航天器相对导航与控制技术的典型任务*

王 楷，汤 亮，李克行，陈守磊，徐世杰

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空间智能控制技术重点实验室，北京100190; 3.北京航空航天大学宇航学院，北京100191)

航天器相对导航与控制技术的典型任务*

王 楷1，2，汤 亮1，2，李克行1，2，陈守磊1，2，徐世杰3

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空间智能控制技术重点实验室，北京100190; 3.北京航空航天大学宇航学院，北京100191)

在空间交会对接、在轨服务、近距离目标监视以及航天器编队飞行任务中，通常需要通过相对导航与控制技术对相互邻近的航天器进行控制.回顾了该领域典型的空间任务，特别关注任务、相对导航与控制方法、相对测量设备、推进系统等主要特征，并总结了该项技术的发展趋势.

空间交会;在轨服务;航天器编队飞行;相对导航;相对运动控制

0 引 言

航天器的相对导航与控制技术一直是人类探索外层空间、开发利用空间资源的有力工具.该技术主要使航天器能够安全、有效地抵近空间任务目标，并在目标附近建立并维持稳定的相对运动状态，为开展各项空间应用操作提供有力的支撑与保障.

该研究最早应用于航天器间的交会对接任务.由于运载能力有限，大型的航天任务通常需要将任务载荷分批发射，在近地轨道通过交会对接技术实现组装［1］.由于该阶段航天器间的距离较近，容易发生碰撞，并且涉及复杂的轨道与姿态机动操作，所以通常是由训练有素的航天员来参与完成.

随着航天实践活动的不断地拓展，航天器在导航、通信、对地观测等领域发挥了巨大作用，被人类社会视为不可或缺的重要资产.对于这些重要空间资产进行定期的检测与维护，以及对于具有潜在威胁的空间目标进行侦查、监视与干预成为近些年来航天领域所讨论的普遍话题［2］.由于上述任务涉及复杂的空间操作，自主化的相对导航与控制技术一直是这一领域研究的重点.

航天器的编队飞行［3］是近些年来航天领域提出的新概念.编队航天器由于其分布式的构型设计，可以实现大尺度的干涉测量以及多角度、多时段的观测.这是单颗航天器无法实现的.前述的航天任务通常需要对航天器进行短时、精确的相对位置和姿态控制.与之不同，编队飞行任务需要航天器维持长期的相对运动状态，延长推力器的工作时间间隔，以减少燃料消耗.与相对轨道动力学紧密结合的编队航天器相对导航与控制技术成为这一领域的又一研究热点.

本论文以近些年在交会对接、在轨服务、目标监视和编队飞行方面的典型空间任务为切入点，对任务中的相对导航与控制技术进行了梳理与总结.

1 典型空间任务

1.1 交会对接任务

(1)ATV

ATV(automated transfer vehicle)［4］是由欧洲航天局(ESA，European space agency)资助开展的无人货运飞船任务.该任务主要用于对国际空间站(ISS，international space station)进行定期的后勤补给，轨道维持和废物清除.第一艘飞船于2008年4月发射.远程段，ATV通过GPS接收机获取的伪距和多普勒测量信息进行相对导航，采用C-W(Clohessy-Wiltshire)方程设计远程交会制导律.近程段，ATV采用由发光二级管与CCD(charge coupled device)相机组成的视程仪测量相对位置和姿态，并采用H∞方法设计近程交会最优鲁棒控制器，沿V-bar方向实现高精度的位置保持、逼近和撤离等操作.ATV通过4台490 N发动机控制轨道转移，通过28台220 N推力器进行姿态控制和精细位置控制，通过查表方式管理各推力器开关机，合成期望的力和力矩.

