主要控制方法

在交会对接系统中，制导和控制方法很多。霍曼（Hohmann）变轨、兰勃特（Lambert）变轨等方法适于远程交会轨道转移阶段的控制，不适于近程交会对接阶段。在近程交会对接阶段，C－W脉冲制导方法应用最为广泛。

1.C－W脉冲制导

C－W脉冲制导方法是根据C－W方程的解析解，计算轨道机动所需速度脉冲的方法［50］，它一般分为双脉冲和多脉冲形式。由于多脉冲控制形式是双脉冲控制形式的推广，这里重点介绍双脉冲控制方法的工作原理。

典型双脉冲的工作原理是：若航天器初始位置、速度和目标位置已知，首先计算航天器从初始位置到达目标位置的所需速度。利用所需速度与初始速度之差，计算第一次脉冲。然后，根据初始位置、所需速度可计算出航天器到达目标位置的速度，利用目标位置的所需速度与到达目标位置的速度相减，得到第二次速度脉冲。该算法中脉冲施加的时间和位置都是固定的。事实上，可以通过调整脉冲的作用位置减少系统能耗。

当航天器之间的距离比较远时，采用双脉冲控制方法进行交会需要极大的速度脉冲，甚至会超过系统允许速度。这种情况下，通过将状态转移过程分段，每段内采用双脉冲工作原理，即以多脉冲控制方式完成位置转移。文献［51～52］采用滑移制导律，将多脉冲控制方法应用于自主交会对接的接近段、绕飞段、撤离段，取得了不错的控制效果。多脉冲控制方法相比于双脉冲控制方法节省了燃料，却增加了控制的复杂性。

C－W脉冲控制方法通过施加脉冲改变系统速度，从而实现轨道机动。但存在如下问题：该方法能够控制飞行器从初态转移到终态，但对状态转移过程不能控制，造成圆弧形的飞行轨线；速度脉冲施加的时间和地点需要精确设定，否则容易出现误差，不利于控制精度的保障；该方法依赖于系统模型，不能充分发挥控制的主导作用。当考虑空间干扰因素的影响时，该方法的鲁棒性能比较差。

2.平行交会制导

由比例制导发展而来的平行交会制导方法，在交会对接中应用很广。平行交会制导又称为“视线不转动”制导，是指两个航天器在交会过程中，视线的转动角速度在某一确定的坐标系中值为0，也就是说视线在交会过程中不转动［1］。

平行制导有两种方式：一种是视线转动角速度在惯性坐标系中保持不变。另一种是视线转动角速度在T的轨道坐标系中保持不变。前者适用于T姿态对地定向的情况，后者适用于T对惯性空间姿态稳定的情况［53］。

从文献［53］看，平行交会大多应用于平面交会对接控制［1，53］，在非共面的交会对接中尚未得到应用。

3.距离速率控制算法

距离速率控制算法采用线性控制方式，研究视线动力学方程的相角稳定特性。当视线切向方向采用ρ·=kωρ（ρ为相对距离）制导律时（仅采用切向推力），航天器的相角运动并不稳定。对上述制导律进行修正，加入相角对距离的影响，可以使相角运动在部分区域稳定，这就是距离速率控制算法RRCA（Range－Rate control algorithm）［57－59］。RRCA算法只需对系统进行切向控制便能使相角运动稳定于轨道平面某一区域中。

为了得到全域全方位的直线交会模式，除了启动切向推力外，还需要启动横向推力。设置合适的横向推力可以得到全方位的距离速率控制算法ODRRCA（Omni－Directional Range－Rate Control Algonthm，CDRRCA）［57－59］。ODRRCA算法能够使航天器的相角运动在任意方位稳定，且飞船距离和速率逐渐减为0，以便实现非碰撞，非损伤的软交会。

上述控制算法可以应用于交会对接的近程逼近段，文献［59］提出一种组合模式，即逼近段采用RRCA算法减少视线距离，在绕飞段采用ODRRCA算法，充分发挥RRCA和ODRRCA算法的优势。

距离速率控制法和平行交会方法都实现了航天器近距离的直线交会，其测量手段和推力配置要求也基本相同。但是，全方位的距离速率控制算法可在任意初始条件下实现交会，并且经仿真验证，该方法比平行接近法节省燃料。但是，在距离速率控制算法中，相角稳定特性依赖于系统的动力学特性分析，故要求精确的数学模型。

