空间交会对接技术

我国空间站的n个黑科技随着我国航天事业的迅速发展，我国空间站已经成为了全球航天领域的一颗新星。

我国空间站采用了多项黑科技，让人耳目一新。

下面我们来逐一解读我国空间站的n个黑科技。

1. 光伏电池我国空间站采用了最先进的光伏电池技术，这些光伏电池可以高效地将太阳能转化为电能，为空间站提供持续稳定的电力。

这种光伏电池具有高能量转化效率和良好的耐用性，是我国空间站得以持续运行的重要技术支撑。

2. 生命保障系统我国空间站的生命保障系统采用了一系列先进的技术，包括空气净化系统、水循环系统、食物供应系统等。

这些系统可以有效地支持航天员在太空中生存和工作，为未来长期载人航天任务提供了重要技术保障。

3. 太空科学实验设施我国空间站拥有多个太空科学实验设施，这些设施包括空间实验室、舱外评台、实验舱等，可以支持各种太空科学实验的进行。

这些实验设施采用了最新的技术，可以为科学家们提供良好的实验环境，为人类太空科学研究做出重要贡献。

4. 无人智能维护系统我国空间站采用了先进的无人智能维护系统，这些系统可以实现空间站的自动化维护和故障排除，极大地减轻了航天员的工作负担。

这些智能系统具有高度的自主性和智能化，为空间站的长期稳定运行提供了可靠保障。

5. 太空资源利用技术我国空间站具备一定的太空资源利用技术，包括太空太阳能发电、太空农业等。

这些技术可以有效地利用太空资源，为未来载人太空探索和定居提供重要支持。

6. 航天交会对接技术我国空间站具备先进的航天交会对接技术，可以实现与其他航天器的对接和交会，为太空站的进一步扩建和维护提供了技术保障。

7. 太空垃圾清理技术我国空间站具备一定的太空垃圾清理技术，可以对太空中的垃圾进行有效的清理和处理，确保空间站和航天器的安全。

以上就是我国空间站的n个黑科技，这些先进的技术为我国空间站的建设和运行提供了强大的支持，也为人类太空探索与研究做出了重要贡献。

相信随着我国航天事业的不断发展，我国空间站的黑科技也将不断涌现，为人类太空事业的发展带来新的希望和机遇。

《航天器交会对接技术》课程大作业题目：交会对接相对导航方案设计姓名：学号：2015年1月目录一、绪论 (3)1.1基本概念 (3)1.2阶段划分 (3)1.3系统介绍 (4)1.4国内外技术概况 (5)1.美国交会对接测量技术 (6)2.苏联/俄罗斯交会对接测量技术 (7)3.欧洲空间局交会对接测量技术 (7)4.日本交会对接测量技 (8)1.5测量系统的特点： (9)1.6交会对接测量技术发展趋势 (9)二、导航方案设计 (11)2.1测量系统配置原则 (11)2.2交会对接各测量阶段精度要求 (11)2.3交会对接全过程导航方案设计 (11)三、C-W双脉冲制导 (14)3.1 C-W方程 (14)3.2.C-W双脉冲制导求解 (15)一、绪论1.空基本概念空间交会对接技术（Rendezvous and Docking，RVD）技术是指两个航天器在空间轨道上会合并在结构上连成一个整体的技术，是实现航天站、航天飞机、太空平台和空间运输系统的空间装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨道上服务的先决条件。

