空間交會對接應用管理論文

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【摘要】介紹了激光雷達在空間交會對接中的應用,討論了激光雷達作為一種交會敏感器的基本原

理及其被用于測距、測速、測角和姿態測量的具體實現方案。

關鍵詞空間交會對接;激光雷達;激光應用;激光測量

在航天器與空間站的交會和對接過程中,一般將空間站稱為“目標飛行器”,是被動的;將航天

器稱為“追蹤飛行器”,是主動的。交會對接過程分為如圖1所示的三個階段[1]。

圖1交會對接飛行階段的劃分

追蹤飛行器進入軌道后,在GPS導引和地面的遙控下,在距離目標飛行器約100km處捕獲到

目標飛行器,并開始確定測量信息和與目標飛行器建立通信聯系,轉入自動尋的階段。可見,飛行器

要進行空間對接必須先進行交會(100km～10m),然后進行對接(10～0m)。空間交會對接不僅

在理論上,而且在技術上都是相當復雜的。特別是交會對接測量系統和敏感器的研究在當前和今后

一段時間都是一個關鍵研究課題。

自主交會對接范圍為100km～0m,國外通常的做法是采用微波雷達(100km～200m)、激光雷

達(20km～10m)、光學成象敏感器(200～3m)和對接敏感器(10～0m)四種不同敏感器完成全過

程交會對接測量任務。雖然這些敏感器在一定程度上互為備份,提高了測量系統的可*性。但是這

種測量系統結構復雜,在目標飛行器還必須裝有應答機。為了捕獲目標飛行器和測量相對姿態,一

般還裝有多部天線,整個測量系統敏感器種類多、投資大,設備比較復雜,重量和體積較大,功耗較

高。所以美國、俄羅斯、歐洲空間局及日本等都在發展激光交會雷達,其中特別發展用于幾十km至

0m的復合式激光雷達。這種交會雷達測量精度高、功耗小,體積也較小。

本文從理論和實驗兩方面入手,研究空間交會對接中的激光交會雷達系統,揭示應用于此領域

的微波和激光交會雷達的優缺點和差異,有助于系統的研制和提高交會對接的可*性。

1國外研究概況、水平和發展趨勢

美國在60年代初期首次為“雙子星座計劃”研制微波交會雷達,作用范圍為450km～150m,可

以測出目標航天器的方位角、仰角和距離與速率,并可以數字形式送入導航計算機。在阿波羅飛船

進行登月艙和指令服務艙交會對接時,采用X波段單脈沖比幅連續波雷達。美國航天飛機的交會雷

達是Ku波段脈沖多普勒雷達,并且具有通信收發功能,以時分方式工作。70年代美國成功研前已

經在進行激光交會雷達和光學敏感器等自主交會對接測量設備的研制。前蘇聯交會對接測量系統

基本上采用無線電測量設備———微波雷達,有時也采用閉路電視系統,能在屏幕上給出前方飛行器

沿滾動軸的方向圖像。為使對接系統更加完善,并且具有更高技術性能,前蘇聯也將激光技術用于

空間交會對接,重點發展激光交會雷達。歐洲空間局雖至今尚未實現在軌交會對接,但從80年代初

就開始研究自主交會對接測量技術和敏感器,其中中短程采用激光雷達,目前正在研制激光交會雷

達。80年代后期日本也開始研制交會對接測量系統和敏感器,主要是掃描式激光雷達。可見,微波

雷達作為遠距離交會測量手段比較適合,而在中近距離上采用激光交會雷達則優于微波雷達。

由于近期激光技術的繼續發展,采用大功率半導體激光器和改進掃描機構性能,提高跟蹤精度

以及在目標飛行器上設置協作目標,從而使復合式激光雷達作為交會對接全過程的測量敏感器成為

了可能。目前這些敏感器大部分還在試驗和研制階段。

表1給出了80年代以來交會對接激光雷達敏感器一覽表。

表1激光雷達在空間交會對接中的應用一覽表

系統名稱報道時間作用距離工作方式

激光對接系統美國約翰遜空間中心1986

年報道

遠距離

22km～110m

近距離

100～0m

CW半導體激光器作為光源,光

電二極管作為接收器件,檢流計

式掃描裝置,姿態測量由PSD和

Wallstion棱鏡來完成

多目標和單目標定

向敏感器

NASA1986年報道

多目標100～6m

單目標測量6～0m

析象管為接收器件,相位式測

距,遠距離用析象管測角

用于空間交會對接

的掃描激光雷達

日本東京宇航研究所1987

年報道

遠距離

20km～200m

近距離

200～0m

CW-GaAlAs激光二極管作光

源,硅APD構成四象限檢測器

用作接收器件,利用相位法測

距,用檢流計掃描裝置

用于自主交會對接

的光電敏感器

德MBB公司1983年報道

20km接近CW-GaAlAs半導體激光器作為

光源,硅APD作接收器件,檢流計

掃描裝置,姿態測量由CCD完成。

用于交會對接跟蹤

激光雷達

日本電氣、三菱電機公司

1989年報道

30km～0.2m

近距離CCD成象

GaAs激光二極管,四象限檢測

器和CCD成象,音頻測距。

交會對接光學敏感

器系統

日本NASDA公司1995年

報道

600～0.3m半導體激光連續測距

CCD成象

有源傳感器用于空

間交會對接[2]

