2011-04 兵工自动化
30(4) Ordnance Industry Automation ·1·
doi: 10.3969/j.issn.1006-1576.2011.04.001
在轨服务飞行器总体技术分析
李岩1，蔡远文2，崔晓阳3
（1. 装备指挥技术学院 航天装备系，北京 101416；2. 装备指挥技术学院 试验指挥系，北京 101416；
3. 装备指挥技术学院 研究生院，北京 101416） 摘要：在轨服务飞行器（on -orbit service vehicle，OSV ）因功能多样、结构复杂、种类繁多而难以进行总体设计，为此，对其进行深入的技术分析。从服务需求和任务过程的要求出发，分析OSV 的主要功能需求，提出需要突破的关键技术；按照各分系统的不同功能，将OSV 分为平台和载荷2部分进行组成结构分析；按照OSV 功能多样化程度以及服务任务周期的特点，对OSV 进行分类研究。该研究可为OSV 的整体规划与总体设计提供技术支持。
关键词：在轨服务飞行器；功能需求；载荷；机械臂 中图分类号：V423.9 文献标志码：A
General Technology Analysis of On-Orbit Service Vehicle
Li Yan1, Cai Yuanwen2, Cui Xiaoyang3
(1. Dept. of Aerospace Equipment, Institute of Command & Technology of Equipment, Beijing 101416, China;
2. Dept. of Test Command, Institute of Command & Technology of Equipment, Beijing 101416, China; 3. College of Graduate, Institute of Command & Technology of Equipment, Beijing 101416, China) Abstract: It is difficult to carry out the overall design for on-orbit service vehicle (OSV) because of its multiple functions, complex structure and various categories. To solve the problem, the depth technical analysis should be carried out. According to the demand of servicing mission procedure, the main function of OSV is analyzed, and the key technology needing breakthrough is put forward. Based on the different function of subsystems, the structure of OSV is analyzed, which is divided into two parts: platform and load. The OSV classification is investigated according to the diversification and mission period characteristic. The function demand, key technology, component structure and classification of the OSV derived from this article provide necessary technical support, and point out a proper direction for the macro plan and gross design of the OSV system.
Keywords: on-orbit service vehicle; function demand; load; manipulator
0 引言
在轨服务飞行器（on -orbit service vehicle，OSV ）是一种新概念的智能航天器，专用于对服务对象实施在轨服务，是自主式在轨服务系统的核心[1]。在轨服务任务需求多样、过程复杂。为了自主完成服务任务，OSV 需要满足各种功能需求、突破多种关键技术，因而其结构相当复杂、类型多种多样，为其技术分析和总体设计带来了一定困难。笔者针对上述难题，对在轨服务飞行器的功能需求、关键技术、基本结构和主要类型等方面进行深入分析。
1 OSV的功能需求
