美国航天器交会对接故障
航天器自主交会对接的视觉相对导航方法
ｃ
图１ 像 平 面 坐标 系和 相 机 坐 标 系 位 置 关 系
Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｒｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｇ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ ｆ ｏ ｃ ａ ｌ ｐ ｌ ａ ｎ ｆ ｒ ａ ｍｅ ａ ｎｄ ｃ ａｍ ｅ ｒ ａ ｆ ｒ ａ ｍｅ
Hale Waihona Puke 根 据公式 （ １ ） ， 。 Ｙ 。
］ 可 以由光学相 机 的直接测 量值 “和 以及未 知参 数 ｚ － 表示 。为 了
得到参 数 ｒ，即特征 光标 在相机 坐标 系 轴上 的投影 值 Ｙ ，在 目标航 天器 上设 置 ３个 特 征光 标点
算 法 的有效 性 。
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ ０ ９ １ １ 。收 修 改 稿 Ｅ ｔ 期 ：２ ０ １ ３ － ０ ７ — ０ ８
３ ４
中 国 空 间 科 学 技 术
２ ０ １ ３年 １ ２月
２ 视 觉 导航 方 法
］ 一 兰 薹 ２ ３ ］ Ｌ ： ＋ 三 ］
初始 值影 响较 大 。
上述 问题 的解 决方 法是 在 目标航 天器 的特 殊位 置上安 装特 征光 标 ，其 目的是将 求解 三元二 次方
程组 变换 为求 解一 个一 元 四次方 程 。采用 四元 数描 述相对 姿态 ，通 过求解 该一 元 四次方 程能够 得 到
相对 姿态 和相 对位 置 的近似解 析 解Ｅ ６ ３ 。这种 方法 在求 解一元 四次方 程时存 在多 值问题 ，并且 该 近似 解 析 算法 是基 于 比例正 交投影 近 似假设 的 ，即航 天器 之 间的相对 距 离要远 大 于特征光 标 点相距 目标 航天 器质 心 的距 离 ，因此 ，该 方 法不适 用 于航天 器交 会 的最终 逼近 和对接 阶段 。
飞船自动对接原理
飞船自动对接原理
飞船自动对接的原理主要涉及交会和对接两个过程。
交会是指两个航天器在既定的飞行轨道上逐渐靠近的过程。
这个过程通常通过精密的轨道计算和控制来实现，确保两个航天器能够成功地在预定的时间和地点相遇。
对接则是指交会后的航天器通过专门的对接机构组合成一个整体。
对接机构通常包括机械臂、捕获装置和连接装置等，用于捕获和固定另一个航天器，然后进行后续的对接操作。
对接过程需要高精度的控制和协调，以确保两个航天器的安全和稳定。
自动对接技术通常利用传感器、控制器和执行机构等设备来实现。
传感器用于监测和测量两个航天器的相对位置、速度和姿态等信息，控制器根据这些信息计算出必要的控制指令，然后通过执行机构来执行这些指令，调整航天器的状态，实现自动对接。
自动对接技术可以大大提高航天器的交会对接效率和安全性，减少对地面控制系统的依赖，是未来航天器交会对接的重要发展方向之一。
空间交会对接技术
《空间交会对接技术》阅读答案沈羡云北京时间2011年11月3日凌晨1时36分，天宫一号目标飞行器与神舟八号飞船顺利完成首次交会对接，中国载人航天首次空间交会对接取得圆满成功，开辟了载人航天的新纪元。
人们在谈起空间交会对接时总是将它们连在一起，好像是一回事，实际上它是两个过程，即是空间交会和空间对接的总称。
空间的交会对接就好像人生的恋爱和结婚一样，是有联系但性质上又不完全相同的两回事。
空间交会是指两个或两个以上的航天器，通过轨道参数的调整，在空间轨道上按预定位置和时间“相会”的过程。
通常只要交会的航天器相距在一定距离范围以内（例如300米），就算实现了交会。
对接是指它们“相会”后，通过专门的对接装置将两个航天器连接成一个整体。
