唐國金 周劍勇 張 波 蔣自成

（國防科學技術大學航天與材料工程學院）

1 引言

空間站作為特殊的航天器，給人類提供了在太空環(huán)境下進行長期有人參與科學研究的環(huán)境和平臺，其無論在對地觀測方面、天文觀測、生命科學研究，還是在材料科學研究方面，都具有特殊的作用。從前蘇聯(lián)1971年成功發(fā)射第一座空間站“禮炮號”至今，空間站的研制和發(fā)射已經歷過近四十年的歷程[1]。這期間，俄羅斯/蘇聯(lián)相繼發(fā)射了“禮炮”系列空間站和“和平”號空間站，實現(xiàn)了空間站的載人長期居住。當前，在美國、俄羅斯等航天大國的共同參與下，國際空間站（International Space Station，ISS）這個有史以來最大的航天器正在逐步的構建和不斷完善。我國的載人航天事業(yè)在成功實現(xiàn)神舟六號多人多天飛行，及神舟七號航天員出艙活動后，緊接著將進行空間交會對接試驗，我國也即將在載人航天領域邁出新的步伐[2]。

2 交會對接概述

2.1 交會對接技術簡介

交會對接（Rendezvous and Docking，RVD）技術是指兩個航天器于同一時間在同一軌道位置會和，并在結構上連成一個整體的技術，是載人航天三項基本技術之一[3]。

交會對接，傳統(tǒng)上分為自動交會對接和航天員手動交會對接兩類。前者對應的交會對接過程由追蹤航天器上的控制系統(tǒng)自動控制完成，航天員及地面控制人員對交會對接過程進行狀態(tài)監(jiān)視。自動交會對接方式是當前空間交會對接活動所采用的主要方式，如俄羅斯“聯(lián)盟”號系列載人飛船與ISS的交會對接。后者是指由位于載人航天器上的航天員通過飛船上的手動交會對接系統(tǒng)，手動控制追蹤航天器完成交會對接任務。

綜合兩類交會對接方式，手動方式需要航天員的參與，只適用于載人航天器，既可作為主要的交會對接方式，也可作為自動方式的備份。自動方式因為不需要人的參與，可廣泛應用于各類載人、不載人航天器的交會對接，如無人貨運飛船等。然而，由于無人航天器的交會對接沒有手動方式作為備份，當自動交互對接系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，將不得不取消交會對接任務，造成巨大的經濟損失，甚至個別情況下會危及空間站等作為對接目標的航天器安全。

ISS每年都要進行多次交會對接，用于乘員輪換及后勤補給等。ISS“遠征”10號任務至“遠征”24號任務（2004.10～2010.10）共15次遠征任務期間的交會對接情況統(tǒng)計見下表[4][5]。

表1 國際空間站交會對接近況

無人航天器的自動交會對接系統(tǒng)的故障比率如下圖所示。

圖1 國際空間站無人航天器交會對接

ISS 15次遠征任務期間的交會對接情況的分析數(shù)據顯示，當前航天器上的自動交會對接系統(tǒng)并不是十分完善，發(fā)生故障的可能性時刻存在，并且故障率還保持在一個較高的水平。因此，我們有理由認為：自動交會對接系統(tǒng)至少現(xiàn)階段還不是足夠的完善和可靠，需要采用其他交會對接方式作為自動交會對接系統(tǒng)的備份。

針對空間站實驗艙、貨運飛船等無人航天器與空間站的交會對接，由于無法采用手動方式作為自動交會對接系統(tǒng)的備份，需要尋求其他的備份解決方式。遙操作交會對接以其特殊的交會對接操作和控制實現(xiàn)方式，可以作為無人航天器自動交會對接系統(tǒng)的有效備份手段。

2.2 遙操作交會對接概念

遙操作交會對接是指操作人員在遠端（或不在控制航天器環(huán)境內）通過遙操作方式操作追蹤航天器，實現(xiàn)交會對接。就概念本身而言，遙操作交會對接借鑒了空間機器人遙操作的概念，是傳統(tǒng)遙操作概念的一個延伸，是遙科學的一個子領域[6]。

國內外有相關學者和研究人員曾提出過“遙操作航天器”的概念，并提出了遙操作航天器的總體設計思路等[7][8][9]。遙操作航天器指可以通過地面操作人員或空間站上航天員進行遙操作控制的一類航天器，用于完成交會對接、在軌捕獲等。

圖2 遙操作航天器示意圖

遙操作航天器任務實施過程中采用的空間交會對接技術就是遙操作交會對接技術，文獻重點闡述了遙操作航天器的概念和基本設計思想，對遙操作交會對接技術沒有進行詳細的研究和論述。

