假設(shè)你管理著一個非常龐大的復(fù)雜系統(tǒng)。也許是一架飛機、一幢建筑物或是一個通信網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)價值超過5億美元。你能想象到你將會被告知永遠不會有機會對它進行維護嗎？也就是說，它一旦運行，將永遠不能被檢查、修復(fù)或升級硬件？●歡迎來到衛(wèi)星制造的世界。衛(wèi)星發(fā)射后，便會走向失修和過時的終點，這是一個單向旅程，沒人能改變它的歸宿。故障（在空間領(lǐng)域被稱為異常）只能依據(jù)數(shù)據(jù)和推理來遠程診斷。軟件修復(fù)和升級或許可以實現(xiàn)，但大多數(shù)機械異常無法被校正。硬件無法更換意味著，即便衛(wèi)星運行良好，在其通常為15年的壽命周期中，也有可能剛過幾年就喪失最佳狀態(tài)。●這是一大損失。目前，300多顆商業(yè)衛(wèi)星正從距離地球表面約3.6萬公里的地球同步軌道上提供電視、無線電、數(shù)據(jù)傳輸、天氣和電話信號。幾十個政府衛(wèi)星也在那里。每顆衛(wèi)星需花費數(shù)億美元建造和發(fā)射。如果政府和私營公司可以主動修復(fù)和改裝其在地球同步軌道中的衛(wèi)星，并根據(jù)需要將它們移動到新的軌道，就可以拓寬資金的流向，并將建造和發(fā)射替換衛(wèi)星的花費大大延期。 

可以肯定的是，人們已經(jīng)可以實現(xiàn)這樣的“維修服務(wù)”工作了。過去，宇航員們需要捕獲軌道衛(wèi)星以進行操作——例如通過一系列航天飛行任務(wù)來修理和升級哈勃太空望遠鏡。但這些行動只在距離地球幾千公里的低地球軌道上執(zhí)行，并且每個任務(wù)都可能使宇航員命懸一線。將人類送到地球同步軌道會面臨更大的風(fēng)險，因為他們將遭受來自太陽粒子和宇宙射線的更強烈的輻射。

總之，如果我們希望使衛(wèi)星修復(fù)任務(wù)經(jīng)濟、安全，又符合常規(guī)，我們就不得不求助于機器人，即建造裝有精巧機械臂的航天器，并使它們可以自己執(zhí)行一系列精細的操作。

構(gòu)建這種衛(wèi)星維修機器人的想法已是老生常談，而目前這個想法終于有望實現(xiàn)了。我們現(xiàn)在正在執(zhí)行一個由美國國防部高級研究計劃局（DARPA）發(fā)起的項目，開發(fā)一種服務(wù)于航天器的機器人，用于維修那些設(shè)計時不曾考慮后續(xù)維修的衛(wèi)星，目前這些衛(wèi)星幾乎全部在軌。這種公私合作關(guān)系——地球同步衛(wèi)星機器人維修（RSGS）計劃——的基礎(chǔ)是美國國防部高級研究計劃局（本文作者Roesler在此工作）和美國海軍研究實驗室（本文作者Jaffe和Henshaw在此工作）近10年的工作以及世界各地的大學(xué)研究人員和空間機構(gòu)的努力。

當?shù)厍蛲叫l(wèi)星機器人維修計劃在2020年左右啟動時，我們將能夠與衛(wèi)星所有者合作，將地球同步軌道衛(wèi)星移動到新軌道，修復(fù)被卡住的太陽能電池板，并執(zhí)行其他幾個重要任務(wù)。NASA計劃在約同一時間獨立啟動一個名為Restore-L的機器人任務(wù)，目的是為一顆政府所有的低軌衛(wèi)星補充燃料和重置軌道。

如果取得成功，這兩個任務(wù)將超越太空中自動化和機器人操作的極限。這可能是空間建設(shè)項目的第一步，例如可以將能量反射回地球的巨型太陽能陣列、能夠搜尋小行星和引開那些對地球構(gòu)成危險的小行星的機器人，以及能徹底改變我們翱翔宇宙的方式、取得顛覆性成果的其他應(yīng)用。 