美國NASA

1997年報道

110～0m

仰角±8°

方位角±10.5°

850nm半導體激光器脈沖照射,目

標安裝角反射器,CCD成象檢測。

目前美、俄所實現的空間交會對接都需要宇航員的手動介入,而在未來的許多太空任務如衛星

服務計劃、空間站自動補給、深空探索、無人飛船等,則需要無人式的自主交會對接[3]。因此美、俄、

日及歐洲空間局都在發展自主自動交會對接測量系統,特別是復合式激光雷達測量系統。

80年代以來,我國激光雷達技術獲得了顯著的發展,取得了許多科研成果,基本建立了激光測

距、測速、定位和成像等理論模型和實驗系統,完全可以將激光技術應用于我國不久將進行的無人自

主空間交會對接。

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2激光雷達在空間交會對接中的應用

在實際的空間交會對接中,當相對距離大于100m時,航天員可通過機載微波交會雷達和潛望

鏡來獲得兩航天器之間的相對位置。隨著兩航天器的逼近,當相對距離小于100m時,由于硬件的

限制,微波雷達不能為最后逼近提供足夠精度的測量信息。由于激光本身的波束窄、相干性好、工作

頻率高等優點,激光雷達能在交會階段直到對接的整個過程(20km～0m)中提供高精度的相對距

離、速度、角度和角速度的精確測量,因此它既能用于目前的自動尋的、接近和最后的手動逼近操作

過程,又能為未來無人交會對接任務提供自主導航的擴展功能。

2.1激光雷達系統的組成

激光雷達一般由下列部分組成:激光源、發射與接收光路、信號處理、掃描跟蹤機構、目標反射器

和檢測器等[4,6]。激光雷達系統的組成如圖2所示。

圖2激光雷達系統

掃描跟蹤機構可完成大角度的光束偏轉,從而使雷達能在較大范圍內掃描、捕獲、最后跟蹤目標

飛行器。這種機構大都由兩自由度框架組成,框架上固定了反射鏡,使光束偏轉。由于偏轉對象是

光束,所以機構可作得十分精巧、細致,不象微波雷達隨動跟蹤天線那樣笨重復雜。

目標反射器安裝在目標飛行器上,一般用角反射器三個相互垂直的反射鏡組成),從而使目標反

射器將雷達天線射出的光束按原方向反射回去。此時目標的位置和姿態信息由激光雷達光學接收

天線接收,然后進行檢測和數據處理。

2.2在空間交會對接中的激光雷達工作原理

激光雷達的測距、測速和測角原理與微波雷達基本相同[6]。因此用于空間交會對接的激光雷達

包含連續波測距器和位置敏感器兩個部分[4,7]。這兩部分通過共用光學裝置混合起來,其光學系統

工作原理和傳輸波形如圖3所示。

圖3距離敏感器的工作原理

用激光二極管分別發射測量距離和位置

的激光光束,經極化混合光學系統,進入目標

反射器,然后光束再反射出來,經分光到距離

和位置接收器。為了區別測距和測位置信

息,分別把光信號調制在f1和f2,其中測距

工作頻率f1為幾MHz到幾百MHz,可以利

用邊帶頻率的相位延遲之差測距。圖4為其

實現結構圖。

第4期楊春平等:激光雷達在空間交會對接中的應用449

圖4距離敏感器技術實現結構

圖中PD1、PD2和PD3為光電二極管,它

們把光信號轉變為電信號。PD1檢測連

續波測距基準信號,PD2檢測目標反射器

反射回來的信號,兩個信號相比可得出相

位差。

激光雷達比較可*和精確的測速方

法是測量回波信號的多普勒頻移。該方

法有兩種,第一種要求發射的激光束用幾

kHz～1GHz的頻率f0去調制,回波信號

的多普勒頻率fd由下式表示

fd=

2v

c

f0

式中c為光速;v為距離變化率;f0為調制頻率。只要測出fd,利用公式v=fdc/(2f0)即可測量

目標飛行器的相對速度,由于調制技術限制,此方法測量靈敏度不高。第二種方法采用激光光頻的

多普勒頻率,即上式f0用激光頻率來代替,則可以進一步提高靈敏度和測速精度(優于1mm/s)。

激光雷達對目標的角跟蹤可采用圓錐掃描法和單脈沖法。激光雷達向目標飛行器發射激光信

號,經目標反射回來,通過光學系統投射到四象限光電探測器上。如果目標反射回來的光信號與測

量光軸有一角偏差,則投射在光電探測器上的光斑在四個象限上的面積不同,經處理后得到相應角

誤差信號,從而得到兩個飛行器的相對方位角和仰角。

現在,激光雷達也能用于最后的手動逼近和對接階段,此時主要用來測量相對姿態。激光測距

技術比較成熟,但是激光測量姿態角是一項技術難點。在近距離(約100m)一般采用光學成像敏感

器實現。

光學成像敏感器由安裝在追蹤飛行器上的成像裝置(如CCD攝像機、紅外攝像機)和安裝在目

標器上的特征光點(如激光二極管或無源光點角反射器)兩部分組成。根據安裝在目標飛行器上特

征光點的數目和位置,有以下方法:1)三個特征光點在目標飛行器對接口平面內成等腰直角三角形

排列;2)三個特征光點在目標飛行器對接口平面內成等邊三角形排列;3)三個特征光點在與目標飛