OSV 是自主式在轨服务系统的核心。在轨服务任务的完成很大程度上依赖于OSV 服务功能（或能力）的实现。服务对象的各种需求和服务任务的执行过程对OSV 的功能提出了苛刻的要求。除一般在轨系统必备的功能（如：温度自动控制功能、防护功能、信息传输功能、三轴稳定功能等等）外，OSV
需要具备以下特殊功能（或能力）[24]：
1) 空间目标跟踪、探测与识别
能够对服务对象进行识别、跟踪和测量是在轨服务的前提之一，通过在一定范围内对服务对象进行搜索、捕获、跟踪、测量，为实现对目标的接近、伴飞或交会对接等操作提供必要条件。OSV 需要具备微波、红外、可见光、激光的探测和测量功能，具备多敏感器信息融合与处理能力等。
2) 轨道机动
主要指OSV 在轨机动至服务对象所在轨道，为在轨服务操作提供基本条件。主要包括：轨道机动规划能力、轨道机动动力学计算，机动过程中的制导、导航与控制，组合体轨道机动与动力学计算，先进的推进系统等。
3) 交会对接与绕飞、伴飞
空间交会对接与绕飞、伴飞是在轨服务的先决条件之一。只有通过交会对接，才能对服务对象实施补给、设备更新、维修等操作；通过绕飞或伴飞，
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收稿日期：2010-11-26；修回日期：2010-12-27 作者简介：李岩（1981—），男，河南人，博士，讲师，从事兵器发射理论与技术研究。
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第30卷
才能完成检测、成像观察等相关任务。交会对接功能的实现除了需要具备灵活的交会对接机械装置外，还需要许多技术支持，主要包括：自主交会策略及轨迹规划、交会对接测量、姿态测量与跟踪、视线制导和精细控制等。
4) 智能自主运行管理
要提高在轨服务系统的智能化水平，智能自主运行与管理是必须具备的功能。主要包括：OSV 自主任务规划与管理、OSV 自主决策、OSV 自主导航、航天器整体信息综合、航天器信息收集与处理、航天器实时状态监测以及航天器自主健康管理等。
5) 具备可灵活操控的机械臂
在轨服务很多工作需要机械臂的直接参与，所以OSV 必须具备可灵活控制的星载机械臂。这就要求OSV 具备变质心、变构型动力学控制功能、机械臂运动规划和协调控制功能等。
6) 适合遥操作
遥操作将人工智能引入在轨服务任务，以便能更灵活地操控机械臂等执行部件。需要OSV 适合于大时延遥操作、有效测控时间内和有限通信带宽下的遥操作，能够对力、位进行精细感知。
7) 其它功能要求
OSV 需要有足够的空间用于存储补给品和可更换单元（ORU ）；为实现流体补给，OSV 需要具备较通用的流体管路接口以适应多种服务对象的需求；而在轨更换或装配操作，则需要OSV 存储空间设计能配合机械臂对ORU 的存取；OSV 能够接受自身消耗品的在轨补给，如推进系统燃料和气瓶气体的在轨补给等。
究，利用星敏感器测量恒星星光在通过地球边缘大气层时所发生的折射间接得到地平的信息，由此确定卫星的轨道。俄罗斯还研制了基于雷达高度计的自主导航系统。此外，美国等还研究了基于地磁场测量的自主导航系统。
2) 自主交会对接技术
从技术发展角度看，交会对接（rendezvous and docking ，RVD ）技术将逐步向自主交会对接方向发展。所谓自主交会对接就是在无地面测控站的参与下，靠航天器本身的测控系统完成交会对接任务。其关键技术主要指交会对接过程的自主测量和控制技术。自主测量技术的研究主要以自动跟踪系统的设计以及测量系统的无盲区和抗干扰设计为主要方向。自主控制技术的研究主要考虑在控制系统中加入“智能”，把人的经验、规则融入到交会对接控制系统当中。常用的智能控制有：PID 控制、全系数自适应控制和模糊控制。
3) 微重力条件下的流体管理技术
流体管理主要指流体的传输和存储。传输技术包括流体泵设计、流体耦合（coupling ）、容器和流量传感器技术；存储技术则要求解决流体抗老化、抗辐射、抗低温和抗毁伤能力，同时注意污染最小化设计。
4) 低能耗推进技术
采用传统化学推进剂的飞行器，为了维持其在空间的飞行状态，必须携带大量燃料以及氧化剂，其质量占了很大比例，燃料利用率不高，限制有效载荷的扩展空间。离子推进技术是低能耗推进技术的主要研究方向。离子推进发动机的燃料利用效率是传统化学燃料发动机的10倍，是目前燃料利用效率最高的发动机。
5) 空间机器人技术 在研究OSV 机械臂系统运动策略时，可以将OSV 等效为空间机器人系统。NASA 的AERCam （自主舱外机器人照相机）在这方向上迈进了一步。欧洲航天局也尝试过在一个大型飞船上安装一个机器人操作器。日本发射的ETS （工程测试卫星）VII 也已经论证了许多有关在轨服务空间机器人的基础技术[9]。空间机器人技术研究的主要方向包括：传感器数据处理和数据融合技术、灵活的姿态监测和控制、集成的实时系统控制、高级人机接口（虚拟现实和远程可视技术）、制动器、控制器和传感器系统、空间环境智能评估以及集成数据库系统等。