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空間機器人維修的發(fā)展面臨一個經(jīng)典的雞和蛋的問題：衛(wèi)星原本的設(shè)計并沒考慮對其進行后續(xù)維護，因為沒有與之配合的空間維修機器人；但那時也沒有人會建造空間維修機器人，因為沒有需要進行維護的衛(wèi)星。

這種情況持續(xù)了幾十年，主要原因是使用機器人來維護衛(wèi)星的確是個難題。衛(wèi)星建造時重量要盡可能輕，以降低發(fā)射成本。此外，系統(tǒng)被緊密集成在一起也是出于相同的原因。即使在工廠中，要打開一個組裝完成的航天器更換一個部件也并非易事。

即便在衛(wèi)星上進行最基本的操作，機器人維修車也需要面對極端條件，并操縱非常昂貴且易碎的裝置。其中包括高強度的輻射、變化劇烈的溫度和光照，以及使遠程控制復(fù)雜度急劇升高的時間延遲問題。難上加難的是，機器人稍有疏忽地輕觸就能使物體在這種無引力、無摩擦的環(huán)境中旋轉(zhuǎn)著飛走。

為了操作成功，機器人維修工的電子和機械系統(tǒng)必須要準確無誤地運行，因為計算機死機或電機故障都可能會損壞需要修復(fù)的衛(wèi)星。機器人必須有足夠的機載智能，以便知道如何避免無意中用手臂打到自己或撞到航天器。必須精確地控制機械臂的位置及其施加的力度。最重要的是，機器人維修工應(yīng)能理解任務(wù)在何種狀況下進展順利，什么時候不順利，以及應(yīng)該做出什么樣的反應(yīng)。

即使在地球上的實驗室里，這些標準也極具挑戰(zhàn)性，但機器人專家已經(jīng)取得了巨大進步，正在向滿足這些標準前進。首次空間示范是在20世紀90年代末，日本飛行實驗室完成了一個被稱為工程測試衛(wèi)星VII（ETS-VII）的實驗。2007年，美國進行了更加雄心勃勃的在軌實驗，即美國國防部高級研究計劃局的軌道快車（OrbitalExpress）計劃。工程測試衛(wèi)星VII實驗表明，維修機器人可以自主地與另一顆衛(wèi)星會合并對接。此外，軌道快車計劃還展示了燃料和組件傳遞。但是工程測試衛(wèi)星VII實驗和軌道快車計劃都沒有解決雞和蛋的問題。這兩項任務(wù)都發(fā)射了兩個航天器——維修車和客戶端衛(wèi)星——每個客戶端的設(shè)計都與維修機器人的硬件匹配。

這兩次示范任務(wù)頗具效果，但還不足以說服衛(wèi)星制造商改變設(shè)計，使衛(wèi)星與機器人服務(wù)兼容（當然，現(xiàn)有衛(wèi)星是沒法參與改變的）。于是，在2002年，美國國防部高級研究計劃局著手應(yīng)對另外一個問題：對于我們?nèi)缃襁@些不兼容維修機器人的衛(wèi)星，它們有什么用處？為了協(xié)助找到答案，該機構(gòu)贊助了位于美國加州帕薩迪納的NASA噴氣推進實驗室，以及美國海軍研究實驗室(位于華盛頓)下屬的海軍中心空間技術(shù)站（NCST）的研究，海軍中心空間技術(shù)站是美國最早從事衛(wèi)星設(shè)計和測試的機構(gòu)，并將該工作持續(xù)至今。

一項名為“營救衛(wèi)星”（RescueSat）的研究考慮了一種較為普遍的情況，也就是火箭或電機故障導(dǎo)致衛(wèi)星在太空中未能到達預(yù)定軌道。營救衛(wèi)星研究項目表明，機器人維修至少可以解決一個問題：抓住衛(wèi)星的過程，或者說是“錨固”過程中的問題。每顆衛(wèi)星都有一個與助推器相連的裝置。發(fā)射后不久，助推器與衛(wèi)星分離。分離后，衛(wèi)星會留下一些外露的堅固大鋁環(huán)和螺栓孔，維修機器人的機械臂可以輕而易舉地抓住它們。這樣，機器人可以使兩個獨立移動的衛(wèi)星形成一個精確的雙衛(wèi)星集，在維護期間保持穩(wěn)定。

