在轨服务与维护验证方法及系统与流程

本发明涉及一种在轨服务与维护验证方法及系统。

背景技术：

随着航天技术的飞速发展，在轨服务与维护成为了一个重要的发展方向，引起了国际社会的广泛关注。

在轨服务与维护技术是未来空间技术发展的一个重要领域，其目的在于保障我国空间资产稳定可靠运行，提升我国空间资产的综合使用效益。

在轨维修维护主要是为提升高价值立方星的使用价值，保护空间环境而采取的一系列技术手段，其主要任务包括：巡视检测、模块更换、辅助展开、在轨加注、控制接管、辅助变轨、碎片主动清除、在轨加工、在轨装配、在轨组装、在轨重构等，涉及的关键技术包括非合作目标识别与相对测量技术、机械臂及末端操作技术、在轨组装技术、在轨综合检测技术、飞网抓捕控制技术、在轨加注技术、在轨加工技术等。

在轨服务与维护涉及的关键技术多，世界主要航天国家长期以来对这些关键技术开展了大量专项技术研究、飞行试验和在轨应用，取得了大量突破和成果。从在轨服务与维护技术发展经验来看，相关关键技术的在轨验证通常从leo起步。载人航天器为在轨服务与维护提供了良好的技术验证平台。美国、俄罗斯等航天大国通过和平号空间站、国际空间站等的建设、运营，完成了在轨组装、在轨加注、在轨维修等多个类型在轨服务与维护技术的验证和应用。

从目前的技术来看，基本上是针对每个项目进行的单独试验，验证过程较为分散、琐碎，并没有一套完整且成熟的验证方案来进行在轨验证。并且，每个验证项目基本均依赖于空间站进行。若单独而分散的进行会极大地消耗时间且需要占用多次空间站资源，因此亟需一套完整且高效的验证技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种完整的在轨服务与维护验证方法及系统。

为实现上述发明目的，本发明提供一种在轨服务与维护验证方法及系统，方法包括以下步骤:

a.搭建试验环境，将在轨验证所需物资运输至地外空间站，利用载人航天系统已有资源和航天员灵活操控能力迅速搭建试验环境；

b.在空间站舱内对立方星模块形式的物资进行组装，并对其进行在轨综合检测；

c.将物资中的靶目标释放至空间站舱外，对其分别进行抵近观测试验和网捕试验。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(a)中，载人航天系统已有资源包括用于提供试验场地的空间站、用于观测的光学舱、用于运输货物的货运飞船、用于运输航天员的载人飞船和用于获取试验遥测数据的地面遥测模块；运输的物资包括以试验立方星的组成模块、靶目标卫星、在轨综合检测模块以及小卫星发射装置。航天员将试验立方星的组成模块布置到舱内的指定位置，然后将在轨综合检测模块和小卫星发射装置安装到空间站舱外载荷平台上，将靶目标卫星移动到舱外待发射。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(b)中，利用机械臂将试验立方星的组成模块组装为试验立方星，并通过航天员将其转移至舱外，再利用机械臂将其与在轨综合检测模块相连，对其进行在轨综合检测，从而验证在轨综合检测的可行性，并确认组装后的卫星状态是否正常，各项功能和性能是否符合要求设备间接口是否正确。

在轨综合检测项目包括：供电检查，确认供配电功能，以及星载设备加电后状态正常；功能匹配检查，确认设备之间软硬件接口交互正常；模飞测试，通过数字仿真、半物理仿真等方式，模拟在轨飞行的环境，开展全系统动态运行检测，确认飞行程序和控制系统设计的正确性；性能检查，确认天地链路及测控数传等功能正常。

在轨综合检测步骤是：由航天员直接操作，或在航天员监控下通过天地链路由地面操作，可以使用预制的自动化测试指令序列，也可以手动发送单条指令，指令包括遥控指令和测试环境设置指令。指令发送后，根据试验立方星反馈的遥测参数，以及在轨综合检测模块获取的检测数据，判读后检查指令结果是否符合预期。判读方法可以采用人工判读，也可以采用计算机自动化判读。当出现异常状态，或者指令与遥测反馈不符的情况时，由地面技术支持团队及设计人员进行分析处理，需要通过更改设备修复故障时，软件更改可通过数据通信方式在线更新，硬件更改可由航天员在轨操作实施。更改完成后再次进行在轨综合检测，确认更改有效。

在轨综合检测完成后，可确认试验立方星已具备在轨部署条件，利用机械臂将试验立方星放置在小卫星发射装置上待发射。

根据本发明的一个方面，在组装试验立方星和在轨综合检测过程中，由航天员实时监测，如此可以更全面清晰地了解试验过程，且便于及时评估试验效果和处理突发状况。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(c)中，通过更换试验立方星的组成模块中的载荷单元使其分别成为具备抵近观测和网捕能力的抵近观测立方星和飞网立方星。

