空间对接机构自动对接控制方案
载人航天２０１１年第４期
空间对接机构自动对接控制方案
朱朝晖励吉鸿
（上海宇航系统工程研究所）
摘要介绍对接机构自动对接控制的系统方案、可靠性设计，并总结了控制方案特点。自动对接控制技术作为航天器交会对接的关键技术，在我国载人航天交会对接任务实现中具有重要意义，可供对接机构的对接控制应用参考。
关键词交会对接对接机构自动对接
分类号Ｖ５２６文献标识码Ａ文章编号１６７４—５８２５（２０１１）０４—００２４—０４
１引言
从２０世纪６０年代开始，美国、前苏联，俄罗斯分别实现了“双子星”飞船与“阿金纳”目标飞行器的人控交会对接和两艘“联盟”号飞船之间的自动交会对接，到目前为止世界上已进行了２００多次航天器空间交会对接活动。空间交会对接是一个非常复杂的控制过程，其控制方式分为人工控制方式和自动控制方式。美国和前苏联／俄罗斯都发展了交会对接的人控和自控技术，美国航天飞机的交会对接的最后靠拢和对接段都是由航天员人控完成１１Ｉ。前苏联／俄罗斯则侧重于采用自动控制，比如载人“联盟号”飞船和无人的“进步号”货运飞船，都是以人工控制作为备份，人工控制仅仅在自动控制系
间轨道上按预定位置和时间进行相会，空间对接是在完成交会后两航天器在空间轨道上经过一系列对接动作，最后紧固连接成一个组合体航天器
的过程。
空间对接主要是由对接机构系统的主动对接机构和被动对接机构联合完成的，对接过程是由两个航天器系统与对接机构密切相关的多系统之间的协同配合共同完成。本文介绍我国对接机构自动对接控制的系统方案、可靠性设计及方案特点１２］。
２对接机构方案
根据载人飞船的任务和今后的发展特点，空间对接机构以采用导向板内翻的异体同构周边式构型为宜，国际空间站也采用此接口。该方案的特点是：通用化程度高，通道直径大，对接刚度强，适用于大型航天器，但机构相对较为复杂。
根据载人飞船对接机构分系统的任务和功能要求，对接机构工作过程分为以下阶段：对接准备阶段、对接阶段、组合体飞行阶段、分离阶段。对接机构工作过程见图ｌ所示：
对接段是指从对接机构接触到两航天器对接完成的飞行阶段，自动对接是在对接段对接机构完成的控制过程，正常对接由对接机构控制系统自动
统出现故障时使用，以完成交会与对接任判４－－６１。
我国的载人航天，已经完成了将航天员送入太空并安全返回的历史突破，现在正处于战略第二步的关键阶段，在这个时期我国将实现交会对接，并建立短期有人照料，长期自主运行的空间实验室。其中空间交会对接技术是第二步战略实现的重大关键技术。
空间交会对接技术分为空间交会和空间对接，空间交会是指追踪航天器与目标航天器在空
来稿日期：２０１ｌ＿０１—２６；惨回日期：２０１１－－０６－１３。
作者简介：朱朝晖（１９７１．１１－），男，硕士，高工。主要从事空间对接机构控制系统设计工作。项目来源：上海市科学委员会资助项目０６ｄＺ２２１０５２４
万方数据
工程技术载人航天２０１１年第４期
交会、，、ｋ．对接准备一，
—弋一‘
交会／对接准备段
多方面的设计内容，结合系统控制回路的可靠性设计，使控制系统能够实现可靠的对接控制。
３．１控制原理
ｉ
ｌ接触１Ｉ【捕获ｌ
ｌ
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ｌ
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空间对接控制采用的是自动控制为主，有人情况下即通过地面的有限支持，辅以航天员手控的自主对接系统，手控对接是作为备份的控制手段，控制
系统原理框图见图２所示。
ｌ
自动校正
对接段
通过以上设计指导原则，对接机构对接控制方案实现以下功能：
（１）自动对接：以自动控制模式为主，采用三模冗余方式实现，按照规定的时序自动完成对接与分离，配备必要的故障检测信号和应急处理指令；
（２）手动对接：除自动控制外，对接机构还具备接受航天员手控指令完成对接与分离控制的能力，手动控制电路作为备份，配备必要的遥测信号和完整的手控指令；
联合飞行段
Ｉ
１
强制校正
Ｉ
Ｉ拉Ｉ叫，密封
ｌ
ｆＩ、
气密性检查开舱门
（３）状态测量：设置完整的对接机构遥测信号在对接各阶段机构状态的实时监测；
