自主在轨服务现状及分析

韩慧鹏 金雪松 范晨

（1 中国空间技术研究院通信卫星事业部 2 中国航天科技集团公司）

随着空间技术的迅速发展，人类开发空间、利用空间的步伐越来越快，航天系统越来越复杂，规模也越来越大。由于航天任务高成本、高风险的特点，一旦不能入轨或入轨后发生严重故障，将导致巨大损失。因此，为了尽可能挽回卫星故障或失效造成的损失，并有效保护地球静止轨道（GEO）的资源，需要开展以延长卫星寿命及清除废弃卫星等轨道垃圾为目的在轨服务技术研究。

1 自主在轨服务的研究现状

利用在轨延寿服务技术，可对失控的卫星进行对接，实现接管控制；同时对寿命末期推进剂消耗殆尽的卫星延长寿命，降低空间系统的成本与风险，也能为处于转移轨道的卫星完成机动变轨进入地球静止轨道。另外，利用在轨延寿服务技术还可对废弃卫星进行清理，以达到对有限轨道资源的充分利用，并减缓空间垃圾对运行中卫星的威胁。目前各航天国家都致力于研究在地球静止轨道上对现有卫星进行在轨服务的系统，其中大多数仅仅停留在概念设计阶段。国内目前还没有针对静止轨道卫星延长寿命飞行器的设计方案。

美国的“轨道快车”计划

“轨道快车”（Orbital Express）计划是美国国防高级研究计划局（DARPA）于1999年底提出的，验证服务航天器对目标航天器自主进行推进剂加注、模块更换等在轨服务技术的可行性。“轨道快车”由“自主空间运输机器人操作”（ASTRO）服务航天器和“下一代卫星”（Nex t Sat）客户航天器组成。“轨道快车”于2007年3月发射，整个任务持续了3个月左右，先后验证了自主交会、接近操作、捕获与对接、燃料输送和模块更换等自主在轨服务系统的关键技术。

美国的卫星延寿服务

美国空间公司（LLC）与阿连特技术系统(ATK)公司联合成立维维卫星(ViviSat)公司。美国空间公司是经营实体，负责任务管理、市场、法律和财务事务；阿连特技术系统公司则是任务主承包商，负责航天器的制造和交付以及发射与地面段；维维卫星公司旨在为地球静止轨道卫星运营商提供灵活且可升级的资本有效、低风险在轨延寿和防护服务，可使卫星工作寿命增加数年。维维卫星公司“任务延长飞行器”(MEV)旨在与在轨卫星对接并牢固锁紧，充当备用推进系统，这能够延长机动燃料已耗尽但仍有大量电力可使有效载荷工作的卫星的任务寿命。

“任务延长飞行器”

维维卫星公司的服务包括在卫星运行不间断的情况下使“任务延长飞行器”与之交会对接，执行长期位置保持和姿态控制、重新确定不同的轨道或轨道槽、离轨、救援，以及使搁浅在错误轨道槽内的卫星重新入轨等服务。“任务延长飞行器”设计寿命12年，可以为几颗卫星提供在轨延寿服务，与用户星对接完成任务后可再分离为下一颗用户星服务，直到自身寿命结束。该飞行器的工作方案有两种：①单个“任务延长飞行器”可以为6颗卫星服务，每颗卫星延寿2年。②2个“任务延长飞行器”，一个停留在转移轨道，负责将用户星拖到地球静止轨道，另一个为地球静止轨道卫星服务。

美国空间公司的联合创始人、维维卫星公司总裁爱德华D·霍洛维茨说：“维维卫星公司是一家专注于为卫星运营商、美国政府及其联合政府合作伙伴提供在轨卫星延寿和防护服务的新公司。该公司的服务模式在财务效率、运行灵活性和风险规避方面提供一种改变游戏规则的方式。”阿连特技术系统公司航天器系统和服务分部总经理、维维卫星公司董事会成员兼副总裁汤姆·威尔逊说：“在轨任务扩展和运行防护是一个全新的市场，维维卫星公司将使运营商扩展其卫星任务持续时间，提升资产效益。”

美国的“轨道万能维修航天器”演示任务

美国国防高级研究计划局在开展“轨道快车”研制和试验的同时，还资助了“轨道万能维修航天器”（SU M O）计划。与“轨道快车”任务不同，“轨道万能维修航天器”计划是一个面向非合作目标的自主交会、逼近、抓捕并实施在轨服务的演示任务，重点对该航天器视觉、机械臂、自主控制方法等关键技术进行验证，主要工作包括服务飞行器及低成本飞行演示的方案设计和关键技术的地面演示验证，目前这些工作已经完成。“轨道万能维修航天器”采用模块化设计，有一个高性能推进舱和载荷舱组成，载荷舱主要装载进行自主交会、接近的敏感器，3个七自由度的机械臂（带有视觉系统）及工具箱。

