1、空间机器人在轨捕获技术应用1、前言随着航天技术的飞速发展，空间航天器的结构、组成日趋复杂，性能、技术水平不断提高，在这种情况下，保证空间航天器在复杂的空间环境中更加持久、稳定的在轨运行，已成为目前空间技术领域热点研究内容。在轨服务的概念最早在 20 世纪 60 年代提出，但限于当时的技术水平，早期的在轨服务大多是由宇航员完成。但通过宇航员进行在轨服务存在高成本和高风险的问题，因此随着航天技术的发展，通过空间机器人进行无人自主在轨服务不断显现出巨大的优势和效益，并已经成为目前航天任务中迫切需要解决和发展的重要内容之一。本文将简单介绍目前较为成熟的在轨捕获技术发展现状，以及每种方案的优缺点，着重介
2、绍空间机器人在轨捕获技术的关键技术的实现。2、在 轨捕 获技术方案近年来，各航天大国通过二十多年对自主在轨服务关键技术的攻关和演示验证，取得了引人瞩目的成绩，其中较为有代表性的项目是：由美国国防高级研究计划局(DARPA)提出的轨道快车计划(OE，Orbital Express)。轨道快车已于 2007 年 3 月成功发射升空并在同年 7月完成了在轨飞行演示实验。日本的 ETS-VII 项目，此项目就最早成功演示验证自主在轨捕获技术的空间机器人系统。欧洲的 TECSAS 项目，欧洲十分重 视空间机器人技术，在多年的空间机器人技术研究过程中积累了丰富的经验，欧洲空间机器人研制水平一直处于世界前列
3、，TECSAS 项目在欧洲的空间机器人系统项目中具有一定的代表性，其以德国 DLR 为主，并与加拿大、俄罗斯等国合作完成。迄今为止，在轨捕获机构设计方案主要有如下三种形式：利用伸缩杆捕获目标卫星的发动机喷管；利用飞网或飞爪捕获目标卫星；利用机械臂捕获目标卫星的特定结构。伸缩杆捕获方案 美国轨道复活公司和英国轨道复活有限公司共同研制了一种名为锥型车轨道延寿飞行器，可以同三轴稳定的地球静止轨道卫星相结合，取代原卫星的姿态和轨道控制系统，能为质量在 3000kg 以下的卫星延长 10 年工作寿命。CX-OLEV 飞行器充分利用了目标卫星的远地点发动机喷管和星箭对接环的结构特点，设计通用型对接捕获机构
4、。通过其捕获机构可实现与目标星的连接。欧洲轨道卫星服务公司利用欧洲航天局灵巧-1（Smart-1 ） 卫星平台，开发灵巧轨道延寿飞行器（ SMART-OLEV） ，为地球静止轨道通信卫星提供延寿服务。SMART-OLEV 采用了 CX-OLEV 的延寿技术，也是利用目标卫星的远地点发动机喷管和星箭对接环进行在轨捕获。此种方法只适合于合作目标的捕获任务，由于非合作目标不能提供合作光标等合作特征，轨道交会及抓捕过程闭环控制较难实现，因此对于非合作目标此方法较难实现，且服务任务较单一，不能实现对目标星的在轨维修，但此技术较简单，容易实现。飞网、飞爪捕获方案 对于空间碎片或者其他需要离轨的航天器，可利
5、用飞网或者飞爪对目标航天器进行捕获，并实施离轨操作。ESA 自 2011 年提出了用飞网抓捕地球静止轨道废弃卫星的自主地球静止轨道回收器(Roger) 项目。ESA 计划利用 Roger 系统开展以下两方面研究：利用 Roger 飞网抓捕机构清除地球同步轨道上的失效卫星，并转移到坟墓轨道；利用 Roger 绳系飞爪抓捕未进入正常轨道的地球同步轨道卫星，并将其送入预定工作轨道。此捕获方案的通用性极好，且飞网与服务航天器之间通过绳系连接，两者动力学耦合简单，作用距离较远，避免了近距离逼近及停靠，大大降低了捕获系统与目标发生碰撞的危险。此种方案为面对点的捕获，可通过增加飞网面积实现对弹射捕获误差的冗
6、余补偿，降低对系统姿态控制的要求。但此方法只适合对空间碎片或废弃卫星的清理，不适合在轨维修、在轨装配等在轨服务。机械臂捕获方案 为实现奥林匹斯（Olympus ）卫星和 Anik-E 卫星的在轨修复，1994年欧洲航天局提出了地球静止轨道服务飞行器（GSV）的研究计划，GSV 将空间机械臂作为执行机构，方案设计阶段提出了单机械臂和双机械臂的配置方案。GSV 主要以目标星的轨控发动机喷嘴和对接环为捕获接口。试验卫星服务系统（ESS）是 ESA 开展的另外一个地球静止轨道卫星在轨服务系统研究项目，目标是将遥控空间机械臂 ROTEX 中已经验证的遥机械臂思想用于卫星在轨服务，ESS 以 GEO 故障
7、卫星为目标，将其远地点发动机圆锥形喷管作为捕获目标。当然美国的轨道快车在轨演示项目，FREND/SUMO 项目，Phoenix项目都为机械臂捕获方案，在此方面，加拿大、日本等国家都有出色的表现。（）灵活、多任务支持能力。目标卫星既有保持对地定向的健康卫星，也有处于翻滚状态的故障卫星，需要提供的服务包括延寿、离轨和维修等任务。其中最具有价值的在轨服务是修复那些部分功能失效的卫星，如天线或太阳翼未完全展开等情况，因此在轨捕获方案的选择应将在轨维修任务需求放在首位，上述三类方案中只有机械臂形式能够充分满足这一需求。 （）适应目标能力强，对目标无特定接口要求，支持非合作卫星捕获。目前国内外卫星平台设计