如果維修機器人利用暴露在外的助推器附件抓住衛(wèi)星，就應(yīng)該能夠推動衛(wèi)星，使其移動到新的軌道。但這種未經(jīng)確證的說法還不足以說服衛(wèi)星所有者允許維修車接近他們的航天器。因此，營救衛(wèi)星項目隨后又進行了另一項名為通用軌道修正航天器（SUMO）的研究，用真正的硬件（包括一對市售機械臂）測試該方法。這次試驗利用了在海軍中心空間技術(shù)站新建的設(shè)施。在設(shè)施內(nèi)，計算機控制的起重系統(tǒng)可以像在軌道中一樣移動測試衛(wèi)星。該系統(tǒng)使工程師得以用真實的軌道運行力學(xué)模擬會合操作，通過推進器加速或減速也可以把航天器推入新的軌道。

通用軌道修正航天器測試的側(cè)重點是自主性，這可能是機器人維修面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)。由于數(shù)據(jù)處理延遲，來自地球同步軌道衛(wèi)星的圖片可能需要幾秒鐘才能到達地面，指令也需要相同的時間才能傳回衛(wèi)星。這種延遲使遠程操作相當困難，甚至是危險的。因此在某些時候，例如在維修車接近衛(wèi)星的最后幾米內(nèi)，維修車應(yīng)可以控制自己——如果有什么看起來不對勁，維修車應(yīng)能夠中止行動。

到2005年，通用軌道修正航天器的研究表明，使用自動化軟件的維修機器人有望安全可靠地接近和抓住另一顆衛(wèi)星。這是一個很好的概念驗證項目。但要獲得更逼真的模擬結(jié)果，我們需要測試機械臂的飛行質(zhì)量，看它是否足夠堅固，能否處理兩個數(shù)噸重的在軌對象的對接。因此，在2005年，美國國防部高級研究計劃局選擇了曾為NASA“好奇號”探測器構(gòu)建機械臂的聯(lián)盟空間系統(tǒng)公司（AllianceSpacesystems，位于加州），令其在“近期能演示驗證的前端機器人技術(shù)”（FREND，以下簡稱前端機器人）項目中建造飛行原型。

前端機器人機械臂于2008年構(gòu)建完成，它通過了硬件在空間飛行所需的嚴格測試。它使海軍中心空間技術(shù)站的團隊能夠在模擬太空的條件下，利用模擬設(shè)施進行更真實的試驗，測試會合和捕捉的過程。

一個需要模擬和解決的困難因素是照明。衛(wèi)星的許多部分覆蓋有熱毯，熱毯可以由諸如鍍鋁聚酯薄膜的材料制成，與制造救援毯的材料相同。在太陽光照射下，一些航天器零件可能會“閃爍反光”。機器視覺技術(shù)可用來處理相機圖像，但在太空中的高反射、高動態(tài)范圍條件下實施就相當具有挑戰(zhàn)性，光照因素可能導(dǎo)致航天器高估或低估距離。與其試圖在軟件角度解決這個問題，不如利用激光測距傳感器來克服這種影響。

另一個問題是處理能力。空間適用的計算機通常比當前先進的技術(shù)水平落后好幾代。但是在通用軌道修正航天器和前端機器人項目期間，我們在那些慢得多的CPU上實現(xiàn)了一切機器人所需的自主性，并實施、部署了機器視覺和控制軟件，而且可以保證這些較慢的系統(tǒng)安全地協(xié)同工作。