空间交会与对接是载人航天活动的三大基本技术之一。

所谓三大基本技术就是载人航天器的成功发射和航天员安全返回技术、空间出舱活动技术和空间交会对接技术。

只有掌握它们，人类才能自由出入太空，更有效地开发宇宙资源。

对于国家来说，还能独立、平等地参加国际合作。

交会对接包含着交会与对接两方面的内容。

交会（Rendezvous）是指两个航天器在交会轨道上相互接近的过程。

其中一个航天器为追踪航天器，如载人飞船或者航天飞机，一般情况下为追踪航天器的主动方，并装有主动测量设备。

另一个航天器为目标航天器，如空间站、留轨舱等，目标航天器通常作为被动方，并装有合作目标，如雷达应答机、光学的角反射器等。

当两个航天器接近到满足对接结构实施对接的初始条件时，其交会对接过程结束。

对接（Docking）是指当两个航天器接近到满足对接机构实施对接的初始条件时，对接结构在特定的指令下完成相互耦合和刚性密封连接的过程。

空间交会对接技术空间交会对接技术是指在太空中两个或多个飞船或航天器进行相互接近并完成对接的技术。

这项技术在太空探索和空间站建设中具有重要意义，为航天员提供了在太空中换乘、补给和维修的便利。

本文将对空间交会对接技术进行详细介绍。

一、空间交会对接技术的背景和意义随着人类对太空的探索不断深入，太空站和空间探测器的数量也不断增加。

为了更好地利用这些航天器，实现太空资源的共享和合作，空间交会对接技术应运而生。

这项技术能够使航天器在太空中相互接近，并通过机械手臂、对接舱等设备实现对接。

通过空间交会对接技术，航天员可以进行换乘、补给、维修等操作，提高航天任务的灵活性和效率。

空间交会对接技术主要依靠航天器上的导航、控制和传感器系统，通过精确的测量和计算，实现航天器之间的相对位置和速度的控制。

具体来说，空间交会对接技术包括以下几个步骤：1. 相对位置和速度的测量：通过航天器上的传感器系统，测量出自身和目标航天器的相对位置和速度。

这些传感器可以是激光测距仪、光学相机、雷达等设备，能够提供精确的测量数据。

2. 控制系统的设计和实现：根据测量得到的相对位置和速度，设计和实现控制系统，使航天器能够按照预定的轨道和速度进行运动。

控制系统通常由计算机、推进器和陀螺仪等组成，能够实现航天器的精确控制。

3. 对接设备的设计和制造：为了实现航天器之间的对接，需要设计和制造相应的对接设备。

常见的对接设备包括机械手臂、对接舱、对接锁等，能够实现航天器的牢固连接。

4. 对接过程的控制和监测：在实际进行对接操作时，需要通过控制系统对对接过程进行控制和监测。

这些控制和监测可以通过传感器和导航系统实现，确保对接过程的安全和准确。

三、空间交会对接技术的应用领域空间交会对接技术在太空探索和空间站建设中具有广泛的应用。

以下是一些典型的应用领域：1. 太空换乘：通过空间交会对接技术，不同的航天器可以在太空中进行换乘。

这对于长时间太空探索任务非常重要，可以减少航天员的疲劳和风险，提高任务的可持续性。

㊀V o l ．３１㊀N o ．６㊀１３０㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３１卷㊀第６期㊀２０２２年１２月我国载人航天工程交会对接控制技术发展解永春１,２㊀张昊１,２㊀胡海霞１,２㊀吴宏鑫１,２(１北京控制工程研究所,北京㊀１００１９０)(２空间智能控制技术重点实验室,北京㊀１００１９０)摘㊀要㊀空间交会对接技术是载人航天的一项核心关键技术,中国载人航天工程推动了我国空间交会对接技术长足发展,在载人航天３０年发展历程中,我国空间交会对接技术实现了从无到有㊁从自动/人控到自主㊁从长周期到快速㊁从单一模式到多模式的重大技术跨越.文章论述了在我国载人航天三步走战略实施过程中交会对接控制技术的发展历程,分析后续任务的发展需求,给出了未来交会对接控制技术发展建议.关键词㊀载人航天工程;交会对接;自主快速;自动;人控;遥操作中图分类号:V ４７６㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀D O I :１０ ３９６９/ji s s n １６７３Ｇ８７４８ ２０２２ ０６ ０１６C o n t r o l T e c h n o l o g y D e v e l o p m e n t o fR e n d e z v o u s a n d D o c k i n g f o rC h i n aM a n n e dS p a c eP r o gr a m X I EY o n g c h u n １,２㊀Z H A N G H a o １,２㊀HU H a i x i a １,２㊀WU H o n g x i n １,２(１B e i j i n g I n s t i t u t e o fC o n t r o l E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g １００１９０,C h i n a )(２S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o nS p a c e I n t e l l i g e n tC o n t r o l L a b o r a t o r y ,B e i j i n g １００１９０,C h i n a )A b s t r a c t :R e n d e z v o u s a n dd o c k i n g i s a k e y t e c h n o l o g y o fm a n n e d s p a c e f l i g h t ．