航天會合制導

航天會合制導是兩個或多個物體在預定的時間和地點以零相對速度相遇。

航天會合制導是指兩個太空飛行器在空間軌道上會合交會或在結構上對接連成一個整體的技術。空間會合技術包括空間交會對接軌道設計技術、軌道交會控制技術、對接機構設計技術、空間交會對接測控技術等。廣泛用於火箭飛彈、空間站、空間實驗室、空間通信和遙感平台等大型空間設施在軌裝配、回收、補給、維修以及空間救援等領域。

基本介紹

• 中文名：航天會合制導
• 外文名：Space rendezvous guidance

原理

航天上的會合：兩個或多個物體在預定的時間和地點以零相對速度相遇。正常情況下包括交會、對接

基本概念

空間交會對接技術（Rendezvous and Docking，RVD）技術是指兩個太空飛行器在空間軌道上會合併在結構上連成一個整體的技術，是實現航天站、太空梭、太空平台和空間運輸系統的空間裝配、回收、補給、維修、航天員交換及營救等在軌道上服務的先決條件。空間交會與對接是載人航天活動的三大基本技術之一。所謂三大基本技術就是載人太空飛行器的成功發射和航天員安全返回技術、空間出艙活動技術和空間交會對接技術。只有掌握它們，人類才能自由出入太空，更有效地開發宇宙資源。對於國家來說，還能獨立、平等地參加國際合作。

交會對接包含著交會與對接兩方面的內容。交會（Rendezvous）是指兩個太空飛行器在交會軌道上相互接近的過程。其中一個太空飛行器為追蹤太空飛行器，如載人飛船或者太空梭，一般情況下為追蹤太空飛行器的主動方，並裝有主動測量設備。另一個太空飛行器為目標太空飛行器，如空間站、留軌艙等，目標太空飛行器通常作為被動方，並裝有合作目標，如雷達應答機、光學的角反射器等。當兩個太空飛行器接近到滿足對接結構實施對接的初始條件時，其交會對接過程結束。對接（Docking）是指當兩個太空飛行器接近到滿足對接機構實施對接的初始條件時，對接結構在特定的指令下完成相互耦合和剛性密封連線的過程。

歷史

需求背景

隨著人類探索、開發和利用外層空間的深入, 對交會對接技術提出了更高的要求,諸如故障太空飛行器的在軌捕獲與維修、空間垃圾清除等已成為航天技術發展需要面對和解決的課題，而非合作目標的會合/交會技術是解決這些問題必需的關鍵技術。

發展概況

從過去半個世紀的航天套用和未來航天技術的發展趨勢來看，二十一世紀將是人類在空間領域獲得重大突破和取得飛速進展的世紀，空間科學的發展將進一步提高人類認識、利用和開發空間的能力。在這種形勢下，對空間的開發和利用越來越離不開天地物資與人員的往返運輸，離不開空間飛行器間的物質與能量轉 移，離不開空間不同平台的構建與維護，然而，這種種的“離不開”緊緊地依賴 於一項重大技術--會合/交會對接(Rendezvous Docking，縮寫為RVD)，該技術以其廣闊的套用前景已逐漸成為保障國家空間技術優勢的重要組成部分。作為未 來空間領域一項基本的經常性任務，空間交會對接技術的研究與發展受到了各航天大國的重視。

從套用角度講，空間交會對接技術已成為一種使能技術，有關該 技術的研究與發展在空間領域具有緊迫性和前沿性。在掌握了載人航天技術後， 我國已開始實施空間交會對接工程計畫。

空間交會對接是上世紀六十年代中期隨著第一次航天技術熱潮發展起來的一 項空間戰略技術，是空間民用和軍事戰略運用的核心技術，是載人航天從試驗型 到套用型轉變的重要標誌，也是發展深空探測不可跨越的重要階段，代表了一個 國家航天技術發展的水平，從其誕生之日起就倍受各航天大國青睞。

該技術與工程套用結合非常緊密，目前實現的交會對接任務已有近三百次，經過四十多年的研究與套用，傳統的交會對接技 術已相對比較成熟，當前正朝著自主交會對接（Autonomous Rendezvousand Docking，縮寫為AR&D)技術方向發展。所謂自主交會技術即不依賴地面系統而 僅靠飛行器自身設備實現交會任務的一種技術，這一技術已成為國際空間技術研 究的熱點。

