張 強(qiáng)， 陳長(zhǎng)青， 劉宗玉， 郝 慧， 奚 坤， 蘇 晏， 劉 陽(yáng)

北京控制工程研究所, 北京 100094

0 引 言

從上世紀(jì)60年代到現(xiàn)在，交會(huì)對(duì)接從早期可靠性低的小相位(指追蹤航天器和目標(biāo)航天器的相位角差，下同)直接交會(huì)、空間站階段高可靠的2～3天交會(huì)對(duì)接，發(fā)展到2012年以后安全可靠的快速交會(huì)對(duì)接階段[1].自主快速交會(huì)對(duì)接是未來(lái)交會(huì)對(duì)接特別是載人交會(huì)對(duì)接的發(fā)展趨勢(shì)[2-4].

20世紀(jì)90年代開(kāi)始，多個(gè)國(guó)家進(jìn)行自主交會(huì)對(duì)接技術(shù)驗(yàn)證，典型的有：日本的ETS-VII和HTV、美國(guó)的XSS系列衛(wèi)星、美國(guó)的DART衛(wèi)星、美國(guó)的“軌道快車”計(jì)劃和歐洲的ATV飛船等[5].自主交會(huì)對(duì)接是交會(huì)對(duì)接發(fā)展的另一個(gè)趨勢(shì)，國(guó)外自主交會(huì)對(duì)接多體現(xiàn)在近距離控制段.

我國(guó)載人三期空間站建造和運(yùn)營(yíng)期間，需要密集的交會(huì)對(duì)接發(fā)射任務(wù)，開(kāi)發(fā)高效、強(qiáng)適應(yīng)性的快速交會(huì)對(duì)接方案具有非常重要的意義.從2012年開(kāi)始，我國(guó)學(xué)者同步關(guān)注快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)，并在調(diào)相策略[6-8]、火箭影響[9]、測(cè)控[10]等方面進(jìn)行了概念性和開(kāi)拓性的研究.

2017年9月12日，天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船完成了我國(guó)首次在軌自主快速交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)；2021年5月30日，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船是我國(guó)首次采用自主快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)完成了飛行任務(wù)，標(biāo)志著我國(guó)成為第二個(gè)掌握地球軌道快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)的國(guó)家.

本文介紹我國(guó)天舟貨運(yùn)飛船全相位自主快速交會(huì)對(duì)接方案，并給出飛行控制實(shí)施方案，以及在軌飛行結(jié)果.

1 交會(huì)對(duì)接發(fā)展概述

1.1 快速交會(huì)對(duì)接

1.1.1 美蘇早期快速小相位角交會(huì)策略

蘇聯(lián)和美國(guó)關(guān)于空間交會(huì)的最早嘗試是從執(zhí)行快速交會(huì)任務(wù)開(kāi)始的[6].追蹤航天器通常經(jīng)過(guò)1～5圈的繞地飛行后完成交會(huì)任務(wù).這種方案要求通過(guò)協(xié)調(diào)目標(biāo)航天器和追蹤航天器的發(fā)射時(shí)間，以形成兩航天器間特定的相對(duì)距離或者相位角條件，從而實(shí)現(xiàn)快速交會(huì).

針對(duì)蘇聯(lián)的交會(huì)任務(wù)分析發(fā)現(xiàn)，有四次任務(wù)采用了這種快速交會(huì)方案.這些任務(wù)都滿足如下的步驟：

(1)目標(biāo)航天器被發(fā)射到周期為1天的回歸軌道，高度大約200～230 km.

(2)通常1天后，追蹤航天器被發(fā)射到相同的軌道.

(3)在追蹤航天器進(jìn)入軌道時(shí)，它已經(jīng)在目標(biāo)航天器的鄰近位置.

如果火箭能把追蹤航天器精確地送入兩個(gè)航天器能提供相對(duì)導(dǎo)航信息的無(wú)線電系統(tǒng)工作范圍內(nèi)(Igla的工作范圍為25 km)，就可以實(shí)現(xiàn)交會(huì)，也就是說(shuō)，追蹤航天器必須被火箭送入距離目標(biāo)航天器25 km的范圍內(nèi)，其成功概率不大于70%.

1.1.2 俄羅斯快速交會(huì)對(duì)接

2012年8月，俄羅斯進(jìn)步M-16M貨運(yùn)飛船與國(guó)際空間站完成不大于6h快速交會(huì)對(duì)接任務(wù).從2012年開(kāi)始俄羅斯每年發(fā)射近十艘進(jìn)步貨運(yùn)飛船/聯(lián)盟載人飛船，見(jiàn)表1，采用快速交會(huì)對(duì)接與國(guó)際空間站對(duì)接占有較大的比重.俄羅斯已基本掌握快速交會(huì)對(duì)接技術(shù).

