龍飛船帶上天的烏鴉能變成鳳凰嗎？

科技 03-08

小二茶話

2月20日，SpaceX公司發射龍飛船執行第10次國際空間站商業貨運補給任務。在這次任務中，有一項被稱為「烏鴉」（Raven）的載荷十分值得關注。據NASA稱，這個載荷將幫助NASA實現航天器完全自主導航，並將服務於NASA未來幾十年的航天任務。為什麼自主導航如此重要？這個所謂的「烏鴉」究竟是個什麼「鳥」呢？跟「鳳凰」有什麼關係？今天的閱天茶館,跟你聊聊Raven這隻烏鴉的故事。

要理解自主導航，我們不妨首先想像一幅場景：在茫茫太空中，兩顆衛星正在以在每小時25600千米以上的速度高速飛行。同時，一顆衛星正在接近另一顆衛星，它們之間的距離正在縮小。被追逐的衛星(客星)重達幾噸，其燃料正在耗盡。後面的追逐衛星——我們不妨暫時把它設想為「機器人修復者L」，帶著救命的推進劑及加註工具，正在窮追不捨。這一切，都是在地面工作人員的穩定控制下進行的。

但是，這樣的交會並非易事。客星設計之初並未考慮被服務功能。它沒有任何標記，很難被發現並追蹤。修復者L需要依靠自己的視覺識別系統來完成任務。更麻煩的是，修復者L遠離地球，從太空傳遞數據到地面，再將地面指令傳到星上，會有時間延遲。這使得地面人員無法在幾英尺的雙星交會距離內快速、準確地向修復者L發出指令而同時避免二者碰撞。這就意味著，修復者L不僅需要與客星進行相對導航，而且最好在無人工指令下依靠自身並根據即時場景進行實時自主導航，難度可想而知。

這個場景不是一個想像，也不是一個故事。而是即將發生的現實。修復者L（Restore-L）的確是NASA正在開發的一個服務型航天器，由NASA戈達德航天飛行中心衛星服務項目部（SSPD）負責研發，計劃於2020年中期發射。它將被送到極地軌道，追逐一顆在軌多年的美國對地觀測衛星Landsat7並對其進行燃料加註。

龍飛船帶上天的烏鴉能變成鳳凰嗎？

圖：Restore-L服務型航天器示意圖

目前，全世界有一千多顆在軌航天器，但除了國際空間站、哈勃望遠鏡以及中國的天宮二號空間實驗室等航天器，其他任何衛星都是非合作目標，均不具有可被服務性設計。

Landsat7當然也是非合作目標，無法工作在預先設計的某種匹配模式下，因此RestorL必須保持對目標的持續跟蹤（不能讓對方脫離自己的「視線」）；此外，對Landsat7衛星特徵的提取也很困難，沒有為對接設置特殊信標，這給RestorL精確計算Landsat7相對位置和姿態帶來很大難度。因此，Restore-L將是一項極具突破性的任務，其成功的關鍵就在於Restore-L必須具備一系列的精準能力：定位、追上並與Landsat 7衛星的速度相匹配。而Raven實際上就是Restore-L任務的先期技術驗證，一隻幫助Restore-L具備自主導航能力的「神鳥」。NASA此次藉助龍飛船將其帶上國際空間站的目的就在於開展自主導航技術驗證。

龍飛船帶上天的烏鴉能變成鳳凰嗎？

圖：Raven 技術模塊

外觀看來，Raven象和一個日用行李箱差不多大的盒子。在它銀色的外框架之中，安置了一套精心組裝的系統，包括：融視覺、紅外與雷達於一體的感測器，高速處理器以及先進演算法。那麼，Raven是如何工作的呢？

龍飛船帶上天的烏鴉能變成鳳凰嗎？

圖：Raven跟蹤接近國際空間站的航天器示意圖

首先，Raven的感測器將「看」到的航天器數據注入處理器，通過特定姿態演算法來衡量Raven與來訪航天器之間的相對距離。然後，基於測算結果，處理器將自主發送指令，通過旋轉Raven上的萬向節來調整感測器姿態，使其保持對航天器的瞄準並持續追蹤。

整個過程中，NASA的地面操作人員對Raven各項技術協同系統運行情況進行評估，並作出調整以提升Raven的跟蹤性能。

Raven的計劃壽命為兩年，由研發Restore-L的戈達德航天飛行中心衛星服務項目部開發集成並負責完成驗證。如果Raven技術驗證成熟，將不僅用於Restore-L衛星，還將用於NASA未來的任務。如Raven衍生系統將在未來的小行星重定向任務中協助航天器的機器人裝置獲取小行星表面的一塊巨石。另外，Raven將被用於各項航天器交會任務以及NASA的火星之旅。

而Restore-L任務一旦獲得成功，將加速推動美國具備衛星在軌服務功能。這將是一件更值得關注的突破。說到這兒，就要請出「鳳凰」了。美國在2013年啟動了一項「鳳凰計劃」。其目標是對在太空中的航天器進行維修或者更換零部件甚至組裝成為新的衛星，表面看是為了回收利用美國太空衛星資源，但實際上該技術不僅可以用於民用衛星維護，也完全可以用于軍事衛星攻擊，可能會引發現有國際空間秩序的混亂。其中，「鳳凰」計劃的關鍵技術之一就是非合作目標的捕獲能力。而自主導航技術的成熟無疑將推動鳳凰計劃的實現。

「烏鴉」在「龍」的幫助下或許終將變「鳳凰」，但「鳳凰」未來會引發怎樣的太空紛擾還需拭目以待。

Raven任務視頻簡介

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