神舟飞船交会对接过程

1965年12月15日，美国“双子星座”6号和7号飞船在航天员参与下，实现了世界上第一次交会对接。1968年10月26日，前苏联“联盟”2号和3号飞船实现了首次自动交会对接。到目前为止，人类已经进行了300多次交会对接，而且80%的交会对接是在美国和前苏联／俄罗斯进行的。

20世纪90年代以来，由于美国航天军事活动的日益频繁和航天系统复杂程度不断提高，美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、美国国防部（Department of Defense，DoD）、美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）、美国空军航天与导弹系统中心等多家机构开始着手研制具有高自主性的空间交会对接试验系统［5］。

NASA提出了自主交会技术演示（Demonstration of Autonomous Rendez-vous Technology，DART）项目。该项目中目标卫星是一颗47kg重的军事卫星－MUBLCOM卫星，该卫星上具有远程和近程两套激光反射器［5］。由此可见，该项目属于合作交会对接。DART卫星在300m以内主要采用高级视频引导传感器（Advanced Video Guidance Sensor，AVGS）测出相对运动信息。文献［6］给出了DART的接近操作过程，主要包括接近、绕飞、停靠和撤离等操作过程，如图1所示。从图1可以看出，DART卫星采用的是C－W脉冲制导方法，该方法并不利于实现自主交会对接。2005年4月，DART卫星成功实现与MUBLCOM卫星的交会，但因软件发生故障，推进器点火过多，燃料供给不足导致DART卫星与对接卫星碰撞。虽然该项目最后发生事故，但仍然说明美国在交会对接方面的技术比较成熟。

图1　DART接近操作

1997年10月，美国取消克来门蒂娜2计划后，AFRL、空军航天与导弹系统中心等机构联合开展了实验卫星系统（Experimental Satellite System，XSS）计划。该计划主要目的是研制一种具有全面自主控制能力的微小卫星，这种卫星具有在轨检查、交会对接及围绕在轨物体近距离机动的能力。XSS－10卫星是一个半自主的圆柱形航天器，采用三轴稳定的姿态控制系统，其惯性测量装置由3个光纤陀螺仪和3个硅加速度计组成，用于测量卫星的速度和角度，输出星体的速度和角度的变化增量［7］。另外，XSS－10还携带可见光相机系统（包括两个CCD成像器）对指定的观测点拍照，而后利用可见光相机系统与星敏感器的信息进行融合，进而确定星体的姿态［7］。星上自主导航、制导与控制算法等已经预先固化在机载的DSP芯片中。2003年1月29日，XSS－10由德尔它2火箭发射成功，该卫星完成了与目标的交会、绕飞及拍照等任务，并将图像传回了地面接收站。2005年4月11日，美国在范登堡空军基地由人牛怪（Minotaur）火箭发射了更先进、更复杂的XSS－11卫星。XSS－11卫星为盒形，其传感设备增加了激光雷达和GPS接收机等［8］。XSS－11可在轨运行一年，并对多个目标进行接近操作，且它在交会控制性、机动性和复杂任务执行能力等测试中达到了AFRL的设计要求［5］。XSS－11在飞行过程中，美国地面控制中心主动参与任务初期的交会，地面上的工程师依靠计算结果进行航向修正［8］。由此可见，XSS计划不属于本文所述的不依靠地面站和航天员操作的自主交会对接过程。

1999年，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）提出了“轨道快车”（Orbital Express，OE）计划。该计划主要研究在轨服务、补给和维修技术，从而延长卫星寿命。该计划包括能够为卫星提供服务的轨道器ASTRO和可升级或可维修的目标星NEXTSat。NEXTSat和ASTRO卫星于2007年3月8日一起发射升空，相比与XSS计划，OE试验系统更强调对空间非合作目标的完全自主交会对接能力。OE中的敏感器主要有：两个光学敏感器（窄视场光学敏感器的测量范围从200km到60m，宽视场光学敏感器的测量范围从35km到60m），一个红外敏感器（测量范围从3km到50m，可在任何时间测量航天器的相对位置），一个激光测距仪（测量范围从3km到50m，测量相对位置和距离）和AVGS（测量范围从300m到0m，可以测量相对距离、方位和姿态）［9］。文献［10］中给出了OE的飞行轨线，如图2所示。从结果看，其飞行过程中采用的控制方法是C－W脉冲控制方法。XSS和OE计划的成功，标志着美国交会对接技术获得了巨大成功。