遙操作交會對接主要有兩種工作模式，目標航天器上的航天員對追蹤航天器進行交會對接遙操作控制的工作模式，和地面操作人員對追蹤航天器進行交會對接遙操作控制的工作模式。操作員利用反饋的TV攝像機圖像及相對運動位置、速度等信息，通過遙操作平臺在線實時控制遠端的追蹤航天器完成交會對接。

遙操作交會對接不僅可以作為自動交會對接方式的備份手段，解決無人航天器自動交會對接系統(tǒng)面臨的故障和安全性問題。甚至，遙操作交會對接方式與手動控制交會對接方式一樣，能提高交會對接的成功率，減少燃料消耗等，用于空間站建造和運營過程中的相關交會對接任務。

此外，通過融入人的判斷與決策能力等智能因素，遙操作交會對接技術還可應用于空間非合作目標間的交會和對接，如非合作目標的近距離繞飛、在軌捕獲等，具有更廣泛應用的重要意義。

美國、俄羅斯/蘇聯(lián)兩個航天大國由于決策的不同，交會對接方式的選擇也不盡相同，美國主要采用手動方式，俄羅斯主要采用自動方式，由此導致其對遙操作交會對接技術的研究程度也不盡相同。美國曾于上世紀80年代OMV項目中開展過相關技術的基礎研究[18]，蘇聯(lián)則研制成功用于空間站交會對接任務的遙操作交會對接系統(tǒng)。俄羅斯的TORU遙操作交會對接系統(tǒng)已成功應用于和平號（Mir）空間站和國際空間站的交會對接任務，特別是無人貨運飛船與空間站的交會對接，已成功解決多次無人航天器自動交會對接系統(tǒng)故障下的交會對接問題（詳情見表 1）。

圖3 ISS航天員進行TORU系統(tǒng)操作訓練

其他主要的航天研究機構和組織如ESA（European Space Agency）和 NASDA（National Space Development Agency of Japan），也認為遙操作交會對接技術是空間站無人來訪航天器交會對接的必要技術之一，分別在ATV[25][26]預研項目和OSV[27]計劃中進行了研究。

3 遙操作交會對接關鍵技術

遙操作交會對接是遙操作技術與空間交會對接技術的結合，既涉及到遙現(xiàn)場、遙操作等遙科學領域的相關技術，又涵蓋了航天器動力學與控制領域的相關技術。

3.1 遙操作交會對接控制技術

控制技術是遙操作交會對接技術的核心技術，包括軌道運動（平移運動）控制和姿態(tài)運動控制兩部分。通常情況下，遙操作交會對接主要對平移運動進行遙操作控制，姿態(tài)的控制通過自動控制方式進行。某些特殊情況或進行遙操作交會對接實驗時，可通過遙操作方式對平移運動和姿態(tài)運動同時進行控制。

與手動交會對接方式相比，遙操作方式，特別是進行地面遙操作交會對接任務時，最大的差別是反饋信息及遙操作控制指令需要通過通信系統(tǒng)進行傳輸，因而具有通信時延，并且存在通信鏈路異常，甚至中斷的可能。通信時延會造成遙操作控制系統(tǒng)不穩(wěn)定[10]，而通信異常則會引發(fā)交會對接的安全性問題。

國內外學者就時延導致的控制不穩(wěn)定性問題進行了長期深入的研究，從學者Ferrell[11]首次提出這個研究命題到今天已經歷時四十多年，綜合其主要的解決方法，有以下幾類[12][13][15][16]：

（1）“運動—等待—運動”的操作策略

采用“運動—等待—運動”的操作策略，每進行一步操作后，停止操作，等待操作指令執(zhí)行后的狀態(tài)反饋，根據該反饋再進行下一步的操作。因此該操作策略是一種斷續(xù)的操作方式，操作效率很低，相對于其他有改善時延方法的連續(xù)操作方式而言，完成任務所需的操作時間會長許多，特別是完成精細遙操作任務時。

國外的學者曾做過相關的操作實驗，在時延條件下放置一個物體到一個容器的簡單遙操作實驗，對比分析使用預測仿真方式和無預測仿真方法的遙操作實驗結果，分析其任務的完成時間，分析結果見圖4[11]。

（2）雙邊控制方法

雙邊控制是指本地操作端和遠端執(zhí)行端處于同一個閉環(huán)控制回路，兩者之間直接相互作用，通過設計控制算法克服通信時延的影響。雙邊控制方法通常需要遠端的執(zhí)行力或力矩反饋，因此主要應用于機器人接觸作業(yè)的遙操作控制。

圖4 任務完成時間對比

圖5 雙邊控制示意圖

雙邊控制方法包括：基于無源性理論的雙邊控制方法，如Anderson方法、波變量方法等；基于離散事件的控制方法；基于Lyapunov函數(shù)的方法；基于滑模思想的控制方法；自適應速度/力控制方法；基于H—理論的控制方法等。

