在轨服务赋能太空交通安全管理的路径与展望
发布时间：2026-09-23来源：空天大视野
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作者：肖余之 吕亚锦 陈记争 王燕 钱鹏俊
低轨巨型星座的快速发展使太空交通管理由长期战略议题逐渐演变为亟待解决的工程问题。当前星座通常具备自主调轨、碰撞规避和寿命末期主动离轨等轨道管理能力，但上述能力均依赖卫星自身处于可控状态。当卫星因系统故障、推进剂耗尽或碎片撞击导致失控时，其自主轨道管理能力将显著降低甚至失效。在轨服务技术通过提供失效卫星抬轨延寿、接管离轨和碎片清除等外部干预能力，将太空交通管理由依赖单星自主能力拓展至“星上自主管理+外部主动服务”的协同模式，有效降低了目标失效状态对轨道管理能力的影响，推动管理模式由被动规避向主动治理转变。
低地球轨道（LEO）正成为各国巨型星座建设和部署的核心竞争区域。当前全球在轨运行卫星已超过1.6万颗，其中LEO商业通信卫星占比超过85%，国际电信联盟（ITU）新增受理的频轨网络申报更已突破20万颗量级。巨型星座卫星数量的激增态势显著提高了低轨空间环境复杂度，使太空交通管理（STM）面临更加严峻的工程挑战，对系统化治理方案提出迫切需求。面对大规模星座建设带来的潜在轨道拥挤与碰撞风险，当前业界普遍采取的策略是强化卫星的自主轨道管理能力。然而，这一策略的有效实施以卫星处于可通信、姿轨控正常且尚存推进剂状态为前提条件。一旦卫星因故障或推进剂耗尽丧失控制能力，或被碎片意外撞击导致解体，自主管理能力将完全失效。在轨服务（OOS）技术的快速发展，为突破上述困境提供了新的技术路径。依托失效卫星延寿、离轨处置与碎片清除能力，在轨服务可有效赋能太空交通主动管理，推动低轨巨型星座的管理范式向“外部服务保障+卫星自身能力”转型。自2019年美国太空探索技术公司（SpaceX）发射首批“星链”（Starlink）卫星以来，低轨巨型星座的建设速度持续加快。截至2026年6月，“星链”在轨活跃卫星已经突破1万颗大关，服务覆盖全球100余个国家和地区；中国“千帆”（G60）星座也已进入密集发射阶段，在轨卫星数量已达238颗；中国“星网”（GW）星座作为国家卫星互联网工程也已启动组网发射，在轨卫星数量达180颗。与此同时，“一网”（OneWeb）、“下一代铱星”（Iridium NEXT）、加拿大电信卫星公司（Telesat）的“光速”（Lightspeed）等中大型星座也在持续补网与升级中。未来5年全球预计将发射约7万颗低轨卫星，低轨巨型星座的规模化发展正在显著改变低轨空间运行环境的整体状况（见表1）。面对万颗量级的低轨星座，卫星失效是不可回避的工程现实。主要表现为以下三类：第一类为部分功能退化型故障，星上部件性能衰减，但整星维持基本可控状态，卫星仍保留调轨和离轨的基本能力，属于可管理范畴；第二类为燃料耗尽型故障，此时卫星平台结构完好、通信链路正常，但因推进剂消耗殆尽而丧失轨道机动能力，卫星从受控目标转变为仅可追踪目标；第三类为完全失控型故障，多由电源系统崩溃、姿控系统失效、通信链路中断或碎片撞击所致，此类卫星通常丧失主动姿轨控制能力，其姿态状态、剩余资源以及结构完整性难以准确获取，可能进一步增加碰撞和解体风险，是空间环境中最危险的因素。在后两种失效模式下，星座自主调轨、碰撞规避和主动离轨三项能力将全部丧失，传统星座自主管理体系的作用范围受到明显限制。卫星失效与空间碎片问题的叠加，催生了太空交通管理的核心新需求：必须从“被动规避”转向“主动治理”，从源头上对失效卫星与空间碎片进行规模化处置。这正是在轨服务技术赋能太空交通管理的根本逻辑所在。