2021年10月16日，长征二号F运载火箭发射升空，将神舟十三号载人飞船送入太空。来源：新华社
3、交会第二步：入轨与追踪
空间站为什么在交会前调整轨道？
入轨点，就是将飞船送至与空间站处于同一轨道面、且在其后下方的特定点，则后续飞船按照规划好的变轨策略逐次抬升轨道，即可在预定时间内追上空间站。因此，入轨点是对两飞行器相对关系（高度差与位置差）的设计。不同的相对关系需要采取不同的变轨策略进行追踪，某一特定的相对关系也可以有不同的追踪策略——就相同的追踪距离而言，在更低轨道上的飞行时间占比越大，追踪越快，交会总时长越短。
既然两个飞行器存在相对关系，空间站可以配合交会进行相应调整。火箭的入轨点范围有限，因而空间站最常见的配合措施是在飞船发射前通过升降高度调整其轨道角速度，使得飞船入轨时二者的相对位置恰好在一个合适的区间，有利于飞船后续的追踪飞行。如果空间站不调整，飞船入轨时，空间站则有可能在其前方0°到360°的任何位置。当然，两个飞行器离得远，飞船可以在低轨道多飞一段时间，只要持续比空间站低，总能追上。
两种方案各有利弊。空间站调整，有利于飞船以相对固定的变轨策略进行交会，飞行时间也就相对固定，更有利于飞行程序和天地协同的一致性；空间站不调整，飞船每天都可以发射（只要发射时刻保证同轨道面），任务实施的约束少，但交会时间不确定，1到5天都有可能。因此，载人飞船通常采取前一种方案，空间站适当配合，以保证交会时间不会太长且是确定的；而货运飞船没有交会时间的强约束，多用后一种方案。
神舟十三号径向交会对接示意图。来源：空间技术研究院
4、交会第三步：远距离追踪与近距离接近
两个飞行器怎样找到彼此？
由远及近，飞船追踪空间站。
相距较远时，工程分别对飞船和空间站的轨道进行测定，独立确定各自的轨道，基于此制定变轨策略。其实时轨道可以由地面站进行测定和预测，也可以通过飞行器上的卫星导航数据获得。北斗全球导航的应用，使得精确实时的轨道测定成为可能。
距离足够近，两个飞行器能够“呼应”彼此了，就能通过飞船上安装的测量设备（雷达、光学测量设备等）以及空间站上相应配置的合作目标（应答机、光学靶标等）获得二者间的相对位置和速度。此时，不需要依赖地面测量的绝对数据，而是基于相对轨道关系进行变轨计算即可。之所以这样选择，是因为越近距离，相对测量的精度越高；轨道的相对关系经线性简化后，能够在保证精度的同时大大减少计算量，可以通过飞船的控制计算机在轨实时自主计算，更提高了处置实时性。
交会段最后的约100到200米被称为平移靠拢阶段。此时，虽然两个飞行器仍然独立地按各自的轨道规律飞行，但由于轨道间的偏差已经非常小了，直接根据相对关系对飞船进行类似直线飞行的动作调整已经不再需要消耗太大能量，因此可以、也必须在此区间进行3个方向及3轴姿态的6自由度控制，以确保对接接触时刻飞船和空间站不仅位置和相对速度一致，相对姿态及角速度也吻合。二者对准了，交会对接才能进入下一阶段，也就是“对接”的机械装配过程。
神舟八号-天宫一号近距离接近示意图。来源：新华社
5、偏差修正与约束条件
轨道控制难在哪里？
从火箭发射入轨到两个飞行器追踪接近，步步有序。而在实际飞行中，每一步都可能产生误差。因此，飞行轨道控制规划需要预留轨道修正的时机，根据实际偏差情况进行实时计算、并决定是否实施修正。而所有阶段的测量和计算误差都会转化为轨控参数的误差，并且与变轨执行偏差叠加，体现在轨控后的飞行状态中。
因此，飞船入轨，工程即以实测轨道规划后续的各次变轨，消除入轨偏差；每次轨控之后重新测定轨，再以当前状态更新规划后续的变轨策略和参数，在完成既有追踪任务的同时消除上一次变轨产生的新偏差。
“人不能两次踏进同一条河流。”古希腊哲学家的这句话，表达了宇宙万物的运动变化。从这个意义上来说，以交会对接为代表的航天任务在每一阶段所面对的，都是又一次全新的任务。
轨道控制在按照以上原则进行规划、以保证最终的对接精度之外，还要少消耗燃料。因此，变轨道高度尽可能在远地点、近地点实施，利用霍曼转移实现能量最优；变轨道面尽可能在轨道交点处实施，通过最高效的控制节省燃料。
对轨控过程的实施影响较大的约束条件包括两类。一类是技术条件，比如航天工程早期测定轨能力的不足。另一类是人为规定的安全性措施，比如交会末段和对接过程要在测控可见的弧段内进行，以利于及时处置故障、保证安全。约束条件因任务实施条件和能力而异，也随着技术进步和自主控制可靠性的提高而解除。
综上所述，航天器交会是典型的约束条件下多目标规划问题。
神舟八号-天宫一号交会对接轨道控制示意图。来源：新华社
6、交会需要停泊点
航天器为什么“走走停停”？
空间站沿圆轨道飞行。飞船追踪过程中，若通过变轨达到空间站后方同轨道高度的圆轨道上，则两飞行器相对距离和速度保持不变，飞船相对于空间站来说就“停泊”了。这样的停泊是由轨道规律保证的，即被动安全：只要不做动作，就没有相撞风险。
交会对接飞行过程中设置停泊点是必要的，主要用于以下操作或场景：
（1）切换相对测量敏感器。飞船从数百公里追踪至对接，很难由一套设备从头测到底。因此，与空间站相对距离不变且安全的停泊点，是进行不同测量距离的设备切换的最佳位置。也就是说，停下来换装备。
（2）故障处置。敏感器等典型故障，即可在停泊点等待处置。实际上，有些交会方案将停泊点作为全系统状态检查的点，确认一切正常才放行。也就是说，停下来检查。
（3）对接时间调整。轨控执行有误差，则飞行时间与预计也会有偏差，设置停泊点可以“吃掉”此前的飞行时间误差，以保证后续步骤按预定时间计划执行。也就是说，停下来纠偏。对于有对接段测控可见等时间约束的交会方案来说，这一调整能力是非常重要的。
（4）解决光学敏感器受阳光干扰的问题。通俗地说就是，阳光晃眼时在停泊点等待，太阳转过去了再走。
停泊点可以设置在空间站的后方，也可以在其前方。从后向停泊点继续接近空间站，需要略降轨，追近后再升轨、停泊。从前向接近则是先升轨，等待空间站靠近后再降轨停泊，正反向分别重复这一过程，直至进入平移靠拢阶段。