根据本发明的一个方面，所述抵近观测试验为，先后将靶目标和抵近观测立方星从空间站舱外的小卫星发射装置上释放，抵近观测立方星对靶目标进行非合作目标自主交会和抵近观测。

根据本发明的一个方面，所述网捕试验为，将飞网立方星从空间站舱外的小卫星发射装置上释放，对靶目标进行飞网捕捉并将其拖拽回空间站。

根据本发明的一个方面，在进行抵近观测试验的过程中，利用地面遥测模块通过遥测对试验数据进行汇集与处理。

根据本发明的一个方面，抵近观测试验和网捕试验期间均由与空间站共轨的光学舱观测试验过程。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(c)中，所述网捕试验在所述抵近观测试验之后进行。

验证系统，包括运输单元、试验单元、评估单元和在轨操作单元；

所述运输单元包括：

货运飞船，用于将在轨验证所需物资上行运输至空间站；

所述在轨操作单元包括：

机械臂组，包括分别安装在空间站舱体内外的舱内机械臂和舱外机械臂；

小卫星发射装置，由所述运输单元运输至空间站，安装在空间站舱外；

所述评估单元包括：

地面遥测模块，用于汇集并处理抵近观测试验的试验数据；

光学舱，用于在地外空间观测抵近观测试验和网捕试验的过程，并将图像实时传送至空间站；

所述试验单元包括：

试验立方星和靶目标卫星；

在轨综合检测模块，用于对组装完成的试验立方星进行在轨综合检测。

根据本发明的一个方面，所述试验立方星由立方星平台单元和载荷单元，其通过更换载荷单元可演变为抵近观测立方星和飞网立方星。

由所述试验立方星演变的抵近观测立方星和飞网立方星与所述靶目标卫星在释放后处于同一轨道，且低于或高于所述光学舱所在轨道。

根据本发明的一个方面，所述运输单元还包括用于将航天员上行运输至空间站的载人飞船。

根据本发明的一个方案，首先利用货运飞船将物资上行运输至地外空间站，按实际情况利用载人飞船将航天员也一并上行运送。航天员将试验立方星的组成模块布置到舱内的指定位置，然后将在轨综合检测模块和小卫星发射装置安装到空间站舱外载荷平台上，同时也把靶目标卫星移动至舱外待发射，然后利用空间站舱内机械臂将以组成模块运送的试验立方星进行组装，并通过航天员将组装好的试验立方星移动至舱外，然后对试验立方星进行在轨综合检测，从而完成在轨组装及综合检测的验证。然后释放靶目标卫星，并通过更换试验立方星的载荷单元将其分别转换为抵近观测立方星和飞网立方星。也分别释放从而对靶目标卫星进行抵近观测和飞网捕捉，从而验证了非合作目标自主交会、抵近观测以及网捕。整个试验过程由与空间站共轨的光学舱观测，并由航天员进行实时监测，如此可以更全面清晰地了解试验过程，且便于及时评估试验效果和处理突发状况，抵近观测的试验数据由地面遥测模块进行汇集并处理。根据本发明的构思，由于抵近观测和网捕试验均依靠试验立方星完成，因此本验证方法先验证在轨组装和综合检测，而后再进行抵近观测和网捕试验。如此，在进行后续两种试验时，只需通过更换载荷单元即可使其具备抵近观测或飞网捕捉功能，如此采用立方星进行的一系列试验，相比于现有的单项试验，可以提高整个试验的效率。并且，本发明中，航天员参与搭建系统并实时监测，相比于目前没有航天员参与验证的在轨服务，可以进行一系列的技术验证，而非单一验证。

根据本发明的一个方案，将网捕试验设置在抵近观测试验之后进行，是由于网捕试验的理想结果为将靶目标卫星拖拽回空间站，因此使其作为为本方法最终试验项目，这样仅释放一次靶目标卫星即可，并且也同时完成了试验设备的回收。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性表示本发明的一种实施方式的验证方法的示意图；

图2示意性表示本发明的一种实施方式中试验环境搭建步骤的示意图；

图3示意性表示本发明的一种实施方式中在轨组装及在轨检测试验步骤的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

参见图1示出了本发明验证方法的示意图，本发明主要针对于在轨服务与维修技术的验证，其中包括了在轨组装、在轨综合检测、抵近观测以及网捕的验证。由于这些在轨服务或维修项目均需在轨完成，而为了提高验证的真实性和有效性，本发明对于这些项目的验证也均在轨完成。因此，本发明的验证方法的第一步即为搭建试验环境，首先将在轨验证所需的物资均通过货运飞船11运往地外空间站a(即图1中s1)。