近年来，国际社会对空间碎片减缓和太空可持续性的监管要求持续趋严，相关法规正从非强制的“25年规则”向更为严格的“5年规则”演进。美国联邦通信委员会（FCC）已于2022年通过新规，要求所有LEO卫星在任务结束后5年内完成离轨处置；欧洲航天局（ESA）也进一步提高了任务末期处置、轨道清空和长期可持续运行标准。美国政府问责署（GAO）于2025年发布的《在轨服务、装配与制造（ISAM）技术评估报告》（GAO-25-107555）明确提出：“在轨服务、装配与制造能力对国家安全和太空可持续性至关重要” 。联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）在《外层空间活动长期可持续性（LTS）指南》中，将主动碎片清除和在轨服务列为实现太空长期可持续利用的关键手段。美国天军（USSF）于2024年发布的《在轨服务与持续保障》文件中，将对非合作目标的接近、检测与服务列为优先级最高的技术需求之一。日益严格的空间环境治理要求正在推动低轨巨型星座运营模式转变——对星座运营商来说，主动离轨、空间碎片清除不再是可选环保举措，而是合规运营必备基础设施。星座自身能力边界与外部介入的必要性如图1所示。美国诺格公司（NG）子公司——太空后勤公司（Space Logistics）研制的任务扩展飞行器-1（MEV-1）于2020年成功对接国际通信卫星-901（Intelsat-901），将其工作寿命延长5年，开创了一对一商业化在轨延寿服务的先河。2026年7月21日，其研发的“任务机器人飞行器”（MRV，见图2）携带3个“任务延寿舱”（MEP）发射入轨，计划为澳大利亚澳都斯公司（Optus）和卢森堡欧洲卫星公司（SES）的卫星进行对接，并为其安装“任务延寿舱”，服务模式向一对多拓展。MRV飞行器配置的机械臂系统可为在轨卫星提供检测、维护、维修、补加燃料等服务，其技术基础源自美国国防高级研究计划局（DARPA）主导的“地球同步轨道机器人服务”（RSGS）项目，该项目的核心目标是持续推动在轨服务核心技术的研发与工程化验证。图2 Space Logistics公司研制的MRV飞行器
2026年7月3日，催化剂空间科技公司（Katalyst Space Technologies）研制的“在轨服务航天器”（LINK，见图3）发射入轨，计划通过机械臂捕获“雨燕”（Swift）天文台并完成对接，对其实施轨道抬升操作以延长在轨运行寿命。轨道工厂公司（Orbit Fab）推出的“快速连接流体传输接口”（RAFTI）在轨加注标准已获多家卫星制造商采纳，为轨道推进剂补给服务的标准化奠定了基础。图3 Katalyst Space Technologies公司研制的LINK飞行器
日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）主导的“主动碎片清除”（ADRAS-J）任务在2024年成功实现了对非合作火箭末级的近距离接近与绕飞勘查；空间尺度公司（Astroscale）的“空间尺度寿命末期服务-演示验证”（ELSA-d，见图4）任务验证了磁吸对接式碎片捕获与离轨技术，其后续ELSA-M任务将面向多目标清除场景。欧洲航天局的清洁太空-1（ClearSpace-1）任务计划于2027年发射，目标是以捕网抓捕方式清除“织女星次要有效载荷”（Vespa）适配器碎片。上述项目布局标志着在轨服务已从技术探索阶段转入战略能力建设阶段。图4 Astroscale公司研制的 ELSA-d飞行器