行器對接口垂直的平面內成等邊三角形排列,其中一個安裝在對接軸上;4)四個特征光點在目標飛

行器對接口平面內成正方形排列;5)四個特征光點,其中三個特征光點在目標飛行器對接口平面內

成等腰三角形排列,另一個安裝在對接軸上[5];6)五個特征光點,其中四個特征光點在目標飛行器

對接口平面內成正方形排列,另一個安裝在對接軸上;7)三個不在一條直線上的特征光點在目標飛

行器對接口處根據需要任意布局。

根據1997年NASA報道[5],美國馬歇爾太空飛行中心用于近距離的自主交會對接系統的激光

雷達測量相對姿態的主要方法是直接照射法:在激光雷達上安裝CCD照相機(響應波長為800nm

和850nm),采用寬發散角(29°)的800nm和850nm脈沖激光光束直接照射按照5)方式排列在目

標飛行器上的邊角反射器陣列(吸收800nm,反射850nm),然后根據CCD相機上成像的光點或圖

像,經數據處理成為相對距離和姿態[2]。隨著CCD面陣的像素增多,數據處理和軟件的改善,這種

方法可以獲得較高精度。

影響光學成象敏感器姿態測量精度的主要因素有:1)特征光點數目和布局:原則上光點數目越

多和光點與攝像機構成的體積越大,測量精度越高;2)攝像機數目和安裝位置:從原理上說攝象機

數目越多,測量精度越高。但通常采用雙攝像機已足夠,此時可以克服光點本身位置安裝帶來的誤

差和避免算法多解。另外,從空間設備量來說,減少設備總會受到總體設計師的歡迎;3)鏡頭焦距

與幾何失真、圖像采集A/D誤差與靶面分辨率和成像中心定位誤差;4)不同算法與算法數值誤差也

是影響測量結果的一個重要因素。

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國外大量實驗表明:相對距離越長,姿態測量誤差越大;在長距離(>10m),測量姿態精度比測

量距離精度高;在短距離(<10m),測量距離精度比測量姿態精度高。

3結束語

激光雷達在空間交會對接應用方面,不僅可以作為遠距離交會測量手段,也可以作為近距離交

會對接敏感器。與微波雷達相比,它具有以下特點:1)窄波束:用實際可實現的天線孔徑,可得到極

窄的激光波束,從而提高測角分辨率;2)大寬帶:高的工作頻率使激光雷達能獲得大信號帶寬,從而

提高測距的精度和測角分辨率。3)測速靈敏度高:因激光雷達工作頻率高,從而提高了多普勒測量

的靈敏度;4)固態化:采用固體激光器可獲得高可*性,可使體積小、重量輕和功耗低;5)可以比較

方便地測量飛行器的相對姿態角。

另外,激光雷達還可以做到無機械運動機構,同時在空間基本上沒有無線電傳輸損耗和衰減等。

因此激光雷達比較適用作為空間交會對接敏感器,特別在中、近距離更為突出。

參考文獻

1林來興.空間交會對接.北京:國防工業出版社,1995

2HowardRichardT.,ColeHelenJ.Automaticrendezvousanddockingsystemtestandevaluation.SPIE,

1997,3065:9～131

3林來興.一種用于交會對接全過程的測量敏感器———復合式激光雷達.航天控制,1992,4:41～47

4KachmarPM,ChuW,PoluchkoRJ.激光導航敏感器在自動交會中的應用.控制工程,1996,4:26～29

5PhilipCalhoun.Asolutiontotheproblemofdeterminingtherelative6DOFstateforspacecraftautomated

rendezvousanddocking.SPIE,1995,2466:175～184

6吳健.激光雷達—機遇與挑戰.電子科技大學學報,1994,23(增):1～7

7林來興.自主交會對接測量系統和對接敏感器.航天控制,1991,4:40～45

ApplicationofLaserLadarinSpaceRendezvousandDocking

YangChunPingWuJianHeYi

(Inst.ofAppliedPhysics,UESTofChinaChengdu610054)

ZhangWei

AbstractInthispaper,theapplicationoflaserradarinspacerendezvousanddockingis

introduced,Theprincipleofhowalaserradarworksasarendezvousdetector,andthewayitis

implementdeindetectingrange,speedandanglearediscussed.

Keywordspacerendezvousanddocking;laserradar;laserapplication;lasermeasure

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