1965年12月15日，美國“雙子星座”6號(hào)和7號(hào)飛船在航天員參與下，實(shí)現(xiàn)了世界上第一次交會(huì)對接。1968年10月26日，前蘇聯(lián)“聯(lián)盟”2號(hào)和3號(hào)飛船實(shí)現(xiàn)了首次自動(dòng)交會(huì)對接。到目前為止，人類已經(jīng)進(jìn)行了300多次交會(huì)對接，而且80%的交會(huì)對接是在美國和前蘇聯(lián)／俄羅斯進(jìn)行的。

20世紀(jì)90年代以來，由于美國航天軍事活動(dòng)的日益頻繁和航天系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷提高，美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、美國國防部（Department of Defense，DoD）、美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Laboratory，AFRL）、美國空軍航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心等多家機(jī)構(gòu)開始著手研制具有高自主性的空間交會(huì)對接試驗(yàn)系統(tǒng)［5］。

NASA提出了自主交會(huì)技術(shù)演示（Demonstration of Autonomous Rendez-vous Technology，DART）項(xiàng)目。該項(xiàng)目中目標(biāo)衛(wèi)星是一顆47kg重的軍事衛(wèi)星－MUBLCOM衛(wèi)星，該衛(wèi)星上具有遠(yuǎn)程和近程兩套激光反射器［5］。由此可見，該項(xiàng)目屬于合作交會(huì)對接。DART衛(wèi)星在300m以內(nèi)主要采用高級視頻引導(dǎo)傳感器（Advanced Video Guidance Sensor，AVGS）測出相對運(yùn)動(dòng)信息。文獻(xiàn)［6］給出了DART的接近操作過程，主要包括接近、繞飛、?？亢统冯x等操作過程，如圖1所示。從圖1可以看出，DART衛(wèi)星采用的是C－W脈沖制導(dǎo)方法，該方法并不利于實(shí)現(xiàn)自主交會(huì)對接。2005年4月，DART衛(wèi)星成功實(shí)現(xiàn)與MUBLCOM衛(wèi)星的交會(huì)，但因軟件發(fā)生故障，推進(jìn)器點(diǎn)火過多，燃料供給不足導(dǎo)致DART衛(wèi)星與對接衛(wèi)星碰撞。雖然該項(xiàng)目最后發(fā)生事故，但仍然說明美國在交會(huì)對接方面的技術(shù)比較成熟。

圖1　DART接近操作

1997年10月，美國取消克來門蒂娜2計(jì)劃后，AFRL、空軍航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展了實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)（Experimental Satellite System，XSS）計(jì)劃。該計(jì)劃主要目的是研制一種具有全面自主控制能力的微小衛(wèi)星，這種衛(wèi)星具有在軌檢查、交會(huì)對接及圍繞在軌物體近距離機(jī)動(dòng)的能力。XSS－10衛(wèi)星是一個(gè)半自主的圓柱形航天器，采用三軸穩(wěn)定的姿態(tài)控制系統(tǒng)，其慣性測量裝置由3個(gè)光纖陀螺儀和3個(gè)硅加速度計(jì)組成，用于測量衛(wèi)星的速度和角度，輸出星體的速度和角度的變化增量［7］。另外，XSS－10還攜帶可見光相機(jī)系統(tǒng)（包括兩個(gè)CCD成像器）對指定的觀測點(diǎn)拍照，而后利用可見光相機(jī)系統(tǒng)與星敏感器的信息進(jìn)行融合，進(jìn)而確定星體的姿態(tài)［7］。星上自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制算法等已經(jīng)預(yù)先固化在機(jī)載的DSP芯片中。2003年1月29日，XSS－10由德爾它2火箭發(fā)射成功，該衛(wèi)星完成了與目標(biāo)的交會(huì)、繞飛及拍照等任務(wù)，并將圖像傳回了地面接收站。2005年4月11日，美國在范登堡空軍基地由人牛怪（Minotaur）火箭發(fā)射了更先進(jìn)、更復(fù)雜的XSS－11衛(wèi)星。XSS－11衛(wèi)星為盒形，其傳感設(shè)備增加了激光雷達(dá)和GPS接收機(jī)等［8］。XSS－11可在軌運(yùn)行一年，并對多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行接近操作，且它在交會(huì)控制性、機(jī)動(dòng)性和復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行能力等測試中達(dá)到了AFRL的設(shè)計(jì)要求［5］。XSS－11在飛行過程中，美國地面控制中心主動(dòng)參與任務(wù)初期的交會(huì)，地面上的工程師依靠計(jì)算結(jié)果進(jìn)行航向修正［8］。由此可見，XSS計(jì)劃不屬于本文所述的不依靠地面站和航天員操作的自主交會(huì)對接過程。