我国在轨服务技术领域同样取得了显著进展。实践-21卫星于2022年成功实施了在轨交会、抓捕与拖曳离轨操作，展示了我国在空间操作领域的领先能力。实践-23与实践-25进一步拓展了在轨接管延寿与维护的能力谱系。天源一号在轨加注试验验证了推进剂空间补加关键技术。天宫空间站配备的大型空间机械臂及其丰富的在轨操作经验，为我国构建完整的在轨服务技术体系提供了坚实的工程基础。我国在轨服务已突破翻滚目标运动特性探测识别、主被动探测成像测量、协同抓捕和维修操作工具等关键技术，在该领域已有深厚的技术积累。面向低轨巨型星座的太空交通管理需求，在轨服务技术可在三个方向充分发挥赋能作用：第一，失效卫星抬轨延寿。对于燃料耗尽或部分功能退化的星座卫星，服务飞行器可通过交会对接或抓捕获取目标控制权，将目标抬升至安全或工作轨道。面向低轨扩散型星座的在轨服务框架，主动轨道管理是规模化星座可持续运行的必要条件。第二，失效卫星接管离轨。对无法恢复或达到寿命末期的卫星，服务飞行器可实施抓捕、捕网、磁吸等方式与目标建立连接，并安装离轨载荷、附加推进装置或增阻装置，实现目标轨道受控降低，最终完成受控再入处置。相比卫星自主离轨方案，接管离轨模式解决了失效卫星无法自行离轨这一根本性难题。第三，碎片主动清除。对于已解体碎片、火箭末级等完全非合作目标，服务飞行器需具备更高级别的自主感知、决策与操作能力。当前，碎片清除操作已具备一定的理论基础和实践积累，各国学者围绕各类抓捕方式的运动学和控制问题开展了详细研究。在上述三个方向中，在轨服务将太空交通管理的执行主体从卫星自身转移至外部服务系统，从而从根本上解耦了管理能力与目标状态之间的刚性绑定——无论卫星是否可控、是否完整，服务系统均可执行必要的处置操作。这正是在轨服务推动太空交通管理从被动规避走向主动治理的核心技术逻辑。低轨巨型星座的规模特性决定了一对一服务模式难以适配其运维需求。因此，服务体系设计需要围绕规模化部署、低成本运行和自主化管理等核心约束进行优化，主要遵循以下四项设计原则：一是通用性，单一平台通过更换末端工具适配多类任务与目标，降低系统复杂度；二是低成本可复用，采用一对多服务模式，搭配低成本可替换载荷包保障经济性；三是规模化标准化，通过统一机电热接口设计，实现跨星座、跨代际兼容，摊薄制造成本；四是智能化，依托智能任务规划和决策技术构建闭环运维能力，已经验证 “空间心智”（SpaceMind）框架的相关技术潜力 。基于上述设计原则，本文提出一种面向低轨巨型星座规模化运维需求的四层在轨服务体系架构（见图5），包括地面智能运维系统、分布式仓储中心、通用服务飞行器以及多功能载荷包。该架构通过地面智能运维系统实现任务规划与资源调度，以通用服务飞行器作为执行主体，通过多功能载荷包实现任务能力多样化，并依托分布式仓储中心保障长期规模化运行。分布式仓储中心是整个服务体系的关键基础设施，为服务飞行器持续执行多目标、多任务服务提供资源保障。其主要功能涵盖两个方面：一是在轨存储与补给，批量存储多功能载荷包、推进剂和备品备件，为服务飞行器提供在轨物资支持；二是星间通联中继，搭载星间链路载荷，实现服务飞行器-仓储中心-地面系统三级通信链路。仓储中心的部署策略为按轨道面分布式部署，在每个子星座的主要轨道面上配置若干仓储节点，使服务飞行器能够就近取用物资，大幅降低服务响应时间及速度增量消耗。仓储中心的概念与Orbit Fab公司提出的RAFTI轨道加油站、Han等人研究的星座备份策略中的补给节点有相通之处，但本方案中的仓储中心承载了超越燃料加注的综合功能——兼具物资仓储与通信中继等角色。通用服务飞行器是体系的核心执行平台，其能力设计以通用化为基本原则：通过配置高比冲电推进系统实现长时间轨道转移和多目标连续服务能力；搭载多自由度机械臂及标准化末端工具接口，实现对合作/非合作目标、稳定/翻滚目标的灵活逼近与捕获；配备多模视觉导航系统和智能决策单元，支持非合作目标自主测量、位姿估计与抓捕策略生成。