（４）故障应对：地面测试及在轨运行期间，对接机构手动控制电路具有独立接收遥控指令、发送遥测参数并完成紧急故障处理的能力。
３．２三机冗余设计
１
分离准备
ｌ
对接锁解锁
分离段
．｛
：．自主飞行ｊ
围１对接机构工作过程
针对对接机构的任务特点控制方案自动控制部分选择了嵌入式三机热冗余表决机制控制系统，嵌入式控制系统的冗余设计是作为控制系统冗余设计的关键部分。
三机冗余方案主要由三路独立的计算机单元和表决仲裁输出单元组成，制定仲裁表决原则是要采用多数表决的方案最大程度地消除故障对电路系统的影响，保证在产品内部出现电路故障时仍能的完成自动对接任务。仲裁表决原则是：在三机硬件状态都正常时，对控制信号和发送的状态数据进
完成６
３控制方案设计
控制方案的设计主要包括了以下几方面的设计（见图２）：
控制原理设计、系统组成设计、信息流设计、控制流程设计、接口设计、驱动控制设计、软件设计等
・………－・
程控、遥控指令
Ｊ
自动拧制电路（三模冗余）
．。燃，卜
（传感器信号）ｌ
匿控、遥控、手控指令手控对接及故障处理）
＿
程控、遥控、手控指令
（自动控制关闭）
。
一ｔ机簏热等，
二
手动控制电路
图２控制系统框图
万方数据
圉５对接机构自动对接分离控制流程
万方数据
工程技术对接机构接收飞船不同飞行阶段不同控制指令，分别执行对接程序、分离程序、机构复位程序（故
障处理）。
在对接、分离程序中考虑对接机构工作过程中可能出现的故障情况预置了故障自动处理分支程序，并对工作阶段、故障类别进行标识下传以便地面进行故障处理。
４可靠性设计
加强系统的故障冗余能力设计，是提高交会对接可靠性的基础。鉴于航天器交会对接阶段易发生故障的可能性，全面考虑各个环节的可靠性和冗余设计，使控制系统具有充分的故障冗余
能力。
对接机构控制系统的可靠性设计是结合了机构装置部分的可靠性措施形成的控制系统的必需的、有效的可靠性措施，控制系统可靠性分为以下多级冗余：
（１）控制系统外部输入信号及输出指令的系统冗余
在输入传感器信号和输出执行部件，机构装置部分设置了一些必要的冗余措施，比如传感器的冗余和单个传感器多触点冗余设计，电机的冗余设计，电磁拖动机构的多线圈设计等。
（２）控制系统自身的可靠性设计
①控制模式冗余：控制模式分为自控和手控模式，在自动控制模式下，自动控制电路接收飞船指令，按即定的对接流程控制对接机构的运动，实现对
接。手动控制模式下，对接机构也可以由航天员根据
显示信号按手控流程进行手动控制来完成对接分离任务，其中手控模式可通过单一设备独立实现，大大提高系统的可靠性安全性。
②控制流程设计：对接机构的对接控制都是自主独立完成的，因此其流程设计是否合理有效是非常重要的环节，通过前期大量的试验验证，对接机构的控制流程可以实现对接过程必要的自动故障处理手段，防止自动对接任务中断，提高了系统容
错能力。
③电源冗余设计：每个设备内部都具有有独立的二次电源，保证了电源相互之间的故障隔离。
④外部指令信号接口设计：与其它系统的指令
万方数据
载人航天２０１１年第４期
及信号都进行了多通道设计，防止单通道故障影响任务的完成，对重要指令信号重点进行了有效性判别设计，防止误指令误信号。
⑤测量电路冗余设计：自动控制模式与手动控制模式的测量电路为两套独立的硬件电路，保证了两种模式下的测量电路的故障隔离。
⑥电路冗余设计：自动控制电路采用了的三机热冗余方式，输出信号经表决输出，保证的自动对接
控制的实时性、可靠性。
⑦保护控制设计：对执行部件设置了过流和超时动作保护设计。
⑧软硬件联合设计：从软硬件联合设计中提高系统的可靠性，尤其对重要指令信号从软硬件方面进行了的防单粒子设计。
５控制方案设计特点
自动对接控制方案是针对对接机构以及飞船具体特点而制定的可行的控制方案，具有测量参数多、自主控制流程适应性强、系统集成度高等
特点：
（１）测量参数多：自动对接工作或系统的检测是
通过检查一系列传感器实现的，基于对接机构是一个很复杂的机构装置，因此对测量控制提出很高的要求，既要测量参数全面又要保证参数的可靠，主被动对接机构共设置十多种一百多个传感器，为提高控制可靠性其中控制有关的全部为开关型传感器，由于机构测量的特殊性，其中多种传感器为对接机构新研制的，其中包括了旋转开关、行程开关、电位计等类型的多种特殊构型的传感器，并且采取了单个传感器多触点冗余的方式提高传感器可靠性。