你可能幾年前已經(jīng)聽說過衛(wèi)星維修了。在前端機器人項目完成后，DARPA開始了一個名為“鳳凰”的計劃，該計劃旨在研究從“死”衛(wèi)星收集大型天線的可能性，并通過附接電子和推進模塊賦予它們新的生命。這個非常有吸引力的想法將使有效利用“空間垃圾”邁出第一步。但是最終，美國國防部高級研究計劃局認為為地球同步軌道中的“活”衛(wèi)星提供服務(wù)，能比整修已經(jīng)停用的航天器獲得更高的收益。盡管如此，鳳凰計劃開發(fā)的工具和技術(shù)是可以被用于地球同步衛(wèi)星機器人維修任務(wù)的。該任務(wù)的目的是為商業(yè)和軍事衛(wèi)星運營商提供廣泛的服務(wù)，以延長現(xiàn)有衛(wèi)星的壽命。 

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我們將把從之前項目中得到的一切經(jīng)驗都用于地球同步衛(wèi)星機器人維修計劃。一家商業(yè)服務(wù)提供商將建造航天器“總線”——航天器的基座，它能夠提供電力，并處理與地面的通信。美國海軍研究實驗室將組裝和測試其有效載荷。這個有效載荷將包括一個用于遠距離瞄準的激光測距系統(tǒng)、十幾個攝像機、末端帶有許多照相機的兩條機械臂、100多個電路板，以及一個機械臂可以調(diào)換的工具包（像多頭螺絲刀一樣）。機械臂（每個重88公斤，長2.3米）是前端機器人技術(shù)支持近期示范機械臂的改進版。帕薩迪納市的前端機器人項目團隊現(xiàn)在是麥克唐納?迪特維利聯(lián)合有限公司的子公司，為航天飛機和國際空間站建造機械臂。

地球同步衛(wèi)星機器人維修計劃將針對地球同步軌道，由于地球同步軌道接近一個單平面，地球同步衛(wèi)星機器人維修車將能夠在其計劃的5～8年的壽命期間訪問幾十顆衛(wèi)星。

航天器不能打開那些緊密封裝的衛(wèi)星以換出故障電路板和重置插頭。但它可以幫助糾正一些常見的機械問題，例如通過使用其中一個機械臂抓住衛(wèi)星，用另一個輕輕地調(diào)整和“拆開”太陽能電池板或天線。這些附件在發(fā)射時合攏在一起，到達太空之后展開。可一旦兩三年后有一條天線或太陽能板不能正常展開，一個花費數(shù)億美元的任務(wù)也就前功盡棄了。

這些都是精細的操作。天線和太陽能電池板都被設(shè)計得盡可能輕，事實上，航天器太陽能電池板組件甚至不足以在重力條件下承受自身的重力。因此，為了確保機器人足夠柔和地操縱客戶端航天器部件而不損壞它們，我們應(yīng)用了一種被稱為順應(yīng)性控制的技術(shù)。該技術(shù)通過持續(xù)測量機械臂所施加的力度，并命令機器人關(guān)節(jié)做出適當?shù)捻憫?yīng)，使機械臂施加的力始終保持在安全余量內(nèi)。

這種反饋在太空中的重要性不言而喻。巨大的溫差變化可以改變機械臂的數(shù)十個參數(shù)，包括剛度和摩擦系數(shù)。在當前設(shè)計中，地球同步衛(wèi)星機器人臂將推動安裝在維修車外部的小彈簧，借此在整個任務(wù)中對臂力和扭矩傳感器進行多次校準。

通用軌道修正航天器的另一項有價值的服務(wù)是將客戶衛(wèi)星推到新的軌道，我們正在對此進行探索。如果衛(wèi)星沒有到達預(yù)定軌道，這一服務(wù)可以將其送到那里，或幫助衛(wèi)星改變現(xiàn)有的軌道，以節(jié)省航天器攜帶的燃料。地球同步衛(wèi)星機器人維修計劃的重新定位能力也可在衛(wèi)星生命結(jié)束時發(fā)揮作用，將停用的衛(wèi)星移動到地球同步軌道上方約300公里，以確保有用的軌道不會被非運轉(zhuǎn)衛(wèi)星填滿，避免廢用衛(wèi)星與其他衛(wèi)星碰撞而產(chǎn)生空間碎片。因為維修車可以負責(zé)把衛(wèi)星轉(zhuǎn)移到外部“墓地”軌道，快“死”的衛(wèi)星就可以利用其最后的燃料進行常規(guī)操作來少許延長衛(wèi)星的壽命。