在运营层面，通用服务飞行器采用“一对多”的批量服务模式：携带多个载荷包从仓储中心出发，根据任务规划结果实施轨道转移，并依次完成多颗目标卫星的服务任务，任务完成后返回邻近资源节点进行载荷更换、推进资源补充和设备维护，再执行下一个服务任务。通过多次复用，单次服务的边际成本随服务频次增加而显著下降。多功能载荷包是整个服务体系的末端执行模块，被设计为一种极简、低成本、标准化的可替换推进与姿控模块，由通用服务飞行器从仓储中心取用并安装至目标卫星。针对位保及离轨任务需求，载荷包具有以下两种基本构型：1）位保型载荷包。集成小型电推进器、姿控飞轮/磁力矩器组合及标准化对接机构，安装后接管目标卫星的姿轨控制功能，可执行抬轨、轨道保持、相位调整和末期降轨等多模式操作。该型载荷包设计为可重复使用，在目标卫星完成延寿服务或任务变更后可由服务飞行器拆卸回收。2）离轨型载荷包。在电推进基础上增加大面积增阻帆或柔性薄膜，安装后先以电推进降低轨道高度，进入稠密大气层后增阻帆展开以加速气动降轨，确保目标受控再入。该型载荷包为一次性使用，以成本控制为优先考量。载荷包方案将复杂的推进、姿控与对接功能集成为标准化模块，使“为失控卫星恢复机动能力”这一原本需要专门服务飞行器长期驻留的操作，转变为即装即走的标准化动作。仓储中心批量存储、服务飞行器按需取用，两者协同实现了服务效率的量级提升。地面智能运维系统承担服务体系中枢角色，其核心架构为“任务规划—仿真推演—服务管控—效能评估”四环闭环。任务规划模块接收来自星座运控系统的服务需求和空间态势感知系统的碎片预警信息，基于服务飞行器可用性、仓储物资库存和目标优先级，生成最优服务任务序列；仿真推演模块对任务序列进行高保真轨道力学仿真和多体动力学验证，确保规划方案的工程可行性；服务管控模块在任务执行过程中实施实时监控与异常处置；效能评估模块对已完成任务的服务质量、资源消耗和时序偏差进行后评估，数据回流至规划模块以持续优化调度算法。在智能化方面，可将大语言模型（LLM）和视觉-语言模型（VLM）引入星座健康管理流程：通过人工智能（AI）驱动的故障预测模型提前识别高风险卫星并生成优先级排序；通过自然语言交互式任务编排降低操作人员的决策负担；通过强化学习优化多服务飞行器的协同调度，解决大规模多目标服务任务规划中的组合优化问题。上述四层架构通过任务规划、资源调配、服务执行和效能反馈形成闭环运行机制，实现从目标识别到任务执行的全过程管理。地面智能运维系统根据星座健康监测数据和碎片预警信息生成服务任务序列，调度服务飞行器前往指定仓储中心加载载荷包，服务飞行器抵近目标卫星执行抓捕、安装、接管操作，任务完成后返回仓储中心补给；地面系统评估任务效能并优化调度模型。整个过程以分布式部署实现快速响应，以标准化模块实现跨目标通用。服务体系的运行逻辑呈现出显著的规模效应。分布式部署使服务基础设施的固定成本被庞大的服务对象数量所摊薄，服务飞行器的一对多模式使边际服务成本显著降低，载荷包的标准化批量制造进一步压低耗材成本。三者在万颗级星座运维场景下形成正向增强回路，使得商业化运营在经济层面成为可能。基于以上架构和运行逻辑，本服务体系致力于实现三大核心目标。第一，商业化低成本运营。通过“分布式+标准化+可复用”的技术组合，将单次在轨服务的综合成本降低至星座运营方可承受的商业化水平，形成可持续的商业闭环。第二，标准化规范化带动。通过推动统一接口标准、操作规范和信息交互协议，促进跨星座、跨代际的服务兼容，培育在轨服务产业生态。第三，智能化自主服务。通过智能驱动的自主导航、自主决策和智能化运维，减少对地面人工操作的依赖，降低运营成本和人为差错风险，实现可持续的绿色发展。