交会对接与传感器技术

交会对接与传感器技术

摘要： 交会对接是使两航天器在预定的时间，抵达一定的轨道和空间后连接在一起的技术。交会对接过程分4个阶段：地面导引，自动寻的，最后接近和停靠，对接合拢。在整个过程中，重要技术是利用由摄像敏感器和接近敏感器组成的测量系统精确测量两个航天器的距离、相对速度和姿态，其中应用了大量的传感器技术。文中对用于测量距离的传感器——激光雷达进行了详细介绍。

关键字：交会对接 传感器 激光雷达

1 引言

11月3日凌晨1时36分，“天宫一号”目标飞行器与“神州八号”飞船成功实现首次交会对接，为我国突破和掌握航天器空间交会对接关键技术，初步建立长期无人在轨运行、短期有人照料的载人空间实验平台，开展空间应用、空间科学实验和技术实验，以及建设载人空间站奠定了基础、积累了经验。而其中最关键步骤是在距离天宫一号140米处测试对接机构传感器，从而确定飞船的对接状态是否已经到位。在神舟八号和天宫一号交会对接的过程中，航天测控网是这次交会对接取得成功的关键。每一个重要关节点上都需要测控系统的精控秒测。

2 整体介绍交会对接

2.1 交会对接概念

“神州八号”飞船与“天宫一号”目标飞行器的交会对接过程分为交会过程和对接过程。“交会”即是两航天器，在预定的时间，抵达一定的轨道和空间；“对接”即是使两航天器连接在一起。在空间预定轨道上运行目标飞行器，去追踪飞行器交会对接。航天器对接装置是用来实现航天器之间对接、连接与分离的装置。通过它，可以实现两个航天器机械、电气、液路的连接。二者通过对接组成轨道复合体后， 可实现人员、物资的转移。

2.2 交会对接系统组成

2.3 交会对接过程

交会对接过程分4个阶段：地面导引，自动寻的，最后接近和停靠，对接合拢。在导引

阶段，追踪航天器在地面控制中心的操纵下，经过若干次变轨机动，进入到追踪航天器上的敏感器能捕获目标航天器的范围(一般为15～100千米)。 在自动寻的阶段，追踪航天器根据自身的微波和激光敏感器测得的与目标航天器的相对运动参数，自动引导到目标航天器附近的初始瞄准点(距目标航天器0.5～1千米)，由此开始最后接近和停靠。

追踪航天器首先要捕获目标的对接轴，当对接轴线不沿轨道飞行方向时，要求追踪航天器在轨道平面外进行绕飞机动，以进入对接走廊，此时两个航天器之间的距离约100米，相对速度约3～1米/秒。追踪航天器利用由摄像敏感器和接近敏感器组成的测量系统精确测量两个航天器的距离、相对速度和姿态，同时启动小发动机进行机动，使之沿对接走廊向目标最后逼近。

在对接合拢前关闭发动机，以0.15～0.18米/秒的停靠速度与目标相撞，最后利用栓一锥或异体同构周边对接装置的抓手、缓冲器、传力机构和锁紧机构使两个航天器在结构上实现硬连接，完成信息传输总线、电源线和流体管线的连接。

3 交会对接中应用的传感器技术 3.1测控系统的作用和意义

在神舟八号和天宫一号交会对接的过程中，航天测控网是这次交会对接取得成功的“幕后推手”。每一个重要关节点上都需要测控系统的“精控秒测”。国内7个测控站、3个飞控中心、3艘远洋测量船，国外5个测控站、3个国际联网合作站，再加上太空中的两颗中继卫星，组成了陆、海、天基“三位一体”的载人航天测控网，为神八和天宫一号的约会之旅全程保驾护航。

神舟八号在进入自主导引阶段之前，需要在测控系统的指挥下完成5次变轨。其中，第5次变轨于神舟八号绕地球飞行的第24圈进行。2日17时05分，经过对轨道的精确组合修正，神八进入了距地面高度约330公里的近圆轨道，与天宫一号处在相同轨道面的交会对接点上。

自飞船1日发射入轨以来，测控系统分别在第5圈、13圈、16圈、第19圈对其实施了4次变轨控制。在神八从5公里到30米一步步接近天宫一号的过程中，前后共设置了4个停泊点，每一停泊点的设置都为测控系统判断两个飞行器的运行状况留出了时间，其停泊时间分别是4分钟、2分钟、2.5分钟和2.5分钟。经过4次停泊之后，在酒泉卫星发射中心上空，神八飞船与天宫一号开始接触。从对接机构接触开始，在15分钟内完成捕获、缓冲、拉近和锁紧4个动作，最终实现两个航天器刚性连接，形成组合体。此时，组合体在太平洋中部远望三号船的上空。远望三号要实时监控组合体的飞行姿态，如果出现因对接导致的异常，要在第一时间发出指令，及时进行轨道控制。

在组合体飞行的10多天中，测控系统还要时刻对空间碎片进行监测和预警。一旦出现异常情况，要按照事先制定的紧急处置预案或原则，对天宫一号或神舟八号进行应急飞行控制，以保证航天器安全。

3.2应用的传感器技术及原理简介

追踪航天器利用由摄像敏感器和接近敏感器组成的测量系统精确测量两个航天器的距离、相对速度和姿态，同时启动小发动机进行机动，使之沿对接走廊向目标最后逼近。

应用的传感器包括GPS、RGPS、激光雷达、CCD等。

3.2.1精确测量两个航天器的距离

在航天测控网中，除了返回轨道段“黑障区”的测量用反射式跟踪外（单脉冲雷达或相

控阵雷达），其他所有轨道段测量都是在航天器应答机配合下完成的。我们将测距基带信号分为2类：一类是脉冲雷达信号；另一类是多测音信号、伪随机码信号、复合伪码和音-码混合信号。前者对应的是单脉冲雷达测距技术，后者对应的是连续波雷达测距技术。二者都利用了无线电波在均匀介质中传播速度恒定且瞬时相位与传播距离呈线性关系的基本原理。