P r o m o t e db y Ch i n a M a n n e dS p a c e (C M S )P r o g r a m ,C h i n a sr e n d e z v o u sa n d d o c k i n g t e c h n o l o g y h a sd e v e l o pe d r a p i d l y a n dm a d e a l o t of a c h i e v e m e n t s ．D u r i ng th e ３０Ｇy e a r d e v e l o pm e n t o f C M S ,r e n d e z v o u s a n d d o c k i n g t e c h n o l o g i e s h a v e r e a l i z e d a g r e a t l e a p f o r w a r dd e v e l o p m e n t f r o mi n e x p e r i e n c e t o e x pe r i Ｇe n c e ,a u t o m a t i c /m a n u a l c o n t r o l t oa u t o n o m y ,l o n gp e r i o dt os h o r t p e r i o d ,a n ds i n g l em o d e l t o m u l t i Ｇm o d e ．T h i s p a p e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n t p r o c e s so fr e n d e z v o u sa n dd o c k i n g co n t r o l t e c h n o l o g y i n t h e i m p l e m e n t a t i o no fC M S t h r e e Ｇs t e p s t r a t e g y ,a n a l y z e s t h e d e v e l o p m e n t r e q u i r e Ｇm e n t s o f t h e f o l l o w Ｇu p t a s k s ,a n d g i v e s s o m e s u g g e s t i o n s f o r t h e f u t u r e d e v e l o pm e n t o f t h e c o n Ｇt r o l t e c h n o l o g y．K e y w o r d s :C h i n aM a n n e dS p a c eP r o g r a m ;r e n d e z v o u s a n dd o c k i n g ;a u t o n o m o u s a n d f a s t ;a u t o Ｇm a t i c c o n t r o lm a n u a l c o n t r o l ;t e l e o p e r a t i o n 收稿日期:２０２２Ｇ１０Ｇ１９;修回日期:２０２２Ｇ１２Ｇ０８基金项目:国家自然科学基金企业联合基金(U ２０B ２０５４)作者简介:解永春,女,研究员,博士生导师,曾任载人飞船G N C 系统主任设计师,现任空间交会对接领域技术首席,长期从事航天器制导㊁导航与控制技术研究.E m a i l :x i e y o n g c h u n ＠v i p．s i n a ．c o m .㊀㊀航天器交会对接技术是航天领域一项十分复杂㊁难度相当大的技术,是载人航天㊁深空探测㊁在轨服务等重大工程的一项核心关键技术,与载人天地往返㊁航天员空间出舱一起构成载人航天活动三大基本技术.所谓交会对接是指两个或两个以上的航天器在轨道上按预定的位置和时间会合(交会),然后在结构上连接成一体(对接)的全部飞行动作过程[１].参与交会对接的两个航天器通常一个为被动航天器,一个为主动航天器.被动航天器不作机动或做少量机动,称为目标航天器或目标器,例如空间站.主动航天器Copyright ©博看网. All Rights Reserved.需要执行一系列的轨道机动飞向目标航天器,称为追踪航天器或追踪器,例如飞船或航天飞机等.８６３计划 航天技术领域专家委员会首席科学家屠善澄先生在１９８９年就提出我国要开展交会对接预先研究.之后在载人航天３０年发展历程中,我国空间交会对接技术实现了从无到有,从自动/人控到全自主,从长周期到快速的跨越式发展,圆满完成了载人航天工程任务要求,为中国人自己的空间站建设发挥了重要作用.在此过程中,独立自主,取得了一批原创性成果,有力地推动了中国航天技术的发展.本文论述了我国交会对接控制技术在载人航天工程中的研制及应用情况,并结合后续任务需求探讨交会对接控制技术未来发展趋势.１㊀载人一期交会对接控制技术发展按照我国载人航天发展战略,研制了神舟一号至神舟五号飞船,在１９９９ ２００３年,通过４次无人飞行和１次载人飞行,突破了载人航天的天地往返基本技术,初步建成了我国载人航天工程体系.而此时交会对接技术对我国而言还是任重道远,虽然２０世纪８０年代起老一辈航天专家已经开始围绕交会对接的概念和控制方法开展了探索性研究[１],但距离工程实现尚有很大差距.自１９９６年起,针对载人航天应用背景,我国的交会对接技术逐渐进入可行性论证阶段[２].１ １㊀交会对接飞行方案论证跟踪交会对接技术发展趋势,结合我国天地联系弧段短㊁地面测控站数量有限等实际情况,经过充分论证表明我国更适宜发展自主自动的交会对接技术[３],这就决定了我国交会对接技术发展虽然起步较晚,但起点很高.