1999年，美國國防高級研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）提出了“軌道快車”（Orbital Express，OE）計(jì)劃。該計(jì)劃主要研究在軌服務(wù)、補(bǔ)給和維修技術(shù)，從而延長衛(wèi)星壽命。該計(jì)劃包括能夠?yàn)樾l(wèi)星提供服務(wù)的軌道器ASTRO和可升級或可維修的目標(biāo)星NEXTSat。NEXTSat和ASTRO衛(wèi)星于2007年3月8日一起發(fā)射升空，相比與XSS計(jì)劃，OE試驗(yàn)系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)對空間非合作目標(biāo)的完全自主交會(huì)對接能力。OE中的敏感器主要有：兩個(gè)光學(xué)敏感器（窄視場光學(xué)敏感器的測量范圍從200km到60m，寬視場光學(xué)敏感器的測量范圍從35km到60m），一個(gè)紅外敏感器（測量范圍從3km到50m，可在任何時(shí)間測量航天器的相對位置），一個(gè)激光測距儀（測量范圍從3km到50m，測量相對位置和距離）和AVGS（測量范圍從300m到0m，可以測量相對距離、方位和姿態(tài)）［9］。文獻(xiàn)［10］中給出了OE的飛行軌線，如圖2所示。從結(jié)果看，其飛行過程中采用的控制方法是C－W脈沖控制方法。XSS和OE計(jì)劃的成功，標(biāo)志著美國交會(huì)對接技術(shù)獲得了巨大成功。

就上述項(xiàng)目可知，美國交會(huì)對接技術(shù)中采用了多種傳感器，其控制方式大多為手動(dòng)控制方式。

20世紀(jì)60～90年代，是前蘇聯(lián)／俄羅斯航天活動(dòng)的密集期，前蘇聯(lián)／俄羅斯多次發(fā)射了“聯(lián)盟”系列載人飛船和“進(jìn)步”系列傳運(yùn)飛船，前蘇聯(lián)／俄羅斯的對接對象有很多種類型，包括無人飛船與無人飛船的對接，載人飛船、無人飛船與空間站的對接以及空間站與航天飛機(jī)的對接等。1968年10月，“聯(lián)盟”2號(hào)與“聯(lián)盟”3號(hào)進(jìn)行自動(dòng)交會(huì)對接。1971年4月19日，前蘇聯(lián)／俄羅斯成功發(fā)射第1座空間站——禮炮1號(hào)。1971年6月，聯(lián)盟－11號(hào)飛船與禮炮－1號(hào)空間站實(shí)現(xiàn)的交會(huì)對接。1975年，美國的阿波羅飛船與前蘇聯(lián)／俄羅斯的聯(lián)盟－19飛船成功實(shí)現(xiàn)交會(huì)對接。1983年6月，聯(lián)盟T－9飛船發(fā)射，與禮炮7號(hào)空間站、宇宙－1443號(hào)衛(wèi)星對接，構(gòu)成一個(gè)龐大的航天復(fù)合體。1986年2月，擁有6個(gè)對接口的和平號(hào)空間站發(fā)射成功，可構(gòu)成大型組合式航天基地。和平號(hào)在軌運(yùn)行的15年，多個(gè)艙段與該空間站核心艙對接成功。前蘇聯(lián)／俄羅斯的交會(huì)對接大多以自動(dòng)控制為主，而且，為了提高俄羅斯的地球軌道運(yùn)輸能力，俄羅斯正在研制新型飛行器。

圖2　OE軌線

日本從20世紀(jì)70年代初開始進(jìn)行交會(huì)對接技術(shù)研究，其中包括參加國際空間站（由美國的“自由號(hào)”空間站演變而來）的活動(dòng)——研制日本實(shí)驗(yàn)艙（JEM），研制可重復(fù)使用的希望號(hào)（HOPE）不載人航天飛機(jī)和建造先進(jìn)空間平臺(tái)等。日本在1998年7月和8月先后兩次成功地進(jìn)行了“工程試驗(yàn)衛(wèi)星（ETS－Ⅶ）”無人自主交會(huì)對接試驗(yàn)［11－13］，成為世界上第三個(gè)實(shí)現(xiàn)空間交會(huì)對接的國家。

