Rendezvous & Proximity Operations, RPO簡介

RPO簡介

Rendezvous & Proximity Operations（RPO）通常是指兩個太空器，例如SpaceX的「飛龍號太空船」（Dragon）與國際太空站(ISS)，在軌道上彼此接近、會合並在近距離安全操作的一整套技術與程序模擬，它結合了軌道設計、相對運動分析、推進控制與導航導控，以在同一軌道附近精準又安全地「靠近(approach)、停留(station-keeping)、檢查(inspection)、對接(docking)、離開(departure )」目標。

為什麼 RPO 會「違反直覺」

• 因為軌道力學中，推進方向與結果方向不一定一致。

• 例如上圖中：

  • Interceptor-3在速度方向推進 → 反而會讓軌道升高而成為Intercepter-2→ 相對於Target速度變慢 → 目標觀點Intercepter看起來從上方往後退。

  • Interceptor-3在速度方向減速 → 反而會讓軌道降低而成為Intercepter-1→ 相對於Target速度變快 → 目標觀點Intercepter看起來從下方往前進。

• 這些現象源自 Kepler 運動與能量守恆。

RPO基本定義

• Rendezvous（交會）

  • 透過一連串變軌，讓兩個太空器的軌道平面、高度（半長軸）、相位等條件逐步匹配，使兩者在空間與時間上同處一點或非常接近。

  • 常見目標是為了最終對接（docking）或靠泊（berthing），例如太空梭／太空船與太空站會合。

• Proximity Operations（臨近作業）

  • 當服務衛星/飛行器進入目標附近（例如數百公尺至數十公尺），沿著事先規劃的相對軌跡在目標周邊機動並維持安全距離與視線幾何。

  • 用於檢查、維修、補給、拖曳、碎片移除或軍事偵察等任務。

• 參考座標系：

  • RPO通常在「Local Vertical Local Horizontal（LVLH）」或目標中心的局部軌道坐標系「Radial‑Transverse‑Normal (RTN) 」下分析，使相對位置與相對速度的描述更直觀。。

• 軌道與相對運動：

  • 交會階段重點是調整半長軸(semi‑major axis)、軌道平面(orbital plane)與相位(phase，例如Argument of Perigee)，確保在正確時間到達目標附近；進入臨近作業後則更關注相對位置與相對速度的精準控制。

  • 典型會採用自然相對運動軌跡（例如自然繞行「Natural Motion Circumnavigation（NMC）」）以降低燃料消耗並增進安全性。

• 任務安全與限制：

  • 需嚴格限制最近接距離、遮蔽角（避免遮蔽太陽能板或天線）、感測器視場與碰撞風險等，並規劃「安全退避軌跡」。

應用範疇

• 民用與商用：例如太空站人員輪替與貨物補給、在軌維修與延壽、碎片移除、組裝大型太空結構等都依賴成熟的RPO技術。

• 軍事與安全：RPO也可用於情報偵察、干擾或反衛星行動，因此在太空安全情勢感知是高度敏感且關鍵的能力指標。