(2)HTV

HTV(H-II transfer vehicle)［5］是由日本 JAXA (Japan aerospace exploration agency)研发的无人货运飞船任务.该任务主要是用于完成对国际空间站的后勤补给和废物回收.第一艘飞船于2009年9月与ISS自主交会并由SSRMS(ISS robotics arm)完成捕获与对接操作.远程段，HTV采用差分GPS的方式进行相对导航.近程段，HTV采用由激光测距仪和角反射器组成的交会敏感器测量相对距离和视线角，沿R-bar方向逼近ISS，并在ISS下方10 m处转入自由悬停状态以等待SSRMS的捕获.HTV配备有4台490 N主发动机和28台110 N姿态发动机，采用速度增量关机方式进行控制.

(3)神舟飞船

神舟飞船［6］是我国自行研发的载人飞船任务，主要用于试验验证载人飞船、太空行走、交会对接等载人航天技术，并开展空间科学实验.任务中的神舟八号、九号和十号飞船分别在2011年～2013年与天宫一号目标航天器完成4次自动交会对接和2次手动交会对接.飞船采用惯性测量单元、光学姿态敏感器、相对导航敏感器(微波雷达、激光雷达和远近场CCD光学成像敏感器)，测量相对位置和姿态.远程段，飞船根据C-W方程、视线方程控制相对轨道;近程段，采用基于特征模型的相平面自适应控制方法沿V-bar方向高精度的控制相对位置和姿态.飞船配备有4台2 500 N的轨道控制发动机用于变轨控制，8台150 N和16台25 N发动机控制姿态，8台117 N和4台150 N发动机用于平移和反推控制.

(4)Orion

猎户座(Orion)飞船［7，8］是美国NASA(national aeronautics and space administration)资助开展的载人飞船任务.用于探测月球、小行星和火星等.Orion要求能够在近地轨道与ISS以及在近地/近月轨道与月球着陆器完成手动交会或有人监视下的自动对接.Orion远程段通过星敏感器测量视线方向(200 km～5 km，光照允许条件下)，中程段通过S波段通信链路测量相对距离和距离变化率(30 km～1 km)，在近程段通过视觉导航系统和对接相机测量目标航天器上对接标识的位置和视线方向以获取相对位置和姿态(＜5 km).Orion通过双共椭圆交会逐渐逼近目标航天器，再转移至适当停泊点，最后沿V-bar和R-bar方向逼近目标.Orion装备有1台可双轴转向的33.4 kN液体主发动机用于轨道转移，8台556 N辅助发动机作为备份发动机，16台111 N推力器控制姿态与位置.

(5)Dragon

龙(Dragon)飞船［9］是在美国NASA的商业轨道运输服务计划的支持下，由spaceX(space exploration technologies)公司研发的货运飞船任务，用于为ISS提供货物往返运输服务.该飞船于2012年首次实现与国际空间站的交会对接.飞船采用相对GPS和LIDAR(laser imaging detection and ranging)相机测量相对位置与速度的测量，通过调整高度逐渐逼近ISS，完成接近、绕飞、位置保持等多项轨道操作，再沿R-bar方向逼近ISS停泊后由SSRMS完成捕获.飞船采用18台推力器控制轨道和姿态.

1.2 在轨服务任务

(1)ETS-VII

ETS-VII(engineering test satellite VII/KIKU-7)［10］是日本IAXA开展的，世界上首次在卫星上安装机械臂的空间任务，用于验证无人自动交会对接和空间机器人技术，于1997年11月发射.该任务由追踪星和目标星组成.试验中，追踪星通过推力器和反作用飞轮控制位置、姿态，目标星处于被动稳定状态以配合追踪星进行交会对接.相对接近阶段(＞500 m)，采用伪距差分和载波相位差分GPS进行相对导航，C-W方程设计制导律，通过速度增量关机方式控制追踪星.最终逼近段(500 m～2 m)，通过交会激光雷达提供追踪星到对接口中心的相对方位，采用标称轨迹制导.对接段(＜2 m)，由近程相机给出相对位置和姿态信息，对追踪星进行位置和姿态控制，使其沿对接轴接近目标星.

