航天器交會對接逼近段控制研究進展

朱曉光

隨著航天技術的飛速發展，載人和無人飛船頻繁往返于空間站，航天器需要更加靈活快速的實施對接。航天器在空間實現交會對接是由航天器制導、導航和控制（Guidance， Navigation and Control， GNC）系統完成的，GNC的主要任務是高精度測量航天器之間的相對速度、相對位置、相對姿態以及相對姿態角速度，并控制航天器完成姿態的調整和軌道的切換。未來我國的神舟飛船將從多個方向實施與空間站的交會對接。因此，進一步研究與發展航天器沿不同軌跡的自主交會對接技術是未來太空領域工程應用的必然趨勢。

航天器的自主交會對接過程可分為發射、調相（地面導引）、遠距離交會、近距離交會、對接停泊等幾個階段，不同的階段要求的航天器控制精度不同，而近距離交會的最終逼近段控制精度要求較高。在最終逼近段，要完成準確可靠地對接需要位置和姿態的精確調節，以及兩合作航天器間的協同配合來共同完成。換言之，航天器自主交會對接必須解決逼近段追蹤航天器相對位姿高精度的自主控制問題。然而，一方面交會對接過程對航天器相對位姿控制的動態特性要求較高;另一方面，復雜的空間運行環境和航天器動力學模型中的不確定因素往往會影響其控制精度，因此需要應用新的控制算法來解決交會對接中航天器位置和姿態控制的誤差精度和魯棒性問題。

1 國外研究現狀

Kluever， C. A為航天器沿固定軸的終端平面交會對接設計了反饋控制方案;Saponara， M將基于優化的模型預測控制應用于火星樣品回收任務中的航天器自主交會操作;Di Cairano， S將模型預測控制應用于航天器交會對接逼近段的軌道平面機動;Singla， P在考慮未建模動態、參數擾動和實際位姿測量誤差的情況下，針對航天器交會對接控制問題，給出了一種輸出反饋結構的模型參考自適應控制方法;Subbarao， K和Sam， W以空間自由漂浮機器人和服務的漂浮物體交會停靠為研究背景，利用反饋線性化設計控制律使當前和期望姿態之間的誤差為零，再通過自適應干擾觀測矩陣來修正由重力梯度和其他未知干擾引起的干擾力矩，其穩定性通過Lyapunov方程和Matrosov定理證明;Stansbery， D， T基于六自由度模型，提出了一種用狀態依賴的Riccati方程設計的非線性調節器來控制航天器在接近翻滾目標時的位置和姿態;Pan， H. Z在航天器平移速度和角速度測量缺失的情況下，用一個高通濾波器來估計航天器的速度和角速度，并給出了一種Lyapunov框架的非線性輸出反饋控制，以保證航天器相對位姿跟蹤誤差的半全局漸進收斂;Naasz， B. J針對微小衛星力矩輸出受限的情況，整合了基于LQR平均方程組的姿態控制器和基于軌道要素反饋的軌道控制器;Park， H在考慮避障的情況下，為航天器對接到一個旋轉/翻轉平臺設計了模型預測控制律;Guglieri， G為航天器交會對接地面試驗系統的GNC設計了比例微分綜合控制器和脈沖寬度調制器來控制推進器跟蹤預定的軌跡和速度;Lee， D基于六自由度動力學模型，為航天器近距離交會對接設計了非線性輸出跟蹤控制，將輸出反饋控制和狀態反饋控制組成一個閉環的控制結構以滿足其魯棒性要求。

2 國內研究現狀

彭冬亮通過一個坐標變換矩陣將軌道動力學模型和姿態動力學模型結合起來，建立了姿軌一體化數學模型，并設計了耦合控制方案;Chen， W. Y分別為軌道和姿態設計線性H∞和非線性H∞控制器，并采用一種協調邏輯來避免軌道控制和姿態控制的沖突;朱志斌針對航天器在近距離沿目標航天器快速繞飛的情況，考慮到相對運動對動態性能的高精度要求，設計了一種滾動優化有限時域最優控制求解方法;Wang， J. Y設計了一種模型無關的類PD魯棒控制器，證明了閉環系統存在外部擾動條件下的魯棒性，并基于六自由度模型，設計了魯棒自適應滑模控制律;Wang， X. K針對多飛行器位姿協同控制問題，提出了一種特定根樹結構的分布式控制策略，并設計了全局漸進收斂的輸出反饋調節器;Zhang， F基于六自由度模型，為空間交會任務中的追蹤航天器設計了自適應反步（Back Stepping）控制律;Zhao， X為航天器交會對接逼近段設計了多滑模控制（Multi-Slide-Mode Control， MSMC），以降低能量消耗;Sun， L針對空間非合作目標交會中追蹤航天器的位姿同步跟蹤問題，基于六自由度耦合動力學模型設計了魯棒自適應控制器，采用梯度自適應方法和一種范數估計自適應方法在線估計追蹤航天器的參數不確定性和動態耦合影響;Wan， N為推力有限的近地軌道交會對接設計了基于狀態觀測器的魯棒控制，保證能量消耗最小。

3 小結與展望

綜上所述，針對航天器交會對接逼近段控制算法問題，國內外的學者從不同的角度提出了諸多理論上可行的方法和策略，其中基于位姿耦合數學模型控制算法的研究與應用，在航天器相對導航、空間多目標協同以及航天器自主交會對接等航天領域有著極其重要的研究價值;同時，實現航天器交會對接逼近段高精度的自抗擾控制對于提高航天器的性能，任務可靠性以及擴展空間應用方面具有重要的現實意義，也是我國面向空間合作目標跨尺度運動再現提出的挑戰性新課題。