2 OSV的关键技术
作为新概念的航天器系统，要实现OSV 的设计、制造和在轨自主运行需要突破许多关键技术，包括轨道机动交会、自主运行管理等支撑技术，也包括在轨加注、在轨更换模块等具体服务操作
-技术[510]。限于篇幅，笔者仅概述以下关键技术：
1) 全自主控制、导航技术
为满足卫星高精度导航的需求，美国、俄罗斯、法国等近期都研究和建立了基于无线电测距方法的卫星自主导航系统，其导航精度均达到几米的量级。其中，美国的麦氏自主导航系统利用敏感器获得的地球、太阳、月球在轨测量数据，实时确定航天器的轨道，同时确定航天器的三轴姿态，是完全意义上的自主系统。美法等国的星光折射法自主导航研
第4期
李岩，等：在轨服务飞行器总体技术分析
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6) ORU相关技术
ORU 设计需要进行模块和接口的标准化和通用化设计，同时还要求ORU 的存储容器方便开闭，以便OSV 的机械臂对其进行存取和安装。根据人工在轨服务的成功经验，ORU 单元可以包括照相机、太阳帆板、磁力计、计算机、传感器、陀螺仪、固体存储器、反作用轮装置、绝缘材料和制冷系统等[10]，需要对相关单元进行在轨可更换改造。
3 OSV的组成结构
OSV 是一种新概念的航天器，它既具备一般航天器必须的各种分系统，又有适合于执行在轨服务操作的特殊装备（如图1）。与一般航天器系统相比，OSV 的显著特点是载荷设备更多样，功能更复杂，智能化水平更高，机动性更好。按照各分系统的功能不同，OSV 的组成分为平台和载荷2部分[11]。
轨道控制系统的总称，可简称为姿轨控分系统或控制系统。OSV 的控制系统具有制导、导航、控制的功能，又可称之为制导、导航和控制系统（guidance ，navigation and control system，简称GNC 系统）。
5) 推进分系统是为姿态控制和轨道控制提供动力的分系统。目前，在空间得到应用的航天器推进系统有冷气推进、固体推进、液体推进和电推进。新型的推进系统有太阳帆推进、离子推进、核推进和激光推进等，都处于研究或设想阶段。
6) 测控分系统是遥测、遥控和跟踪测轨分系统的总称。遥测系统用于采集OSV 各种仪器设备的工作参数，实时或延时发送给地面测控站，实现地面对OSV 的监视。遥控分系统用于接收地面遥控指令，直接或通过数据管理分系统传送给OSV 设备并执行，实现地面对OSV 的控制。跟踪测轨分系统用于协同地面测控站，测定OSV 运行的轨道参数，保持地面对OSV 的联系与控制。
7) 数据管理分系统用于储存各种程序，采集、处理数据以及协调管理OSV 各分系统工作。
8) 总体电路分系统用于OSV 的供配电、信号转接、火工装置管理和设备间电路连接。
载荷包括用于执行在轨服务操作的各种设备，如可灵活操控的机械臂、远程观测设备、测距设备、服务对象所需的补给品和ORU 等，可分为空间目标识别和探测分系统、对接机构分系统、机械臂及其控制分系统、补给品及其存储管理分系统等。
1) 空间目标识别和探测分系统用于在一定范围内对服务对象进行搜索、捕获、跟踪、测量，为实现其它服务操作提供前提。
2) 对接机构分系统用于实现OSV 与服务对象的连接和分离操作。大部分服务任务都需要用到对接机构来实现OSV 与目标间的刚性或柔性连接。对接机构一般包括传动缓冲、捕获、连接密封、结构与附件以及控制等子系统。
3) 机械臂/手及其控制系统用于完成复杂的在轨服务操作，如：在轨装配、在轨维修、在轨模块更换等。OSV 是机器人技术与航天器技术相结合的产物，机械臂/手的使用是OSV 区别于其它航天器的明显特征。
4) 补给品及其储存管理分系统用于储存和管理燃料和ORU 等补给品，精确记录补给品的用量、库存量，配合其它系统完成在轨加注和在轨模块更换任务。
图1 在轨服务飞行器的基本构型和部分装备
平台主要包括为载荷提供支持的保障分系统，为OSV 提供能源、温控和通信保障等。平台主要由结构与机构、热控、电源、姿态与轨道控制、推进、测控、数据管理、总体电路等分系统组成。
1) 结构与机构分系统用于支撑、固定OSV 上各种仪器设备，传递和承受载荷，并能保持飞行器完整性。OSV 结构可采用分舱段设计，如载荷舱、推进舱、补给品储备仓等，也可采用模块化设计。
2) 热控分系统用于控制OSV 内外热交换过程，使平衡温度处于要求范围内，也可称为温度控制分系统。
3) 电源分系统用于产生、存储、变换电能。OSV 可采用太阳能电池和蓄电池联合供电系统。
4) 姿态与轨道控制分系统是姿态控制系统和
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兵工自动化