表1 2015年俄羅斯發(fā)射的進(jìn)步/聯(lián)盟飛船交會(huì)對(duì)接

俄羅斯的快速交會(huì)對(duì)接方案由傳統(tǒng)的2～3天方案通過(guò)優(yōu)化飛行時(shí)間得到的.俄羅斯的四圈快速交方案如圖1[3]所示.

圖1 俄羅斯快速交會(huì)脈沖示意圖

圖1中，1～5是軌道圈次，V1,V2,V3,V4是制導(dǎo)脈沖，軌道線下邊是追蹤航天器的高度變化.

1.2 自主交會(huì)對(duì)接

2000年前后，主要航天大國(guó)都在進(jìn)行自主交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)[1,5]，即不依賴于地面，由星(船)軟件進(jìn)行自主導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制.

工程試驗(yàn)衛(wèi)星ETS-VII于1997年11月28日由H-II火箭發(fā)射升空，在軌期間共進(jìn)行了兩組自主交會(huì)對(duì)接技術(shù)的試驗(yàn)，對(duì)交會(huì)敏感器，制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制算法，中途撤離、避碰操作和軟對(duì)接等技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證.

試驗(yàn)小衛(wèi)星系列XSS.是研制一種具有在軌檢查、交會(huì)對(duì)接以及圍繞軌道物體近距離機(jī)動(dòng)能力的全自主微小衛(wèi)星.XSS-10衛(wèi)星于2003年1月29由Delta II運(yùn)載火箭發(fā)射入軌.發(fā)射當(dāng)天XSS-10衛(wèi)星與Delta II的第二級(jí)進(jìn)行交會(huì)，用攝像機(jī)進(jìn)行捕獲、跟蹤和拍攝，并實(shí)時(shí)將圖像傳回地面控制中心.XSS-11衛(wèi)星于2005年4月11日由“人牛怪”火箭發(fā)射入軌，在軌期間對(duì)火箭的上面級(jí)以及鄰近軌道上的8個(gè)目標(biāo)進(jìn)行交會(huì)和接近機(jī)動(dòng)，驗(yàn)證了航天器在近距離圍繞空間目標(biāo)進(jìn)行多種類型機(jī)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)快速脫離目標(biāo)和進(jìn)入自然軌道的自主交會(huì)能力.

美國(guó)軌道科學(xué)公司的“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證”DART計(jì)劃于2005年4月15日由“飛馬座”火箭發(fā)射升空，主要任務(wù)是在軌道上與“多路徑超視距通信衛(wèi)星”MUBLCOM進(jìn)行一系列的自主交會(huì)、逼近和繞飛操作，驗(yàn)證DART衛(wèi)星所攜帶的交會(huì)敏感器AVGS、接近操作ARPO軟件、計(jì)算機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)等.

“軌道快車”于2007年3月8日晚，由“宇宙神-5”火箭發(fā)射升空.從3月8日到7月12日這4個(gè)多月的時(shí)間里，“軌道快車”通過(guò)8次試驗(yàn)演示了一系列在軌衛(wèi)星服務(wù)技術(shù)，包括自主交會(huì)對(duì)接、部件轉(zhuǎn)移和推進(jìn)劑轉(zhuǎn)移、機(jī)械臂操作等，出色地完成了所有的試驗(yàn)任務(wù)，成為世界上首個(gè)具有自主在軌服務(wù)功能的航天器.

1.3 交會(huì)對(duì)接趨勢(shì)分析

快速交會(huì)對(duì)接大大降低航天員的負(fù)擔(dān)，減少飛控時(shí)間，提高在軌服務(wù)、在軌救援的能力.自主交會(huì)對(duì)接，能實(shí)時(shí)根據(jù)天上的狀態(tài)制定相應(yīng)的對(duì)策，提高了航天器的智能，能應(yīng)對(duì)可以預(yù)見(jiàn)的故障，自主高效完成任務(wù).在可靠性滿足的基礎(chǔ)上，自主和快速是交會(huì)對(duì)接發(fā)展的兩個(gè)趨勢(shì).