交会的航天器不一定对接，但是需要对接的航天器则一定要首先实现交会，而且交会还必须达到对接所要求的精度。
回顾一下载人航天的历史，我们可以看到：无论是美国还是俄罗斯都与我国一样，经过了发射单个飞船、空间实验室、空间站三个阶段。
在这个过程中，最主要的一项技术就是交会对接技术。
可以说没有交会对接技术的发展，就没有载人航天的发展。
可以想象一下，哪个火箭有这样大的推力可以将像国际空间站这样的庞然大物发射到太空？国际空间站的建成，都是靠交会对接将一个个舱段与空间站的主构架连接在一起的；国际空间站的应用，也是通过交会对接将航天员和物质一次次地送到国际空间站，使他们发挥作用。
目前我国火箭近地轨道最大运载能力仅为9.2吨，不仅无法将体积更大、重量更重的空间实验室发射升空，也满足不了空间实验室在运行期间所需大量物资的运输要求。
根据航天器空间交会对接技术的发展过程，可将其在载人航天活动中所起的主要作用归纳为以下几个方面。
首先，它是空间站和载人飞船维持正常运行的必要条件。
航天员定期的更换、飞行所需的燃料、航天员的食物、科研生产原材料的补给和取回、仪器设备的更换与维护、在飞行轨道上为其他应用卫星提供服务等，都需通过空间交会对接以实现地面和太空航天器之间的人员和货物运送。
遥操作交会中时延影响的仿真试验研究
中图分 类号 ：Ｔ Ｎ ９ ２ ７ 文献标 识码 ：Ａ 文 章编 号 ：１ ６ ７ ４ — ５ ８ ２ ５（ ２ ０ １ ３ ）０ １ — ０ ０ ０ ５ — ０ ５
１ 引 言
我国于 ２ ０ １ １ 年ｌ １ 月 ３日完成 了神 舟 ８ 号飞船
与天宫一 号 目标 飞行 器 的首次 自动交 会对接 试验 ， 后 续将 陆续 开展 我 国载人空 间站 的建造 、 运 营及功 能拓
操 作 指令 也无 法 及 时得 到执 行 。根 据 国外相 关 机构 对 遥 操作 的研 究结 果 ，站 一 船遥 操 作 交 会 对 接 的 闭 环 总 时延 为 １ ｓ ～ ２ ｓ ， 地一 船 遥 操 作交 会 对 接 闭 环 总 时
延 可达 ５ ｓ ～ ７ ｓ ［ 。
美 国曾 于上 世 纪 ８ ０年 代 在 Ｏ ＭＶ （ Ｏ ｒ ｂ ｉ ｔ ａ ｌ Ｍａ — ｎ ｅ ｕ ｖ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ） 项 目中开 展 过遥 操 作 交 会对 接 技
的交会 对 接 。手 动交会 对 接是 由航 天 员 通过 手 动交 会 对接 系统 ， 完 成交会 对 接任务 【 ４ ］ 。 手 动 方式 需要 航 天员 的参 与 ，只适 用 于载 人追
展等Ⅲ 。 在空间站的整个建造和运营中， 需要进行货运
飞船 、 实 验舱等无 人航 天器 与空 间站 的交会 对接 。 由 于无人航 天器无 法采用 手 动交会对 接方 式作 为备 份 ，
段 ；也 可 用 于空 间非合作 目标 的 交会和 对接 ，具有 广泛 的应 用前 景 。首先 简要 介 绍 了遥操 作 交会 对 接 的概 念 ，分 析 了遥操 作 交会对接 的主要 问题 。其次 ，设计 和研 制 了遥操 作 交会 对接
航天器非合作交会一体化控制仿真研究
航天器非合作交会一体化控制仿真研究作者：刘歌群顾冬晴刘晓坤来源：《科技创新与应用》2020年第32期摘 ;要：非合作交会对接对于航天器在轨服务异常重要。
文章研究了航天器姿轨一体化的6自由度交会控制仿真技术。
文章建立了航天器轨道计算、姿态计算、相对位置计算和控制律计算仿真模型，通过对典型停泊点参数跟踪控制效果的计算，验证了所设计仿真模型的正确性。
