1.有人参与的在轨操作

在轨操作是指在有人或者无人参与的情况下，借助于空间操作机构实施的在轨装配、目标抓捕等一类任务。为了实现对空间目标的准确抓捕，首先需要完成操作执行机构对目标的相对定位，因此空间导航技术在任务中扮演着重要的角色。航天飞机及空间机械臂系统（Shuttle Remote Manipulator System，SRMS）的出现是在轨操作技术发展史上的第一个里程碑。由于在执行捕获任务中有宇航员参与，所以称为有人参与的在轨操作任务。

航天飞机执行在轨捕获任务，是借助于SRMS完成的。SRMS由加拿大的MD Robotics公司设计制造，是为美国航天飞机项目专门设计的，它由一个肩关节、一个肘关节和一个腕关节组成，由两个臂杆（上臂杆和下臂杆）将它们连在一起，总共6个自由度。SRMS长1.2 m，重410 kg，最近经过改进后已能机动操作重达266 000 kg的有效载荷（在空间失重环境下）。1984年4月10日，美国的“挑战者”号航天飞机携带机械臂系统（Remote Manipulator System，RMS），在宇航员的操作下捕获处于故障状态的“太阳峰年”卫星。1990年，航天飞机成功地捕获并回收了“长期暴露装置”。同年3月，Intelsat-6国际通信卫星在发射时没能进入预定轨道，导致该星无法完成正常的通信业务。1992年5月，NASA再次以航天飞机作为任务平台，通过RMS成功捕获该星（图1-11），并为其安装远地点发动机之后重新放入轨道。此外，NASA以航天飞机作为平台对哈勃天文望远镜共实施了4次在轨捕获修复任务。

图1-11　加拿大机械臂捕获Intelsat-6国际通信卫星

航天飞机携带RMS多次执行在轨捕获任务，证明了空间机械手系统是实现在轨捕获的一种现实而有效的途径。但是，以航天飞机为作业平台的自由漂浮目标在轨抓捕模式的弊端也逐渐凸显，主要表现在SRMS需要依托航天飞机这个复杂的大型空间平台，在轨捕获作业的轨道范围被严格限制在航天飞机的轨道高度，并且需要宇航员进行人工操作。此外，SRM对待抓捕目标的姿态也有诸多限制。1992年，航天飞机在对SPORTAN卫星实施抓捕时，由于卫星姿态失稳，两名宇航员不得不冒着巨大的风险徒手进行抓捕。“挑战者”号与“哥伦比亚”号航天飞机的失事更是使有人参与的在轨捕获模式遭受了严重的打击。但是，以大型空间平台为基础的在轨捕获技术的应用带动了天基目标测量技术、先进导航与制导技术、空间机械臂及控制技术的飞速发展，这些成就的取得为在轨捕获技术朝着自主智能方向发展奠定了技术基础。

2.无人自主在轨操作

自主在轨操作技术，是指空间智能系统在部分或完全无人干预的情况下自主完成对空间目标的操作，而能够完成上述任务的空间智能系统称为空间机器人系统。美国是最早开展空间机器人技术研究的国家之一，20世纪80年代，NASA在意识到宇航员频繁出舱操作存在的巨大风险之后，便开始发展空间机器人相关技术，并且制订了一系列研究计划。初期的空间机器人计划主要包括可以代替宇航员进行操作的机械臂及监视系统，机械臂抓捕的目标主要是舱内仪器开关等，如遥操作飞行服务机器人、机器人宇航员、空间在轨装配与运输系统等。NASA试图通过发展空间自主系统，降低宇航员出舱作业的频率，减少出舱风险。上述空间机器人系统仍然没有完全摆脱航天飞机和空间站这个作业平台，但是这一时期与空间机械臂系统相关的微机械技术、机械臂动力学与控制技术、末端路径规划技术得到了较快的发展。此后，随着空间自主交会技术的发展，具备一定空间自主交会能力的小型智能机动飞行平台在技术上逐步变得可以实现，于是空间机械臂系统逐步摆脱了航天飞机等大型平台，朝着与空间自由飞行平台相结合的方向发展，这就形成了空间自由飞行机器人系统。在这一阶段，美国发展的自由飞行机器人系统包括Ranger TFX和“轨道快车”等项目，其中较为典型的是美国的“轨道快车”项目。