快速交會(huì)對(duì)接對(duì)火箭入軌條件提出較高的要求，也是20世紀(jì)60年代小相位快速交會(huì)對(duì)接任務(wù)成功率低的原因.自主性目前國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)多體現(xiàn)在中近距離交會(huì)段；遠(yuǎn)距離導(dǎo)引受測(cè)量條件、星(船)上計(jì)算機(jī)計(jì)算能力、多解下飛行程序確定性、制導(dǎo)脈沖求解唯一性等約束，一般由地面執(zhí)行或地面配合執(zhí)行.

我國(guó)已進(jìn)入載人三期空間站組建階段，需要頻繁發(fā)射載人飛船和貨運(yùn)飛船，需要發(fā)展自主快速的交會(huì)對(duì)接技術(shù).

天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船突破遠(yuǎn)距離導(dǎo)引綜合修正段制導(dǎo)方法，提出6.5 h快速交會(huì)對(duì)接方案，解決了快速交會(huì)對(duì)接在軌自主計(jì)算解的存在、唯一，以及執(zhí)行脈沖序列確定性難題.

天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船除自主快速交會(huì)對(duì)接能力外，通過(guò)增加大相位追及段制導(dǎo)策略具備全相位自主交會(huì)對(duì)接能力，即具備應(yīng)對(duì)延遲發(fā)射(幾分鐘內(nèi))、推遲發(fā)射(推遲一天、兩天等)的交會(huì)對(duì)接能力.

2 天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船全相位自主快速交會(huì)對(duì)接方案

2.1 飛行方案

自主快速交會(huì)對(duì)接過(guò)程從距離上講是一個(gè)由遠(yuǎn)及近的過(guò)程，從精度上講是一個(gè)由粗到精的過(guò)程，如圖2平面內(nèi)的交會(huì)對(duì)接過(guò)程，安全橢球和禁飛區(qū)中心是目標(biāo)航天器.全過(guò)程由遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引段和近距離自主控制段組成，不同于一般的交會(huì)對(duì)接，其遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段飛行時(shí)間短[11].

圖2 快速全相位自主交會(huì)對(duì)接兩個(gè)航天器相對(duì)距離示意圖

遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引段由大相位追及段、調(diào)相段和綜合修正段組成，完成遠(yuǎn)距離引導(dǎo)至目標(biāo)航天器后下方約50 km的位置處，建立相對(duì)導(dǎo)航，轉(zhuǎn)入近距離自主控制段.

近距離自主控制段段分為尋的段、接近段、平移靠攏段和對(duì)接段，自主控制段自主完成兩個(gè)航天器接近、對(duì)接等任務(wù).

2.2 遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引

入軌后，貨運(yùn)飛船根據(jù)入軌時(shí)兩個(gè)航天器的相位角(0～360°)、高度差計(jì)算交會(huì)對(duì)接任務(wù)總飛行時(shí)間，并確定大相位追及段脈沖的執(zhí)行時(shí)刻.在大相位追及段，通過(guò)一個(gè)脈沖，把貨運(yùn)飛船導(dǎo)引到調(diào)相段入口.調(diào)相段入口由空間站的相位和高度確定，一般在標(biāo)稱值附近小范圍波動(dòng).如果相位角合適，不需要大相位追及段.

調(diào)相段通過(guò)調(diào)整貨運(yùn)飛船軌道高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)入軌相位角差或大相位追及段相位角執(zhí)行誤差的修正，同時(shí)修正入軌軌道面外偏差.貨運(yùn)飛船根據(jù)入軌相位的不同，調(diào)相段有兩脈沖調(diào)相和四脈沖調(diào)相兩種情況.

綜合修正段針對(duì)調(diào)相后特定的高度和相位情況，通過(guò)自主自適應(yīng)調(diào)整脈沖的執(zhí)行時(shí)機(jī)和脈沖大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨運(yùn)飛船相位和高度的精細(xì)調(diào)整，保證遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段結(jié)束時(shí)兩個(gè)航天器飛行軌道基本一致，滿足近距離自主控制段初始條件的高精度要求.綜合修正段采用兩脈沖制導(dǎo)策略.

2.3 近距離自主控制

近距離自主控制段是從遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引段終端開(kāi)始，在相對(duì)測(cè)量信息引入后，船上進(jìn)行自主相對(duì)導(dǎo)航并自主實(shí)現(xiàn)近距離相對(duì)位置和姿態(tài)控制，直至追蹤航天器和目標(biāo)航天器的最后對(duì)接.

尋的段的主要任務(wù)是在燃料優(yōu)化的前提下，消除遠(yuǎn)距離導(dǎo)引的制導(dǎo)和控制誤差.經(jīng)過(guò)若干次軌道控制后，貨運(yùn)飛船將進(jìn)入與目標(biāo)飛行器相同的軌道上，即與目標(biāo)飛行器共面、且高度與目標(biāo)飛行器相同的后面大約5 km處[12].

