'北京控制工程研究所胡海霞：建造中國的空間站，交會對接很關鍵'

編 | 搜狐科技 宋婉心

“智研所”直播系列第6期——航天進入智能控制新紀元

主辦：中國科普研究所科學媒介中心

協辦：搜狐科技“智研所”、北京控制工程研究所

要點提煉：

“載人航天、深恐深空探測、在軌服務是關鍵技術，交會對接尤其是載人航天活動的三大基本技術之一。”

“關鍵技術的突破使我國成為了世界上第三個獨立掌握交會對接和快速交會對接的國家。”

“中國的載人航天工程分為三步走，目前順利完成了第一步，第二步，突破了交會對接，航天員出艙的一系列技術，接下來就是面對空間站建設的階段，在2020年前後我們要開始建設我們國家自己的載人空間站。

近幾年，中國通過“天宮”實驗室和“神舟”號載人飛船、“天舟”號貨運飛船相繼驗證了航天器在軌自動、手動和快速自主交會對接技術；通過“嫦娥三號”和“嫦娥四號”驗證了地外天體軟著陸技術和月面自主巡視技術；通過“北斗”導航系統的建設，驗證了我們的高精度姿態與軌道控制技術和衛星的自主導航技術。

2019年中國更是實現了人類首次月球背面的軟著陸和巡視探測。系列技術突破的背後無不顯示著空間控制技術正在朝著越來越智能的方向發展。

在人工智能進入高速發展的新時期，作為一個典型領域，空間智能控制技術也開始滲透進航天技術，成為有力支撐。

本期智研所直播邀請到北京控制工程研究所專家胡海霞帶來主題演講《航天器的太空握手》。

以下是胡海霞演講精編：

今天我給大家分享的是空間交會對接控制技術，分享的內容主要包括這五個部分，首先我們從兩段電影片斷看起。

不知道大家有沒有看過這兩個科幻大片，一部叫《火線火星救援》，一部叫《星際穿越》，遇到危機的時刻都有航天員操控著一個航天器實現與另外一個航天器緊急情況下的對接，大家看電影的時候不知道有沒有想過高難度的動作在我們現實版的航天工作中是不是真實的存在呢？今天我告訴大家，其實在航天領域這個技術叫做交會對接控制技術，今天來該給大家做一些分享。

交會對接通俗來講就是兩個航天器在太空中飛行，前面一個航天器在跑，後面一個航天器在追，追快了會撞到，像電影裡，要以非常精準的速度對接，追慢了就追不上，這就是一個科學的問題。這是當今世界航天領域十分複雜和難度相當大的技術，載人航天、深空探測、在軌服務是關鍵技術，交會對接尤其是載人航天活動的三大基本技術之一，另外兩個技術，分別是航天員的出艙行走和生活，是三大基本技術之一。

從專業的術語定義上來講，空間交會對接是指兩個航天器在結構上構成一個整體的技術，是實現空間站、航天飛機、太空平臺和空間運輸系統的回收、維護等在軌服務的先決條件。

2014年，中國科協科學發表過兩篇文章，分別介紹了神舟飛船人工控制系統和自動控制系統的相關設計，感興趣的朋友可以具體翻閱。從大的控制方法上來講，可以分為兩大類，一個是自動控制，一個是人工控制，自動控制因為控制方法的不同，又分為兩個層次，一個是簡單的自動控制，另外一個比較高級一點的控制就是自主控制，就是我們現在大家比較追逐的目標，不依賴航天員和空間站，。

前蘇聯和俄羅斯多采用自動方式的對接，和自控方式對應的就是人工控制，人工控制又分為兩種，一個是簡單操作，地面通過遙控，這是比較少，另外一個比較多的就是航天員在軌道上通過攝像機對目標航天器進行觀察和判斷，直接進行控制，這種叫人工控制，我們國家交會對接系統同時具備這兩種系統，咱們都是具備的。

簡單介紹一下交會對接的階段劃分，交會對接經典一般分為這四個階段，遠距離導引段一般是通過地面站，通過遙測遙控實現把追蹤器導引到目標飛行器後面50公里的位置，以後隨著控制技術的發展逐步挪到天上自主控制。後三個階段都是自主實施的，也就是都是自主控制的，其中靠攏段也可以航天員參與進行人工控制，這一段之外的航天員發佈的命令是自動進行一個監視，其實並不能直接通過手柄來操作。

