航天器交会对接逼近段控制研究进展

航天器交会对接逼近段控制研究进展

作者：朱晓光

来源：《卷宗》2020年第17期

随着航天技术的飞速发展，载人和无人飞船频繁往返于空间站，航天器需要更加灵活快速的实施对接。航天器在空间实现交会对接是由航天器制导、导航和控制（Guidance，Navigation and Control， GNC）系统完成的，GNC的主要任务是高精度测量航天器之间的相对速度、相对位置、相对姿态以及相对姿态角速度，并控制航天器完成姿态的调整和轨道的切换。未来我国的神舟飞船将从多个方向实施与空间站的交会对接。因此，进一步研究与发展航天器沿不同轨迹的自主交会对接技术是未来太空领域工程应用的必然趨势。

航天器的自主交会对接过程可分为发射、调相（地面导引）、远距离交会、近距离交会、对接停泊等几个阶段，不同的阶段要求的航天器控制精度不同，而近距离交会的最终逼近段控制精度要求较高。在最终逼近段，要完成准确可靠地对接需要位置和姿态的精确调节，以及两合作航天器间的协同配合来共同完成。换言之，航天器自主交会对接必须解决逼近段追踪航天器相对位姿高精度的自主控制问题。然而，一方面交会对接过程对航天器相对位姿控制的动态特性要求较高;另一方面，复杂的空间运行环境和航天器动力学模型中的不确定因素往往会影

响其控制精度，因此需要应用新的控制算法来解决交会对接中航天器位置和姿态控制的误差精度和鲁棒性问题。

1 国外研究现状

Kluever， C. A为航天器沿固定轴的终端平面交会对接设计了反馈控制方案;Saponara， M 将基于优化的模型预测控制应用于火星样品回收任务中的航天器自主交会操作;Di Cairano， S 将模型预测控制应用于航天器交会对接逼近段的轨道平面机动;Singla， P在考虑未建模动态、参数扰动和实际位姿测量误差的情况下，针对航天器交会对接控制问题，给出了一种输出反馈结构的模型参考自适应控制方法;Subbarao， K和Sam， W以空间自由漂浮机器人和服务的漂浮物体交会停靠为研究背景，利用反馈线性化设计控制律使当前和期望姿态之间的误差为零，再通过自适应干扰观测矩阵来修正由重力梯度和其他未知干扰引起的干扰力矩，其稳定性通过Lyapunov方程和Matrosov定理证明;Stansbery， D， T基于六自由度模型，提出了一种用状态依赖的Riccati方程设计的非线性调节器来控制航天器在接近翻滚目标时的位置和姿态;Pan， H. Z在航天器平移速度和角速度测量缺失的情况下，用一个高通滤波器来估计航天器的速度和角速度，并给出了一种Lyapunov框架的非线性输出反馈控制，以保证航天器相对位姿跟踪误差的半全局渐进收敛;Naasz， B. J针对微小卫星力矩输出受限的情况，整合了基于LQR平均方

程组的姿态控制器和基于轨道要素反馈的轨道控制器;Park， H在考虑避障的情况下，为航天

器对接到一个旋转/翻转平台设计了模型预测控制律;Guglieri， G为航天器交会对接地面试验系统的GNC设计了比例微分综合控制器和脉冲宽度调制器来控制推进器跟踪预定的轨迹和速

度;Lee， D基于六自由度动力学模型，为航天器近距离交会对接设计了非线性输出跟踪控制，将输出反馈控制和状态反馈控制组成一个闭环的控制结构以满足其鲁棒性要求。

2 国内研究现状

彭冬亮通过一个坐标变换矩阵将轨道动力学模型和姿态动力学模型结合起来，建立了姿轨一体化数学模型，并设计了耦合控制方案;Chen， W. Y分别为轨道和姿态设计线性H∞和非线性H∞控制器，并采用一种协调逻辑来避免轨道控制和姿态控制的冲突;朱志斌针对航天器在近距离沿目标航天器快速绕飞的情况，考虑到相对运动对动态性能的高精度要求，设计了一种滚动优化有限时域最优控制求解方法;Wang， J. Y设计了一种模型无关的类PD鲁棒控制器，证明了闭环系统存在外部扰动条件下的鲁棒性，并基于六自由度模型，设计了鲁棒自适应滑模控制律;Wang， X. K针对多飞行器位姿协同控制问题，提出了一种特定根树结构的分布式控制策略，并设计了全局渐进收敛的输出反馈调节器;Zhang， F基于六自由度模型，为空间交会任务中的追踪航天器设计了自适应反步（Back Stepping）控制律;Zhao， X为航天器交会对接逼近段设计了多滑模控制（Multi-Slide-Mode Control， MSMC），以降低能量消耗;Sun， L针对空间非合作目标交会中追踪航天器的位姿同步跟踪问题，基于六自由度耦合动力学模型设计了鲁棒自适应控制器，采用梯度自适应方法和一种范数估计自适应方法在线估计追踪航天器的参数不确定性和动态耦合影响;Wan， N为推力有限的近地轨道交会对接设计了基于状态观测器的鲁棒控制，保证能量消耗最小。

3 小结与展望

综上所述，针对航天器交会对接逼近段控制算法问题，国内外的学者从不同的角度提出了诸多理论上可行的方法和策略，其中基于位姿耦合数学模型控制算法的研究与应用，在航天器相对导航、空间多目标协同以及航天器自主交会对接等航天领域有着极其重要的研究价值;同时，实现航天器交会对接逼近段高精度的自抗扰控制对于提高航天器的性能，任务可靠性以及扩展空间应用方面具有重要的现实意义，也是我国面向空间合作目标跨尺度运动再现提出的挑战性新课题。