交会对接从距离上讲是一个由远及近的过程,从精度上讲是一个由粗到精的过程.根据任务要求㊁轨道设计㊁测控配置㊁飞船上交会对接测量部件的性能以及交会对接的安全性要求,自动交会对接过程可划分为以下四个阶段:交会段㊁对接段㊁组合体运行段㊁撤离段.交会段又分为远距离导引段和近距离控制段.远距离导引段采用地面测定轨,再通过遥控注入方式进行轨道控制.近距离采用船上自主导航㊁制导和控制方式,所以也称为近距离自主控制段,该段根据距离的远近和制导方式的不同又分为寻的段㊁接近段和最后平移靠拢段.根据上述阶段划分,论证并确定了各阶段交会对接制导㊁导航与控制(G N C)方案,２００４年底载人飞船交会对接制导㊁导航与控制技术攻关总结报告通过评审.１ ２㊀交会测量敏感器选型论证按照工程总体对交会对接技术的要求:要瞄准国际先进水平,具备自动和人控交会对接双重能力.先进的交会对接方案与相对测量敏感器的先进性和能力息息相关,而在当时我国尚无用于交会任务的测量敏感器,国外相对测量敏感器的研制情况主要如下.１)微波雷达早在２０世纪６０年代初期,美国就开始了交会对接测量敏感器的研究.１９６６年,美国双子星座Ｇ８飞船与阿金纳号上面级实现了航天史上首次空间交会对接,使用的测量敏感器是L频段微波交会雷达,可在４５０k m~１５０m范围内测量出与目标飞行器的方位角㊁仰角㊁距离及距离变化率.后续的阿波罗登月和航天飞机计划也主要采用微波雷达.２)激光雷达２０世纪９０年代以来,美国开始发展自主交会对接技术.最具代表性的项目就是 实验卫星系统 (X S S)㊁ 自主交会对接技术演示 (D A R T)卫星和 轨道快车 (O r b i t a l E x p r e s s).实验卫星系统Ｇ１１上的自主交会对接测量系统由主动和被动两种测量敏感器组成.主动测量敏感器为激光成像雷达,可用于几千米内对非合作目标的测距.日本工程试验卫星ＧV I I(E T SＧV I I)近距离自主交会对接也采用激光雷达,作用距离为５００~２m,是合作方式的,反射器安装在目标器上.３)光学成像敏感器美国D A R T计划中,追踪飞行器上装有先进视频制导测量敏感器(A V G S).该敏感器测量距离为５００~０ ５m,视场为ʃ８ʎ,通过发射激光并回波成像解算相对位置和相对姿态.欧洲航天局为阿里安货运飞船(A T V)研制的新型的导航敏感器,通过光学成像测量０~３００m的相对位置,在３０m以内还可输出相对姿态.日本在E T SＧV I I工程试验卫星进行交会对接试验时使用了近距离相对导航敏感器(P X S),可测量０ ３~１０m内的相对位置和相对姿态.从当时的调研情况分析看,微波雷达是交会对接在远距离的主用敏感器,但 将来 的空间交会对接技术将向高精度自主自动交会对接这一方向发展,而激光雷达和光学成像敏感器是高精度自主交会对接技术的重要敏感器,美国㊁日本等航天强国都在开展相关技术验证[４].经过充分论证后,我国的交会对接技术采用远近接力的敏感器配置原则,除了微波雷达外,还把目光锁定在激光雷达和光学成１３１㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀解永春等:我国载人航天工程交会对接控制技术发展Copyright©博看网. All Rights Reserved.像敏感器[５],到２００４年,基本完成了这些单机的可行性论证,并研制了工程样机[６].２㊀载人二期交会对接控制技术发展２００４年１２月,中央专委正式批复载人航天工程第二步立项,交会对接技术研发转入真正的工程研制阶段.经过将近十年的持续攻关,采用２天的交会对接方案,２０１１年１１月㊁２０１２年６月㊁２０１３年６月我国相继发射的神舟八号[７](见图１)㊁九号㊁十号无人和载人飞船分别与天宫一号目标飞行器成功地进行了４次自动交会对接和２次人控交会对接,标志着我国成为世界上第３个独立掌握空间交会对接技术的国家.２０１６年１０月神舟十一号载人飞船㊁２０１７年４月天舟一号货运飞船分别与天宫二号空间实验室成功地进行了自动交会对接,又向空间站建设迈出了关键一步.２ １㊀系统配置及飞行阶段１)系统配置神舟载人飞船㊁天舟货运飞船制导㊁导航与控制(G N C )分系统交会对接控制系统的主要组成如下:由陀螺组合和加速度计组合构成的惯性测量单元,光学姿态敏感器(包括星敏感器㊁红外地球敏感器,数字式太阳敏感器,模拟式太阳敏感器和０Ｇ１太阳敏感器),相对测量敏感器(包括卫星导航设备,微图１㊀神舟八号与天宫一号交会对接F i g １㊀R e n d e z v o u s a n dd o c k i n g o f S h e n z h o u Ｇ８w i t hT i a n g o n gＧ１波雷达,激光雷达,光学成像敏感器),G N C 控制器.此外,飞船配置的执行机构为喷气发动机.喷气发动机有轨控发动机㊁平移发动机和姿控发动机[８].２)飞行阶段虽然在一期飞行方案的初步论证中,已经明确了交会对接任务的几个主要飞行阶段,但是每个阶段经历多长时间㊁每阶段距离如何划分㊁设置多少飞行特征点㊁飞行安全性设计原则如何,这些都是随着工程研制逐一细化和完善的(见图２),同时飞行方案的设计与各相对测量敏感器的性能又是深度耦合,因此系统设计与单机研制又是反复迭代,最终达到工程的可实现[８].