接下來給大家介紹一個概念，我們俗稱控制系統，專業術語是制導導航和控制系統，就是GNC，堪稱航天器的大腦中樞，比如說導航，大家用GPS導航用的比較多，導航裡要確定航天器自身的位置、速度和姿態等信息，對於交會對接還要確定當前追蹤器相對目標器的位置和姿態，制導就是根據目標的位置和速度，還有我自身的位置和速度，以及我自身的能力，我要算達到目標是一個什麼樣的狀態，這是制導導航和控制大概的概念。

空間交會對接控制技術的難點有這麼典型幾大個，首先是複雜度比較高，我們一般的航天器的控制只涉及到一個航天器的位置，交會對接涉及到多個航天器，所以複雜度比較高。另外就是自主性要求強，我們現在已經實現了交會對接在天上基本上50公里到衛星這一段距離全部由天上自主來完成，所以自主性比較強。後續再發展，從路入軌直接一直到對接自主來完成，。另外控制要求比較精準，航天器的對接機構能夠容忍的偏差非常高，所以對我們提出很高要求，另外就是安全性要求比較高，交會對接要實現正常的對接，一定要避免碰撞，尤其是載人航天要確保航天員的安全，所以安全要求也是比較高的。

我們國家的交會對接控制技術的研究，其實可以追溯到上個世紀80年代，還是比較早的，在楊嘉墀先生等老一代航天人的指導和帶領下，在上世紀80年代就開始了相應預先的研究，一直到2002年轉入了關鍵技術攻關和工程研製，差不多十年磨一劍，2011年我國神舟8八號和天宮1一號實現了自動對接，2012年又實現了神舟九號和天宮一號首次人控對接，2017年天宮二號和天舟一號在軌實現了快速交會對接的驗證，這就是交會對接技術目前發展的脈絡，這些關鍵技術的突破也使我國成為了世界上第三個獨立掌握交會對接和快速交會對接的國家。

自主交會對接和人工交會對接GNC相關技術的突破，我們在軌多次對接精度國際領先，實現了我國航天控制技術重大跨越，成功的背後我們取得了一系列控制相關的專利，其實我們形成了一系列的控制技術的專利群。

以典型的核心專利為例，給大家介紹一下我們有一個專利叫基於特徵模型的相平面自適應控制方法，這個專利在去年也獲得我們國家的專利銀獎，在我們神舟，、天舟在軌飛行中得到了成功應用，意味著我們將黃金分割控制的設計思想解決了姿態控制問題，也豐富了自適應控制理論方法。

接下來講一講空間交會對接在空間站工程中的應用，大家都知道中國的載人航天工程分為三步走，目前順利完成了第一步，第二步，突破了交會對接，航天員出艙的一系列技術，接下來就是面對空間站建設的階段，在2020年前後我們要開始建設我們國家自己的載人空間站。

我們空間站的總體佈局大概是這個樣子，主要有三個艙位組成，一個核心艙，作用主要用於統一控制和管理空間站的組合體，也是提供給航天員生活和工作的場所。這兩個艙分別是實驗艙1和實驗艙2，用於支持空間實驗、空間應用，右下角這個圖大家可以看一看，在核心艙的結點艙上，其實四個方向都有對接口，這個對接口怎麼用的？就是為了未來不同的航天器對接用的，對接成功之後就可以進去，前面有神舟，後面有天舟，左側右側分別是兩個實驗艙，名字都非常好聽，中間我們的核心艙是叫天合，未來幾年我們的空間站建成之後大體上就是這麼一個構想在太空中運行。

空間站工程中交會對接將發揮非常重要的作用，接下來說一說交會對接在探月工程中的應用，美國的阿波羅8號和17號曾在月球上回望地球拍的照片，神祕的月球吸引國人去探索，我們的探月工程是2003年正式歷程立項，我們也是分為三個階段，目前已經成功實現了繞飛和落，今年年初的時候大家都知道我們的嫦娥四號非常成功地著陸在月球背面，是人類首次。現在我們要面臨的第三步就是回，光榮的任務就落到我們的嫦娥五號身上，要進行返回。

嫦娥五號基本上是四個器，這四個器一起達到預定軌道之後，上面這兩個器一起著陸到月面進行取樣之後，這個器留在月球上，這個器自己起飛上升和等待軌道進行對接，對接前和對接後的示意圖在這裡，對接後回到地球，是這麼一個複雜的過程。

月球返回的過程中，大家可以看到交會對接也是發揮著非常重要的作用，沒有交會對接的成功就不會有我們取樣返回的成功，所以我們也是感到交會對接還是有一定的難度，與地球交會對接測量相對比較單一，月球的要求比較高，讓我們拭目以待。