8、各异，尚未有国际化的 标 准接口规 范，采用机械 臂形式，可根据卫星的结构特点灵活确定卫星的捕获位置。目前在轨的卫星绝大部分为非合作目标，通过机械臂可以设计各种捕获方案，使用更加灵活。 （）相对位置及姿态的测量和控制误差冗余能力强，系统安全性高。具有多自由度和柔性的机械臂可与目标卫星柔性对接，从而降低与目标卫星之间的冲击，容许捕获过程中存在较大的位置和姿态空间机器人完成对目标航天器的自主捕获是在轨服务任务得以实施的前提和先决条件。当空间机器人在轨完成与目标航天器的接近、绕飞、近距离停靠，使目标航天器进入空间机械臂的工作空间后，接下来的操作一般分为四个阶段：A ）通过视觉伺服进行自主目标捕获，B
9、 ）通过机械臂末端作用器抓捕目标，C）目标转移停靠控制，D）目标捕获后复合体姿态调整。空间机器人的特性以及空间极其复杂环境增加了在轨捕获任务的难度。通过对检索文献的分析总结可以发现，空间机器人在轨捕获任务具有如下特点：、1、基座和目标的相对位姿不固定。在空间失重环境下空间机器人的基座与机械臂之间存在动力学耦合，机械臂的运动会对飞行器基座本体产生一个扰动力矩改变基座的位姿。同时，抓捕目标航天器也处于 6 自由度漂浮状态。受到空 间机器人本体的姿态控制精度和姿态稳定度以及目标航天器的姿态控制精度和姿态稳定度的影响，这使得在抓捕时刻它们之间的位姿不是固定的，而是存在一定的停靠位姿偏差和速度偏差。、2
10、、视觉处理时延和位姿测量存在误差。由于星载计算机处理速度、手眼相机标定精度、轨道光照条件的影响，不可避免的会造成目标位姿测量的精度存在误差，闭环视觉伺服存在时延问题。、3、空间机械臂控制精度低。由于空间机械臂具有质量轻、臂杆长的特点，自身存在臂杆柔性和关节柔性。这些因素对于实现高精度的末端定位及跟踪控制是非常困难的。即便采用复杂的智能非线性控制能够达到要求，也要付出许多额外的代价如计算资源和高精度的传感器等。、4、抓捕碰撞。在空间微重力环境下，微型目标器处于自由漂浮状态，在抓捕过程中其受到轻微的碰撞就会产生翻转运动对抓捕造成困难。严重情况下，甚至会逃离抓捕区域，变为太空垃圾。因此，空间机器人末
11、端作用器必须具备更高的可靠性和安全性。此外，抓捕过程中强烈的接触碰撞也会对抓捕机构和机械臂本身造成强烈的冲击，激发臂杆的柔性振动，甚至会造成结构损坏，对航天器的安全稳定运行也带来较大影响，造成基座姿态失稳等严重的事故。、5、空间环境和发射成本。太空环境复杂恶劣，抓捕机构必须能够适应太空强辐射、微重力、高真空、温差大的严酷环境。此外，由于发射成本昂贵，平均每千克的发射费用约需 2 万美元左右，所以设计 的抓捕机构要尽可能满足体 积小、重量轻的要求。3、空 间机器人各领域研究方法由于空间机器人本身是一个多输入、多输出、非线性强耦合的复杂系统，并且运行在空间微重力环境中，在地面很难对其进行充分的试验
12、验证，因此要完成在轨自主目标捕获任务难度大、风险高，对轨迹规划与控制提出了很多具有挑战性的课题。4、结论参考文献1 Dennis R W. Orbital recoverys responsive commercial space tug for life extension missions,AIAA 2001-6118C/Space 2004 Conference and Exhibit ,Wshington D.C.:AIAA,20042 Tarabini L,Gil J.Ground guided CX-OLEV rendezvous with uncooperative geosta
13、tionary satelliteJ.Acta Astronautica,2007(61):312-3253 Yasaka Tetsuo,Yasui Yoshitsugu. Geostationary Service Vehicle(GSV)for economical on-orbit servicing, IAF-89-686C/40th Congress of IAF. Paris:IAF,19894Brown D L,Guenther H J. A geostationary service vehicle concept ,IAF-94-4563C/45th International Astronautical Congress. Paris:IAF,19945Guenter H, Anders C , Prospects of a geostationary service vehicle, AIAA 94-4563C/Space Programs and Technologies Conference ,Wshington D.C.:AIAA,1994