图２㊀神舟飞船自动交会对接飞行阶段示意图F i g ２㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo f S h e n z h o u s p a c e c r a f t a u t o m a t i c r e n d e z v o u s a n dd o c k i n g f l i gh t p h a s e s ２３１㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀Copyright ©博看网. All Rights Reserved.２ ２㊀自动交会对接１)相对测量及导航研制了基于卫星导航设备㊁微波雷达㊁激光雷达㊁光学成像敏感器等多型高性能导航敏感器的自主测量系统.相对测量系统能够在相距百千米范围内提供相对位置测量,并在百米范围同时测量相对位置和相对姿态参数.不同敏感器的测量范围存在交叠,以确保同一区域至少两种敏感器可用,且测量精度由远及近逐渐提高,满足交会对接制导和控制系统对参数估计性能的要求.其中卫星导航设备作为自主控制段直至１４０m 的主导航敏器,由微波雷达和激光雷达作为备份,主要测量相对位置;１４０m以内由光学成像敏感器作为主导航敏感,测量相对位置和姿态.设计了基于冗余测量融合的组合相对导航算法,具有较好的容错性能[９]２)相对制导载人航天工程二期交会对接任务中的寻的段和接近段,采用了C W 制导[１０]和视线制导两种制导[１１]方式进行接近.(１)C W 制导将H i l l 方程写为如下形式r (t )v (t )æèçöø÷＝A B C D éëêêùûúúr (t ０)v (t ０)æèçöø÷(１)式中:A ,B ,C ,D 分别为R ３ˑ３矩阵;设ω为轨道角速度,则有A B C D éëêêùûúú＝１０６[ωT －s i n (ωT )]４s i n (ωT )ω－３T ０２[１－c o s (ωT )]ω０c o s (ωT )００s i n (ωT )ω０００４－３c o s (ωT )２[c o s (ωT )－１]ω０s i n (ωT )ω００６ω[１－c o s (ωT )]４c o s (ωT )－３０２s i n (ωT )０－ωs i n (ωT )００c o s (ωT )０００３ωs i n (ωT )－２s i n (ωT )０c o s (ωT )éëêêêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúúú(２)㊀㊀一般情况下的双脉冲接近控制可以描述为:在已知初始位置㊁速度r (t ０),v (t ０),寻求控制脉冲分别作用于初始时刻和终止时刻,使得在给定时间T ＝t f －t ０内,相对位置㊁速度达到r (t f ),v (t f ).根据C W 方程解析解,双脉冲控制需要的速度增量Δv １和Δv ２满足Δv １＝B －１[r (t f )－A r (t ０)]－v (t ０)(３)Δv ２＝v (t f )－C r (t ０)－D B －１[r (t f )－A r (t ０)](４)㊀㊀(２)视线制导视线制导两个目的:①使得相对距离在空间的转动速度为零;②在视线方向上相对距离速率为负.把视线转动角速度方向的控制称为横向控制,把沿视线方向的控制称为纵向控制.对于横向控制,采用图３所示的开关控制策略,以消除视线转动的角速度.纵向控制的目的是使两个航天器按设定的轨迹或设定的走廊逐步接近.㊀㊀图３中ωo n ㊁ωo f f 为开关阀值,由测量精度㊁开启次数㊁推进剂消耗㊁最小工作时间等确定;F 为发动机推力.图３㊀横向开关控制F i g３㊀L a t e r a l s w i t c hc o n t r o l ㊀㊀３)交会对接六自由度控制基于特征模型的智能自适应控制方法是吴宏鑫院士１９９２年提出的,经过近３０年的研究,在理论和应用上均取得了重要进展,形成了一套完整的实用性很强的自适应控制理论和方法[１２].但是,基于特征模型的黄金分割自适应控制器是线性控制器,不能直接应用于解决交会对接这样的喷气非线性控制问题.针对交会对接六自由控制的任务要求和背景特点,创造性地设计了一种基于特征模型的交会对接相平面自适应控制方法,克服了现有设计参数需要人工试凑效率低下的问题,解决了交会对接过程中帆板挠性大㊁羽流干扰严重㊁姿态和轨道耦合㊁系３３１㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀解永春等:我国载人航天工程交会对接控制技术发展Copyright ©博看网. All Rights Reserved.统延迟大情况下鲁棒性好㊁控制精度高㊁适应能力强的控制器设计难题[１３].２ ３㊀人控交会对接人控交会对接是指由航天员借助交会对接人控系统完成的交会对接.交会对接人控系统组成如图４所示,由测量部件㊁控制部件㊁执行部件和仪表显示设备组成.①测量部件包括两类:一类人控惯性测量单元和电视摄像机等人控专用测量设备;一类通用惯性测量单元㊁红外地球敏感器和激光雷达等与自控系统共用的测量部件.其中惯性测量单元和红外地球敏感器用于姿态确定,激光雷达测量信息用于为航天员仪表显示相对距离和相对速度信息.②控制部件包括人控控制器㊁姿态控制手柄㊁位置控制手柄和仪表系统的人控指令发送设备等.③执行部件包括姿态轨道控制发动机等控制设备.④仪表显示设备主要为航天员显示姿态及相关信息.图４㊀交会对接人控系统组成F i g ４㊀S y s t e mc o m po s i t i o no f r e n d e z v o u s a n dd o c k i n g ma n u a l c o n t r o l 航天员通过观察电视摄像机屏幕的图像信息,采用位置和姿态协调控制的方法完成百米范围内的交会对接.保持飞船向目标航天器运动,首先结合陀螺测量信息对飞船的姿态进行视线定向控制,消除飞船相对于视线的偏差,使得目标航天器的图像位于电视摄像机的视场中心.