关键词：交会对接;一体化控制;仿真中图分类号：V448 ; ; ; ; ;文献标志码：A ; ; ; ; 文章编号：2095-2945（2020）32-0012-04Abstract： Non-cooperative rendezvous is very important for on orbit service of spacecrafts. The simulation technology of 6-DOF integrated rendezvous control is studied in this paper. Simulation models for spacecraft orbit calculation， attitude calculation， relative position calculation andcontrol law calculation are established. The correctness of the simulation models is verified by the calculation of tracking control on a typical mooring point.Keywords： rendezvous; integrated control; simulation1 概述空间交会对接对于航天飞行器的在轨组装、维修、维护、物资交换、补给、人员访问等高级空间操作提供了技术前提，是现代航天工业的核心技术之一。
国外货运飞船概览
国外货运飞船概览王霄;张蕊;郭筱曦【期刊名称】《国际太空》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】9页(P24-32)【作者】王霄;张蕊;郭筱曦【作者单位】北京空间科技信息研究所;北京空间科技信息研究所;北京空间科技信息研究所【正文语种】中文货运飞船是执行向地球大气层以外的宇宙空间运送货物等任务的航天器。
货运飞船拥有较大的货舱体积，可比载人飞船携带更多的货物，主要用途是向地外空间定期补给食品、燃料、仪器设备等物资，协助提升空间站轨道等。
货运飞船主要有一次性使用货运飞船和可重复使用货运飞船2种类型。
苏联/俄罗斯在“联盟”（Soyuz）载人飞船的基础上发展出了“进步”（Progress）系列货运飞船；美国的太空探索技术公司（SpaceX）和轨道-ATK公司分别研发了“龙”（Dragon）和“天鹅座”（Cygnus）货运飞船；欧洲研发了5艘“自动转移飞行器”（ATV）；日本研发了“H-2转移飞行器”（HTV）。
目前，国际上现役的货运飞船包括俄罗斯的进步 MS、日本的“H-2转移飞行器”、美国的“龙”和“天鹅座”。
截至2017年3月31日，全球共成功发射并入轨的货运航天器181个，分别为俄罗斯“进步”系列飞船、欧洲的“自动转移飞行器”、日本的“H-2转移飞行器”、美国的“龙”和“天鹅座”飞船，它们完成了对礼炮号（Salyut）空间站、和平号（Mir）空间站和“国际空间站”（lSS）的货物、人员补给以及轨道提升。
20世纪70年代，苏联和美国开始发展体积大、寿命长的空间站，起初两国都是使用人货混装的载人飞船为空间站提供少量补给。
随着苏联空间站的不断发展，苏联航天专家将“联盟”载人飞船改装，去掉了载人飞船上的座椅、环控生保系统与应急救援等与载人有关的系统，成为“进步”货运飞船。
“进步”飞船是俄罗斯不可重复使用的货运航天器。
首艘“进步”货运飞船于1978年1月20日由“联盟”火箭发射升空。
此后，礼炮号空间站的研制方实验机械制造中央设计局（现俄罗斯科罗廖夫能源火箭航天集团）又研制并发射了进步M和进步M1等型号的“进步”系列货运飞船。
近地航天器空间交会能耗问题研究
第 ３ 期
载 人 航 天
Ｍａｎ ｎ ｅ ｄ Ｓ ｐａ ｃ ｅ ｌｉ ｆ ｇ ｈ ｔ
Ｖｏ ｌ ＿１ ９ Ｎｏ ．３
２ ０ １ ３年 ５月
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近地 航天器 空间交会 能耗 问题研究
刘世 勇 ，辛 晓 生