ETS衛(wèi)星飛行試驗(yàn)的目的是為將來希望號(hào)航天飛機(jī)與國際空間站的日本實(shí)驗(yàn)艙、與不載人空間平臺(tái)進(jìn)行交會(huì)對接積累經(jīng)驗(yàn)。ETS－Ⅶ衛(wèi)星包含兩顆子衛(wèi)星，分別為追蹤星和目標(biāo)星，兩顆衛(wèi)星聯(lián)結(jié)在一起由H－Ⅱ火箭發(fā)射上升到550km的圓形軌道，兩顆衛(wèi)星在地面測控站的指令下分離至不同距離，在星載計(jì)算機(jī)和測量設(shè)備協(xié)同工作下，進(jìn)行多次交會(huì)對接［11，13］。按照采用的導(dǎo)航敏感器和GNC功能的不同，ETS－Ⅶ的RVD系統(tǒng)分3個(gè)階段工作：首先是使用GPS相對導(dǎo)航、C－W制導(dǎo)和地球指向控制的相對接近階段（10km到500m）；其次是使用激光交會(huì)雷達(dá)（Rendezvous laser Radar，RVR）導(dǎo)航，參考軌跡制導(dǎo)和視線控制的最終接近階段；最后是采用PXS（Proximity Sensor，PXS）導(dǎo)航和六自由度相對運(yùn)動(dòng)控制的對接接近階段［14，15］。文獻(xiàn)［15］給出了ETS－Ⅶ的交會(huì)對接軌線，如圖3所示，從圖中可知，其控制方法為C－W脈沖控制方法。另外，日本還在進(jìn)行H－2火箭運(yùn)載器（H－2 Transfer Vehicle，HTV）項(xiàng)目為ISS提供貨運(yùn)服務(wù)。日本的交會(huì)對接技術(shù)中，注重傳感器的組合使用，控制方式以自動(dòng)控制為主。

圖3　ETS－VIIRVD過程

歐空局作為國際空間站的成員，在20世紀(jì)80年代開始了航天器的交會(huì)對接研究和地面試驗(yàn)，并著重于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交會(huì)對接，如哥倫布空間站、使神號(hào)（Hermes）小型航天飛機(jī)［16］、自動(dòng)運(yùn)載器（Automated Transfer Vehicle，ATV）等項(xiàng)目。歐空局的交會(huì)為對接項(xiàng)目大多采用自動(dòng)控制模式。

1999年11月，神舟一號(hào)發(fā)射成功，標(biāo)志我國成為世界上第三個(gè)擁有載人航天技術(shù)的國家。2003年10月15日，神舟五號(hào)飛船的發(fā)射成功標(biāo)志著我國載人航天規(guī)劃任務(wù)的第一步已經(jīng)完成。2008年9月25日，神舟七號(hào)飛船發(fā)射升空并實(shí)現(xiàn)了航天員出艙活動(dòng)。2011年11月1日，神舟八號(hào)飛船發(fā)射升空，并與天宮一號(hào)進(jìn)行了空間交會(huì)對接實(shí)驗(yàn)。2012年6月16日，神舟九號(hào)與天宮一號(hào)進(jìn)行人控交會(huì)對接，航天員進(jìn)入天宮一號(hào)工作和生活。2013年6月11日，神舟十號(hào)順利發(fā)射，對載人交會(huì)接技術(shù)進(jìn)行鞏固與提高。2016年，我國發(fā)射天宮2號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室和神舟十一號(hào)飛船。由上可知，我國已成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)交會(huì)對接。［17］

通過上述分析可知，美國、前蘇聯(lián)／俄羅斯、日本、歐洲都在進(jìn)行交會(huì)對接項(xiàng)目的演示和驗(yàn)證。但是，從地面站參與軌道修正、交會(huì)對接程序固化在機(jī)載計(jì)算機(jī)中、制導(dǎo)和控制算法采用C－W脈沖制導(dǎo)算法等方面可看出，上述交會(huì)對接項(xiàng)目的自主性還有待提高。我國已實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)交會(huì)對接，預(yù)計(jì)2022年建成空間站。伴隨航天項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，我國對交會(huì)對接技術(shù)，尤其是對能夠脫離地面站遙控操作和航天員輔助操作的自主交會(huì)對接技術(shù)的需求十分迫切。