操作姿态和位置控制手柄,不断消除姿态和横向位置偏差,并使飞船以恒定的速度接近目标航天器,完成最后对接[１４].２ ４㊀地面仿真验证航天器飞行试验成本巨大,研发过程主要依靠地面试验模拟飞行环境和状态来验证设计的正确性.仿真试验是一种十分有效的系统设计㊁验证和测试方法,在交会对接研制中被广泛应用.针对上述问题,从交会对接任务需求出发,结合实际条件,开展了仿真验证的相关研究工作,于２００８年研制了国内首个大型近距离交会对接综合仿真验证系统[１５],如图５所示.图５㊀近距离交会对接综合仿真验证系统F i g ５㊀I n t e gr a t e d s i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n s y s t e mf o r c l o s e r a n g e r e n d e z v o u s a n dd o c k i n g该仿真验证系统不仅可连续对目标飞行器与追踪飞行器在轨近距离交会对接物理运动过程进行逼真模拟,而且通过灵活的设备配置可完成各种交会对接测量敏感器单机的性能验证和交会对接控制系统设计的闭环验证,其较大的运动范围㊁多达九个运动自由度的模拟量㊁多功能验证试验模式设计在国际上也具有鲜明特色.在我国交会对接技术的研发过程中,利用近距离交会对接综合仿真验证系统实现了对交会对接各对接方向接近㊁撤退和撤离等多种飞行工况控制设计的上千次地面仿真验证,为交会对接技术的不断优化㊁改进提供了重要基础数据,为我国多次在轨交会对接任务的圆满成功奠定了坚实基础.３㊀载人三期交会对接控制技术发展２０１３年,在神舟十号与天宫一号交会对接任务结束后,交会对接控制团队启动了自主快速交会对接的技术调研㊁方案研究工作[１６].国家科技部９７３项目 全天时全方位多形式安全交会对接精确控制理论及方法研究 也于同年立项,为自主快速交会对接提供了理论基础.我国完成载人航天工程二期交会对接任务后,在载人航天工程三期空间站组建和运营过程中,交会对接任务更加密集,开发高效㊁强适应性的自主快速交会对接方案具有非常重要的意义.此外,对于货运飞船㊁空间站实验舱等无人航天器,为了提高交会对接可靠性,还需要增加人控遥操作交会对接.２０２０年具有自主知识产权的载人三期追踪航天器全自主通用交会对接方案设计报告通过评审.４３１㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀Copyright ©博看网. All Rights Reserved.２０２１ ２０２２年,天舟二号[１７]/三号/四号/五号㊁神舟十二号/十三号/十四号/十五号相继发射,采用６ ５h全自主快速交会对接主任务模式和２h超快速交会对接模式(天舟五号),分别与空间站天和核心舱成功实现了前向㊁后向和径向交会对接;问天/梦天实验舱采用１３ ５h天地一体快速交会对接模式,相继与天和核心舱成功实现前向交会对接.２０２２年１月,神舟十三号航天员乘组在空间站核心舱内采用人控遥操作方式,圆满完成天舟二号货运飞船与空间站组合体的交会对接试验.我国空间站建造阶段的交会对接任务全部圆满完成.３ １㊀全相位多模式自主快速交会对接在已有载人航天工程二期远距离导引地面制导算法研究及前期远距离快速交会技术调研和方案研究的基础上,提出了基于火箭入轨条件,且适应性较好㊁具有较大故障容忍能力的自主远距离交会方案,如图６所示.与俄罗斯的准共面发射实现两圈快速对接不同[１８],该方案包括基于锚点设定和时空折叠的调相策略㊁多变量协调的自主安全快速交会对接制导策略和算法㊁故障处置策略等.相关算法计算量小㊁可靠性高,可应用于航天器在轨自主计算.通过研究制导脉冲和相位角调整的规律,针对入轨轨道条件给出了最短时间交会对接的相位调整能力,使得该方案在推进剂消耗基本保持不变的条件下,可大大增加追踪航天器和目标航天器的初始相位差,最大程度的适应火箭入轨偏差,提高任务实施的宽松度.采用该方案,近地轨道交会对接飞行时间可在２h~３d范围内自适应调整.图６㊀自主快速交会对接过程示意图F i g ６㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo f a u t o n o m o u sq u i c k r e n d e z v o u s a n dd o c k i n gp r o c e s s ３ ２㊀人控遥操作交会对接相对于载人航天工程二期载人飞船的人控交会对接,从货运飞船开始,在原有载人飞船人控交会对接功能的基础上,又新增了人控遥操作交会对接功能.由于摄像机依然配置在来访飞行器上,但航天员人控遥操作是在空间站上,因此为满足人控遥操作的需求,增加了遥操作摄像机㊁图像压缩编码解码单元及空空无线高速传输等设备.与载人飞船的直接人控交会对接技术相比,人控遥操作交会对接系统架构变化明显㊁控制回路的时延更大.大时延条件下的交会对接控制是人控遥操作系统设计的难点,为满足控制系统方案要求,载人三期任务研制中对时延控制进行了专门设计,对各个时延环节进行了严格控制,目前在轨应用可以满足使用需求[１９].３ ３㊀复杂航天器高精度鲁棒控制以复杂航天器交会对接高精度鲁棒控制为背景,不断丰富和发展基于特征模型的相平面高精度控制及实现方法.在理论上,首次提出了相平面闭环控制稳定性定理,解决了相平面控制稳定性证明的科学难题,给出了保证系统稳定的相平面参数关联机理和约束关系,为相平面控制参数设计奠定了重要理论基础[２０Ｇ２２].