（２）自主控制流程适应性强：自主控制采用了复
杂的ｊ机冗余表决方式，系统可靠性高，流程中预置了的自动故障处理程序，是流程的自动程度适应性
更强。
（３）系统集成度高：由于测量信号数量多，信号处理方式和驱动控制比较复杂，设计中大量采用了特殊研制的专用混合集成电路和成熟的可编程逻辑器时也提高了可靠性。
（下转第４７页）
件等先进手段，提高了系统集成度，减轻了重量，同
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰｌｕｍｅＷｏｒｋＳｔａｔｉｏｎ（ＰＷＳ）ｓｏｆｔｗａｒｅｉｓａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅ３ＤＤＳＭＣｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｌｕｍｅｆｉｅｌｄｏｆ０．５Ｎｍｏｄｅｌｔｈｒｕｓｔｅｒｔｏ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＳＭＣ；ＰＷＳ；ＰｌｕｍｅＩｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔＥｆｆｅｃｔｓ
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（上接第２７页）
６结论
参考文献
对接机构自动对接控制方案，经过了前期大量［１］王萍．美国载人航天器交会对接综述．北京，中国航天。１９９７．２：
充分的系统试验、可靠性试验验证，证明了控制方案３０一３２
是可行的。在载人航天交会对接任务实现中具有重［２］戚发轫等．载人航天器技术第２版．北京，国防工业出版社。２００３［３］潘科炎，王旭东．空间站的在轨技术一空间的交会与对接．航天
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考价值。随着对接机构技术的深入发展应用，航天员［４］刘宇．俄罗斯典型对接机构及其特性．航天器工程，１９９４．６：３３—３８直接的参与交会对接过程，自动对接控制必将逐步［５］周前祥．载人航天器空问交会对接过程中人的作用．中国航天
向高度人机匹配的自动化监测系统方向发展。控制２００１．１ｏ：３２—３６
方案将会不断体现并充分发挥出人在空间对接控制［６］周前祥，连顺国．航天器空间交会对接技术的进展．航天医学与
过程中的作用［－ｑ。
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◇
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Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
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（ＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｈａｎｇｈａｉ）
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４７
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空间对接机构自动对接控制方案
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
朱朝晖， 励吉鸿， ZHU Zhaohui， LI Jihong上海宇航系统工程研究所载人航天
MANNED SPACEFLIGHT2011,16(4)1次
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本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_zrht201104004.aspx