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編 | 搜狐科技 宋婉心

“智研所”直播系列第6期——航天進入智能控制新紀元

主辦：中國科普研究所科學媒介中心

協辦：搜狐科技“智研所”、北京控制工程研究所

要點提煉：

“載人航天、深恐深空探測、在軌服務是關鍵技術，交會對接尤其是載人航天活動的三大基本技術之一。”

“關鍵技術的突破使我國成為了世界上第三個獨立掌握交會對接和快速交會對接的國家。”

“中國的載人航天工程分為三步走，目前順利完成了第一步，第二步，突破了交會對接，航天員出艙的一系列技術，接下來就是面對空間站建設的階段，在2020年前後我們要開始建設我們國家自己的載人空間站。

近幾年，中國通過“天宮”實驗室和“神舟”號載人飛船、“天舟”號貨運飛船相繼驗證了航天器在軌自動、手動和快速自主交會對接技術；通過“嫦娥三號”和“嫦娥四號”驗證了地外天體軟著陸技術和月面自主巡視技術；通過“北斗”導航系統的建設，驗證了我們的高精度姿態與軌道控制技術和衛星的自主導航技術。

2019年中國更是實現了人類首次月球背面的軟著陸和巡視探測。系列技術突破的背後無不顯示著空間控制技術正在朝著越來越智能的方向發展。

在人工智能進入高速發展的新時期，作為一個典型領域，空間智能控制技術也開始滲透進航天技術，成為有力支撐。

本期智研所直播邀請到北京控制工程研究所專家胡海霞帶來主題演講《航天器的太空握手》。

以下是胡海霞演講精編：

今天我給大家分享的是空間交會對接控制技術，分享的內容主要包括這五個部分，首先我們從兩段電影片斷看起。

不知道大家有沒有看過這兩個科幻大片，一部叫《火線火星救援》，一部叫《星際穿越》，遇到危機的時刻都有航天員操控著一個航天器實現與另外一個航天器緊急情況下的對接，大家看電影的時候不知道有沒有想過高難度的動作在我們現實版的航天工作中是不是真實的存在呢？今天我告訴大家，其實在航天領域這個技術叫做交會對接控制技術，今天來該給大家做一些分享。

交會對接通俗來講就是兩個航天器在太空中飛行，前面一個航天器在跑，後面一個航天器在追，追快了會撞到，像電影裡，要以非常精準的速度對接，追慢了就追不上，這就是一個科學的問題。這是當今世界航天領域十分複雜和難度相當大的技術，載人航天、深空探測、在軌服務是關鍵技術，交會對接尤其是載人航天活動的三大基本技術之一，另外兩個技術，分別是航天員的出艙行走和生活，是三大基本技術之一。

從專業的術語定義上來講，空間交會對接是指兩個航天器在結構上構成一個整體的技術，是實現空間站、航天飛機、太空平臺和空間運輸系統的回收、維護等在軌服務的先決條件。

2014年，中國科協科學發表過兩篇文章，分別介紹了神舟飛船人工控制系統和自動控制系統的相關設計，感興趣的朋友可以具體翻閱。從大的控制方法上來講，可以分為兩大類，一個是自動控制，一個是人工控制，自動控制因為控制方法的不同，又分為兩個層次，一個是簡單的自動控制，另外一個比較高級一點的控制就是自主控制，就是我們現在大家比較追逐的目標，不依賴航天員和空間站，。

前蘇聯和俄羅斯多采用自動方式的對接，和自控方式對應的就是人工控制，人工控制又分為兩種，一個是簡單操作，地面通過遙控，這是比較少，另外一個比較多的就是航天員在軌道上通過攝像機對目標航天器進行觀察和判斷，直接進行控制，這種叫人工控制，我們國家交會對接系統同時具備這兩種系統，咱們都是具備的。

簡單介紹一下交會對接的階段劃分，交會對接經典一般分為這四個階段，遠距離導引段一般是通過地面站，通過遙測遙控實現把追蹤器導引到目標飛行器後面50公里的位置，以後隨著控制技術的發展逐步挪到天上自主控制。後三個階段都是自主實施的，也就是都是自主控制的，其中靠攏段也可以航天員參與進行人工控制，這一段之外的航天員發佈的命令是自動進行一個監視，其實並不能直接通過手柄來操作。