（ 北 京跟踪 与通 信技 术研 究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ９ ４ ） 摘 要 针 对 交会 对接 任务 追踪航 天 器从入 轨 到 进入 第一 停 泊 点 的 交会 过 程 ，采 用 解析
÷ １ ｙ ／
… （ ３ ）
必要条 件 ２ ： 相 位差 为零 。 必要 条件 ３ ： 偏心 率矢量 差 为零 。 需 要说 明的 是 ， 对 于必 要 条件 ２ ， 由于 本 文导 引
终 点选 取 为第 一停 泊点 ，两 航 天器 不是 严格 相 位相
略去 高 阶项 ， 有
本 固化 ，因此分 析交 会 过程 的 能耗 即可 获得 不 同应 用条 件 下 ， 如不 同的入 轨 高度 、 不 同 的对 接 高 度 等 ， 交 会对 接 过程 所 需 的能耗 ，对 正 常和 应 急条 件 下 的
究［ ３ － ６ ３ 。由于偏重控 制方 法 的理论 研究 ， 且受 控 制过程 建 模 准确 度 、 力模 型 复杂 度 限制 ， 利用 这类 方 法 很难 针 对 实 际工程 问题获 得 能耗 的定 量结 果 。 以下从 两 航 天器 能量 控制 的角 度进 行分 析 。 为便 于数 学分 析 和物 理解 释 ，首 先在 二 体运 动 假 设 下进 行分 析 ， 之后 再分 析其 他 因素 ， 包 括 大气 阻 力、 地 球非 球 形 、 人 轨轨 道 面偏 差及 姿 控等 因素 的影
方 法分 析 了交会过 程 的 能耗 问题 。首 先基 于二体 运 动理 论 ，根 据 导 引终 点 的机 械 能 、相 位 和
课题研究“神舟八号”与“天宫一号”的空间交会对接
课题研究“神舟八号”与“天宫一号”的空间交会对接李维兵【摘要】以“神舟八号”与“天宫一号”空间交会对接为课程资源，引导学生开展关于对接过程中的课题研究活动．【期刊名称】《物理通报》【年(卷),期】2012(000)005【总页数】2页(P49-50)【关键词】神舟八号;天宫一号;变轨;对接【作者】李维兵【作者单位】南通高等师范学校,江苏南通226100【正文语种】中文【中图分类】V5262011年9月29日，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号F运载火箭将“天宫一号”目标飞行器发射升空.11月1日，“神舟八号”又成功发射.11月3日凌晨，“神舟八号” 与“天宫一号”目标飞行器实现空间交会对接(图1)，形成组合体.成功对接标志着中国继美国、俄罗斯成为世界上第三个自主掌握并成功实施航天器空间交会对接技术的国家.由于交会对接过程中，涉及中学物理的天体运动中的变轨、追及等问题，因此教师可以很好地引导学生来开展一个与航天器交会对接的课题研究活动，一方面对中学教材的补充，使学生掌握最新科技动态；另一方面可以培养学生学习物理的兴趣和爱好.课题研究如下.图1 两航天器空间交会对接模拟图1 课题准备提前两周将课题任务布置给学生，让学生在课余时间利用广播、电视、报刊、因特网等查找关于“神舟八号”和“天宫一号”对接以及交会对接技术的相关资料，并思考如何运用中学物理中的圆周运动、万有引力定律、宇宙速度等知识来解决实际问题.2 课题探讨(1)教师通过视频展示“神舟八号”与“天宫一号”交会对接的录像并提出要探讨的问题.1)了解空间交会对接；2)“神舟八号”从发射后到对接成功，可分几个阶段；3)“神舟八号”与“天宫一号”交会对接意义.(2)学生分组按要求整理搜集到的资料1)空间的两个航天器在同一时刻以同样的速度到达同一个地点的轨道控制过程及结果称做轨道交会.在空间将两个航天器对接起来形成一个航天器称做空间对接. 2)“神舟八号”从发射后到对接成功可分两个阶段.首先是变轨阶段.“神舟八号”从地面发射升空后，在地面指令引导下，经过5次变轨控制，飞抵“天宫一号”后下方约52 km处，转入自主控制飞行状态；再经过4次自主变轨控制，抵达距“天宫一号”约5 km的对接入口点.