在方法上,建立了目标相对运动的特征模型,总结提炼了一种基于特征模型的相平面自适应控制方法,通过将目标转动角速度引入相对运动方程推导,分析捕获瞬时对接轴的控制能力需求(见图７),相平面参数设计根据需求分析结果及稳定性条件,随目标转动特性㊁纵向距离等进行自适应调整,作为一种参数可设计的相平面位置姿态控制方法,实现了复杂航天器多模式交会对接位置姿态高精度鲁棒控制.上述控制方法为载人飞船㊁货运飞船等复杂航天器交会对接任务的成功实施,提供了重要的技术支撑.这些方法不仅适用于空间交会对接任务,还具有较强的通用性,可以应用于其它高阶㊁慢时变㊁大延迟㊁强干扰航天器的喷气控制,如带有挠性太阳帆板的充液卫星的姿态轨道控制㊁大挠性航天器喷气控制等,丰富发展了基于特征模型的自适应控制理论方法.图７㊀捕获瞬时对接轴F i g ７㊀C a p t u r e i n s t a n t a n e o u s d o c k i n g a x i s５３１㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀解永春等:我国载人航天工程交会对接控制技术发展Copyright©博看网. All Rights Reserved.３ ４㊀发动机最优配置和指令分配从载人航天工程二期开始,交会对接控制团队在国内就率先开展了交会对接姿轨控推力器指令分配及配置问题研究[２３],经过载人航天工程三期的深入研究,①提出了一种多执行机构最优控制指令分配方法.针对复杂任务多执行机构位置控制和姿态控制互相耦合干扰,影响控制精度和稳定度,且使用效率较低的问题,考虑每台执行机构在复杂任务所有控制维度上的输出,将控制指令分配问题转化为针对控制指令的精确方程组求解问题,并基于推进剂消耗等性能指标获得唯一最优解,从而提高复杂航天器位置姿态六自由度控制精度和稳定度,并减少推进剂消耗[２４].②提出了一种复杂任务多执行机构构型优化设计方法.针对复杂任务执行机构配置数量过多且使用效率低的问题,通过建立构型参数与各执行机构输出的控制量之间的矩阵关系,将考虑偏差和故障冗余的执行机构配置数量问题转化为使得方程组有解的矩阵可逆问题,得到控制任务维数与执行机构数量间的确定关系.将布局优化问题转化为非线性规划问题,根据基于性能指标的构型优化模型,并结合任务需求和约束得到性能最优的构型设计结果,解决了执行机构构型设计技术难题,使复杂航天器的发动机配置数量大幅下降[２５Ｇ２６].４㊀后续发展需求与展望４ １㊀载人登月和深空探测我国载人航天工程和月球探测工程作为国家科技发展的两项重大工程,正按照既定计划稳定有序的开展.推进以载人登月为目标的月球探测任务是我国下阶段航天活动的必然趋势,也是我国航天事业持续发展的重大举措.实施月球轨道交会对接可大幅减小从地球或月面发射航天器的规模,有效降低对起飞运载能力的要求.因此,月球轨道交会对接技术是载人登月和建立月球基地的支撑性技术之一.月球空间环境与地球差异很大,而相较于无人月球探测任务,载人登月任务探测器规模更大,结构更为复杂,在任务类型㊁快速性㊁自主性和安全性等方面,对交会对接技术提出了新的要求.在深空探测方面,我国已实现了无人月球采样返回,未来还要实施火星采样返回㊁小行星采样返回等.由于距离更加遥远,不确定性更大,对交会对接的智能性和自主性要求会越来越高.４ ２㊀在轨服务太空中有大量航天器在轨运行,承担着通信㊁气象㊁探测和导航等任务,这些航天器与我们生活密切相关,对人类社会进步和科技发展起着重要作用.航天器经过长时间运行,其器件容易老化并发生故障,同时,随着技术的进步,在轨航天器的关键部件也需要升级换代,目前只能通过发射新的航天器,替代旧的故障航天器来实现上述目标.对故障航天器开展在轨维护可以有效延长航天器使用寿命,降低航天发射和运行成本,因此在轨维护是重要的发展趋势.在轨维护要对接的航天器通常是非合作目标,针对非合作目标的交会逼近或对接停靠控制和合作目标有很大的不同,因为非合作目标通常没有运动控制能力,交会的目标轨道一般是椭圆轨道,若要实现与这些目标的交会对接或者捕获,必须研究基于一般椭圆轨道的交会对接技术.４ ３㊀基于人工智能的空间交会对接技术智能航天器是指具备态势感知㊁信息融合㊁自主决策㊁组网协同,可实现自主㊁高动态与分布协同工作,具有自主学习能力的航天器.智能是未来航天器成功自主执行各种复杂交会对接任务的主要手段,通过在航天器上建立远程智能体,不依赖外界的信息注入和控制或者尽量少依赖外界控制而能够准确的感知自身的状态和外部环境,实现航天器的自我管理㊁自行完成感知㊁决策和执行.利用深度强化学习技术,通过学习训练,使航天器具备以观测到的目标航天器图像序列为输入,通过自身控制完成与目标航天器的交会和对接过程.智能交会对接具备人控交会对接鲁棒性强的特点,具备学习能力,能够适应更大的不确定性,具有更广阔的应用前景.５㊀结束语中国载人航天工程推动了我国空间交会对接技术的长足发展,在载人航天３０年发展历程中,作为载人航天的基本技术,我国的空间交会对接技术实现了从无到有㊁从自动/人控到自主㊁从长周期到快速㊁从单一模式到多模式的重大技术跨越,圆满完成了载人航天三步走战略,同时也促进了航天器自主控制技术的发展,为航天强国建设贡献了力量.参考文献(R e f e r e n c e s)[１]林来兴．空间交会对接技术[M]．北京:国防工业出版６３１㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀Copyright©博看网. 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中国首次空间交会对接作者：沈羡云来源：《百科知识》2011年第11期“神七”实现“太空行走”后，中国的空间站距离我们越来越近了。