“轨道快车”项目是由美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Re⁃search Projects Agency，DARPA）组织开展、由波音公司联合其他企业共同研制的一项在轨演示验证系统（图1-12）。“轨道快车”项目由ASTRO（太空自动化运输机器人）与NextSat（未来星）两颗卫星组成，其中，ASTRO上安装有六自由度空间机械臂。“轨道快车”项目组合体于2007年3月8日发射升空进行一系列的在轨演示验证试验。演示试验初期，两颗卫星处于相连状态，在此期间进行了两颗卫星之间的推进剂传送和以空间机械手完成的电池更换操作；接下来进行空间各个距离段的空间合作目标交会试验、空间非合作目标交会试验、采用空间机械手抓捕的软对接试验、采用对接机构进行的硬对接试验等，最后完成了星上计算机模块的更换操作。

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图1-12　美国的“轨道快车”空间机器人系统

2007年5月，美国的“轨道快车”项目实现了自主交会对接技术，验证了视觉测量系统的性能。“轨道快车”主要由太空运输机器人服务舱（Autono⁃mous Space Transport Robotic Operations，ASTRO）与卫星轨道舱（Commodities Spacecraft，CSC）实现交会对接，其应用的视频制导敏感器（Advanced Video Guidance Sensor，AVGS）是经过太空环境验证的最先进的交会对接测量技术（图1-13）。AVGS是一种以激光结构为主的交会对接测量系统，可用于测量两个航天器之间的相对距离和姿态信息。但是激光设备功率大且成本较高，因此在航天任务中容易受到限制。而采用视觉手段进行交会对接近距离阶段测量具有小型化和长期性工作的特点。

图1-13　地面组装测试过程中的“轨道快车”

“轨道快车”项目的成功验证具备如下5个方面的意义：①进行在轨加注，提高在轨卫星的机动能力；②进行在轨升级，提升在轨卫星的技术能力；③进行在轨维护，拯救故障卫星，延长其寿命；④进行在轨侦察，获取目标卫星特征信息；⑤进行在轨攻击，损毁敌方卫星。

受本国航天产业规模、技术等诸多方面的限制，欧洲、日本等国家和地区意识到发展有人参与的在轨服务系统不符合本国航天产业的特点，同时也难以与美国同台竞争。而发展无人自主在轨服务系统成本低廉、研制与运营风险较小，十分符合本国航天产业的需求。因此，空间机器人技术受到ESA和日本宇宙开发事业团（National Space Development Agency，NASDA）的高度重视，且被列为优先发展的航天高技术之一。

为了验证在轨自主交会对接技术，为未来的国际空间站后勤保障提供技术储备，日本宇宙开发事业团组织研制了ETS-Ⅶ空间机器人系统并于1997年11月28日发射升空（图1-14）。ETS-Ⅶ由连接在一起的大小两颗卫星“牛郎”星和“织女”星组成，大星“牛郎”上配置了空间机械臂。ETS-Ⅶ的任务目的是在轨验证自主交会对接技术和空间机器人技术。“牛郎”星上安装有GPS接收机、用于相对距离和方位角测量交会的激光雷达（Rendezvous Laser Radar，RVR）以及用于相对位置与相对姿态测量的光学接近敏感器（Proximity Camera Sensor，PXS）。与此同时，“织女”星上安装与“牛郎”星测量部件配合使用的GPS接收机、被动RVR反射器以及PXS合作光标。在试验过程中目标航天器被释放，然后以目标航天器为对象，追踪航天器完成了各距离段的多次交会对接试验。1998年7月7日，两颗卫星完成了首次自主交会对接，标志着日本在航天器交会对接领域取得了成功。

图1-14　日本的ETS-Ⅶ空间机器人系统