(2)轨道快车

轨道快车(orbital express)［11］是美国国防先进研究计划局和NASA的联合开展的技术验证项目，于2007年发射，主要用于在轨验证自主交会、近程操作以及燃料加注、电子设备替换与更新等技术.该任务包含两颗卫星.其中，ASTRO(autonomous space transfer and robotic orbiter)作为服务卫星.NEXTSat (next generation satellite)作为被服务客户卫星，处于三轴稳定状态.ASTRO配备3套独立的系统，包括ARCSS(autonomous rendezvous and capture sensor system)，Vis-STAR(vision-based software for track，attitude，and ranging)和AVGS(advonced video guidance system).其中，ARCSS包括窄视场捕获跟踪敏感器，中、短程宽视场可见光跟踪敏感器、红外敏感器和成像敏感器导引下的激光测距仪.Vis-STAR与ARCSS协同工作，根据NEXTSat的几何模型确定相对位置和姿态，以降低对合作测量标识的依赖程度.AVGS独立测量NEXTSat的相对距离、方位信息和相对姿态信息.ASTRO在不同光照条件下完成多项近程轨道控制操作和姿态指向操作.

(3)OLEV

轨道延寿飞行器(OLEV，orbit life extension vehicle)［12］是欧洲多国航天机构联合开展的空间商业服务任务.该任务采用服务卫星与即将退役或失效的GEO轨道通信卫星的远地点发动机喷管和星箭对接环实现机械对接，通过控制服务卫星维持原有卫星的姿态与轨道，从而延长其使用寿命.任务中，通信卫星处于三轴稳定姿态，无法主动协助服务卫星完成其它操作.服务卫星通过2台远视场、2台中视场相机实现进行相对导航(2 km～100 m、100 m～5 m)，采用立体视觉相机和照明设备近距离相对导航(＜5 m).服务卫星采用氙作为推进剂通过霍尔效应电推力器进行轨道转移和位置保持，通过20台冷气推力器进行交会对接机动.任务中，服务卫星需要完成逼近、椭圆绕飞、位置保持等轨道机动，通过姿态机动使光学敏感器指向被服务卫星，同时需要考虑太阳照射条件，以利于光学相机捕捉目标，并避免遮挡射入通信卫星帆板的太阳光线.

(4)DEOS

DEOS(deutsche orbitale servicing mission)［13］是德国航空宇航中心(DLR，German aerospace center)开展的在轨服务技术验证任务，于2010年转入初步设计阶段，用于验证对失效翻转的低轨道卫星进行交会、捕获和拖离轨道技术.该任务包含两颗卫星.目标卫星处于被动、非合作、翻转状态.服务卫星可以自由机动，并配备一支7关节的机械臂用于捕获目标卫星.任务中，服务卫星配备2台远程相机测量视线角，2台LIDAR测量700 m以内的距离和视线角以及相对姿态，1台中程立体相机和1台近程立体相机用于监控、核查任务过程以及视觉检查目标卫星，1台对接相机用于对接操作，2套照明系统用于在逆光、全黑等较差光照条件下获取较为可靠的光学信息.此外，卫星采用差分GPS进行相对导航，以确保任务安全.任务中，服务卫星需要完成远程交会、逼近、绕飞检查、编队飞行、捕获等操作.

(5)Phoenix

凤凰(Phoenix)计划［14］是由美国DARPA开展的技术开发与验证项目，于2012年6月开展.该任务采用机器人技术获取退役或失效的GEO轨道通信卫星上大型天线等零部件，并建立低成本新通信卫星系统.任务中，服务卫星需要通过轨道交会以及近程轨道与姿态控制对退役或失效的卫星进行远程交会、逼近、位置保持和绕飞，再通过机械臂对退役或失效的卫星和有效载荷进行捕获、拆卸和组装等复杂操作.这些退役或失效的卫星多处于无控、翻转状态，而且由于服役时间长，难于获取早期的设计细节，表面特性也已发生改变.在捕获前，服务卫星需要在安全距离上对非合作目标环绕飞行，并通过详细勘测建立高可靠度的虚拟模型.现阶段，主要以地面陈列的数据中继卫星和广播通信卫星作为相对位置与姿态测量对象，对多种LIDAR、光学相机和立体相机开展测试.