接下來給大家介紹一個概念，我們俗稱控制系統，專業術語是制導導航和控制系統，就是GNC，堪稱航天器的大腦中樞，比如說導航，大家用GPS導航用的比較多，導航裡要確定航天器自身的位置、速度和姿態等信息，對於交會對接還要確定當前追蹤器相對目標器的位置和姿態，制導就是根據目標的位置和速度，還有我自身的位置和速度，以及我自身的能力，我要算達到目標是一個什麼樣的狀態，這是制導導航和控制大概的概念。

空間交會對接控制技術的難點有這麼典型幾大個，首先是複雜度比較高，我們一般的航天器的控制只涉及到一個航天器的位置，交會對接涉及到多個航天器，所以複雜度比較高。另外就是自主性要求強，我們現在已經實現了交會對接在天上基本上50公里到衛星這一段距離全部由天上自主來完成，所以自主性比較強。後續再發展，從路入軌直接一直到對接自主來完成，。另外控制要求比較精準，航天器的對接機構能夠容忍的偏差非常高，所以對我們提出很高要求，另外就是安全性要求比較高，交會對接要實現正常的對接，一定要避免碰撞，尤其是載人航天要確保航天員的安全，所以安全要求也是比較高的。

我們國家的交會對接控制技術的研究，其實可以追溯到上個世紀80年代，還是比較早的，在楊嘉墀先生等老一代航天人的指導和帶領下，在上世紀80年代就開始了相應預先的研究，一直到2002年轉入了關鍵技術攻關和工程研製，差不多十年磨一劍，2011年我國神舟8八號和天宮1一號實現了自動對接，2012年又實現了神舟九號和天宮一號首次人控對接，2017年天宮二號和天舟一號在軌實現了快速交會對接的驗證，這就是交會對接技術目前發展的脈絡，這些關鍵技術的突破也使我國成為了世界上第三個獨立掌握交會對接和快速交會對接的國家。

自主交會對接和人工交會對接GNC相關技術的突破，我們在軌多次對接精度國際領先，實現了我國航天控制技術重大跨越，成功的背後我們取得了一系列控制相關的專利，其實我們形成了一系列的控制技術的專利群。

以典型的核心專利為例，給大家介紹一下我們有一個專利叫基於特徵模型的相平面自適應控制方法，這個專利在去年也獲得我們國家的專利銀獎，在我們神舟，、天舟在軌飛行中得到了成功應用，意味著我們將黃金分割控制的設計思想解決了姿態控制問題，也豐富了自適應控制理論方法。

接下來講一講空間交會對接在空間站工程中的應用，大家都知道中國的載人航天工程分為三步走，目前順利完成了第一步，第二步，突破了交會對接，航天員出艙的一系列技術，接下來就是面對空間站建設的階段，在2020年前後我們要開始建設我們國家自己的載人空間站。

我們空間站的總體佈局大概是這個樣子，主要有三個艙位組成，一個核心艙，作用主要用於統一控制和管理空間站的組合體，也是提供給航天員生活和工作的場所。這兩個艙分別是實驗艙1和實驗艙2，用於支持空間實驗、空間應用，右下角這個圖大家可以看一看，在核心艙的結點艙上，其實四個方向都有對接口，這個對接口怎麼用的？就是為了未來不同的航天器對接用的，對接成功之後就可以進去，前面有神舟，後面有天舟，左側右側分別是兩個實驗艙，名字都非常好聽，中間我們的核心艙是叫天合，未來幾年我們的空間站建成之後大體上就是這麼一個構想在太空中運行。

空間站工程中交會對接將發揮非常重要的作用，接下來說一說交會對接在探月工程中的應用，美國的阿波羅8號和17號曾在月球上回望地球拍的照片，神祕的月球吸引國人去探索，我們的探月工程是2003年正式歷程立項，我們也是分為三個階段，目前已經成功實現了繞飛和落，今年年初的時候大家都知道我們的嫦娥四號非常成功地著陸在月球背面，是人類首次。現在我們要面臨的第三步就是回，光榮的任務就落到我們的嫦娥五號身上，要進行返回。

嫦娥五號基本上是四個器，這四個器一起達到預定軌道之後，上面這兩個器一起著陸到月面進行取樣之後，這個器留在月球上，這個器自己起飛上升和等待軌道進行對接，對接前和對接後的示意圖在這裡，對接後回到地球，是這麼一個複雜的過程。

月球返回的過程中，大家可以看到交會對接也是發揮著非常重要的作用，沒有交會對接的成功就不會有我們取樣返回的成功，所以我們也是感到交會對接還是有一定的難度，與地球交會對接測量相對比較單一，月球的要求比較高，讓我們拭目以待。

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