本验证方法区别于传统的方法的特点是基于载人航天系统已有条件和资源，利用航天员灵活操控能力搭建验证环境，对多项在轨服务与维护技术进行一系列的验证。因此，如果当前空间站a内没有航天员b，则需在运送物资的同时利用载人飞船12将参与验证的航天员b一并运送至空间站a(即图1中s2)。本发明中，由于试验立方星为模块化设计，因此其在货运飞船11中的储存形式为组成模块。由航天员将货运飞船11所运送的物资中包含的试验立方星21的组成模块布置到舱内的指定位置(即图2中s3)，并将靶目标卫星22布置到舱外的指定位置，然后将在轨综合检测模块23和小卫星发射装置23安装到空间站舱外载荷平台上(即图2中s4)，以便开展后续试验。

在验证过程中，由于本发明的验证试验均依赖于试验立方星，因此本验证方法第三步即为针对试验立方星的在轨组装，这样后续验证可直接利用组装好的试验立方星开展即可，如此可提高试验效率。在轨组装的验证试验的主要过程就是将物资中的试验立方星21的组成模块进行组装，以便验证在轨组装的可行性。此步骤由空间站a舱内的机械臂在舱内进行组装，并且由航天员对组装试验进行实时监测和评估(即图3中s5)。在实践中，在轨组装完成后的设备需要进行综合检测，从而验证组装的准确性。而此综合检测的过程也需在轨完成，因此在轨组装试验的后续步骤为对组装好的试验立方星21进行综合检测，从而验证在轨综合检测的可行性。此时利用空间站a舱外的机械臂抓取在轨综合检测模块23并将其安装在空间站a舱外的在轨综合检测接口上，由此完成了在轨综合检测模块23与空间站a的连接(即图3中s6)。随后由航天员b将试验立方星21转移至空间站a舱外，利用舱外机械臂41b抓取试验立方星21并将其安装在在轨综合检测模块23上进行综合检测(即图3中s7)。并确认组装后的卫星状态是否正常，各项功能和性能是否符合要求，设备间接口是否正确。综合检测项目包括：供电检查，确认供配电功能以及星载设备加电后状态正常；功能匹配检查，确认设备之间软硬件接口交互正常；模飞测试，通过数字仿真或半物理仿真方式，模拟在轨飞行的环境，开展全系统动态运行检测，确认飞行程序和控制系统设计的正确性；性能检查，确认天地链路及测控数传正常。综合检测的步骤包括：由航天员直接操作或在航天员监控下通过天地链路由地面操作，使用预制的自动化测试指令序列或手动发送单条指令，指令包括遥控指令和测试环境设置指令；指令发送后，根据试验立方星反馈的遥测参数以及在轨综合检测模块获取的检测数据，判读后检查指令结果是否符合预期；判读方法采用人工判读或计算机自动化判读；当出现异常状态或者指令与遥测反馈不符的情况时，由地面技术支持团队及设计人员进行分析处理，需要通过更改设备修复故障时，软件更改通过数据通信方式在线更新，硬件更改由航天员在轨操作实施；更改完成后再次进行在轨综合检测，确认更改有效；检测完成后，确认试验立方星已具备在轨部署条件，利用机械臂将试验立方星放置在小卫星发射装置上待发射。由此可见，这一检测依赖于空间站a进行，主要利用空间站a并网供电、信息代传、舱段间备份和接管等已有设计资源即可，检测数据可传输至空间站a进行分析。

由上述试验过程即可完成对在轨组装及检测的验证，随后进行抵近观测试验和网捕试验。其中，抵近观测试验包括了非合作目标自主交会和抵近观测两个项目，意在验证能否对在轨飞行的天体进行抵近观测与自主交会。此步骤首先由上述小卫星发射装置42释放靶目标(即图1中s8)，本发明中的靶目标即为一个小立方星，作为非合作目标。进行抵近观测试验需要另一枚立方星支持，该立方星需具备自主交会和抵近观测的能力。本发明中，由于上述试验立方星21为模块化的立方星结构，因此只需更换其组成模块中的载荷单元21b即可使其演变为具备此验证功能的立方星----抵近观测立方星，图1中s9即为此立方星的释放示意，由于抵近观测立方星为试验立方星21的变形，因此未用其他附图标号表示。之后抵近观测立方星对靶目标进行非合作目标自主交会和抵近观测，完成对这两种技术的验证。整个试验的过程由光学舱32观测(即图1中s12)，并将观测图像传输至空间站，由航天进行实时监测，以便进行实时评估以及发生突发状况时的紧急处理，而试验中产生的相关数据由地面遥测模块31进行汇集和处理(即图1中s11)。