隨著第二次航天技術熱潮的到來，自主交會技術 必將在空間交會任務中扮演更為重要的角色。 交會這一概念來自於實際工程套用。有關交會的概念大致分為狹義和廣義兩 種，狹義上通常表述為三種形式:

對空間交會用自然語言描述為“所謂交 會是指兩個或兩個以上的飛行器在空間軌道上按預定位置和時間相會”;

從最優控制角度出發給出的數學描述為“在控制前兩飛行器軌道參數已知， 國防科學技術大學研究生院博士學位論文要求選擇交會機動起始時刻ro，並選擇最優控制策略改變追蹤器的軌道，使在時 Ntl有rCtl)=，塒“)，v(tO=v.(tO’’。

以上定義是一種狹義概念，廣義上則可理解為 在給定時間內使飛行器從初始狀態機動到任何指定空域，且滿足終端位置和速度 狀態指標要求的空間技術，如飛行器與自然天體、人造天體或虛擬目標的交會等。 終端位置、速度和交會時間按任務背景和實現目的的不同可以有不同的精度。

2005年10月，“神舟"六號載人飛船成功發射、在軌運行和返回，標誌著我 國空間交會技術的在軌驗證工作拉開了序幕。

分類

太空飛行器空間交會對接技術的實施必須由高級控制系統來完成，根據航天員及地面站的參與程度可將控制方式劃分為如下四種類型：

· 遙控操作：追蹤太空飛行器的控制不依靠航天員，全部由地面站通過遙測和遙控來實現，此時要求全球設站或者有中繼衛星協助。

· 手動操作：在地面測控站的指導下，航天員在軌道上對追蹤太空飛行器的姿態和軌道進行觀察和判斷，然後動手操作。這是比較成熟的方法。

· 自動控制：不依靠航天員，由船載設備和地面站相結合實現交會對接。該控制方法亦要求全球設站或有中繼衛星協助。

· 自主控制：不依靠航天員與地面站，完全由船上設備自主實現交會對接

系統

交會對接任務如果有地面的支持，將會大大降低系統複雜度，提高安全和成功機率。由於地面測控網的覆蓋範圍有限，交會對接追蹤太空飛行器必須具有一定的自主控制能力，能夠在目標太空飛行器附近進行自主控制。

追蹤太空飛行器和目標太空飛行器的地面控制中心可以單獨設立，也可以聯合設立。在發射和調相階段，追蹤器和目標器可以單獨控制。

除了要相互交換的必要信息外，追蹤器地面控制只需要得到目標器的精確軌道參數。在近距離導引段開始自主控制後，追蹤器和目標器開始需要頻繁交換數據。在這一階段，追蹤器和目標器必須建立空空通信鏈路，接近軌跡必須滿足安全性要求。在進入接近走廊後，必須建立包含追蹤器、目標器和地面控制中心的控制體系結構，明確各參與方的控制優先權。地面控制中心應該具有最高控制權。

交會對接相對測量敏感器通常分為遠場和近場敏感器兩類。遠場敏感器一般作用距離為上百千米到百米量級，用於交會對接尋的段和接近段。近場敏感器一般作用距離為幾百米到零距離接觸，用於交會對接的近距離接近段和平移靠攏段。遠場敏感器通常指要求測量目標飛行相對追蹤飛行的位置和速度，而近場敏感器要求測量二者的相對方位和姿態。用於交會對接測量的手段包括衛星導航、微波、雷射和光學成像等。

交會對接測量設備是交會對接任務成功的關鍵，在每個飛行階段都應該有冗餘備份，並且能適應空間環境要求。採用高精度的光學測量敏感器時，需要特別關注陽光干擾的抑制問題。

分類發展及典型套用

交會與對接實際是兩個不同的技術。

交會是指多個（一般為兩個）太空飛行器在空間軌道上在預定位置和時間相會；

對接是指兩個太空飛行器接近、對準、固聯成一個整體。

交會與對接相互銜接，根據空間任務的不同，對接有時不進行。空間交會對接技術實現四十多年來，據統計已成功進行了200多次，而僅有―阿波羅登月任務成功實施過有人控制的月球軌道交會對接任務。與地球軌道交會對接相比，由於其特殊的深空環境和測控難度，無人月球軌道交會對接技術在自主性、快速性、控制的魯棒性和精度上都有較高的要求。

