AI+太空服务 | 在轨智能服务开启太空新经济

卫星售后服务

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在轨服务 图片来源：网络

在服务开始前，航天器还需要执行太空中的视觉识别、交会、对接、停泊等任务，这对于空间态势感知能力提出了很高要求。

我们在之前的文章中提到空间态势感知是太空环境管理的基础能力，的确，在轨服务依赖详细的空间态势感知信息，但在轨服务获得的空间物体数据也可以进一步提高空间态势感知的能力。

这些能力同样可以作用于非合作目标，甚至是敌对目标，因此被视为太空攻防中的重要能力。

太空战略能力

由于在轨服务具有商业、政治、军事多维度价值，近年来很多国家和地区都将其作为太空战略能力重点发展。

2020 年，美国国家航空航天局 （NASA） 启动了“在轨服务、组装和制造”（OSAM）国家倡议，旨在促进工业界、政府和学术界的合作，共同推进在轨服务技术研究，并且计划发射两颗OSAM试验卫星（不过由于研发延期与成本超支，2024年这一计划被迫终止）。

2022年，美国白宫科技政策办公室（OSTP）公布“国家太空服务、组装和制造”（ISAM）实施计划，提出要加快建立一个新的、多样化的、以市场为重点的自主可持续平台和资产生态系统，以改进利用空间和开展行动的方式。

我国在2022年1月发布的《2021中国的航天》中指出，中国将统筹推进空间环境治理体系建设，统筹做好航天器在轨维护、空间碎片减缓等工作，确保太空系统安全稳定有序运行。

欧盟更加关注空间可持续发展议题，在“地平线2020”计划中，提出了两个项目来支持在轨服务核心技术的研究和创新。此外，欧空局计划在2025年之前重点资助太空碎片清理技术研发及实施项目，在2030年之前重点资助在轨加油和组装，在2030年之后重点推进在轨翻新、回收和制造领域发展。

实际上，自从上个世纪90年代起，欧美和日本就已经开始进行在轨服务的技术验证，如今也出现了商业化应用案例。2020年2月5日，美国诺斯洛普·格鲁曼公司旗下太空物流公司（Space Logisitcs）发射的任务延寿飞行器-2（MEV-1），与该集团的IS-901 通信卫星成功对接，令这颗即将退役的卫星可以继续工作五年。

MEV-1靠近IS-901卫星并准备交会对接（远处金色的是目标卫星）

不过，在轨服务技术仍面临着不小的挑战。

1/ 自主性：人工智能技术应用

在轨服务需要很高的自主化能力。早期的航天器会合和对接程序是由宇航员手工执行的，对于无人航天器来说，由于通信延迟问题，完全远程控制航天器是不太可能的，因此航天器需要完全自主进行一系列操作。

人工智能技术可以发挥重要作用。在接近和检测阶段，任务卫星可以使用视觉摄像机对目标进行识别。深度学习算法也可以使用在地面上获得的数据进行训练，来处理相机图像并评估目标的功能和状态。

在对接阶段，人工智能技术可以解译态势感知数据，进行智能控制，避免在服务任务期间发生碰撞或事故。

人工智能还可在服务任务期间保护数据传输和星间通信。

2/ 机动性：动力系统

在轨服务意味着在具有风险的轨道上进行机动。在这些轨道中，航天器故障的原因并不明确。任务期间很有可能在接近和交会中发生碰撞，或者在对接过程中损坏系统。例如，当诺斯罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman）发射在轨延寿服务卫星MEV时，选择首先将目标卫星移至墓地轨道，以便对其进行对接和维修，避免与其他GEO卫星发生碰撞。

3/ 准确性：制导、导航和控制 （GNC）

航天器的制导、导航和控制（GNC）是在轨服务的关键技术，这包括航天器如何确定位置、方向并控制自身完成任务。尤其是在近距离操作中，不准确的GNC可能导致航天器的损坏和空间碎片的产生。在主动接近的过程中，目标可能会翻滚，这也使得定位变得更加困难，任务卫星必须与目标的旋转速率相匹配。

4/ 标准化：机械标准及数字化标准

目前，大多数在轨卫星不是为接受服务和牵引而设计的，这使得任务卫星可能无法与目标的机械系统和控制系统兼容。航天器标准化能够使更多的系统能够进行对接，也可以任务卫星一次提供多种服务，从而提高太空服务的成本效益。

人工智能技术应用

正如上文所述，人工智能技术在太空服务中能够发挥重要作用，越来越多的公司开始尝试基于人工智能技术构建业务能力并逐步开展在轨验证。

2020年，欧空局与瑞士初创公司“清洁太空”（ClearSpace）签订了一份总额为8600万欧元太空垃圾清理合同，计划于2025年发射首颗清理卫星ClearSpace-1。ClearSpace-1将使用人工智能摄像头来寻找碎片，并利用机械臂会抓住物体并将其拖回大气层，然后将其烧毁。

领导该项目的科学家马蒂厄·萨尔茨曼 (Mathieu Salzmann) 表示：“核心重点是开发深度学习算法，以便从视频序列中可靠地估计目标的 6D 姿态（三个旋转和三个平移）” 。

“清理太空”计划想象图 图片来源：ESA

美国太空初创公司“流浪者空间系统”（Rogue Space Systems）一直致力于开发用于卫星的在轨检查和维护的轨道机器人 (Orbots）。Orbots机群将由自研的人工智能感知观测平台（AESOP）提供支持，把Orbots引导到目标卫星附近，并自动做出决策，以确保任务安全开展。

2023年11月，“流浪者”公司成功发射了首颗技术验证卫星Barry-1，验证其边缘计算以及多传感器融合的实时数据处理能力，在由于电力系统问题与卫星失联之前，“流浪者”完成了一些对于计算平台的测试，但是无法继续开展其他既定任务。

这也可以看出航天技术的研发往往要经过漫长艰难的测试验证过程，也从另一个角度体现了在轨维修检查的价值。

技术验证卫星Barry-1及边缘计算平台SCP-1

图片来源：Rogue Space Systems

随着航天技术的发展与卫星产业的爆发，全新的太空产业生态正在形成，这是一个充满可能性和不确定性的领域，太空在轨服务只是正在被探索的一个角落，未来存在广阔的想象空间。

我们将持续跟进太空服务的新业态、新技术，关注AI与航天的融合应用，敬请期待！