4.模糊控制

C－W脉冲制导方法和距离速率控制算法都要求精确的交会对接动力学模型。但是，由于交会对接系统越来越复杂，难以建立精确的动力学模型，故上述方法的鲁棒性较差。模糊控制方法能够不依赖于系统的动力学模型进行控制设计，因而在交会对接领域有所应用。

模糊控制规则的最大好处是能够模仿航天员的手动操作，将人控操作经验转化为模糊控制规则。文献［60］采用模糊控制实现了交会对接的绕飞和逼近控制，模糊规则设计的结果是逼近段前半部分使用大推力发动机，后半段采用小推力发动机。文献［61］采用Takagi－Sugeno－Kang（TSK）模糊系统设计了终端接近控制器，实现了非合作目标的交会对接。

模糊控制中，模糊隶属度函数和模糊规则的设计很重要，一般要求对这两项内容进行优化处理。文献［62～63］采用遗传算法对模糊隶属度函数优化处理。由于需要优化的参数很多，遗传算法很难收敛。而且，优化算法中初始值是一定的，该优化结果会随着初始条件的改变而改变。文献［64］针对模糊控制参数适应性不强的特点，设计了一种动态聚焦模糊学习控制DFL（Dynamically Focused Learning，DFL）方法，通过自动调整输入和输出的比例系数，使模糊规则对初始条件有很好的适应性。由于参数调整需要时间周期，该方法容易导致系统控制出现延迟。

综上所述，模糊控制方法在交会对接中具有一定应用优势。但是，为了获得良好的控制效果，模糊隶属度函数和模糊规则的优化处理增加了控制系统设计的难度。

5.反馈控制

C－W方程是线性化的动力学方程，反馈控制法也可以应用于交会对接过程。

文献［1］通过在PD控制中引入C－W方程的藕合项，实现交会对接轨道控制系统解藕。文献［65］基于C－W方程，采用Lyapunov方法直接设计了交会对接的近程导引律，该控制律简单有效，无需求解系统方程便可分析和判断近程导引的稳定性。文献［66］基于平面C－W方程，设计了一种用于平面交会对接的反馈线性化控制方法，系统能使追踪器沿任意方位接近目标器。

上述反馈线性化方法的控制律都是连续的，在以开关方式工作的航天器发动机上不容易实现。

6.自适应控制

在交会对接系统中，在系统参数不易确定的情况下，采用自适应控制方法进行系统控制比较有效。

文献［67］以时变系统为被控对象，以差分方式对系统进行了离散化，进而采用全系数自适应控制理论对系统进行设计。该方法相比于PID控制方法，在动态特性和燃料消耗方面具有优势。文献［68］采用Lyapunov方法设计了椭圆轨道下自主交会的参数估计规则和自适应学习控制律，能有效地实现椭圆轨道下的交会任务。文献［69］以导弹拦截为研究内容，采用自适应控制和滑模控制相结合的办法实现了零化视线角速度的控制。文献［70］研究了自适应控制和模糊控制相结合的控制方法，有效的解决了ISS国际空间站（International Space Station，ISS）对接口上下抖动问题。文献［71］提出了一种鲁棒自适应控制方法，采用神经网络方法在线辨识系统未知部分，以反馈线性化方法设计自适应控制器提高了系统的鲁棒特性，文献［72］在参数不确定条件下，提出了一种自适应输出反馈控制方法，以滑模控制方法增强系统的鲁棒性，从而实现鲁棒自适应控制。

7.滑模控制

由于滑模控制方法的开关控制律适于在交会对接系统中实现，而且滑模控制方法对系统控制具有鲁棒特性，故其在交会对接系统中应用较多。本书将在1.3.2节对滑模控制方法在交会对接中的应用做详细介绍。

应用于交会对接轨道控制的方法还有很多，比如文献［73］提出了一种预测制导算法，仅使用视线数据控制机动航天器到达预定飞行轨迹。文献［74～75］采用多变量频域理论，以多变量逆奈氏阵列方法，设计预补偿器，使系统的传递函数具有对角优势，进而采用PD控制方法实现交会对接的控制目标。文献［76］提出了一种自适应反推神经网络方法控制交会对接中轨道与姿态控制问题，这里不再一一列举。