[科普中国]-航天会合制导

航天上的会合：两个或多个物体在预定的时间和地点以零相对速度相遇。正常情况下包括交会、对接

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。1

随着人类探索、开发和利用外层空间的深入, 对交会对接技术提出了更高的要求,诸如故障航天器的在轨捕获与维修、空间垃圾清除等已成为航天技术发展需要面对和解决的课题，而非合作目标的会合/交会技术是解决这些问题必需的关键技术。

从过去半个世纪的航天应用和未来航天技术的发展趋势来看，二十一世纪将是人类在空间领域获得重大突破和取得飞速进展的世纪，空间科学的发展将进一步提高人类认识、利用和开发空间的能力。在这种形势下，对空间的开发和利用越来越离不开天地物资与人员的往返运输，离不开空间飞行器间的物质与能量转 移，离不开空间不同平台的构建与维护，然而，这种种的“离不开”紧紧地依赖 于一项重大技术--会合/交会对接(Rendezvous Docking，缩写为RVD)，该技术以其广阔的应用前景已逐渐成为保障国家空间技术优势的重要组成部分。作为未 来空间领域一项基本的经常性任务，空间交会对接技术的研究与发展受到了各航天大国的重视。

从应用角度讲，空间交会对接技术已成为一种使能技术，有关该 技术的研究与发展在空间领域具有紧迫性和前沿性。在掌握了载人航天技术后， 我国已开始实施空间交会对接工程计划。

空间交会对接是上世纪六十年代中期随着第一次航天技术热潮发展起来的一 项空间战略技术，是空间民用和军事战略运用的核心技术，是载人航天从试验型 到应用型转变的重要标志，也是发展深空探测不可跨越的重要阶段，代表了一个 国家航天技术发展的水平，从其诞生之日起就倍受各航天大国青睐。

该技术与工程应用结合非常紧密，目前实现的交会对接任务已有近三百次，经过四十多年的研究与应用，传统的交会对接技 术已相对比较成熟，当前正朝着自主交会对接（Autonomous Rendezvousand Docking，缩写为AR&D)技术方向发展。所谓自主交会技术即不依赖地面系统而 仅靠飞行器自身设备实现交会任务的一种技术，这一技术已成为国际空间技术研 究的热点。

随着第二次航天技术热潮的到来，自主交会技术 必将在空间交会任务中扮演更为重要的角色。 交会这一概念来自于实际工程应用。有关交会的概念大致分为狭义和广义两 种，狭义上通常表述为三种形式:

对空间交会用自然语言描述为“所谓交 会是指两个或两个以上的飞行器在空间轨道上按预定位置和时间相会”;

从最优控制角度出发给出的数学描述为“在控制前两飞行器轨道参数已知， 国防科学技术大学研究生院博士学位论文要求选择交会机动起始时刻ro，并选择最优控制策略改变追踪器的轨道，使在时 Ntl有rCtl)=，埘“)，v(tO=v.(tO’’。

以上定义是一种狭义概念，广义上则可理解为 在给定时间内使飞行器从初始状态机动到任何指定空域，且满足终端位置和速度 状态指标要求的空间技术，如飞行器与自然天体、人造天体或虚拟目标的交会等。 终端位置、速度和交会时间按任务背景和实现目的的不同可以有不同的精度。

2005年10月，“神舟"六号载人飞船成功发射、在轨运行和返回，标志着我 国空间交会技术的在轨验证工作拉开了序幕。

航天器空间交会对接技术的实施必须由高级控制系统来完成，根据航天员及地面站的参与程度可将控制方式划分为如下四种类型：

· 遥控操作：追踪航天器的控制不依靠航天员，全部由地面站通过遥测和遥控来实现，此时要求全球设站或者有中继卫星协助。

· 手动操作：在地面测控站的指导下，航天员在轨道上对追踪航天器的姿态和轨道进行观察和判断，然后动手操作。这是比较成熟的方法。

· 自动控制：不依靠航天员，由船载设备和地面站相结合实现交会对接。该控制方法亦要求全球设站或有中继卫星协助。

· 自主控制：不依靠航天员与地面站，完全由船上设备自主实现交会对接1

交会对接任务如果有地面的支持，将会大大降低系统复杂度，提高安全和成功概率。由于地面测控网的覆盖范围有限，交会对接追踪航天器必须具有一定的自主控制能力，能够在目标航天器附近进行自主控制。