第30卷
4 OSV的分类
在轨服务飞行器的功能需求多种多样，按照OSV 功能多样化程度不同，可分为单一功能OSV 和多功能OSV 。单一功能的OSV 针对单一的服务类型或服务需求进行设计，完成单一的服务任务，如专门用于延长轨道寿命的CX -OLEV [12]飞行器。这类OSV 的结构简单，功能单一，是在轨服务系统在试验阶段和应用初期普遍采用的设计。多功能OSV 与单一功能OSV 相比，能完成更多的服务任务。这类OSV 结构更加复杂，功能更加多样，实用性更强，可以在系统实际运作阶段广泛应用。各国进行OSV 的研究和试验过程中往往侧重于这种多
--功能的设计，如Orbital Express[1315]和TECSAS [1619]等研究计划。
根据在轨服务飞行器任务周期特点，可将OSV 分为单任务型（single -mission ）OSV 和多任务型（multi -mission ）OSV 。
1) 单任务型OSV
单任务型OSV 是指通过一次发射入轨，仅能完成一次服务任务的OSV ，包括一次性OSV 和可重复使用OSV 。
一次性OSV ，完成任务后根据实际情况进行返回、降级或遗弃处理，其任务周期描述为：发射—待机轨道—机动至服务对象并进行服务—返回、降级或遗弃。
可重复使用OSV 与一般可重复使用的航天器（如航天飞机）一样，经过一次发射入轨完成一次服务任务后，可返回地面进行补给和维护，然后再次从地面发射完成下次在轨服务任务，如此往复，可完成多次任务。其单次任务周期可描述为：发射—待机轨道—机动至服务对象并进行服务—返回地面维护（等待下次发射）。
2) 多任务型OSV
多任务型OSV 通过一次发射入轨完成多次在轨服务任务。这种类型的OSV 完成多种任务的方式分为2种，为便于论述，笔者分别称之为MA 型OSV 和MB 型OSV 。
MA 型OSV 通过自身一次性携带较多的推进剂和补给品，以满足多次服务任务的需求，其第一次任务周期描述为：发射—待机轨道—机动至服务对象并进行服务—返回待机轨道待命（等待下次任务指令）。
MB 型OSV 需要有相应的在轨存储仓库或在轨服务站与之相配合完成服务任务。当接到服务任务指令后，OSV 根据任务需求机动至在轨存储仓库或服务站获取服务所需推进剂和补给品，然后再机动至服务对象进行服务操作，最后返回至待机轨道等待下次服务任务指令。在轨待命时间较长时，为了维护自身待命轨道保持的需求，OSV 可进行自主维护和补给。显然，这类OSV 与其它类型OSV 相比具有较高的机动性和智能化水平，是在轨服务飞行器未来的发展方向。MB 型OSV 的第一次任务周期可描述为：发射—在待机轨道待命—机动至在轨仓库或服务站获取服务所需补给品—机动至服务对象并进行服务—返回待机轨道待命（等待下次任务指令）。
OSV 分类
表1 OSV分类及特点对比
项目
多任务型
一次性OSV 可重复使用型OSV MA型OSV MB型OSV
发射
发射
发射 Æ 在待机轨道待命
发射 Æ 待机轨道
Æ 待机轨道 Æ 机动至在轨仓库或服务
Æ 待机轨道 Æ 机动至服务对象并进
Æ 机动至服务对象并站获取服务所需补给品
Æ 机动至服务对象并进行行服务
进行服务 Æ 机动至服务对象并进行
服务 Æ 返回待机轨道待命
Æ 返回地面维护（等待服务
Æ 回收、降级或遗弃 （等待下次任务指
下次发射） Æ 返回待机轨道待命（等待
令）
下次任务指令）
地面待命，随用随发
地面待命，随用随发（地基）在待机轨道待命（天基） 在待机轨道待命（天基）
（地基）
无补给 地面补给 无补给 在轨补给 否 是 否 否
机动灵活，智能化水平高，任
成本低，推进剂消耗低，服
机动性和智能化水平高。务灵活性高，应急性好，OSV
可重复使用，节约资源。务任务过程简单，可有针对
在轨待命，应急性好。 无需大的存储空间，结构轻
性地选择单一功能OSV 。
便，可自维护，方便多机组网。
推进剂消耗大，需要大的
任务周期较长，智能化水平任务周期较长，需要额外对机动性要求高，需要较复杂
空间储备多任务所需消
不高，机动性较低。 设计返回再入装置。 的配套在轨设施，操作复杂。
耗品。体积质量较大。
多用于试验和技术验证 实际应用初期，需求间隔任务间隔时间较短且任适用于各种任务需求，是实用阶段。 时间较长的情况。 务次数较少的情况。 系统的未来发展方向。
（下转第7页）
单任务型
任务
过程 描述
待命方式
OSV 补给类型
能否返回地面维护后再用
优势
不足 适用情况
第4期 程军伟，等：车辆装备维修工艺调度计划的优化模型
·7·
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[9] 宋爱国. 遥操作在轨维护卫星机器人[C]//863-7领域空
况。OSV 的分类并无明显界限，随着科技的发展，
间在轨服务技术研讨会文集. 北京: 国家高技术863-7