（3）預測控制方法

預測控制方法的基本思想是建立遠端執(zhí)行系統(tǒng)和環(huán)境的數(shù)學模型，包括動力學與運動學模型，環(huán)境相互作用模型等，通過建立的模型進行遠端執(zhí)行器運動狀態(tài)的仿真預測，在預測運動狀態(tài)的基礎上進行控制。

主要的控制方法有：基于預測控制理論的控制算法實現(xiàn)方式，如蟻群優(yōu)化預測控制算法、神經網絡預測控制方法、模糊預測控制、預測函數(shù)控制等；基于預顯示的控制方法，通過建立的操作對象和環(huán)境的仿真模型，對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行仿真預測，并將預測結果用于驅動顯示圖形，操作者面對預測顯示的虛擬環(huán)境進行操作，虛擬環(huán)境實時響應操作者的操作指令。

基于預顯示的控制方法被認為是解決具有明顯時延（時延大于0.5s）遙操作時最理想、操作效率最高的遙操作控制方法。為了提高操作人員遙操作時的沉浸感，基于預顯示的控制方式可拓展應用虛擬現(xiàn)實技術進行圖形的顯示和交互?；谔摂M現(xiàn)實的預顯示方式是當前遙操作領域解決時延問題的研究熱點[19][20]。

基于預顯示的控制方法涉及的關鍵技術主要有遠端操作環(huán)境的建模和預估、預顯示誤差校正、人機交互界面設計、信息融合、增強現(xiàn)實技術、操作安全性檢測與預警、高沉浸感環(huán)境生成等技術。

1993年德國在哥倫比亞號航天飛機密封實驗艙中進行的機器人技術實驗（Roboter Technology Experiment，ROTEX）首次在實際應用工程中驗證了基于預顯示的天地大時延遙操作控制技術，通過地面遙操作空間機器人完成漂浮物的抓取等實驗[17]。

（4）遙編程控制方法

遙編程控制方法基于圖形的預顯示，根據遠端操作設備的智能程度，在線生成不同級別的遙操作指令，控制遠端目標的運動。在遙編程系統(tǒng)中，利用對操作環(huán)境的先驗知識構造虛擬環(huán)境，操作員面向虛擬環(huán)境進行操作，同時獲得即時的視覺和運動覺反饋；系統(tǒng)監(jiān)視操作員的動作，并將操作員的動作轉化為符號命令程序，發(fā)送給遠端遙操作目標執(zhí)行；遙操作目標接受命令，半自主地連續(xù)執(zhí)行，并不斷向操作員報告執(zhí)行狀態(tài)。

遙編程控制方法和預顯示方法有共同之處，如本地虛擬環(huán)境的建模、顯示等。在應用過程中，遙編程控制方法也往往與預顯示方法相結合，通過兩類方法的綜合應用，更好的解決遙操作時延問題。

上面提到的幾類遙操作時延解決方法是針對空間遙操作機器人和行星表面著陸器等的遙操作而設計和研究的，與遙操作交會對接任務的應用對象有所差異，但其基本的解決思想和方法是可用的，適用于遙操作交會對接任務。

遙操作交會對接控制技術需要分析遙操作交會對接控制過程和控制邏輯的特性，研究遙操作基礎技術與交會對接技術的綜合應用，研究適用于遙操作交會對接的控制技術。

3.2 遙操作交會對接安全技術

遙操作交會對接安全技術包括傳統(tǒng)交會對接過程中存在的共同性安全技術，及遙操作交會對接特性所帶來的特殊安全問題的解決方法。

圖6 ROTEX控制結構圖

圖7 遙編程控制示意圖

傳統(tǒng)交會對接過程中存在的安全性問題主要包括非正常的碰撞問題、交會對接過程的各類故障問題。對這類安全技術國內外學者進行了比較廣泛的研究，提出了基于碰撞概率的碰撞預警方法、安全軌跡設計[22]、最優(yōu)避撞機動設計[23]、故障模式（發(fā)動機故障模式）下防撞設計[24]等交會對接安全技術研究成果。

這些研究成果有助于解決自動交會對接過程中的共性安全問題，也是遙操作交會對接需要的解決重要技術，但遙操作交會對接需要研究的不僅僅就這些安全技術。

由于遙操作交會對接存在通信時延，特別是進行天地遙操作交會對接時，時延可達5s～7s[11]。操作時延除了引起上述控制穩(wěn)定性等控制問題之外，也會引起遙操作交會對接的安全性問題，主要表現(xiàn)為兩個方面。