网捕试验的针对对象可以也为此靶目标，此试验的主要目的为利用飞网捕捉技术将在轨飞行的目标进行网捕并拖拽回空间站a，以便验证在轨目标存在缺陷时的回收工序。由此可知，此试验完成后会将靶目标拖回舱内，因此最好在上述抵近观测试验之后进行，从而无需再次释放靶目标，并且一并完成了立方星的回收工作。此试验中，利用了飞网立方星完成，同样，该立方星也可按照上述步骤，通过更换试验立方星21的载荷单元21b而形成。在重装完成后将其释放(即图1中s13)，也由其自主与靶目标交会并对靶目标进行网捕，直至将其拖拽回空间站a，从而验证了飞网抓捕操控技术。整个试验过程也由光学舱32观测(即图1中s15)。

由上述可知，本方法中分别完成了在轨组装、在轨综合检测、自主交会、抵近观测与网捕试验。而这几个项目在验证过程中确有交叉，例如在将试验立方星21通过更换载荷单元21b而重装为抵近观测立方星和飞网立方星的过程实际上也对在轨组装进行了进一步验证。而重装完成的两种立方星也可根据需要再进一步进行在轨综合检测，从而验证重装步骤的准确性。而上述方法均有航天员b参与的原因在于，一方面利用航天员灵活操控的能力迅速搭建复杂的试验环境，从而实现一次任务验证一系列技术，有利于降低成本；另一方面利用航天员监测和决策能力，实时评估试验效果和排除故障，有利于提高可靠性。而且上述方法利用载人航天系统已有的资源开展，不需要单独发射试验立方星，也有助于实现一次任务验证一系列技术和有利于降低试验成本。

本发明用于实现上述验证方法的验证系统中，包括了运输单元1、试验单元2、评估单元3和在轨操作单元4。其中，运输单元1的任务为将试验所需物资上行运输至空间站a。因此其包括了货运飞船11，当然按照上述，如果空间站a内并没有航天员b，则运输单元1还应包括载人飞船12从而将航天员一并运送至空间站a。可见，运输单元1即为一套完整的天地运输系统。试验单元2内涵盖了本发明上述需要运输的主要物资，其包括试验立方星21、靶目标卫星22、在轨综合检测模块23。其中的试验立方星21以组成模块的形式运送，以便后续的在轨组装试验。本发明中，试验立方星21包括立方星平台单元21a和载荷单元21b等，通过更换载荷单元21b可使其演变为抵近观测立方星和飞网立方星。靶目标卫星22作为本发明验证方法的靶目标，抵近观测试验和网捕试验均以该立方星为对象。在释放后，抵近观测立方星和飞网立方星均与靶目标卫星22处于同一轨道，这样便于试验的进行。在轨综合检测模块23主要功能为在空间站a的支持下对组装完成的试验立方星21进行在轨综合检测，因此，其上应具备与空间站a和试验立方星21连接的接口。如此，当在轨综合检测模块23与空间站a连接后，再将试验立方星21与该模块连接，即可对试验立方星21进行一系列在轨综合检测并将在轨检测数据传输至空间站a。

在轨操作单元4包括空间站a、机械臂组41和小卫星发射装置42。综上所述，本发明的验证方法依赖于空间站a完成，尤其是在轨组装和综合检测步骤，空间站a为这两种验证提供试验环境。因此空间站a舱外应设有在轨综合检测接口，从而与在轨综合检测模块23连接。而机械臂组41则安装在空间站a上，其包括分别安装在舱体内外的舱内机械臂41a和舱外机械臂41b。根据上述方法描述可知，舱内机械臂41a主要进行在轨组装验证，而舱外机械臂41b则操作进行舱外设备的抓取与连接。上述验证方法中的靶目标卫星22、抵近观测立方星和飞网立方星均由小卫星发射装置42释放，本发明中的小卫星发射装置42也作为物资由货运飞船11上行运输后安装到空间站a舱外。评估单元3包括地面遥测模块31和光学舱32，地面遥测模块31位于地面，用于汇集并处理抵近观测试验过程中的数据。而光学舱32位于地外空间，其用于观测抵近观测试验和网捕试验的试验过程。如图1所示，光学舱32与空间站共轨运行，有助于对低轨道或高轨道进行的抵近观测和网捕试验进行观测。

综合来讲，本发明的验证方法及系统提供了一套完整的验证方案，相比其它的技术验证方法，具有技术基础好、支持能力强、任务风险小、保障资源多、试验代价小、效率高且验证全面等优点。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。