欧洲的“棱镜”任务

“棱镜”（PRISMA）任务是欧洲第一个以演示验证编队飞行和自主交会技术为主的任务，同时验证绿色无毒的新型推进系统。“棱镜”任务由主星（Main）和目标星（Target）组成，涉及到自主在轨服务技术的验证项目主要是自主交会和近距离逼近与绕飞（两颗卫星的最近距离将达到1m以内），验证主星环绕目标星自主进行在轨服务的能力。这两颗卫星已于2010年6月发射。

德国的“德国轨道服务任务”计划

“德国轨道服务任务”（DEOS）计划是德国航天局（DLR）进行自主在轨服务技术演示验证项目，其主要目标是用一个服务飞行器捕获一个姿态失控的非合作客户飞行器，并对捕获的卫星沿预定的轨道实施离轨操作，验证自主交会、捕获和对接的相关技术。服务飞行器上有制导、导航与控制（GNC）系统和用于操作的机械臂，两颗星发射时连接在一起，入轨后由机械臂释放客户飞行器，然后开展自主交会、对接与操作的实验任务。

加拿大麦德联合有限公司的自主在轨服务系统

“棱镜”任务

加拿大麦德联合有限公司（MDA）是美国航天飞机、“国际空间站”等机械臂的研制方，近年来，基于其先进的空间机器人技术，投入了大量资金开展在轨服务技术开发，并在运营商的支持下，加拿大麦德联合有限公司将发射一颗在轨服务试验卫星，用于静止轨道卫星的在轨燃料补给，在必要的时候它还能把小卫星推入墓地轨道。

2 自主在轨服务需求分析和意义

卫星运营商总是以追求最大利润为目标，所经营的卫星在轨工作寿命多一天，利润就多一份。在大多数情况下，为了节省推进剂，地球静止轨道卫星在寿命末期，往往放弃南北位保，而只做东西位保。因为南北位保每年需要的速度增量约为46m/s，而东西位保仅需3m/s。卫星在日、月引力的摄动下，其轨道面偏离赤道面而逐渐倾斜，即相对于地球不再静止。其结果造成地面用户使用不方便，因为这需要使用昂贵的、指向可调节的跟踪天线，费用也随之上升。从商业角度考虑，卫星的运营商希望能够开发出一种可延长卫星寿命的飞行器，帮助卫星继续留在地球静止轨道工作。因此，自主在轨延寿服务技术无论对国内卫星还是国外卫星，在轨型号还是在研型号，均有迫切的需求和广阔的应用前景，代表了空间技术发展的重要方向。

近几年发生故障（含发射失败）的地球静止轨道卫星

1997－2008年地球静止轨道卫星的发射及离轨情况

地球静止轨道卫星辅助离轨的预期收益情况

地球静止轨道卫星故障情况

地球静止轨道卫星在通信、导航、预警、气象等民用和军用领域发挥着重要的作用。因此，地球静止轨道卫星的损失和失效将造成巨大的经济损失和极大的社会影响。典型的例子是欧洲通信卫星公司（Eutelsat）的W3B通信卫星在2010年10月28日发射升空后，星上燃料（氧化剂）发生大面积泄漏而导致卫星完全失效。

据Mak Tafazoli统计，1980－2005年共有129颗卫星在轨失效，其中控制分系统发生故障的比例占32%，电源占27%，数据管理分系统占15%，测控分系统占14%，其他占14%。实际上，与其他几种类型的卫星相比，地球静止轨道卫星所处的空间环境更恶劣，更容易受到太空物体的撞击和空间高能粒子的撞击而失效。数据统计可知，世界范围内每年均有一定数量的地球静止轨道卫星未能成功入轨或发生故障。因此，大力发展在轨服务技术，不但可以极大减少经济损失，还能显著提高经济和社会效益。

地球静止轨道卫星离轨情况

自1963年第一颗地球静止轨道卫星发射升空以来，卫星数量逐年增多，然而地球静止轨道资源是极其有限的。

机构间空间碎片协调委员会(IADC)于1997年提出了对地球静止轨道空间碎片处置的建议，要求对寿命末期的地球静止轨道卫星进行离轨操作，即卫星利用自身剩余的燃料进行轨道机动，脱离轨道进入坟墓轨道。到目前为止，已有多颗寿命末期卫星成功进行了离轨操作。

从1997－2008年地球静止轨道卫星的发射及离轨情况表中可以看出，这12年中，平均每年发射成功28颗卫星，平均每年成功离轨6颗左右。近年来卫星的成功离轨率有很大提高，但尽管如此，地球静止轨道上的物体还在不停累积。

自主在轨服务研究的意义

在地球静止轨道上运行的卫星多是价值高、寿命长的通信、导航和气象等卫星，但每年都有一定比例的地球静止轨道卫星不能成功入轨，一部分虽成功入轨但在寿命初期即失效。因此，在轨延寿服务的效益是可以预见的。

