在交會對接系統(tǒng)中，制導(dǎo)和控制方法很多?；袈℉ohmann）變軌、蘭勃特（Lambert）變軌等方法適于遠(yuǎn)程交會軌道轉(zhuǎn)移階段的控制，不適于近程交會對接階段。在近程交會對接階段，C－W脈沖制導(dǎo)方法應(yīng)用最為廣泛。

1.C－W脈沖制導(dǎo)

C－W脈沖制導(dǎo)方法是根據(jù)C－W方程的解析解，計算軌道機(jī)動所需速度脈沖的方法［50］，它一般分為雙脈沖和多脈沖形式。由于多脈沖控制形式是雙脈沖控制形式的推廣，這里重點(diǎn)介紹雙脈沖控制方法的工作原理。

典型雙脈沖的工作原理是：若航天器初始位置、速度和目標(biāo)位置已知，首先計算航天器從初始位置到達(dá)目標(biāo)位置的所需速度。利用所需速度與初始速度之差，計算第一次脈沖。然后，根據(jù)初始位置、所需速度可計算出航天器到達(dá)目標(biāo)位置的速度，利用目標(biāo)位置的所需速度與到達(dá)目標(biāo)位置的速度相減，得到第二次速度脈沖。該算法中脈沖施加的時間和位置都是固定的。事實上，可以通過調(diào)整脈沖的作用位置減少系統(tǒng)能耗。

當(dāng)航天器之間的距離比較遠(yuǎn)時，采用雙脈沖控制方法進(jìn)行交會需要極大的速度脈沖，甚至?xí)^系統(tǒng)允許速度。這種情況下，通過將狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程分段，每段內(nèi)采用雙脈沖工作原理，即以多脈沖控制方式完成位置轉(zhuǎn)移。文獻(xiàn)［51～52］采用滑移制導(dǎo)律，將多脈沖控制方法應(yīng)用于自主交會對接的接近段、繞飛段、撤離段，取得了不錯的控制效果。多脈沖控制方法相比于雙脈沖控制方法節(jié)省了燃料，卻增加了控制的復(fù)雜性。

C－W脈沖控制方法通過施加脈沖改變系統(tǒng)速度，從而實現(xiàn)軌道機(jī)動。但存在如下問題：該方法能夠控制飛行器從初態(tài)轉(zhuǎn)移到終態(tài)，但對狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程不能控制，造成圓弧形的飛行軌線；速度脈沖施加的時間和地點(diǎn)需要精確設(shè)定，否則容易出現(xiàn)誤差，不利于控制精度的保障；該方法依賴于系統(tǒng)模型，不能充分發(fā)揮控制的主導(dǎo)作用。當(dāng)考慮空間干擾因素的影響時，該方法的魯棒性能比較差。

2.平行交會制導(dǎo)

由比例制導(dǎo)發(fā)展而來的平行交會制導(dǎo)方法，在交會對接中應(yīng)用很廣。平行交會制導(dǎo)又稱為“視線不轉(zhuǎn)動”制導(dǎo)，是指兩個航天器在交會過程中，視線的轉(zhuǎn)動角速度在某一確定的坐標(biāo)系中值為0，也就是說視線在交會過程中不轉(zhuǎn)動［1］。

平行制導(dǎo)有兩種方式：一種是視線轉(zhuǎn)動角速度在慣性坐標(biāo)系中保持不變。另一種是視線轉(zhuǎn)動角速度在T的軌道坐標(biāo)系中保持不變。前者適用于T姿態(tài)對地定向的情況，后者適用于T對慣性空間姿態(tài)穩(wěn)定的情況［53］。