或者应用位置传感器——全球定位卫星系统GPS。

3.3.2精确测量两个航天器的相对速度

广泛应用于航天测控网中的是连续波测速系统。连续波测速按高稳定度振荡源所在位置分为单向测速和双向测速，单向测速的振荡源安装在航天器上，双向测速的振荡源配置在测控站。

应用多普勒效应速度传感器，或采用基于位置和时间传感器的方法测量相对速度，例如GPS传感器测速。

3.3.3精确测量两个航天器的姿态

航天器姿态测量技术是由装载在航天器上的姿态敏感器测量本体坐标系的角运动或测量本体坐标系的地球、太阳两个方向角实现的。所以，飞行器姿态测量器件包括惯性平台和地球敏感器、太阳敏感器等。

惯性平台通常采用捷联惯性导航装置，由固定在本体坐标系上的三个正交安装的测速积分陀螺和三个正交安装的线加速计及导航计算机组成。

测速积分陀螺测量星体绝对角速度矢量沿陀螺输入轴的角速度分量ωi，其时间积分值t

为ωidt，可以用来表示本体坐标系某轴从t0→t的转角数值。

t0⎰

线加速度计测量飞行器上加速度计安装点的绝对加速度矢量沿加速度计输入轴的分量。也可单独用于测定自旋飞行器的章动。

3.3 测距位移传感器——激光雷达

3.3.1概述——激光测距仪

LiDAR(Light Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称。

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。

若激光是连续发射的，测程可达40公里左右，并可昼夜进行作业。若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。

世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的。美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。1961年，第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。

激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。

3.3.2基本原理

激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这也是直接探测型雷达的基本工作原理。由此可以看出，直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。

因为光速是已知的，所以根据发射光的发出时间和后向散射光的接收时间的时间差就可计算出激光器与污染剂的距离。这就是激光雷达能测距的原理。

激光测距（laser distance measuring）是以激光器作为光源进行测距。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗，使测量到人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。

激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度是一般是在+/- 1米左右。另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。

激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示。

D=ct/2

式中：

D——测站点A、B两点间距离；

c——光在大气中传播的速度；

t——光往返A、B一次所需的时间。

由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。典型的是WILD的DI-3000、真尚有的LDM30X 。

需要注意，测相并不是测量红外或者激光的相位，而是测量调制在红外或者激光上面的信号相位。

3.3.2测量方法

激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。脉冲法测距的过程是这样

的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度是一般是在+/- 1米左右。另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。

3.3.3特点

与普通微波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频率较微波高了许多,因此带来了很多特点,主要有：

（1）分辨率高

激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标(这是微波雷达无论如何也办不到的),并可同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.lm；速度分辨率能达到10m/s以内。距离和速度分辨率高,意味着可以利用距离——多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,其多数应用都是基于此。

（2）隐蔽性好、抗有源干扰能力强

激光直线传播、方向性好、光束非常窄,只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获非常困难，且激光雷达的发射系统(发射望远镜)口径很小,可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低；另外，与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达抗有源干扰的能力很强,适于工作在日益复杂和激烈的信息战环境中。

（3）低空探测性能好

微波雷达由于存在各种地物回波的影响,低空存在有一定区域的盲区(无法探测的区域)。而对于激光雷达来说,只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物回波的影响，因此可以"零高度"工作，低空探测性能较微波雷达强了许多。

（4）体积小、质量轻

通常普通微波雷达的体积庞大，整套系统质量数以吨记，光天线口径就达几米甚至几十米。而激光雷达就要轻便、灵巧得多,发射望远镜的口径一般只有厘米级,整套系统的质量最小的只有几十公斤，架设、拆收都很简便。而且激光雷达的结构相对简单，维修方便，操纵 容易，价格也较低。

2．激光雷达的缺点

首先，工作时受天气和大气影响大。激光一般在晴朗的天气里衰减较小，传播距离较远。而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受影响。如工作波长为10.6μm的co2激光，是所有激光中大气传输性能较好的,在坏天气的衰减是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷达的作用距离,晴天为10—20km,而坏天气则降至1 km以内。而且,大气环流还会使激光光束发生畸变、抖动，直接影响激光雷达的测量精度。

其次，由于激光雷达的波束极窄,在空间搜索目标非常困难，直接影响对非合作目标的截获概率和探测效率,只能在较小的范围内搜索、捕获目标，因而激光雷达较少单独直接应用于战场进行目标探测和搜索。

4 总结

“天宫一号”目标飞行器与“神州八号”飞船实现交会对接，为我国突破和掌握航天器空间交会对接关键技术，初步建立长期无人在轨运行、短期有人照料的载人空间实验平台，开展空间应用、空间科学实验和技术试验，以及建设载人空间站奠定了基础，积累了经验。在神舟八号飞赴“天宫”之约的漫漫行程中，每一个重要关节点上都需要测控系统的“精控秒测”，而各种传感器的应用也是测控系统中不可或缺的组成部分。整个科研团队的刻苦攻关，提供了完善的技术保障，最终实现了“天宫一号”目标飞行器与“神州八号”飞船的完美交会对接。

参考文献

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