（1）通信鏈路異常的潛在安全威脅

在遙操作交會對接過程中，反饋信息和遙操作控制指令均需通過通信鏈路進行傳輸，數(shù)據傳輸過程存在鏈路異?；蜴溌吩O備故障等可能性（ISS-38P任務首次交會對接中自動系統(tǒng)故障后，使用TORU系統(tǒng)時出現(xiàn)了通信鏈路中斷情況，導致首次交會對接任務失敗[4]）。如果出現(xiàn)無法正常傳輸遙操作信息的情況，則追蹤航天器處于無控狀態(tài)。此時，不僅無法繼續(xù)完成遙操作交會對接任務，甚至追蹤器有可能威脅到空間站等目標器的安全。

（2）操作時延導致的安全威脅

由于操作時延的存在，操作人員對正在實施交會對接任務的追蹤器真實狀態(tài)的感知存在明顯的時間滯后。并且當操作人員發(fā)現(xiàn)異常需要進行干預操作時，其操作所生成的控制指令也要經過一個時間延遲之后才能到達追蹤器。而遙操作交會對接的應用環(huán)境恰恰又是兩航天器相距很近（一般為200m～0m）的交會對接平移靠攏段，因此操作時延引起的操作安全性問題不能忽視。

遙操作交會對接安全技術在借鑒和采用傳統(tǒng)交會對接安全技術的基礎上，還需要深入分析遙操作交會對接安全的特性及其與傳統(tǒng)遙操作交會對接安全的異同。進而研究相應的應急處理技術和應急操作策略、遙操作交會對接過程的狀態(tài)感知和監(jiān)視技術等相關的遙操作交會對接安全技術。

1997年6月25日，“進步”M-34號貨運飛船使用TORU系統(tǒng)進行遙操作交會對接實驗時，就發(fā)生了與“和平”號空間站的碰撞事件。造成“光譜”號艙太陽電池陣的損壞和艙壓的嚴重泄露，最終撞擊事故被定義為5級（共分1～7級，7級表示嚴重事故，航天員必須立即撤離空間站）[28]。

ATV自動交會對接過程中，航天員和地面中心也需要監(jiān)視其運動狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)異常時，由航天員根據監(jiān)視情況（或地面監(jiān)視中心的指令）進行應急處理操作，ATV轉入撤離、任務放棄等安全模式。ATV的空間站監(jiān)視和應急操作通過俄羅斯的TORU系統(tǒng)進行。

3.3 遙操作交會對接演示驗證技術

演示驗證技術主要用于構建地面演示驗證系統(tǒng)，對遙操作交會對接技術的各項關鍵技術和整個遙操作交會對接過程進行演示驗證，驗證各項技術的可行性、可靠性等各項性能指標。涉及的主要技術包括半實物仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術、空間環(huán)境和平臺模擬技術等。

采用虛擬現(xiàn)實技術可以增加操作人員的沉浸感，更加真實的模擬空間操作環(huán)境；基于半實物的仿真技術可以綜合驗證遙操作交會對接控制技術等關鍵技術。

ESA在ATV預研項目（ATV pre-development program，ARP）中研究了地面操作員支持系統(tǒng)（Ground Operator Assistant System，GOAS）和ATV空間站遙控控制系統(tǒng)（Remote ATV Control System on ISS，RACSI）用于支持ATV與空間站的交會對接任務，應對自動交會對接系統(tǒng)異常情況。并建立了大型地面仿真系統(tǒng)（Rendezvous Ground Simulator，RVGS），進行 ATV交會對接任務和關鍵技術的演示驗證。

日本于1994年在筑波（Tsukuba）空間中心建成了先進的交會對接試驗系統(tǒng)：交會對接操作測試系統(tǒng) （rendezvous and docking operation test system，RDOTS），用于交會對接過程的演示試驗。

4 結論

遙操作交會對接技術屬于遙科學與航天器動力學與控制學科的交叉領域，是一項可廣泛應用于未來我國空間站任務、深空探測任務及國防航天領域的空間技術。本文通過分析國際空間站近幾年來交會對接任務的情況，引入遙操作交會對接的概念，對遙操作交會對接關鍵技術進行了詳細的分析和歸納。

通過分析和探討，作者認為：

（1）空間站無人航天器的交會對接需要采用遙操作交會對接方式作為自動方式的備份。

（2）遙操作交會對接技術可廣泛應用于軍民各領域的合作目標和非合作目標間空間交會對接等空間操作任務中，未來具有廣闊的應用前景。

（3）遙操作交會對接不是簡單的將手控模式下的操作端改在空間站或地面上，其過程涉及到一系列的新問題、新技術，我們應對這些技術開展深入的研究，將這些技術應用于工程實踐中。 ◇

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