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(yàn)系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)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(jī)械臂對(duì)目標(biāo)操控過程中的接觸動(dòng)力學(xué)。為此建設(shè)一套半物理試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖18 所示。試驗(yàn)系統(tǒng)配置2 套在直線導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的大型工業(yè)機(jī)械臂模擬2 個(gè)空間航天器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、2～3 套小型6 自由度機(jī)械臂模擬操控機(jī)械臂。在相對(duì)導(dǎo)航、手眼視覺等相對(duì)測(cè)量傳感器的配合下，驗(yàn)證機(jī)器人平臺(tái)與機(jī)械臂協(xié)調(diào)控制下對(duì)空間目標(biāo)逼近、跟蹤、多機(jī)械臂協(xié)同抓捕、消旋穩(wěn)定、精細(xì)操作等關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)驗(yàn)證翻滾目標(biāo)抓捕維護(hù)技術(shù)方案。目前已經(jīng)基于該試驗(yàn)系統(tǒng)完成了穩(wěn)定目標(biāo)、慢旋目標(biāo)、自旋章動(dòng)目標(biāo)等不同類型、不同旋轉(zhuǎn)角速度、0.1 太陽(yáng)常數(shù)模擬空間光照環(huán)境下的復(fù)雜組合工況試驗(yàn)，全面驗(yàn)證了超近距離導(dǎo)航、安全逼近和多機(jī)械臂協(xié)同抓捕關(guān)鍵技術(shù)。

圖18 非合作目標(biāo)協(xié)同抓捕技術(shù)試驗(yàn)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(biāo)后即可開展故障維修操作。盡管空間機(jī)械臂技術(shù)近年來(lái)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(biāo)接管等任務(wù)開展操作工具設(shè)計(jì)。包括抓捕對(duì)接環(huán)的工具在內(nèi)共有5 種：對(duì)接環(huán)抓捕工具，用于抓捕目標(biāo)衛(wèi)星的星箭對(duì)接環(huán)；噴管抓捕工具，用于伸入目標(biāo)衛(wèi)星490 N 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉部，抓捕目標(biāo)；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(jī)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(duì)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(biāo)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(jī)械臂需要通過末端快換接口安裝相應(yīng)的操作工具實(shí)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(yàn)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(yàn)證，具備在軌驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)化的工具快換接口，就能夠安裝在機(jī)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(yàn)證基礎(chǔ)，可形成實(shí)用化的在軌服務(wù)能力，開展在軌試驗(yàn)試用，包括推進(jìn)劑補(bǔ)加、功能模塊更換、碎片清理等類型的在軌服務(wù)。

3.1 推進(jìn)劑補(bǔ)加服務(wù)

推進(jìn)劑補(bǔ)加是延長(zhǎng)航天器使用壽命、增加機(jī)動(dòng)能力的最有效方法和最根本解決途徑。推進(jìn)劑補(bǔ)加服務(wù)的成熟應(yīng)用還將促進(jìn)航天器設(shè)計(jì)變革，大幅減少貯箱容量和推進(jìn)劑攜帶量，承載更多載荷入軌。在軌補(bǔ)加任務(wù)是面向合作目標(biāo)的在軌服務(wù)。被補(bǔ)加航天器需要配置相對(duì)導(dǎo)航標(biāo)志、機(jī)械臂合作抓捕手柄來(lái)配合服務(wù)航天器逼近、抓捕，還需要配置停靠補(bǔ)加裝置被動(dòng)端，配合服務(wù)航天器完成機(jī)械停靠和推進(jìn)劑傳輸。其中，?？垦a(bǔ)加裝置被動(dòng)端是實(shí)現(xiàn)在軌補(bǔ)加的關(guān)鍵部件。

一套合作目標(biāo)?？垦a(bǔ)加裝置方案如圖20 所示，可以實(shí)現(xiàn)兩航天器停靠過程位姿檢測(cè)、捕獲校正、機(jī)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(jì)思路，機(jī)械連接分離的同時(shí)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(jìn)系統(tǒng)補(bǔ)氣/補(bǔ)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(yàn)證，具備開展在軌試驗(yàn)試用的條件。

圖20 一體化停靠補(bǔ)加機(jī)構(gòu)Fig.20 Integrated docking and refueling mechanisms

為促進(jìn)推進(jìn)劑補(bǔ)加任務(wù)大規(guī)模、低成本應(yīng)用，應(yīng)盡快立足當(dāng)前技術(shù)基礎(chǔ)形成包含相對(duì)導(dǎo)航標(biāo)志、機(jī)械臂抓捕手柄、?？垦a(bǔ)加裝置在內(nèi)的補(bǔ)加技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并在新研發(fā)的航天器上進(jìn)行推廣，促進(jìn)推進(jìn)劑補(bǔ)加服務(wù)廣泛應(yīng)用，逐步構(gòu)建常態(tài)化運(yùn)營(yíng)的在軌補(bǔ)加服務(wù)體系。

3.2 模塊更換維修服務(wù)

針對(duì)非合作目標(biāo)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(duì)采用可維修設(shè)計(jì)的合作目標(biāo)開展功能模塊更換維修服務(wù)，效費(fèi)比更高。目前機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械封裝、標(biāo)準(zhǔn)化操作工具問題，這并非模塊更換的技術(shù)難點(diǎn)。關(guān)鍵問題在于功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)類別編號(hào)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(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，借鑒IEEE 1451 標(biāo)準(zhǔn)，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(kuò)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)自主識(shí)別與即插即用通信管理功能。

圖21 設(shè)備自主識(shí)別流程Fig.21 Flowchart of instruments autonomous identify

標(biāo)準(zhǔn)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(jì)，自然也無(wú)法接受模塊更換服務(wù)。應(yīng)基于當(dāng)前研制技術(shù)基礎(chǔ)形成模塊更換的機(jī)械、電氣、軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(biāo)并將目標(biāo)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(biāo)，飛網(wǎng)尺寸可以設(shè)計(jì)足夠大，并且因飛網(wǎng)的柔性特點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)捕過程對(duì)兩飛行器相對(duì)位姿控制精度要求較為寬松，技術(shù)難度相對(duì)較小。主要技術(shù)難點(diǎn)在于飛網(wǎng)捕獲目標(biāo)后的拖曳控制。

當(dāng)前技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備針對(duì)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(jiǎn)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(diǎn)，碎片清理航天器可攜帶多個(gè)飛網(wǎng)，在軌運(yùn)行壽命期間清理多個(gè)廢棄衛(wèi)星，降低單次清理任務(wù)的平均成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

從當(dāng)前關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)驗(yàn)證進(jìn)展來(lái)看，廢棄衛(wèi)星捕獲清理、推進(jìn)劑補(bǔ)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(biāo)的故障維修開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，儲(chǔ)備了目標(biāo)抓捕和精細(xì)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(duì)合作式可維修航天器的在軌維修操作效果更好，更有實(shí)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(xì)裝調(diào)等技術(shù)能力仍然不足，處于技術(shù)儲(chǔ)備階段［21］。

在軌服務(wù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用進(jìn)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(dòng)建立在軌服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。衛(wèi)星基于標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)故障自主診斷識(shí)別與隔離、功能模塊化、任務(wù)可重構(gòu)等能力。對(duì)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(jìn)一步發(fā)展智能自主目標(biāo)識(shí)別、任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同服務(wù)等能力。衛(wèi)星設(shè)計(jì)變革和在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展相向而行，必然會(huì)促使在軌服務(wù)走向成熟應(yīng)用。