具备多种类型优点的综合型OSV 也将成为在轨服领域办公室, 2007: 67-71. 务系统的发展选择。 [10] 庞学亮, 王清. 高速飞行器背景磁场模型分析与改进
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该研究可为飞行器的总体设计理顺思路，提供支
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3 结束语
2011-04 兵工自动化
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3. 装备指挥技术学院 研究生院，北京 101416） 摘要：在轨服务飞行器（on -orbit service vehicle，OSV ）因功能多样、结构复杂、种类繁多而难以进行总体设计，为此，对其进行深入的技术分析。从服务需求和任务过程的要求出发，分析OSV 的主要功能需求，提出需要突破的关键技术；按照各分系统的不同功能，将OSV 分为平台和载荷2部分进行组成结构分析；按照OSV 功能多样化程度以及服务任务周期的特点，对OSV 进行分类研究。该研究可为OSV 的整体规划与总体设计提供技术支持。
关键词：在轨服务飞行器；功能需求；载荷；机械臂 中图分类号：V423.9 文献标志码：A
General Technology Analysis of On-Orbit Service Vehicle
Li Yan1, Cai Yuanwen2, Cui Xiaoyang3
(1. Dept. of Aerospace Equipment, Institute of Command & Technology of Equipment, Beijing 101416, China;
2. Dept. of Test Command, Institute of Command & Technology of Equipment, Beijing 101416, China; 3. College of Graduate, Institute of Command & Technology of Equipment, Beijing 101416, China) Abstract: It is difficult to carry out the overall design for on-orbit service vehicle (OSV) because of its multiple functions, complex structure and various categories. To solve the problem, the depth technical analysis should be carried out. According to the demand of servicing mission procedure, the main function of OSV is analyzed, and the key technology needing breakthrough is put forward. Based on the different function of subsystems, the structure of OSV is analyzed, which is divided into two parts: platform and load. The OSV classification is investigated according to the diversification and mission period characteristic. The function demand, key technology, component structure and classification of the OSV derived from this article provide necessary technical support, and point out a proper direction for the macro plan and gross design of the OSV system.
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0 引言
在轨服务飞行器（on -orbit service vehicle，OSV ）是一种新概念的智能航天器，专用于对服务对象实施在轨服务，是自主式在轨服务系统的核心[1]。在轨服务任务需求多样、过程复杂。为了自主完成服务任务，OSV 需要满足各种功能需求、突破多种关键技术，因而其结构相当复杂、类型多种多样，为其技术分析和总体设计带来了一定困难。笔者针对上述难题，对在轨服务飞行器的功能需求、关键技术、基本结构和主要类型等方面进行深入分析。