即将发射的“天宫一号”和“神八”将拉开中国空间实验室的序幕，它们将与之后发射的“神九”、“神十”组成我国的第一个空间实验室。

这个空间实验室的主要任务并不是为了进行空间实验，而是为了解决载人航天飞船和空间飞行器的交会对接问题，为今后“天宫二号”、“天宫三号”空间实验室的空间科学、航天工程、航天医学试验和今后载人空间站的建立奠定基础。

什么是交会对接？人们在谈起空间交会对接时总是将它们连在一起，好像是一回事，实际上它是两个过程，即是空间交会和空间对接的总称。

空间的交会对接就好像人生的恋爱和结婚一样，是有联系但性质上又不完全相同的两回事。

空间交会是指两个或两个以上的航天器，通过轨道参数的调整，在空间轨道上按预定位置和时间“相会”的过程。

通常只要交会的航天器相距在一定距离范围以内（例如300米），就算实现了交会。

对接是指它们“相会”后，通过专门的对接装置将两个航天器连接成一个整体。

交会的航天器不一定对接，但是需要对接的航天器则一定要首先实现交会，而且交会还必须达到对接所要求的精度。

交会对接促进了载人航天回顾一下载人航天的历史，我们可以看到：无论是美国还是俄罗斯都与我国一样，经过发射单个飞船、空间实验室、空间站3个阶段。

在这个过程中，最主要的一项技术就是交会对接技术。

可以说没有交会对接技术的发展，就没有载人航天的发展。

可以想象一下，哪个火箭有这样大的推力可以将像国际空间站这样的庞然大物发射到太空？国际空间站的建成，都是靠交会对接将一个个舱段与空间站的主构架连接在一起的；国际空间站的应用，也是通过交会对接将航天员和物质一次次地送到国际空间站，使他们发挥作用。

目前我国火箭近地轨道最大运载能力仅为9.2吨，不仅无法将体积更大、重量更重的空间实验室发射升空，也满足不了空间实验室在运行期间所需大量物资的运输要求。