飞船暂停“脚步”，等待地面对两航天器相对导航计算结果进行确认.其次是对接阶段.“神舟八号”船载发动机再次点火，继续飞向“天宫一号”，在相对距离400 m停泊点，驻足约3 min，以0.5 m/s的相对速度接近“天宫一号”，进入相对距离30 m停泊点，“神舟八号”以0.2 m/s的相对速度，向“天宫一号”缓缓靠拢.3)“神舟八号”与“天宫一号”交会对接的意义主要体现在四个方面.一是为我国将来运行的空间设施提供物资补给和人员运输服务作准备；二是为我国将来的空间设施的建造和运行服务作准备；三是为将来进行空间飞行器重构以实现系统优化作准备；四是为我国将来载人登月和升空探测任务作准备.因此，“神舟八号”与“天宫一号”成功对接是发展航天技术、增强人类探索和开发太空资源能力的一项重大关键技术.(3)全班交流、讨论、归纳，教师适时引导、点拨.3 课题应用教师通过幻灯片和讲义展示，结合中学阶段所学的知识，举例来分析变轨和对接问题.(1)关于变轨过程中的问题讨论【例1】若“天宫一号”能在离地面约300 km高的圆轨道上正常运行，“神舟八号”从地面发射后，在对接前，经过5次变轨控制，飞抵“天宫一号”后下方约52 km处，转入自主控制飞行状态.再经过4次自主变轨控制，抵达距“天宫一号”约5 km的对接入口点.下面说法中正确的是A.“神舟八号”的发射速度应大于第二宇宙速度B.在关闭发动机,飞船暂停“脚步”时，“神舟八号”的加速度小于“天宫一号”的加速度C.在每次变轨的瞬间,“神舟八号”发动机需点火加速D.在每次变轨的瞬间,“神舟八号”发动机需点火减速启发学生分析：由于“神舟八号”是绕地球运行的飞行器，所以发射速度大于7.9 km/s,而小于11.2 km/s.选项A错误.在关闭发动机时，万有引力完全提供向心力，即此时“神舟八号”做圆周运动的轨道半径小于“天宫一号”的轨道半径，故“神舟八号”的加速度大于“天宫一号”的加速度，选项B错误.在每次变轨的时候，“神舟八号”从低轨道向高轨道接近，应该做离心运动，万有引力要小于向心力，故发动机要点火加速.选项C正确；选项D错误.所以本题答案为选项C.(2)关于对接过程中的问题讨论【例2】若对接前的某段时间内，“神舟八号”与“天宫一号”已经处在同一圆形轨道上顺时针运行，如图2所示，则在“神舟八号”的发动机点火追赶“天宫一号”，两飞行器实现成功对接的过程中，下列说法正确的是A.“神八”飞船和“天宫一号”的角速度相同B.“神八”飞船比“天宫一号”的角速度大C.对接过程中，“神八”飞船应向运动的后上方喷气以实现加速追赶同轨道的“天宫一号”D.对接过程中，“神八”飞船应向运动的后下方喷气以实现加速追赶同轨道的“天宫一号”图2 两航天器成功对接的示意图启发学生分析：由题意可知，对接前的某段时间内，两船已经处在同一圆形轨道(图3).此时“神舟八号”的速度比“天宫一号”大.故“神舟八号”的角速度大.选项A错误，选项B正确.对接过程中实现的是同轨道加速，需要“神舟八号”的速度要比“天宫一号”大点，通过喷气加速，使得切线方向有力，即F2=F切，由于“神舟八号”速度大了，所需的向心力就比万有引力大，为了使运动轨道不变，即此时喷气使得在法线方向也有力，即F万+F1=F向.图3 航天器对接的受力分析要使“神舟八号”与“天宫一号”对接成功，发动机提供的动力应该如图3所示，喷气的方向应该是F1和F2的合力F的反方向，所以“神舟八号”应向运动的后上方喷气以实现加速追赶同轨道的“天宫一号”.4 课题跟踪带着课题研究的热情和兴趣，继续关注航天事业，“神舟八号”和“天宫一号”成功对接，意义十分重大.不久将迎来“神舟九号”的对接，和“神舟十号”的载人对接.今后的载人飞船发射时间间隔将大大缩短，目标飞行器发射当天就可以发射对接飞船，将更好、更快捷地服务于太空空间站建设.同时“神八”成功对接，标志中国人转移到其他星球上居住和生活将不再是幻想，完全有能力开发出更加美好的生活空间，来解决将来中国生活空间越来越拥挤的现状.。