1 OSV的功能需求
OSV 是自主式在轨服务系统的核心。在轨服务任务的完成很大程度上依赖于OSV 服务功能（或能力）的实现。服务对象的各种需求和服务任务的执行过程对OSV 的功能提出了苛刻的要求。除一般在轨系统必备的功能（如：温度自动控制功能、防护功能、信息传输功能、三轴稳定功能等等）外，OSV
需要具备以下特殊功能（或能力）[24]：
1) 空间目标跟踪、探测与识别
能够对服务对象进行识别、跟踪和测量是在轨服务的前提之一，通过在一定范围内对服务对象进行搜索、捕获、跟踪、测量，为实现对目标的接近、伴飞或交会对接等操作提供必要条件。OSV 需要具备微波、红外、可见光、激光的探测和测量功能，具备多敏感器信息融合与处理能力等。
2) 轨道机动
主要指OSV 在轨机动至服务对象所在轨道，为在轨服务操作提供基本条件。主要包括：轨道机动规划能力、轨道机动动力学计算，机动过程中的制导、导航与控制，组合体轨道机动与动力学计算，先进的推进系统等。
3) 交会对接与绕飞、伴飞
空间交会对接与绕飞、伴飞是在轨服务的先决条件之一。只有通过交会对接，才能对服务对象实施补给、设备更新、维修等操作；通过绕飞或伴飞，
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收稿日期：2010-11-26；修回日期：2010-12-27 作者简介：李岩（1981—），男，河南人，博士，讲师，从事兵器发射理论与技术研究。
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第30卷
才能完成检测、成像观察等相关任务。交会对接功能的实现除了需要具备灵活的交会对接机械装置外，还需要许多技术支持，主要包括：自主交会策略及轨迹规划、交会对接测量、姿态测量与跟踪、视线制导和精细控制等。
4) 智能自主运行管理
要提高在轨服务系统的智能化水平，智能自主运行与管理是必须具备的功能。主要包括：OSV 自主任务规划与管理、OSV 自主决策、OSV 自主导航、航天器整体信息综合、航天器信息收集与处理、航天器实时状态监测以及航天器自主健康管理等。
5) 具备可灵活操控的机械臂
在轨服务很多工作需要机械臂的直接参与，所以OSV 必须具备可灵活控制的星载机械臂。这就要求OSV 具备变质心、变构型动力学控制功能、机械臂运动规划和协调控制功能等。
6) 适合遥操作
遥操作将人工智能引入在轨服务任务，以便能更灵活地操控机械臂等执行部件。需要OSV 适合于大时延遥操作、有效测控时间内和有限通信带宽下的遥操作，能够对力、位进行精细感知。
7) 其它功能要求
OSV 需要有足够的空间用于存储补给品和可更换单元（ORU ）；为实现流体补给，OSV 需要具备较通用的流体管路接口以适应多种服务对象的需求；而在轨更换或装配操作，则需要OSV 存储空间设计能配合机械臂对ORU 的存取；OSV 能够接受自身消耗品的在轨补给，如推进系统燃料和气瓶气体的在轨补给等。
究，利用星敏感器测量恒星星光在通过地球边缘大气层时所发生的折射间接得到地平的信息，由此确定卫星的轨道。俄罗斯还研制了基于雷达高度计的自主导航系统。此外，美国等还研究了基于地磁场测量的自主导航系统。
2) 自主交会对接技术
从技术发展角度看，交会对接（rendezvous and docking ，RVD ）技术将逐步向自主交会对接方向发展。所谓自主交会对接就是在无地面测控站的参与下，靠航天器本身的测控系统完成交会对接任务。其关键技术主要指交会对接过程的自主测量和控制技术。自主测量技术的研究主要以自动跟踪系统的设计以及测量系统的无盲区和抗干扰设计为主要方向。自主控制技术的研究主要考虑在控制系统中加入“智能”，把人的经验、规则融入到交会对接控制系统当中。常用的智能控制有：PID 控制、全系数自适应控制和模糊控制。
3) 微重力条件下的流体管理技术
流体管理主要指流体的传输和存储。传输技术包括流体泵设计、流体耦合（coupling ）、容器和流量传感器技术；存储技术则要求解决流体抗老化、抗辐射、抗低温和抗毁伤能力，同时注意污染最小化设计。
4) 低能耗推进技术
采用传统化学推进剂的飞行器，为了维持其在空间的飞行状态，必须携带大量燃料以及氧化剂，其质量占了很大比例，燃料利用率不高，限制有效载荷的扩展空间。离子推进技术是低能耗推进技术的主要研究方向。离子推进发动机的燃料利用效率是传统化学燃料发动机的10倍，是目前燃料利用效率最高的发动机。