追踪航天器和目标航天器的地面控制中心可以单独设立，也可以联合设立。在发射和调相阶段，追踪器和目标器可以单独控制。

除了要相互交换的必要信息外，追踪器地面控制只需要得到目标器的精确轨道参数。在近距离导引段开始自主控制后，追踪器和目标器开始需要频繁交换数据。在这一阶段，追踪器和目标器必须建立空空通信链路，接近轨迹必须满足安全性要求。在进入接近走廊后，必须建立包含追踪器、目标器和地面控制中心的控制体系结构，明确各参与方的控制优先权。地面控制中心应该具有最高控制权。

交会对接相对测量敏感器通常分为远场和近场敏感器两类。远场敏感器一般作用距离为上百千米到百米量级，用于交会对接寻的段和接近段。近场敏感器一般作用距离为几百米到零距离接触，用于交会对接的近距离接近段和平移靠拢段。远场敏感器通常指要求测量目标飞行相对追踪飞行的位置和速度，而近场敏感器要求测量二者的相对方位和姿态。用于交会对接测量的手段包括卫星导航、微波、激光和光学成像等。

交会对接测量设备是交会对接任务成功的关键，在每个飞行阶段都应该有冗余备份，并且能适应空间环境要求。采用高精度的光学测量敏感器时，需要特别关注阳光干扰的抑制问题。

交会与对接实际是两个不同的技术。

交会是指多个（一般为两个）航天器在空间轨道上在预定位置和时间相会；

对接是指两个航天器接近、对准、固联成一个整体。

交会与对接相互衔接，根据空间任务的不同，对接有时不进行。空间交会对接技术实现四十多年来，据统计已成功进行了200多次，而仅有―阿波罗登月任务成功实施过有人控制的月球轨道交会对接任务。与地球轨道交会对接相比，由于其特殊的深空环境和测控难度，无人月球轨道交会对接技术在自主性、快速性、控制的鲁棒性和精度上都有较高的要求。

航天器在与空间非合作目标交会任务开始前,存放在空间轨道平台内,平台与空间非合作目标相距一定距离,与其保持同轨伴飞。交会任务开始时,为节省微型航天器的燃料,轨道平台根据初制导律以一定速度及释放角度释放微型航天器,微型航天器进入交会轨道后,当末制导导引设备捕获并跟踪目标后可通过自寻的末制导最终完成与空间非合作目标交会任务。

对接过程通常分为4个阶段。两个航天器在完成交会后保持一定的距离，进入共面的相对飞行阶段。在进行下一个步骤之前，两个航天器都要确定对接姿态。当两个航天器完成了最后的对接准备以后，目标航天器（被动方）保持原状态，对接航天器（主动方）则进行主动靠近。为了保证对接的准确性，航天员（或自动对接系统）必须在确保两个航天器的对接设备处于同一直线上之后，再小心翼翼地进行对接。最初的接触会触发一些小型撞锁来连接两个航天器（软对接），它们能够起到对接过程中的缓冲作用。在对接完成后，对接设备将两个航天器拉近紧贴在一起，一些能够进行密封连接的对接系统的对接口进行密封（硬对接）。2

交会对接技术研究背景及意义：空间资源对一个国家的科技、经济、社会发展和国家安全十分重要，因而， 世界各航天大国对太空的争夺从未停止过。

二十世纪五、六十年代，美、苏进行 的太空竞赛拉开了第一次航天技术热的序幕，进入60年代，苏联首先实现了两卫 星的交会并进行了短期编队飞行，与此同时，美国在“阿波罗”登月计划的支持 下也开展了有关交会对接技术的研究。经过多年的发展，美、俄已掌握了空间交会对接技术，但随着技术的进步，空间交会对接技术在可靠性、安全性和自主性 等方面还有许多值得研究的问题。 尽管美国在自主交会对接技术上的研究历史不长，但发展却十分迅速。

1990 年，美国约翰逊空间中心举行了一次有关自主交会对接的会议，之后，美国JPL 采用了会议的技术成果，并将其作为一种基本认识，对美国已经拥有的技术以及 需要进一步研究和发展的技术进行评估，从此，美国开始全面开展自主交会相关 技术的研究。经过近十五年的研究与储备，

2004年，美国总统布什宣布了令世人 注目的2l世纪空间探测计划:

2015年左右实现CEV;3

2020年左右重返月球;并以月球探测为基础，

2020年以后实现火星探测计划。这是自开展自主交会技术研 究以来，美国空间任务中涉及该技术的最宏伟的计划。 美国除了在民用上依赖于自主交会技术以外，军事上也无处不渗透着这种技 术的应用。美国防部2000年发行的《空间技术指南》中包含了8个任务领域，其 中“航天运载’’与“空间控制"两个领域就与交会对接技术直接相关，并将这两 个重要领域包含的技术作为未来空间军事活动的焦点内容。美国一直把控制太空、 夺取太空优势列为空间作战的首要任务，其目的就是确保美军及其盟军不问断地 进入太空，并在太空自由行动和必要时具有阻止他人利用太空的能力。除此以外， 《美国航天司令部长期规戈U--2020年设想》中还把确保“进入”并实现部署、 重构、补充、更新、扩大、维护空间系统的能力作为“控制空间’’这一作战概念 的目的。军事上对自主交会技术的需求进一步促进了该技术的发展。4