1.3 目标监视任务

(1)XSS-10

XSS-10(experimental small satellite-10)任务［15］是由AFRL(air force research laboratory)组织开展的演示验证项目，于2003年1月发射.该任务用于验证小卫星对空间常驻目标的接近和监测技术.分离后，XSS-10将DeltaII火箭的第二级作为目标进行自主检查.XSS-10采用4台以甲基肼和二氧化氮为推进剂的侧向偏转推力器控制位置，采用8台以氮气为推进剂的推力器控制姿态指向，采用轻质集成化的可见光相机进行目标监视和相对导航.任务中XSS-10相对目标在多个观测点间进行位置转移，并完成移动-凝视和V-bar逼近等操作.

(2)XSS-11

XSS-11(experimental small satellite-11)任务［16-17］是AFRL组织开展的演示验证项目，于2005年4月发射.该任务采用成本低廉、反应快速的小卫星技术接近并监测空间目标.任务中，XSS-11对米诺陶上面级等多个空间常驻目标进行交会、接近和巡查.XSS-11配备有8台0.7 N姿态控制推力器，2台0.9 N的Z向推力器以及1台22 N轨道调整发动机，采用轻质低耗的扫描式激光雷达和视觉相机进行相对导航，采用GPS确定卫星位置和速度.任务中，XSS-11完成逼近、位置保持、绕飞巡视等操作.

(3)ANGELS

ANGELS(automated navigation and guidance experiment for local space)任务［18］是由美国AFRL组织开展的技术验证项目，于2014年发射.该任务是空间事态感知的一部分，主要是在GEO轨道附近清晰地拍摄空间重要资产的周围环境.任务中，ANGELS围绕Delta-4火箭的上面级进行轨道机动，并通过用于空间事态感知的敏感器载荷对该上面级进行探测、跟踪、目标特性描述等操作.ANGELS配备有GPS系统和高精度加速度计.GPS系统采用NASA先进的导航算法，接收GPS卫星的副瓣信号并生成几乎连续的导航信息.加速度计精确测量卫星的加速度以增强其导航和控制方面的能力.

1.4 编队飞行任务

(1)PRISMA

PRISMA(prototype research instrumentsand space mission technology advancement)［19］任务是在瑞典国家空间委员会的资助下开展的技术演示验证任务，于2010年6月发射进入太阳同步轨道，用于在轨检验自主化编队飞行与交会对接技术.该任务包含Mango和Tango两颗卫星.Mango配备6台1 N推力器进行三轴的轨道机动.Tango不具备轨道机动能力，仅维持三轴姿态稳定.PRISMA配备有相对GPS、射频无线电系统测量相对位置，基于视觉的导航系统结合发光二级管测量相对位置和姿态.任务中，两颗卫星采用模型预测控制，相对轨道要素控制等相对轨道运动控制方法，在多种相对导航模式下实现自主编队飞行、近程逼近/撤退操作.此外，该任务还在轨验证了仅有视线角测量条件下的非合作目标自主交会控制［20］.