5) 空间机器人技术 在研究OSV 机械臂系统运动策略时，可以将OSV 等效为空间机器人系统。NASA 的AERCam （自主舱外机器人照相机）在这方向上迈进了一步。欧洲航天局也尝试过在一个大型飞船上安装一个机器人操作器。日本发射的ETS （工程测试卫星）VII 也已经论证了许多有关在轨服务空间机器人的基础技术[9]。空间机器人技术研究的主要方向包括：传感器数据处理和数据融合技术、灵活的姿态监测和控制、集成的实时系统控制、高级人机接口（虚拟现实和远程可视技术）、制动器、控制器和传感器系统、空间环境智能评估以及集成数据库系统等。
2 OSV的关键技术
作为新概念的航天器系统，要实现OSV 的设计、制造和在轨自主运行需要突破许多关键技术，包括轨道机动交会、自主运行管理等支撑技术，也包括在轨加注、在轨更换模块等具体服务操作
-技术[510]。限于篇幅，笔者仅概述以下关键技术：
1) 全自主控制、导航技术
为满足卫星高精度导航的需求，美国、俄罗斯、法国等近期都研究和建立了基于无线电测距方法的卫星自主导航系统，其导航精度均达到几米的量级。其中，美国的麦氏自主导航系统利用敏感器获得的地球、太阳、月球在轨测量数据，实时确定航天器的轨道，同时确定航天器的三轴姿态，是完全意义上的自主系统。美法等国的星光折射法自主导航研
第4期
李岩，等：在轨服务飞行器总体技术分析
·3·
6) ORU相关技术
ORU 设计需要进行模块和接口的标准化和通用化设计，同时还要求ORU 的存储容器方便开闭，以便OSV 的机械臂对其进行存取和安装。根据人工在轨服务的成功经验，ORU 单元可以包括照相机、太阳帆板、磁力计、计算机、传感器、陀螺仪、固体存储器、反作用轮装置、绝缘材料和制冷系统等[10]，需要对相关单元进行在轨可更换改造。
3 OSV的组成结构
OSV 是一种新概念的航天器，它既具备一般航天器必须的各种分系统，又有适合于执行在轨服务操作的特殊装备（如图1）。与一般航天器系统相比，OSV 的显著特点是载荷设备更多样，功能更复杂，智能化水平更高，机动性更好。按照各分系统的功能不同，OSV 的组成分为平台和载荷2部分[11]。
轨道控制系统的总称，可简称为姿轨控分系统或控制系统。OSV 的控制系统具有制导、导航、控制的功能，又可称之为制导、导航和控制系统（guidance ，navigation and control system，简称GNC 系统）。
5) 推进分系统是为姿态控制和轨道控制提供动力的分系统。目前，在空间得到应用的航天器推进系统有冷气推进、固体推进、液体推进和电推进。新型的推进系统有太阳帆推进、离子推进、核推进和激光推进等，都处于研究或设想阶段。
6) 测控分系统是遥测、遥控和跟踪测轨分系统的总称。遥测系统用于采集OSV 各种仪器设备的工作参数，实时或延时发送给地面测控站，实现地面对OSV 的监视。遥控分系统用于接收地面遥控指令，直接或通过数据管理分系统传送给OSV 设备并执行，实现地面对OSV 的控制。跟踪测轨分系统用于协同地面测控站，测定OSV 运行的轨道参数，保持地面对OSV 的联系与控制。
7) 数据管理分系统用于储存各种程序，采集、处理数据以及协调管理OSV 各分系统工作。
8) 总体电路分系统用于OSV 的供配电、信号转接、火工装置管理和设备间电路连接。
载荷包括用于执行在轨服务操作的各种设备，如可灵活操控的机械臂、远程观测设备、测距设备、服务对象所需的补给品和ORU 等，可分为空间目标识别和探测分系统、对接机构分系统、机械臂及其控制分系统、补给品及其存储管理分系统等。
1) 空间目标识别和探测分系统用于在一定范围内对服务对象进行搜索、捕获、跟踪、测量，为实现其它服务操作提供前提。
2) 对接机构分系统用于实现OSV 与服务对象的连接和分离操作。大部分服务任务都需要用到对接机构来实现OSV 与目标间的刚性或柔性连接。对接机构一般包括传动缓冲、捕获、连接密封、结构与附件以及控制等子系统。
3) 机械臂/手及其控制系统用于完成复杂的在轨服务操作，如：在轨装配、在轨维修、在轨模块更换等。OSV 是机器人技术与航天器技术相结合的产物，机械臂/手的使用是OSV 区别于其它航天器的明显特征。
4) 补给品及其储存管理分系统用于储存和管理燃料和ORU 等补给品，精确记录补给品的用量、库存量，配合其它系统完成在轨加注和在轨模块更换任务。
图1 在轨服务飞行器的基本构型和部分装备
平台主要包括为载荷提供支持的保障分系统，为OSV 提供能源、温控和通信保障等。平台主要由结构与机构、热控、电源、姿态与轨道控制、推进、测控、数据管理、总体电路等分系统组成。
1) 结构与机构分系统用于支撑、固定OSV 上各种仪器设备，传递和承受载荷，并能保持飞行器完整性。OSV 结构可采用分舱段设计，如载荷舱、推进舱、补给品储备仓等，也可采用模块化设计。
2) 热控分系统用于控制OSV 内外热交换过程，使平衡温度处于要求范围内，也可称为温度控制分系统。
3) 电源分系统用于产生、存储、变换电能。OSV 可采用太阳能电池和蓄电池联合供电系统。
4) 姿态与轨道控制分系统是姿态控制系统和