空间自主交会技术应用前景非常广阔，美国在先进空间运输计划(ASTP)中 已将自主交会对接技术列为一项首要技术，目前，自主交会对接技术主要在空间 运输系统上应用。针对空间运输这一具体背景，美国NASA、欧洲ESA、还有日 本JAXA正在加紧实施自己的研究计划，已处于演示验证阶段，俄罗斯也开始研制具有自主能力的“快船’’号和“渡船"号新一代运载器。

第一代具备自主能力的空间运输器的成功研制必将推动并加速航天技术其它领域的发展，具有划时代国防科学技术大学研究生院博士学位论文的意义。另外，为了对空问飞行器实现自主、快速维护，美幽还提出了空间在轨 “服务者"、空间“仓库"等概念飞行器，这些飞行器的实现都以自主交会技术为核心。民用和军用方面对交会技术的强劲需求必将加快该技术向自主方向不断迈进。

我国在交会对接技术上的研究历史较短。近年来对交会技术的主要需求来自于载人航天工程和探月工程。载人航天二期工程要建立一个长期运行的空间实验室，交会对接任务在任务初期主要用于技术验证和实验室的建造，后期则长期用 于对实验室的维护。为了降低维护成本，提高空间实验室的自主性，减小其对地 面的依赖性必然成为一种需求。

“嫦娥’’探月工程是我国进行深空探测迈出的重要一步，是中国航天事业继人造卫星、载人航天之后的第三个里程碑。将来要实 现月球采样和返回任务，也必须借助交会对接技术。在载人航天和探月工程的牵引下，近些年，我国在交会对接技术上的研究已有了一定的积累，但仍存在着诸 多问题，未来要走的路还很长。 我国从上世纪八十年代末就开始了空间交会对接的先期调研与论证工作，进入2l世纪后逐步增加了投入力度，目前已进入地面物理仿真试验阶段，演示验证试验也已提上同程。准备实施的第一次空间交会对接试验仍采用传统的交会对接 技术，需要依赖地面设备进行测控与跟踪，这种模式下飞行器的自主性不高，应对紧急事态的能力还不强。当前我国在自主交会方面的研究已经起步，还有待从理论与工程应用方面进行深入研究。 不少国家都把发展载人航天技术和建立永久性空间站作为本世纪内的发展目标，随着空间事业的不断发展，可以预见，未来的空问应用必将大大依赖于自主交会对接技术。56

（1）微波交会雷达是一种被普遍采用的测量传感器。自20世纪60年代至今50多年的实践考验，技术成熟，在今后仍是一种非常可靠的测量手段。随着微波雷达技术及电子器件的发展，使用的工作频率逐渐提高，有L波段、S波段、C波段向Ku波段及毫米波频段发展。

（2）激光雷达以其波束窄、分辨率高、测量精度高等优点，受到各国科学家的重视。尤其是半导体激光器使用后，激光雷达技术达到了比较成熟的阶段，逐渐被用到空间交会对接系统中，但应用比较多的是激光测距机。

（3）CCD光学成像测量传感器是一种高智能化的测量技术，由于它体积小，质量轻，功耗小，能精确地测出两航天器之间测相对位置和姿态。在空间交会对接的最后逼近段和对阶段得到广泛应用。随着信息处理技术的发展，其应用范围会更加广泛。

（4）PSD位置传感探测器，是20世纪80年代后期出现的一种非接触式测量传感器。由于其具有位置分辨率高、光谱响应宽、电路简单、测量精度高等优点，发展很快，在交会对接的逼近段和对接阶段是一种可用的传感器，但尚未看到具体应用的实例。

（5）GPS/GLONASS全球定位系统具有全球覆盖、全天候、多功能、实时等优点，在交会对接中得到广泛应用。它在美国、日本以及欧空局研究的测量系统中已占主要地位。

（6）采用多传感器分段测量时主要的一种测量方法，各种传感器获得的信息能综合利用，可以大大地简化测量设备，改善系统性能和提高可靠性。这是交会对接测量技术很重要的发展方向和研究内容。

（7）在测量方法上由依靠地面的非自主式过渡到不依靠地面的自主式测量，由航天员操作的非自动式到不依赖航太员操作的自动对接。多功能多传感器复合的光电测量系统，是交会对接测量系统发展的必然趋势。