(2)CanX-4/CanX-5

CanX-4/CanX-5［21］是由加拿大多伦多大学研发的微纳卫星编队飞行任务，用于验证亚米级精度的卫星自主编队飞行技术，服务于干涉合成孔径雷达、高分辨率成像和地面移动目标指示等任务.CanX-4/5是两颗相同的立方体微纳卫星，可实现沿V-bar方向1 000 m、500 m的位置保持和半径50 m、100 m的圆形投影构型保持.两颗卫星各配备1台GPS接收机，采用全向S波段星间链路交换导航信息，实现载波相位差分GPS相对导航，使测量精度达到cm/s和mm/s级.两颗卫星采用线性二次型调节器控制、基于状态转移矩阵的燃料最优脉冲控制等先进的卫星编队控制方法进行构型保持、重构和位置保持控制.两颗卫星仅沿单一方向配备4台以六氟化硫为推进剂的5mN冷气推力器，用于轨道机动.

(3)MMS

MMS(magnetosphericmultiscalemission)任务［24］是由NASA组织开展的自主编队飞行任务，主要用于观测地球磁层顶部和尾部发生的磁重联现象，于2015年3月发射.该任务由4颗相同的自旋稳定卫星组成.为测量磁重联现象在三维尺度上的变化过程，4颗卫星将先后在1.2Re×12Re(Re为地球半径长度)、1.2Re×25Re的椭圆轨道的远地点附近形成近正四面体构型(边长10 km～400 km).卫星采用高灵敏度的GPS接收机探测地球对侧微弱的GPS信号以获取位置信息，设计有星间距离与预警系统以确定星间相对位置.卫星采用8台18 N侧向推力器进行自旋速率控制、姿态控制和轨道机动，采用4台4.5 N轴向推力器进行章动控制、姿态控制和角动量卸载.

(4)PROBA-3

PROBA-3(project for on board autonomy-3)［23］是ESA组织开展的自主编队飞行任务，期望在空间建立像大型刚性结构一样稳定的分布式编队构型，以观测太阳大气活动，预计于2017发射.该任务包括日冕观测卫星和遮光卫星.两颗卫星将在地球大椭圆轨道，通过毫米、角秒级的精密控制，编队构成150 m长的日冕观测器.在远地点区域，由于引力梯度小，两颗卫星约有6 h进行精密编队飞行.在近地点区域，两颗卫星自由飞行.在进出近地点的区域，日冕观测卫星进行轨道调整，两颗卫星采用射频无线电定位系统和相对GPS(仅在近地点附近使用)进行粗精度的相对导航.此外，日冕观测卫星还通过光学相机、激光发射/接收器以及遮光卫星上的角反射器进行粗、高精度的相对位置和姿态测量.两颗卫星通过2组8个10 mN冷气推力器进行六自由度控制，通过4台1 N·m·s反作用飞轮控制姿态.

2 各类任务的技术特点

空间交会对接任务主要用于天地间人员、货物往返运输，属于合作目标任务.该类任务通常在低地球轨道完成，以空间站或飞船作为目标器，以载人或货运飞船作为追踪器.目标器处于被动运动状态并维持姿态稳定，追踪器通过控制相对目标器调整位置、姿态.在相对导航方面，通过GPS信息远距离测量相对位置，通过光学相机结合目标器上的测量标识以及激光雷达等近距离测量相对位置和姿态.在相对控制方面，采用C-W、视线方程设计开环控制算法进行远距离轨道交会、逼近、绕飞和撤离，采用H∞控制、基于特征模型的相平面自适应控制等闭环控制方法进行近距离相对位置和姿态的高精度控制，实现相对位置保持以及沿V-bar、R-bar方向的逼近和撤退等操作.在推进系统方面，主要采用双组元推进剂(甲基肼和氮氧混合物)，通过1 000 N～100 N的数十个推力器控制相对位置与姿态.推进系统组成复杂，需要规划多个推力器协同工作，生成指令的控制力和力矩.