從文獻(xiàn)［53］看，平行交會大多應(yīng)用于平面交會對接控制［1，53］，在非共面的交會對接中尚未得到應(yīng)用。

3.距離速率控制算法

距離速率控制算法采用線性控制方式，研究視線動力學(xué)方程的相角穩(wěn)定特性。當(dāng)視線切向方向采用ρ·=kωρ（ρ為相對距離）制導(dǎo)律時（僅采用切向推力），航天器的相角運(yùn)動并不穩(wěn)定。對上述制導(dǎo)律進(jìn)行修正，加入相角對距離的影響，可以使相角運(yùn)動在部分區(qū)域穩(wěn)定，這就是距離速率控制算法RRCA（Range－Rate control algorithm）［57－59］。RRCA算法只需對系統(tǒng)進(jìn)行切向控制便能使相角運(yùn)動穩(wěn)定于軌道平面某一區(qū)域中。

為了得到全域全方位的直線交會模式，除了啟動切向推力外，還需要啟動橫向推力。設(shè)置合適的橫向推力可以得到全方位的距離速率控制算法ODRRCA（Omni－Directional Range－Rate Control Algonthm，CDRRCA）［57－59］。ODRRCA算法能夠使航天器的相角運(yùn)動在任意方位穩(wěn)定，且飛船距離和速率逐漸減為0，以便實現(xiàn)非碰撞，非損傷的軟交會。

上述控制算法可以應(yīng)用于交會對接的近程逼近段，文獻(xiàn)［59］提出一種組合模式，即逼近段采用RRCA算法減少視線距離，在繞飛段采用ODRRCA算法，充分發(fā)揮RRCA和ODRRCA算法的優(yōu)勢。

距離速率控制法和平行交會方法都實現(xiàn)了航天器近距離的直線交會，其測量手段和推力配置要求也基本相同。但是，全方位的距離速率控制算法可在任意初始條件下實現(xiàn)交會，并且經(jīng)仿真驗證，該方法比平行接近法節(jié)省燃料。但是，在距離速率控制算法中，相角穩(wěn)定特性依賴于系統(tǒng)的動力學(xué)特性分析，故要求精確的數(shù)學(xué)模型。

4.模糊控制

C－W脈沖制導(dǎo)方法和距離速率控制算法都要求精確的交會對接動力學(xué)模型。但是，由于交會對接系統(tǒng)越來越復(fù)雜，難以建立精確的動力學(xué)模型，故上述方法的魯棒性較差。模糊控制方法能夠不依賴于系統(tǒng)的動力學(xué)模型進(jìn)行控制設(shè)計，因而在交會對接領(lǐng)域有所應(yīng)用。

模糊控制規(guī)則的最大好處是能夠模仿航天員的手動操作，將人控操作經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為模糊控制規(guī)則。文獻(xiàn)［60］采用模糊控制實現(xiàn)了交會對接的繞飛和逼近控制，模糊規(guī)則設(shè)計的結(jié)果是逼近段前半部分使用大推力發(fā)動機(jī)，后半段采用小推力發(fā)動機(jī)。文獻(xiàn)［61］采用Takagi－Sugeno－Kang（TSK）模糊系統(tǒng)設(shè)計了終端接近控制器，實現(xiàn)了非合作目標(biāo)的交會對接。

模糊控制中，模糊隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則的設(shè)計很重要，一般要求對這兩項內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化處理。文獻(xiàn)［62～63］采用遺傳算法對模糊隸屬度函數(shù)優(yōu)化處理。由于需要優(yōu)化的參數(shù)很多，遺傳算法很難收斂。而且，優(yōu)化算法中初始值是一定的，該優(yōu)化結(jié)果會隨著初始條件的改變而改變。文獻(xiàn)［64］針對模糊控制參數(shù)適應(yīng)性不強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計了一種動態(tài)聚焦模糊學(xué)習(xí)控制DFL（Dynamically Focused Learning，DFL）方法，通過自動調(diào)整輸入和輸出的比例系數(shù)，使模糊規(guī)則對初始條件有很好的適應(yīng)性。由于參數(shù)調(diào)整需要時間周期，該方法容易導(dǎo)致系統(tǒng)控制出現(xiàn)延遲。

