空间相对导航技术的发展得益于空间交会对接（Rendezvous＆Docking，RVD）任务的出现。空间交会对接的过程分为空间交会和空间对接两个阶段：空间交会是指两个或两个以上的航天器在轨道上按预定位置和时间相会；空间对接是航天器在完成交会后进一步在结构上连接为整体。空间交会对接运动控制首先要获得两个航天器之间的相对运动信息，因此空间相对导航技术是实现交会对接的先决条件。空间交会对接技术涉及至少两个航天器的12个自由度的动力学与控制问题，并且自由度之间存在较强的动力学耦合和非线性问题，因此具有较大的技术难度。

1.双子座系列

空间交会对接技术的发展可以追溯到20世纪50年代，由于“阿波罗”登月计划的提出，航天器的交会对接技术开始受到学术界及政府的广泛关注。20世纪60年代，美国首次在“双子座”号飞行任务中验证了空间相对导航技术。当时，“双子座”号在宇航员的操作下成功地完成了以“阿金纳”火箭第二级发动机为目标的轨道交会及对接（图1-3）。在这次空间交会任务中，“阿金纳”火箭的第二级发动机经过改进安装了特殊的对接适配器和雷达波反射装置，并且在对接适配器上安装了高亮的闪烁标志器，以帮助宇航员在近距离交会对接阶段判断识别目标的距离和姿态。在此次任务中，交会雷达在两个航天器相对距离为60～15 m时，无法提供足够精确的距离信息，此时主要依靠宇航员完成对相对距离及相对速度的判定。有人参与的空间交会对接任务还包括“双子座”8号、“双子座”10号、“双子座”11号和“双子座”12号。“双子座”计划的飞行经验表明，在进行空间交会对接飞行任务设计时，必须重点考虑以下几个方面的技术要求，即操作时间充裕、照明系统要合适、平稳的接近速度和视线角速度以及在制导系统失灵时有备用程序。

图1-3　“双子座”与“阿金纳”号火箭交会对接

2.“阿波罗”系列

在“双子座”计划之后，美国进一步通过“阿波罗”登月计划在月球轨道上进行了交会对接技术的演示验证。“阿波罗”号宇宙飞船由登月舱、指挥／服务舱两部分组成，在登月任务过程中，登月舱在宇航员的控制下完成月面登陆任务，而指挥／服务舱则停留在月球的圆轨道上。完成月面勘测任务后，宇航员驾驶登月舱重新返回指挥／服务舱的运行轨道，并进一步完成交会对接，为返回地面做准备。“阿波罗”7号、“阿波罗”9号和“阿波罗”10号宇宙飞船在宇航员的参与下成功地完成了月球轨道上的交会对接，这几次的飞行任务与“阿波罗”11号和“阿波罗”12号宇宙飞船一起，成功地演示验证了短程轨道交会策略，这对增加登月舱在月面上的停留时间起到了重要的作用。“阿波罗”号宇宙飞船登月舱的相对导航系统组成和“双子座”号的十分相似，主要包括制导计算机、光学敏感测量与交会测量雷达，这些设备和两名宇航员一起构成整个交会对接过程中的闭环控制回路。“阿波罗”登月计划是人类首次在地球轨道之外验证的空间相对导航技术，其软／硬件技术及轨迹规划技术在后续的天空实验室等交会对接飞行任务中得到了应用（图1-4）。

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图1-4　“阿波罗”号宇宙飞船与“联盟”号太空船交会对接

3.“联盟”系列

苏联／俄罗斯在空间交会对接技术的发展模式上与美国不尽相同，相对而言，苏联／俄罗斯更加重视自主交会技术，而宇航员操作模式只是作为一种备份的手段。苏联／俄罗斯的空间交会对接技术的发展可以追溯到1967年10月的“宇宙”号飞船对接项目。随后，其空间自主交会对接技术得到不断的发展，并且多次应用到无人太空船“进步”号和有人太空船“联盟”号与“和平”号空间站的交会对接中。此外，俄罗斯将进一步把所取得的空间交会对接技术成果应用到与国际空间站的交会对接飞行任务中（图1-5）。

图1-5　“联盟”号太空船与国际空间站交会对接

4.自动货运飞船

自动货运飞船（Automated Transfer Vehicle，ATV）的主要目的是为国际空间站提供物质供给、提升国际空间站轨道以及装载空间站的垃圾。欧洲航天局于2008年3月9日将欧洲首艘ATV发射升空，首艘ATV重约20 t，在轨主要依靠相对GPS和视觉测量设备进行相对信息的测量。当通过地面导引将两航天器接近到30 km以内时，相对GPS开始工作，引导到ATV在ISS后面3.5 km位置进行位置保持，验证相对GPS的导航技术；当接近到250 m左右时，采用星载激光交会敏感器（Rendezvous Sensor，RVS）进行相对导航。

2008年4月3日，ATV实现了与国际空间站自动对接（图1-6），并于2008年9月29日完成使命，在返回地球的大气层中按计划销毁。ATV作为一种空间站服务的后勤保障航天器，与其他航天器相比的优势在于它是迄今为止运载能力最强的飞船，其最大运货能力达7 200 kg。另外，ATV具有自主交会对接能力，与国际空间站的交会对接不需要航天员或地面操作人员的干预。