地球静止轨道卫星的造价和发射费用高昂，卫星价格从1.5亿美元[如国际通信卫星－603（Intelsat－603）]到12亿美元[军事星－2（Milstar－2）]不等，因此故障造成的损失非常巨大，这还不包括有效载荷提供服务所产生的经济效益。如果采用延寿飞行器辅助地球静止轨道卫星离轨，将卫星本用于主动离轨的推进剂用于轨道保持，则卫星可获得6个月左右的额外工作寿命，这6个月的服务寿命将使卫星运营公司获得额外收益。

由此可见，对地球静止轨道卫星进行在轨延寿服务，能带来巨额收益，同时延寿飞行器自身可重复使用，进行多次延寿服务，其服务成本随之大大下降。

3 自主在轨服务涉及的关键技术

自主在轨服务的近距离接近与停靠主要依赖光学敏感器，目前国外针对合作目标的光学敏感器（在合作航天器上装有用于测量的标志器）技术已很成熟，“自主交会技术验证”（DART）卫星和“轨道快车”任务的先进视频敏感器（AVGS），工程试验卫星－7（ETS－7）的接近敏感器（PXS）都已经过飞行验证，国外下一步的发展主要是提高测量精度和可靠性，并进一步小型化。

在空间机械手及对接、抓捕机构方面也开展了大量的研究和试验，多项关键技术取得了突破。在空间机械手方面，加拿大麦德联合有限公司先后为美国的航天飞机、“国际空间站”和“轨道快车”计划提供了机械臂，积累了丰富的经验。日本在空间机器人方面也处于领先地位，工程试验卫星－7上的机械臂也得到了验证。德国航天局在轻型机械臂、抓捕机构方面也做了大量工作，并获得了很多成果，特别是其针对在轨通信卫星的远地点发动机实施捕获操作开发的机构奠定了很好的基础。

自主在轨服务所涉及的关键技术主要包括以下几个方面

1）目标测量技术。对于大多数已在轨运行的地球静止轨道卫星，没有安装用于机械臂捕获的抓捕机构(手柄)以及用于辅助测量的合作标志器和特征模块等，要实现延寿服务，首先需要解决测量问题，即采用相应的测量设备，在远、中、近距离提供对目标相对位置、姿态的测量值，作为目标跟踪、接近、捕获等过程的导航、制导与控制的输入。

2）目标跟踪、接近、停靠的自主制导、导航与控制技术。主要包括地球静止轨道用户卫星跟踪接近的导航与指向控制技术、高精度近距离停靠技术，以及受迫绕飞技术。延寿服务需要围绕用户星飞行并进行拍照，若采用自由绕飞技术，其绕飞周期长（1天），并且在一段时间内用户星将淹没在地球背景下，导致天基目标测量设备无法进行测量，因此，采用受迫绕飞技术可以设计所需要的绕飞轨道。

3）抓捕与对接机构。地球静止轨道用户卫星并没有安装专门用于抓捕、对接的机构，因此服务系统需要直接在用户卫星上寻找抓捕、对接部位。经研究发现，大多数地球静止轨道卫星都具有远地点发动机和星箭对接环。其中，星箭对接环尺寸较大，难以设计小型的抓捕、对接结构，因此远地点发动机成为此类卫星理想的捕获、对接目标。德国空间局针对远地点发动机的圆锥形喷嘴设计了一套捕获机构，该机构的设计巧妙，体积小，质量轻，堪称喷嘴捕获的经典机构，已被多个项目参考甚至直接采用；另一套比较典型的是美国“轨道万能维修航天器”项目所采用的捕获机构，其针对波音公司生产的卫星平台，设计了对分离螺栓进行对接的机构。

4）接触碰撞动力学建模与实验验证。接触碰撞是一个非常复杂的动力学过程，以往的研究多是进行大量简化，并从多体系统本身考虑碰撞动力学的建模。未来，可以考虑从多学科出发，开展多领域统一建模与仿真研究。

5）地球静止轨道用户星动力学参数辨识。用户星质量、惯量以及几何尺寸均很大，而且由于长期在轨运行，燃料大量消耗且构型可能发生改变，其动力学参数与发射之初相比变化很大，且地面无法准确知道。服务系统不但要捕获、对接目标，而且需要对捕获、对接后的复合体进行精确的轨道、姿态保持或机动控制，因此，需要对复合体的动力学参数进行辨识，以调整控制律，否则无法实现准确的控制。

6）捕获后复合多体系统的协调控制技术。捕获的用户星往往具有一定运动速度(线速度和角速度)，因此捕获后系统的动量将发生突变。若按常规的做法，即捕获目标后机械臂各关节锁死或伺服保持在当前位置，则增加的动量将会传递到基座，引起基座的失稳。即使启动飞轮进行控制，由于飞轮本身所能吸收的角动量和控制力矩很有限，无法有效地稳定基座；而开启喷气进行姿态控制，将消耗宝贵的燃料。因此，需要对捕获后复合体系统进行协调控制。