就上述项目可知，美国交会对接技术中采用了多种传感器，其控制方式大多为手动控制方式。

20世纪60～90年代，是前苏联／俄罗斯航天活动的密集期，前苏联／俄罗斯多次发射了“联盟”系列载人飞船和“进步”系列传运飞船，前苏联／俄罗斯的对接对象有很多种类型，包括无人飞船与无人飞船的对接，载人飞船、无人飞船与空间站的对接以及空间站与航天飞机的对接等。1968年10月，“联盟”2号与“联盟”3号进行自动交会对接。1971年4月19日，前苏联／俄罗斯成功发射第1座空间站——礼炮1号。1971年6月，联盟－11号飞船与礼炮－1号空间站实现的交会对接。1975年，美国的阿波罗飞船与前苏联／俄罗斯的联盟－19飞船成功实现交会对接。1983年6月，联盟T－9飞船发射，与礼炮7号空间站、宇宙－1443号卫星对接，构成一个庞大的航天复合体。1986年2月，拥有6个对接口的和平号空间站发射成功，可构成大型组合式航天基地。和平号在轨运行的15年，多个舱段与该空间站核心舱对接成功。前苏联／俄罗斯的交会对接大多以自动控制为主，而且，为了提高俄罗斯的地球轨道运输能力，俄罗斯正在研制新型飞行器。

图2　OE轨线

日本从20世纪70年代初开始进行交会对接技术研究，其中包括参加国际空间站（由美国的“自由号”空间站演变而来）的活动——研制日本实验舱（JEM），研制可重复使用的希望号（HOPE）不载人航天飞机和建造先进空间平台等。日本在1998年7月和8月先后两次成功地进行了“工程试验卫星（ETS－Ⅶ）”无人自主交会对接试验［11－13］，成为世界上第三个实现空间交会对接的国家。

ETS卫星飞行试验的目的是为将来希望号航天飞机与国际空间站的日本实验舱、与不载人空间平台进行交会对接积累经验。ETS－Ⅶ卫星包含两颗子卫星，分别为追踪星和目标星，两颗卫星联结在一起由H－Ⅱ火箭发射上升到550km的圆形轨道，两颗卫星在地面测控站的指令下分离至不同距离，在星载计算机和测量设备协同工作下，进行多次交会对接［11，13］。按照采用的导航敏感器和GNC功能的不同，ETS－Ⅶ的RVD系统分3个阶段工作：首先是使用GPS相对导航、C－W制导和地球指向控制的相对接近阶段（10km到500m）；其次是使用激光交会雷达（Rendezvous laser Radar，RVR）导航，参考轨迹制导和视线控制的最终接近阶段；最后是采用PXS（Proximity Sensor，PXS）导航和六自由度相对运动控制的对接接近阶段［14，15］。文献［15］给出了ETS－Ⅶ的交会对接轨线，如图3所示，从图中可知，其控制方法为C－W脉冲控制方法。另外，日本还在进行H－2火箭运载器（H－2 Transfer Vehicle，HTV）项目为ISS提供货运服务。日本的交会对接技术中，注重传感器的组合使用，控制方式以自动控制为主。

图3　ETS－VIIRVD过程

欧空局作为国际空间站的成员，在20世纪80年代开始了航天器的交会对接研究和地面试验，并着重于实现自动交会对接，如哥伦布空间站、使神号（Hermes）小型航天飞机［16］、自动运载器（Automated Transfer Vehicle，ATV）等项目。欧空局的交会为对接项目大多采用自动控制模式。

1999年11月，神舟一号发射成功，标志我国成为世界上第三个拥有载人航天技术的国家。2003年10月15日，神舟五号飞船的发射成功标志着我国载人航天规划任务的第一步已经完成。2008年9月25日，神舟七号飞船发射升空并实现了航天员出舱活动。2011年11月1日，神舟八号飞船发射升空，并与天宫一号进行了空间交会对接实验。2012年6月16日，神舟九号与天宫一号进行人控交会对接，航天员进入天宫一号工作和生活。2013年6月11日，神舟十号顺利发射，对载人交会接技术进行巩固与提高。2016年，我国发射天宫2号空间实验室和神舟十一号飞船。由上可知，我国已成功实现自动和手动交会对接。［17］

通过上述分析可知，美国、前苏联／俄罗斯、日本、欧洲都在进行交会对接项目的演示和验证。但是，从地面站参与轨道修正、交会对接程序固化在机载计算机中、制导和控制算法采用C－W脉冲制导算法等方面可看出，上述交会对接项目的自主性还有待提高。我国已实现手动与自动交会对接，预计2022年建成空间站。伴随航天项目的不断推进，我国对交会对接技术，尤其是对能够脱离地面站遥控操作和航天员辅助操作的自主交会对接技术的需求十分迫切。