綜上所述，模糊控制方法在交會對接中具有一定應(yīng)用優(yōu)勢。但是，為了獲得良好的控制效果，模糊隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則的優(yōu)化處理增加了控制系統(tǒng)設(shè)計的難度。

5.反饋控制

C－W方程是線性化的動力學(xué)方程，反饋控制法也可以應(yīng)用于交會對接過程。

文獻(xiàn)［1］通過在PD控制中引入C－W方程的藕合項，實現(xiàn)交會對接軌道控制系統(tǒng)解藕。文獻(xiàn)［65］基于C－W方程，采用Lyapunov方法直接設(shè)計了交會對接的近程導(dǎo)引律，該控制律簡單有效，無需求解系統(tǒng)方程便可分析和判斷近程導(dǎo)引的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［66］基于平面C－W方程，設(shè)計了一種用于平面交會對接的反饋線性化控制方法，系統(tǒng)能使追蹤器沿任意方位接近目標(biāo)器。

上述反饋線性化方法的控制律都是連續(xù)的，在以開關(guān)方式工作的航天器發(fā)動機(jī)上不容易實現(xiàn)。

6.自適應(yīng)控制

在交會對接系統(tǒng)中，在系統(tǒng)參數(shù)不易確定的情況下，采用自適應(yīng)控制方法進(jìn)行系統(tǒng)控制比較有效。

文獻(xiàn)［67］以時變系統(tǒng)為被控對象，以差分方式對系統(tǒng)進(jìn)行了離散化，進(jìn)而采用全系數(shù)自適應(yīng)控制理論對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。該方法相比于PID控制方法，在動態(tài)特性和燃料消耗方面具有優(yōu)勢。文獻(xiàn)［68］采用Lyapunov方法設(shè)計了橢圓軌道下自主交會的參數(shù)估計規(guī)則和自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制律，能有效地實現(xiàn)橢圓軌道下的交會任務(wù)。文獻(xiàn)［69］以導(dǎo)彈攔截為研究內(nèi)容，采用自適應(yīng)控制和滑?？刂葡嘟Y(jié)合的辦法實現(xiàn)了零化視線角速度的控制。文獻(xiàn)［70］研究了自適應(yīng)控制和模糊控制相結(jié)合的控制方法，有效的解決了ISS國際空間站（International Space Station，ISS）對接口上下抖動問題。文獻(xiàn)［71］提出了一種魯棒自適應(yīng)控制方法，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在線辨識系統(tǒng)未知部分，以反饋線性化方法設(shè)計自適應(yīng)控制器提高了系統(tǒng)的魯棒特性，文獻(xiàn)［72］在參數(shù)不確定條件下，提出了一種自適應(yīng)輸出反饋控制方法，以滑?？刂品椒ㄔ鰪?qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，從而實現(xiàn)魯棒自適應(yīng)控制。

7.滑?？刂?/p>

由于滑模控制方法的開關(guān)控制律適于在交會對接系統(tǒng)中實現(xiàn)，而且滑?？刂品椒▽ο到y(tǒng)控制具有魯棒特性，故其在交會對接系統(tǒng)中應(yīng)用較多。本書將在1.3.2節(jié)對滑模控制方法在交會對接中的應(yīng)用做詳細(xì)介紹。

應(yīng)用于交會對接軌道控制的方法還有很多，比如文獻(xiàn)［73］提出了一種預(yù)測制導(dǎo)算法，僅使用視線數(shù)據(jù)控制機(jī)動航天器到達(dá)預(yù)定飛行軌跡。文獻(xiàn)［74～75］采用多變量頻域理論，以多變量逆奈氏陣列方法，設(shè)計預(yù)補(bǔ)償器，使系統(tǒng)的傳遞函數(shù)具有對角優(yōu)勢，進(jìn)而采用PD控制方法實現(xiàn)交會對接的控制目標(biāo)。文獻(xiàn)［76］提出了一種自適應(yīng)反推神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法控制交會對接中軌道與姿態(tài)控制問題，這里不再一一列舉。