接近段的任務(wù)是捕獲對(duì)接走廊.對(duì)接走廊是以目標(biāo)飛行器對(duì)接軸為中心的一個(gè)圓錐.由于貨運(yùn)飛船在空間站后向?qū)?，在接近過(guò)程中采用CW制導(dǎo)和視線制導(dǎo)結(jié)合的制導(dǎo)策略.

平移靠攏段的任務(wù)是為對(duì)接提供初始條件.在該階段采用六自由度控制方法，實(shí)時(shí)調(diào)整兩個(gè)航天器的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)，保證貨運(yùn)飛船在對(duì)接走廊內(nèi)沿設(shè)計(jì)好的軌跡和姿態(tài)與空間站逐步接近并對(duì)接.

2.4 天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船快速交會(huì)對(duì)接的主要特點(diǎn)

天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船具備全相位自主快速交會(huì)對(duì)接的能力.主要特點(diǎn)如下：

(1)全相位.由于天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船具備全相位交會(huì)對(duì)接的能力，在飛行方案設(shè)計(jì)中，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船針對(duì)正常飛行任務(wù)設(shè)計(jì)了6.5 h交會(huì)對(duì)接模式，還針對(duì)火箭發(fā)射可能存在的偏差，設(shè)計(jì)了提前一圈的5h方案，以及推遲一圈的8h方案.由于天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船具備全相位交會(huì)對(duì)接的能力，在火箭經(jīng)過(guò)兩次推遲發(fā)射后，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船可以設(shè)計(jì)正常的交會(huì)對(duì)接方案，以及推遲一天的方案、推遲2天的方案……推遲5天的方案.全相位交會(huì)對(duì)接能力放寬了對(duì)窗口的約束，提高了大系統(tǒng)應(yīng)對(duì)故障的能力.

(2)快速.天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船的交會(huì)對(duì)接在燃料、火箭入軌約束下，具備當(dāng)前相位下交會(huì)對(duì)接時(shí)間最短的能力.在空間站可以調(diào)相下，可以選擇合適的入軌相位，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間的快速交會(huì)對(duì)接，譬如5 h快速交會(huì)對(duì)接、6.5 h快速交會(huì)等.在空間站不調(diào)相或飛船推遲發(fā)射下，例如要求貨運(yùn)飛船必須在某一天發(fā)射，則天舟二號(hào)能根據(jù)當(dāng)前的相位自主選擇時(shí)間最短的交會(huì)對(duì)接模式.當(dāng)天舟二號(hào)推遲了一天發(fā)射時(shí)，根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)預(yù)報(bào)，在當(dāng)天發(fā)射兩個(gè)航天器的相位為150°左右，則根據(jù)船上的算法，會(huì)自動(dòng)執(zhí)行最快速的近30 h的交會(huì)對(duì)接模式.

(3)自主.天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船具備全相位自主快速交會(huì)對(duì)接能力.飛船能夠根據(jù)火箭入軌時(shí)兩個(gè)航天器的高度差、相位差等信息自主選擇飛行時(shí)間和交會(huì)模式；根據(jù)飛行軌跡自主設(shè)置敏感器加電、發(fā)動(dòng)機(jī)管路預(yù)熱、對(duì)接機(jī)構(gòu)狀態(tài)準(zhǔn)備等；自主絕對(duì)導(dǎo)航、相對(duì)導(dǎo)航、姿態(tài)確定，自主進(jìn)行帆板控制；自主求解變軌脈沖，自主進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)機(jī)等.

2.5 仿真驗(yàn)證

2.5.1 典型算例

入軌時(shí)刻兩個(gè)航天器的相位角差為83.98°，其他軌道高度、傾角等與一般交會(huì)對(duì)接一致.

經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離制導(dǎo)，兩個(gè)航天器的半長(zhǎng)軸a變化如圖3所示.

圖3 半長(zhǎng)軸變化

2.5.2 遍歷仿真

入軌時(shí)刻兩個(gè)航天器的相位角差為14～100°，其他軌道高度、傾角等與一般交會(huì)對(duì)接一致，進(jìn)行了375次的遍歷仿真，如圖4所示.

圖4 快速全相位自主交會(huì)對(duì)接初始相位角

船上軟件自主計(jì)算大相位追及段脈沖，脈沖時(shí)間和脈沖大小如圖5～6所示.