在轨服务任务主要用于对在轨卫星进行检查、捕获、维护、升级和离轨等操作.该类任务一直处于技术试验验证阶段.任务中，被服务卫星作为目标器，处于被动稳定或者翻滚的状态;服务卫星作为追踪，配备有机械臂或对接机构.早期任务主要是在LEO轨道完成，属于合作目标任务，相对导航与控制方式与交会对接任务类似.近几年提出的任务已向GEO轨道、非合作的趋势发展.在相对导航方面，需要采用激光雷达或立体相机，根据目标的几何或物理特征信息近距离测量相对位置或姿态;在相对运动控制方面，增加了绕飞检查和勘测等操作，为减小太阳光线干扰需限制追踪器的逼近方向.在推进系统方面，推力器数量较少、推力较小.部分任务采用冷气推力器，个别任务采用电推力器进行GEO轨道的轨道转移与位置保持.

近距离监视任务主要采用微、小卫星技术对空间目标进行检测、拍照，属于非合作目标任务.该类任务处于技术试验验证阶段，主要在LEO轨道和GEO轨道完成.任务中，运载火箭上面级或者退役失效卫星作为目标器，处于无控翻滚状态;成本低廉、反应快速的微、小卫星作为追踪器，在控制系统作用下逐渐接近目标航天器，并完成环绕、拍照等工作.在相对导航方面，主要采用轻质、低耗的激光雷达或光学相机测量相对位置和指向.在相对轨道控制方面，需要追踪器完成逼近、位置保持、绕飞巡视以及各观测点间的位置转移等操作.在推进系统方面，单、双组元推力器均得到应用，而且推力量级多在1 N以下.

航天器编队飞行任务主要依托分布式的构型，实现大尺度干涉测量、天文观测和多角度、多时段的数据采集，属于合作目标任务，多数处于技术试验或项目论证阶段，主要在太阳同步轨道和大椭圆轨道进行.任务中，各编队航天器需要通过协作共同完成编队构型的调整与维持，以使任务中所消耗的燃料在各航天器间能够均匀分配.在相对导航方面，该类任务主要采用载波相位差分GPS技术实现分米级甚至更高精度的相对导航.在GPS信号无法覆盖或者相对指向精度要求更高的情况，采用射频无线电或者光学相机结合测量标识的方式测量相对位置、姿态.在相对轨道控制方面，需要进行长期的相对轨道运动控制，或者是高精度的相对距离和指向控制，多种先进的闭环控制方法已得到实际应用.在推进系统方面，主要是采用冷气或双组元推力器进行位置、姿态控制，推力量级在牛级或者毫牛级.

3 结 论

本文对航天器相对导航与控制技术相关的典型空间任务进行简要回顾.空间交会对接任务最早应用相对导航与控制技术，在轨服务、近距离目标监视、航天器编队飞行任务充分继承并促进这项技术发展.目前相关任务需求呈现多样化的发展趋势，在导航控制方法、测量敏感器、推进系统等方面发生了明显的技术分化，也迎来了多层次的技术挑战.

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Application of Relative Navigation and Control Technology in Specific Space Missions

WANG Kai1，2，TANG Liang1，2，LI Kehang1，2，CHEN Shoulei1，2，XU Shijie3
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China;2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 100190，China;3.School of Astronautics，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

In space missions，such as rendezvous and docking，on-orbit servicing，close-range surveillance as well as formation flying，neighboring spacecraft are needed to operate by using relative navigation and control technology.Specific missions in such field are reviewed，and their mission purpose and major features are particularly focused on with respect to relative control methods，the measuring devices and propulsion systems.The tendency of such technology is also summarized.

space rendezvous;on-orbit servicing;spacecraft formation flying;relative navigation;relative orbital control

V448.2

:A

:1674-1579(2016)01-0007-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.01.002

王 楷(1984—)，男，工程师，研究方向为航天器动力学与控制;汤 亮(1976—)，男，研究员，研究方向为航天器动力学与控制;李克行(1977—)，男，高级工程师，研究方向为航天器动力学与控制;陈守磊(1981—)，男，高级工程师，研究方向为航天器动力学与控制;徐世杰(1951—)，男，教授，研究方向为航天器动力学与控制.

*国家自然科学基金资助项目(61403030).

2015-06-18