从当前技术基础到上述服务体系的工程实现，仍存在较多关键技术待进一步攻克：一是非合作翻滚目标的自主测量与逼近捕获。对于已失效且处于翻滚状态的卫星或不规则碎片，其表面特征退化、光照条件多变、运动状态复杂，传统基于模板匹配的位姿估计方法在此场景下鲁棒性不足，需发展多模融合的实时位姿估计与运动预测方法，以及不依赖目标几何模型的通用抓捕策略。二是标准化、轻小型可插拔接口。多功能载荷包的核心价值在于即装即用，要求机电热一体化对接接口在满足力学承载、电气联通、热控导通等功能的同时，实现小型化和轻量化，并能够适应低轨空间环境下的长期可靠运行。三是大规模多目标服务任务的规划与调度优化。当服务体系中存在多个仓储中心、多颗服务飞行器和成百上千个待服务目标时，任务规划即演变为多目标组合优化问题。加之目标故障的突发性、服务飞行器状态的动态性以及碎片预警的时效性，要求规划算法在全局优化能力、计算复杂度和实时响应能力之间实现有效权衡。四是通用化服务飞行器与低成本电推进载荷包的长寿命与高可靠性。作为批量制造的在轨服务体系核心装备，其经济性要求制造成本远低于传统任务定制化服务飞行器，同时可靠性不能过度妥协，需要在低成本器件选型、可靠性设计及充分环境验证之间实现合理权衡。综合考虑关键技术成熟度、工程验证需求及产业发展基础，规模化在轨服务体系采用“技术验证—体系示范—规模运营”三阶段递进式发展路线。1）第一阶段为技术验证期（近期1～3年）。聚焦在轨服务关键单元能力和核心流程验证。发射1～2颗验证型服务飞行器，搭载多自由度机械臂和模块化末端工具，在轨完成对合作目标的逼近、抓捕、抬轨及离轨全流程验证，同步开展地面智能运维原型系统的开发与半物理仿真测试。2）第二阶段为最小系统构建期（中期3～5年）。构建包含2～3个仓储节点、3～5颗增强型服务飞行器和多型载荷包的最小服务体系，面向特定星座轨道面开展小规模示范运营。在典型应用场景中验证分布式部署、多飞行器协同调度和载荷包批量使用的综合效能。3）第三阶段为规模化组网期（远期5～10年）。将服务体系从最小系统扩展至全面覆盖主要商业星座轨道面的规模化组网，实现从应急响应向常态化运营的跨越。本文从太空交通安全与空间环境可持续利用需求出发，围绕低轨巨型星座在轨服务这一命题，系统分析了星座规模化态势、现有轨道管理能力的工程边界、在轨服务技术的赋能方向，并提出了一套面向规模化的在轨服务体系设计方案，形成以下三点核心结论。第一，国际规则从“25年离轨”向“5年离轨”的加速演进，使主动离轨能力从长期规划目标转变为星座运营的刚性门槛。合规要求的提升与星座自身能力的固有边界之间的落差，使得引入外部在轨服务能力成为提升空间环境治理能力的重要技术途径。第二，在轨服务技术将太空交通管理的执行主体从“卫星自身”转移至“外部服务系统”，从技术上解耦了管理能力与目标状态之间的刚性绑定，为太空交通管理从被动规避向主动治理的范式转型提供了核心使能路径。第三，本文提出的“分布式仓储中心+通用服务飞行器+多功能载荷包+地面智能运维系统”体系架构，以通用性、低成本可复用、规模化标准化和自主化智能化为设计原则，在万颗级星座运维场景下展现出显著的规模效应，为低轨巨型星座的可持续运维提供了一条可工程化的技术路线。推动该体系从概念走向工程实践，既是保障低轨空间长期可持续利用的现实需要，也是我国在全球太空治理格局中实现从参与者向规则制定者转变的战略机遇。以下图片链接包含《世界军事热点问题研究》季刊、《全球太空动态》月刊、《远望周刊》、《俄军情周报》、《美军情周报》、《防空反导简报》、《网络空间简报》、《前沿科技动态与颠覆性技术》等期刊，请滑动或点击图片进入商城查看。
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