地球同步衛(wèi)星機器人維修計劃所開發(fā)的一個特別令人興奮的能力是能將新的小型有效載荷附加到操作衛(wèi)星上。這些模塊需要攜帶自己的電力和通信設(shè)備，但它們可以借助衛(wèi)星的定位和推進能力，以保持處在正確的軌道并指向正確的方向。

由于通信延遲以及地面操作人員分析航天器的位置和其他因素所需的時間，試圖通過遙控來操縱這些活動不切實際，而且存在潛在的危險。因此，我們期望地球同步衛(wèi)星機器人維修計劃將人為和自主操作結(jié)合起來，即監(jiān)督自主。人始終參與和監(jiān)控地球同步衛(wèi)星機器人的活動，但是對于諸如抓取等某些關(guān)鍵任務(wù)，航天器可針對意外情況獨自做出決定，選擇執(zhí)行預(yù)先指令規(guī)定動作，或是在完全自主模式下操作。

地球同步衛(wèi)星機器人維修計劃的工程師仍在開發(fā)這項功能，并希望在未來幾年內(nèi)進行更多的測試。包括開發(fā)控制維修車所需的自載軟件，預(yù)計將會運行大約100萬行代碼——對航天器來說，這并非前所未見，但絕對超過一般衛(wèi)星。 

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從長期來看，地球同步衛(wèi)星機器人維修計劃和NASA的Restore-L項目正在研發(fā)的空間機器人，其能力將大大拓展，不僅限于維護現(xiàn)有衛(wèi)星。如今，對于單衛(wèi)星、單發(fā)射而言，大量的精力都花費在尋找最大化反射鏡和天線尺寸的復(fù)雜（有時卻不甚可靠）機制方面。但一個靈巧、有能力的空間機器人可以在太空中組裝來自多次發(fā)射的零部件，以構(gòu)造天線及其他尺寸巨大的結(jié)構(gòu)。

軌道機器人可以建造更大和更靈敏的無線電天線，來提高雷達成像的靈敏度和通信速度。這可能是地球觀測衛(wèi)星和天文望遠鏡的福音。

我們甚至可以幫助解決地球上不斷增長的能源需求。幾乎所有的航天器都通過太陽能電池板獲取能量。如果我們可以將太陽能電池板的面積增加到原來的1000倍甚至100萬倍，并通過微波將能量傳送到地球，我們就可以創(chuàng)造一個清潔、恒定和可在全球傳輸?shù)男碌哪芰縼碓矗ㄒ私飧啵斠姳究?014年5月文章《太空總是陽光普照》）。由于最近太空探索技術(shù)公司和藍色起源公司在回收昂貴的助推器上所取得的成功，以及模塊化和大規(guī)模生產(chǎn)空間組件的不斷發(fā)展，這一想法開始看起來更具經(jīng)濟可行性。

在更遠的未來，機器人的搭建能力還可以用于創(chuàng)建太空基礎(chǔ)設(shè)施，例如加油站、太空制造工廠、空間旅游綜合體和小行星采礦站。可以移動衛(wèi)星的此類機器人還可以移除空間碎片，幫助保持地球周圍的空間環(huán)境安全。有一天，這方面的工作甚至可以讓航天器具備移動小行星的能力，以避免其與地球發(fā)生碰撞。

要想看到數(shù)十臺機器人在太空中工作，可能還需要幾十年的時間。但在5年內(nèi)，我們預(yù)計將有一些在軌系統(tǒng)能展示出這些更深遠的能力所需的自主性、靈巧性和精細度。實現(xiàn)這些愿望需要克服許多技術(shù)上和經(jīng)濟上的障礙。但是如果地球同步衛(wèi)星機器人維修計劃能夠完成在地球同步軌道上的自主維修任務(wù)，它將向衛(wèi)星所有者傳遞這樣一個信息：一場全新的機器人革命將在遙遠的太空發(fā)生。

作者：Gordon Roesler,Paul Jaffe,Glen Henshaw

本文僅代表作者個人觀點，不代表美國國防部高級研究計劃局、美國海軍研究實驗室或美國國防部。