交會過程

太空飛行器在與空間非合作目標交會任務開始前,存放在空間軌道平台內,平台與空間非合作目標相距一定距離,與其保持同軌伴飛。交會任務開始時,為節省微型太空飛行器的燃料,軌道平台根據初制導律以一定速度及釋放角度釋放微型太空飛行器,微型太空飛行器進入交會軌道後,當末制導導引設備捕獲並跟蹤目標後可通過自尋的末制導最終完成與空間非合作目標交會任務。

對接過程

對接過程通常分為4個階段。兩個太空飛行器在完成交會後保持一定的距離，進入共面的相對飛行階段。在進行下一個步驟之前，兩個太空飛行器都要確定對接姿態。當兩個太空飛行器完成了最後的對接準備以後，目標太空飛行器（被動方）保持原狀態，對接太空飛行器（主動方）則進行主動靠近。為了保證對接的準確性，航天員（或自動對接系統）必須在確保兩個太空飛行器的對接設備處於同一直線上之後，再小心翼翼地進行對接。最初的接觸會觸發一些小型撞鎖來連線兩個太空飛行器（軟對接），它們能夠起到對接過程中的緩衝作用。在對接完成後，對接設備將兩個太空飛行器拉近緊貼在一起，一些能夠進行密封連線的對接系統的對接口進行密封（硬對接）。

發展概況

交會對接技術研究背景及意義：空間資源對一個國家的科技、經濟、社會發展和國家安全十分重要，因而， 世界各航天大國對太空的爭奪從未停止過。

二十世紀五、六十年代，美、蘇進行 的太空競賽拉開了第一次航天技術熱的序幕，進入60年代，蘇聯首先實現了兩衛 星的交會並進行了短期編隊飛行，與此同時，美國在“阿波羅”登月計畫的支持 下也開展了有關交會對接技術的研究。經過多年的發展，美、俄已掌握了空間交會對接技術，但隨著技術的進步，空間交會對接技術在可靠性、安全性和自主性 等方面還有許多值得研究的問題。 儘管美國在自主交會對接技術上的研究歷史不長，但發展卻十分迅速。

1990 年，美國詹森空間中心舉行了一次有關自主交會對接的會議，之後，美國JPL 採用了會議的技術成果，並將其作為一種基本認識，對美國已經擁有的技術以及 需要進一步研究和發展的技術進行評估，從此，美國開始全面開展自主交會相關 技術的研究。經過近十五年的研究與儲備，

2004年，美國總統布希宣布了令世人 注目的2l世紀空間探測計畫:

2015年左右實現CEV;

未來

計畫方向

2020年左右重返月球;並以月球探測為基礎，

2020年以後實現火星探測計畫。這是自開展自主交會技術研 究以來，美國空間任務中涉及該技術的最宏偉的計畫。 美國除了在民用上依賴於自主交會技術以外，軍事上也無處不滲透著這種技 術的套用。美國防部2000年發行的《空間技術指南》中包含了8個任務領域，其 中“航天運載’’與“空間控制"兩個領域就與交會對接技術直接相關，並將這兩 個重要領域包含的技術作為未來空間軍事活動的焦點內容。美國一直把控制太空、 奪取太空優勢列為空間作戰的首要任務，其目的就是確保美軍及其盟軍不問斷地 進入太空，並在太空自由行動和必要時具有阻止他人利用太空的能力。除此以外， 《美國航天司令部長期規戈U--2020年構想》中還把確保“進入”並實現部署、 重構、補充、更新、擴大、維護空間系統的能力作為“控制空間’’這一作戰概念 的目的。軍事上對自主交會技術的需求進一步促進了該技術的發展。

空間自主交會技術套用前景非常廣闊，美國在先進空間運輸計畫(ASTP)中 已將自主交會對接技術列為一項首要技術，目前，自主交會對接技術主要在空間 運輸系統上套用。針對空間運輸這一具體背景，美國NASA、歐洲ESA、還有日 本JAXA正在加緊實施自己的研究計畫，已處於演示驗證階段，俄羅斯也開始研製具有自主能力的“快船’’號和“渡船"號新一代運載器。