圖5 脈沖時(shí)間

圖6 脈沖大小

不同的相位角下，貨運(yùn)飛船在不同的時(shí)間完成遠(yuǎn)距離導(dǎo)引，并實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接.遠(yuǎn)距離導(dǎo)引終端時(shí)間如下：

圖7 遠(yuǎn)導(dǎo)終端時(shí)間

3 飛控實(shí)施和在軌飛行

3.1 自主快速交會(huì)對(duì)接方案

天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船具備全相位自主交會(huì)對(duì)接的能力，即入軌時(shí)兩個(gè)航天器相位角差為0～360°都能完成快速交會(huì)對(duì)接.對(duì)于一次確定的任務(wù)，具備確定的相位角，會(huì)自動(dòng)選擇確定的快速交會(huì)對(duì)接模式.

天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船飛行任務(wù)是6.5 h自主快速交會(huì).遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段由調(diào)相段和綜合修正段組成，6個(gè)制導(dǎo)脈沖策略.

考慮火箭入軌存在偏差以及可能推遲或提前發(fā)射，設(shè)計(jì)了5～8 h快速交會(huì)對(duì)接方案.根據(jù)火箭入軌的相位角和高度，如果火箭發(fā)射正常，則執(zhí)行遠(yuǎn)距離六脈沖的6.5 h快速交會(huì)對(duì)接方案；若貨運(yùn)飛船相位提前，則執(zhí)行5 h快速交會(huì)對(duì)接方案，遠(yuǎn)距離導(dǎo)引為4個(gè)脈沖，遠(yuǎn)距離飛行時(shí)間少一個(gè)軌道周期；若貨運(yùn)飛船相位推遲，則執(zhí)行8 h快速交會(huì)對(duì)接方案，增加一個(gè)軌道周期的大相位追及段，遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段為7個(gè)脈沖.貨運(yùn)飛船5～8 h快速交會(huì)對(duì)接方案如表2所示.

表2 貨運(yùn)飛船5～8 h快速交會(huì)對(duì)接飛控實(shí)施方案

3.2 推遲一天/多天發(fā)射飛行方案設(shè)計(jì)

貨運(yùn)飛船具備全相位交會(huì)對(duì)接能力，具備應(yīng)對(duì)推遲1天、推遲多天發(fā)射交會(huì)對(duì)接的能力.在天舟二號(hào)飛控準(zhǔn)備中，除正常的5～8 h快速交會(huì)對(duì)接實(shí)施方案外，還詳細(xì)設(shè)計(jì)了推遲1天發(fā)射、推遲2～5天發(fā)射的實(shí)施方案.

推遲一天發(fā)射，貨運(yùn)飛船入軌后相位角為150多度，按標(biāo)稱入軌狀態(tài)飛行時(shí)間約1天.入軌后進(jìn)入大相位追及段，在大相位追及段自主計(jì)算脈沖執(zhí)行時(shí)機(jī)和大小，把貨運(yùn)飛船導(dǎo)引到調(diào)相段入口，再通過(guò)六脈沖遠(yuǎn)距離制導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)該相位角下的快速交會(huì)對(duì)接.

3.3 天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船快速交會(huì)對(duì)接任務(wù)

2021年5月29日21時(shí)5分，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船由長(zhǎng)征七號(hào)遙三火箭發(fā)射入軌.在船上軟件的自主規(guī)劃和精準(zhǔn)控制下，貨運(yùn)飛船經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離六脈沖調(diào)相，近距離尋的、接近和最后平移靠攏，于5月30日4時(shí)46分與空間站高精度對(duì)接.

4 結(jié) 論

本文對(duì)21世紀(jì)以來(lái)交會(huì)對(duì)接任務(wù)進(jìn)行分析，指出自主、快速是當(dāng)前和未來(lái)交會(huì)對(duì)接發(fā)展趨勢(shì).為適應(yīng)我國(guó)載人三期空間站工程建造和運(yùn)營(yíng)期間頻繁發(fā)射貨運(yùn)飛船而對(duì)交會(huì)對(duì)接提出的更高要求，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船設(shè)計(jì)了全相位自主快速交會(huì)對(duì)接方案.貨運(yùn)飛船全相位自主快速交會(huì)對(duì)接能適應(yīng)發(fā)射延遲(分鐘量級(jí))、發(fā)射推遲(天量級(jí))等工況，大大提高了系統(tǒng)的故障應(yīng)對(duì)能力.

天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船入軌自主快速交會(huì)對(duì)接是世界上首次進(jìn)行的全自主快速交會(huì)對(duì)接任務(wù)，驗(yàn)證了自主快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)，為我國(guó)空間站工程后續(xù)任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ).