DARPA制定全球首套無人在軌服務(wù)標準

賈平（中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

2019年2月，由美國國防高級研究計劃局（DARPA）招標組建的交會與服務(wù)操作執(zhí)行聯(lián)盟（CONFERS）發(fā)布了無人在軌服務(wù)《設(shè)計與操作實踐建議》文件，用于支持制定有望于2019年發(fā)布的、全球首套無人在軌交會與服務(wù)操作相關(guān)技術(shù)和安全標準。制定該標準在一定程度上反映了美國軍方積極推動在軌服務(wù)系統(tǒng)發(fā)展，謀求利用商業(yè)力量發(fā)展太空控制能力的戰(zhàn)略意圖。

1 背景和目的

近年來，越來越多的政府研究機構(gòu)和私營公司開展了在軌服務(wù)及其操作技術(shù)研究，以延長在軌航天器的運行壽命，大幅降低任務(wù)成本。多個在軌服務(wù)項目即將于2020年左右進入在軌驗證或商業(yè)應(yīng)用階段。其中，美國軌道-ATK公司的“任務(wù)擴展飛行器”計劃2019年入軌，通過接管目標航天器推進系統(tǒng)功能的方式提供服務(wù)，有望成為全球首個商業(yè)在軌服務(wù)系統(tǒng)；美國國家航空航天局（NASA）的復(fù)元-L（Restore-L）服務(wù)航天器將于2020年發(fā)射，在近地軌道為陸地衛(wèi)星－7（Landsat-7）提供推進劑加注服務(wù)；DARPA牽頭的“地球同步軌道衛(wèi)星機器人服務(wù)”（RSGS）項目計劃2021年在軌驗證排除機械故障、輔助變軌、安裝附加有效載荷等技術(shù)，將采取公私合作關(guān)系（PPP）方式運行服務(wù)航天器。

在軌服務(wù)相關(guān)交會逼近、快速機動和精確操作技術(shù)，既可用于輔助變軌、維修在軌航天器和為其加注推進劑，也具有主動撞擊、拆卸破壞等太空對抗?jié)摿ΑＲ蚨?，如不通過政策、法規(guī)或標準等加以約束，服務(wù)航天器就有可能與他國航天器發(fā)生意外碰撞，造成外交沖突，或被用于主動攻擊他國航天資產(chǎn)，造成軍事沖突。此外，如不通過標準和規(guī)范等加以統(tǒng)一，相關(guān)技術(shù)或應(yīng)用的推廣將會較難，或由少數(shù)機構(gòu)強制推行，會導(dǎo)致行業(yè)壟斷，不利于其可持續(xù)發(fā)展。但國際和各國政府尚未系統(tǒng)性地對其運營許可、服務(wù)范圍、行為約束、技術(shù)安全標準等方面做出明確的規(guī)定。

綜上，制定技術(shù)標準和安全管理標準勢在必行。DARPA提出通過制定該標準達到以下目的：一是規(guī)范在軌服務(wù)操作，維護軌道交通安全；二是使美國參與的國際商業(yè)在軌服務(wù)活動透明化，降低外交風險；三是為投資運營方、潛在客戶和其他利益相關(guān)方提供經(jīng)濟和安全保障，推動商業(yè)化發(fā)展；四是使政府對商業(yè)任務(wù)授權(quán)管理流程化，降低審查冗余復(fù)雜性和監(jiān)管難度。

2 基本情況

該標準針對在軌交會與逼近、服務(wù)航天器設(shè)計及其操作技術(shù)和行為等進行規(guī)范。由DARPA組建基礎(chǔ)上，以論壇討論形式研究制定，具有共識性，無法律約束力。標準制定完成后，美國擬與聯(lián)合國外空和平利用委員會等國際機構(gòu)共享并推廣。

標準的主要內(nèi)容

標準主要內(nèi)容是與商業(yè)服務(wù)活動相關(guān)的在軌交會與逼近，以及太空機器人服務(wù)操作技術(shù)和行為。目前主要涉及但不限于以下方面：一是航天器界面和設(shè)計，以增加安全性、生存性和交互操作性；二是實際操作，以規(guī)范交會逼近和在軌操作的行為；三是數(shù)據(jù)交換和共享，使提供服務(wù)的公司與客戶（包括政府）實現(xiàn)信息共享；四是建立信任機制，以降低客戶對操作服務(wù)具有軍民兩用特性的誤解和擔憂。

CONFERS于2018年4月發(fā)表的一份指南文件草案——《衛(wèi)星服務(wù)安全框架技術(shù)和操作指南文件》，對標準框架和要素提出了指導(dǎo)性意見：一是相關(guān)術(shù)語定義；二是服務(wù)航天器設(shè)計、任務(wù)規(guī)劃和準備，航天器設(shè)計方面涉及傳感器套件設(shè)計與校準、導(dǎo)航/制導(dǎo)與控制系統(tǒng)、自主故障探測與系統(tǒng)安全軟件設(shè)計理念、對接和抓捕機制等內(nèi)容，任務(wù)規(guī)劃和準備方面包括通知協(xié)議、無線電頻譜管理等；三是服務(wù)航天器在12個任務(wù)階段所涉及的操作，12個階段包括發(fā)射、交會、逼近操作、服務(wù)操作、壽命結(jié)束離軌等；四是供服務(wù)商參考的服務(wù)任務(wù)安全建議，防止出現(xiàn)在軌異常、向客戶證明任務(wù)安全性，以及滿足許可證申請要求。

組織管理和制定形式

該標準由CONFERS匯聚來自政府和非盈利組織、合資公司、行業(yè)協(xié)會等航天專家，以論壇討論形式研究制定。CONFERS將逐步從政府資助機構(gòu)轉(zhuǎn)化為自籌資金運營的組織。

（1）組織管理

DARPA從提案者中選定秘書處作為組織和執(zhí)行者。秘書處主要負責制定認證CONFERS成員的過程和方法；通過與CONFERS成員中的領(lǐng)域?qū)＜医涣?，獲取并研究相關(guān)實踐經(jīng)驗和方法；制定知識產(chǎn)權(quán)保護計劃；選擇有資格的標準制定組織機構(gòu)編撰標準文件并發(fā)布；負責安排總體進程等工作；制定詳細財務(wù)計劃。

（2）制定形式

秘書處將CONFERS作為論壇管理機構(gòu)，通過會議討論方式研究制定標準，根據(jù)參與機構(gòu)不同，會議分4種：一是美國標準度量（USG）核心會議，僅限USG成員討論內(nèi)部技術(shù)和政策問題，將基于共享知識和技術(shù)達成內(nèi)部共識；二是USG與私營機構(gòu)一對一會議，探討私營機構(gòu)的商業(yè)計劃和方法，以及知識產(chǎn)權(quán)保護問題；三是CONFERS成員大會，該大會是由USG核心會議成員和由秘書處選出的私營機構(gòu)參加的多邊會議，是CONFERS的工作核心，CONFERS主要通過該會議制定標準；四是開放性會議，每年舉行一次，任何非CONFERS成員均可參加討論進展與新任務(wù)。

進程安排與進展

（1）進程安排

按照DARPA發(fā)布的公告，CONFERS工作進程安排如下。第一年，CONFERS將在召開USG與私營機構(gòu)一對一會議后，確定成員資格，并召開USG與主要成員的多邊會議；發(fā)布首版草案；召開首次CONFERS成員大會/開放性論壇；發(fā)布首版修正標準，主要涉及在軌交會和逼近操作。第二年，將召開第二次CONFERS成員大會和開放性論壇，發(fā)布補充關(guān)于機器人在軌服務(wù)內(nèi)容的第二版標準。第三、四年，召開第三、四次CONFERS成員大會和開放性論壇，從預(yù)計于2020年左右開展的商業(yè)在軌服務(wù)任務(wù)中吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，納入屆時可能研究出的新技術(shù)和新技能；發(fā)布第三、四版標準；最后將CONFERS完全交由私營機構(gòu)資助和運營。

（2）進展情況

CONFERS已組建完畢，發(fā)布了指南文件草案并召開了多次研討會，已發(fā)布《衛(wèi)星服務(wù)安全框架技術(shù)和操作指南文件》草案、《設(shè)計與操作實踐建議》文件。

3 幾點分析

無人在軌操作技術(shù)有望創(chuàng)造較大商業(yè)價值，且具有軍民兩用性，其廣泛應(yīng)用是大勢所趨。制定相關(guān)操作標準，除了像DARPA提出的有助于維護軌道交通安全環(huán)境、避免外交沖突、推動商業(yè)化發(fā)展、降低監(jiān)管難度外，還將對相關(guān)技術(shù)和航天器自身發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

制定相關(guān)操作標準有利于推動技術(shù)可持續(xù)發(fā)展和實現(xiàn)航天器設(shè)計變革

相關(guān)操作標準的制定和推廣將促進軍、民、商各方交流合作，共享技術(shù)和經(jīng)驗，防止行業(yè)壟斷，從而推動相關(guān)技術(shù)可持續(xù)、快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。相關(guān)操作標準廣泛推廣、在軌操作技術(shù)成熟后，將推動航天器的設(shè)計與制造向可接受在軌服務(wù)方面發(fā)展。未來，在軌航天器有望隨時隨地接受各類在軌延壽和維修服務(wù)，且可與新技術(shù)、新載荷充分兼容，從而通過在軌服務(wù)快速升級、更新?lián)Q代。

進展情況

謀求降低政府運營經(jīng)濟風險和隱蔽發(fā)展太空控制能力是國防機構(gòu)主導(dǎo)制定標準的深層動因

DARPA作為權(quán)威的國防創(chuàng)新機構(gòu)，儲備有豐富的在軌服務(wù)技術(shù)和經(jīng)驗，這是其牽頭制定商業(yè)在軌操作標準、力促相關(guān)技術(shù)商業(yè)化發(fā)展的動因之一，但此外還有更深層原因。與目標航天器進行交會、逼近和操作的技術(shù)，在和平時期可用于軍、民、商航天系統(tǒng)的服務(wù)保障與延壽，戰(zhàn)時可快速形成太空對抗能力。通過該標準促進相關(guān)技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化后，美國可利用商業(yè)資產(chǎn)為政府和國防在軌航天器提供服務(wù)，降低自行運營的經(jīng)濟風險。同時，大力推動這種具有軍民兩用性質(zhì)的技術(shù)發(fā)展，也是增強太空系統(tǒng)彈性，隱蔽發(fā)展太空控制能力的重要手段。

采用多類型組織管理方式，有利于保障標準的權(quán)威、順利和全面性

首先，由國防機構(gòu)牽頭，并在前期投入大量經(jīng)費支持標準的制定，有利于匯集行業(yè)權(quán)威機構(gòu)和專家，快速、有效推動標準的制定和實施。且政府和國防機構(gòu)可從中獲取技術(shù)和實踐經(jīng)驗。其次，在標準制定組織穩(wěn)定運營后，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛伤綘I機構(gòu)自籌資金運行和管理，有利于釋放商業(yè)活力，同時也可為政府減負。而且在美國商業(yè)航天器遠多于政府航天器的情況下，和平時期的商業(yè)在軌服務(wù)需求遠大于政府需求。最后，根據(jù)參與對象召開政府內(nèi)部、政府與私營機構(gòu)、開放式會議等不同層次的研討會，既能集思廣益，引入各方智慧，確保標準制定的權(quán)威、可信和全面性，也能確保國家技術(shù)信息安全。