第一代具備自主能力的空間運輸器的成功研製必將推動並加速航天技術其它領域的發展，具有劃時代國防科學技術大學研究生院博士學位論文的意義。另外，為了對空問飛行器實現自主、快速維護，美幽還提出了空間在軌 “服務者"、空間“倉庫"等概念飛行器，這些飛行器的實現都以自主交會技術為核心。民用和軍用方面對交會技術的強勁需求必將加快該技術向自主方向不斷邁進。

我國在交會對接技術上的研究歷史較短。近年來對交會技術的主要需求來自於載人航天工程和探月工程。載人航天二期工程要建立一個長期運行的空間實驗室，交會對接任務在任務初期主要用於技術驗證和實驗室的建造，後期則長期用 於對實驗室的維護。為了降低維護成本，提高空間實驗室的自主性，減小其對地 面的依賴性必然成為一種需求。

“嫦娥’’探月工程是我國進行深空探測邁出的重要一步，是中國航天事業繼人造衛星、載人航天之後的第三個里程碑。將來要實 現月球採樣和返回任務，也必須藉助交會對接技術。在載人航天和探月工程的牽引下，近些年，我國在交會對接技術上的研究已有了一定的積累，但仍存在著諸 多問題，未來要走的路還很長。 我國從上世紀八十年代末就開始了空間交會對接的先期調研與論證工作，進入2l世紀後逐步增加了投入力度，目前已進入地面物理仿真試驗階段，演示驗證試驗也已提上同程。準備實施的第一次空間交會對接試驗仍採用傳統的交會對接 技術，需要依賴地面設備進行測控與跟蹤，這種模式下飛行器的自主性不高，應對緊急事態的能力還不強。當前我國在自主交會方面的研究已經起步，還有待從理論與工程套用方面進行深入研究。 不少國家都把發展載人航天技術和建立永久性空間站作為本世紀內的發展目標，隨著空間事業的不斷發展，可以預見，未來的空問套用必將大大依賴於自主交會對接技術。

發張趨勢總結

（1）微波交會雷達是一種被普遍採用的測量感測器。自20世紀60年代至今50多年的實踐考驗，技術成熟，在今後仍是一種非常可靠的測量手段。隨著微波雷達技術及電子器件的發展，使用的工作頻率逐漸提高，有L波段、S波段、C波段向Ku波段及毫米波頻段發展。

（2）雷射雷達以其波束窄、解析度高、測量精度高等優點，受到各國科學家的重視。尤其是半導體雷射器使用後，雷射雷達技術達到了比較成熟的階段，逐漸被用到空間交會對接系統中，但套用比較多的是雷射測距機。

（3）CCD光學成像測量感測器是一種高智慧型化的測量技術，由於它體積小，質量輕，功耗小，能精確地測出兩太空飛行器之間測相對位置和姿態。在空間交會對接的最後逼近段和對階段得到廣泛套用。隨著信息處理技術的發展，其套用範圍會更加廣泛。

（4）PSD位置感測探測器，是20世紀80年代後期出現的一種非接觸式測量感測器。由於其具有位置解析度高、光譜回響寬、電路簡單、測量精度高等優點，發展很快，在交會對接的逼近段和對接階段是一種可用的感測器，但尚未看到具體套用的實例。

（5）GPS/GLONASS全球定位系統具有全球覆蓋、全天候、多功能、實時等優點，在交會對接中得到廣泛套用。它在美國、日本以及歐空局研究的測量系統中已占主要地位。

（6）採用多感測器分段測量時主要的一種測量方法，各種感測器獲得的信息能綜合利用，可以大大地簡化測量設備，改善系統性能和提高可靠性。這是交會對接測量技術很重要的發展方向和研究內容。

（7）在測量方法上由依靠地面的非自主式過渡到不依靠地面的自主式測量，由航天員操作的非自動式到不依賴航太員操作的自動對接。多功能多感測器複合的光電測量系統，是交會對接測量系統發展的必然趨勢。