·4·
兵工自动化
第30卷
4 OSV的分类
在轨服务飞行器的功能需求多种多样，按照OSV 功能多样化程度不同，可分为单一功能OSV 和多功能OSV 。单一功能的OSV 针对单一的服务类型或服务需求进行设计，完成单一的服务任务，如专门用于延长轨道寿命的CX -OLEV [12]飞行器。这类OSV 的结构简单，功能单一，是在轨服务系统在试验阶段和应用初期普遍采用的设计。多功能OSV 与单一功能OSV 相比，能完成更多的服务任务。这类OSV 结构更加复杂，功能更加多样，实用性更强，可以在系统实际运作阶段广泛应用。各国进行OSV 的研究和试验过程中往往侧重于这种多
--功能的设计，如Orbital Express[1315]和TECSAS [1619]等研究计划。
根据在轨服务飞行器任务周期特点，可将OSV 分为单任务型（single -mission ）OSV 和多任务型（multi -mission ）OSV 。
1) 单任务型OSV
单任务型OSV 是指通过一次发射入轨，仅能完成一次服务任务的OSV ，包括一次性OSV 和可重复使用OSV 。
一次性OSV ，完成任务后根据实际情况进行返回、降级或遗弃处理，其任务周期描述为：发射—待机轨道—机动至服务对象并进行服务—返回、降级或遗弃。
可重复使用OSV 与一般可重复使用的航天器（如航天飞机）一样，经过一次发射入轨完成一次服务任务后，可返回地面进行补给和维护，然后再次从地面发射完成下次在轨服务任务，如此往复，可完成多次任务。其单次任务周期可描述为：发射—待机轨道—机动至服务对象并进行服务—返回地面维护（等待下次发射）。
2) 多任务型OSV
多任务型OSV 通过一次发射入轨完成多次在轨服务任务。这种类型的OSV 完成多种任务的方式分为2种，为便于论述，笔者分别称之为MA 型OSV 和MB 型OSV 。
MA 型OSV 通过自身一次性携带较多的推进剂和补给品，以满足多次服务任务的需求，其第一次任务周期描述为：发射—待机轨道—机动至服务对象并进行服务—返回待机轨道待命（等待下次任务指令）。
MB 型OSV 需要有相应的在轨存储仓库或在轨服务站与之相配合完成服务任务。当接到服务任务指令后，OSV 根据任务需求机动至在轨存储仓库或服务站获取服务所需推进剂和补给品，然后再机动至服务对象进行服务操作，最后返回至待机轨道等待下次服务任务指令。在轨待命时间较长时，为了维护自身待命轨道保持的需求，OSV 可进行自主维护和补给。显然，这类OSV 与其它类型OSV 相比具有较高的机动性和智能化水平，是在轨服务飞行器未来的发展方向。MB 型OSV 的第一次任务周期可描述为：发射—在待机轨道待命—机动至在轨仓库或服务站获取服务所需补给品—机动至服务对象并进行服务—返回待机轨道待命（等待下次任务指令）。
OSV 分类
表1 OSV分类及特点对比
项目
多任务型
一次性OSV 可重复使用型OSV MA型OSV MB型OSV
发射
发射
发射 Æ 在待机轨道待命
发射 Æ 待机轨道
Æ 待机轨道 Æ 机动至在轨仓库或服务
Æ 待机轨道 Æ 机动至服务对象并进
Æ 机动至服务对象并站获取服务所需补给品
Æ 机动至服务对象并进行行服务
进行服务 Æ 机动至服务对象并进行
服务 Æ 返回待机轨道待命
Æ 返回地面维护（等待服务
Æ 回收、降级或遗弃 （等待下次任务指
下次发射） Æ 返回待机轨道待命（等待
令）
下次任务指令）
地面待命，随用随发
地面待命，随用随发（地基）在待机轨道待命（天基） 在待机轨道待命（天基）
（地基）
无补给 地面补给 无补给 在轨补给 否 是 否 否
机动灵活，智能化水平高，任
成本低，推进剂消耗低，服
机动性和智能化水平高。务灵活性高，应急性好，OSV
可重复使用，节约资源。务任务过程简单，可有针对
在轨待命，应急性好。 无需大的存储空间，结构轻
性地选择单一功能OSV 。
便，可自维护，方便多机组网。
推进剂消耗大，需要大的
任务周期较长，智能化水平任务周期较长，需要额外对机动性要求高，需要较复杂
空间储备多任务所需消
不高，机动性较低。 设计返回再入装置。 的配套在轨设施，操作复杂。
耗品。体积质量较大。
多用于试验和技术验证 实际应用初期，需求间隔任务间隔时间较短且任适用于各种任务需求，是实用阶段。 时间较长的情况。 务次数较少的情况。 系统的未来发展方向。
（下转第7页）
单任务型
任务
过程 描述
待命方式
OSV 补给类型
能否返回地面维护后再用
优势
不足 适用情况
第4期 程军伟，等：车辆装备维修工艺调度计划的优化模型
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间在轨服务技术研讨会文集. 北京: 国家高技术863-7
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