導(dǎo)語：空間交會對接應(yīng)用管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

【摘要】介紹了激光雷達(dá)在空間交會對接中的應(yīng)用,討論了激光雷達(dá)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(tài)測量的具體實現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞空間交會對接;激光雷達(dá);激光應(yīng)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(biāo)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(dǎo)引和地面的遙控下,在距離目標(biāo)飛行器約100km處捕獲到

目標(biāo)飛行器,并開始確定測量信息和與目標(biāo)飛行器建立通信聯(lián)系,轉(zhuǎn)入自動尋的階段?？梢?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)?？臻g交會對接不僅

在理論上,而且在技術(shù)上都是相當(dāng)復(fù)雜的。特別是交會對接測量系統(tǒng)和敏感器的研究在當(dāng)前和今后

一段時間都是一個關(guān)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(dá)(100km～200m)、激光雷

達(dá)(20km～10m)、光學(xué)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(wù)。雖然這些敏感器在一定程度上互為備份,提高了測量系統(tǒng)的可*性。但是這

種測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在目標(biāo)飛行器還必須裝有應(yīng)答機。為了捕獲目標(biāo)飛行器和測量相對姿態(tài),一

般還裝有多部天線,整個測量系統(tǒng)敏感器種類多、投資大,設(shè)備比較復(fù)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(fā)展激光交會雷達(dá),其中特別發(fā)展用于幾十km至

0m的復(fù)合式激光雷達(dá)。這種交會雷達(dá)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(dá)系統(tǒng),揭示應(yīng)用于此領(lǐng)域

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

1國外研究概況、水平和發(fā)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(dá),作用范圍為450km～150m,可

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

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

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

經(jīng)在進行激光交會雷達(dá)和光學(xué)敏感器等自主交會對接測量設(shè)備的研制。前蘇聯(lián)交會對接測量系統(tǒng)

基本上采用無線電測量設(shè)備———微波雷達(dá),有時也采用閉路電視系統(tǒng),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(tǒng)更加完善,并且具有更高技術(shù)性能,前蘇聯(lián)也將激光技術(shù)用于

空間交會對接,重點發(fā)展激光交會雷達(dá)。歐洲空間局雖至今尚未實現(xiàn)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(shù)和敏感器,其中中短程采用激光雷達(dá),目前正在研制激光交會雷

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

雷達(dá)作為遠(yuǎn)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(dá)則優(yōu)于微波雷達(dá)。

由于近期激光技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展,采用大功率半導(dǎo)體激光器和改進掃描機構(gòu)性能,提高跟蹤精度

以及在目標(biāo)飛行器上設(shè)置協(xié)作目標(biāo),從而使復(fù)合式激光雷達(dá)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(dá)敏感器一覽表。

表1激光雷達(dá)在空間交會對接中的應(yīng)用一覽表

系統(tǒng)名稱報道時間作用距離工作方式

激光對接系統(tǒng)美國約翰遜空間中心1986

年報道

遠(yuǎn)距離

22km～110m

近距離

100～0m

CW半導(dǎo)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(tài)測量由PSD和

Wallstion棱鏡來完成

多目標(biāo)和單目標(biāo)定

向敏感器

NASA1986年報道

多目標(biāo)100～6m

單目標(biāo)測量6～0m

析象管為接收器件,相位式測

距,遠(yuǎn)距離用析象管測角

用于空間交會對接

的掃描激光雷達(dá)

日本東京宇航研究所1987

年報道

遠(yuǎn)距離

20km～200m

近距離

200～0m

CW-GaAlAs激光二極管作光

源,硅APD構(gòu)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(dǎo)體激光器作為

光源,硅APD作接收器件,檢流計

掃描裝置,姿態(tài)測量由CCD完成。

用于交會對接跟蹤

激光雷達(dá)

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(xué)敏感

器系統(tǒng)

日本NASDA公司1995年

報道

600～0.3m半導(dǎo)體激光連續(xù)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(dǎo)體激光器脈沖照射,目

標(biāo)安裝角反射器,CCD成象檢測。

目前美、俄所實現(xiàn)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(wù)如衛(wèi)星

服務(wù)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(fā)展自主自動交會對接測量系統(tǒng),特別是復(fù)合式激光雷達(dá)測量系統(tǒng)。

80年代以來,我國激光雷達(dá)技術(shù)獲得了顯著的發(fā)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(tǒng),完全可以將激光技術(shù)應(yīng)用于我國不久將進行的無人自

主空間交會對接。

448電子科技大學(xué)學(xué)報第28卷

2激光雷達(dá)在空間交會對接中的應(yīng)用

在實際的空間交會對接中,當(dāng)相對距離大于100m時,航天員可通過機載微波交會雷達(dá)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(dāng)相對距離小于100m時,由于硬件的

限制,微波雷達(dá)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(yōu)點,激光雷達(dá)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(wù)提供自主導(dǎo)航的擴展功能。

2.1激光雷達(dá)系統(tǒng)的組成

激光雷達(dá)一般由下列部分組成:激光源、發(fā)射與接收光路、信號處理、掃描跟蹤機構(gòu)、目標(biāo)反射器

和檢測器等[4,6]。激光雷達(dá)系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2激光雷達(dá)系統(tǒng)

掃描跟蹤機構(gòu)可完成大角度的光束偏轉(zhuǎn),從而使雷達(dá)能在較大范圍內(nèi)掃描、捕獲、最后跟蹤目標(biāo)

飛行器。這種機構(gòu)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(zhuǎn)。由于偏轉(zhuǎn)對象是

光束,所以機構(gòu)可作得十分精巧、細(xì)致,不象微波雷達(dá)隨動跟蹤天線那樣笨重復(fù)雜。

目標(biāo)反射器安裝在目標(biāo)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(biāo)反

射器將雷達(dá)天線射出的光束按原方向反射回去。此時目標(biāo)的位置和姿態(tài)信息由激光雷達(dá)光學(xué)接收

天線接收,然后進行檢測和數(shù)據(jù)處理。

2.2在空間交會對接中的激光雷達(dá)工作原理

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

包含連續(xù)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(xué)裝置混合起來,其光學(xué)系統(tǒng)

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(fā)射測量距離和位置

的激光光束,經(jīng)極化混合光學(xué)系統(tǒng),進入目標(biāo)

反射器,然后光束再反射出來,經(jīng)分光到距離

和位置接收器。為了區(qū)別測距和測位置信

息,分別把光信號調(diào)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(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。

第4期楊春平等:激光雷達(dá)在空間交會對接中的應(yīng)用449

圖4距離敏感器技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖中PD1、PD2和PD3為光電二極管,它

們把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴D1檢測連

續(xù)波測距基準(zhǔn)信號,PD2檢測目標(biāo)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(dá)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(fā)射的激光束用幾

kHz～1GHz的頻率f0去調(diào)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(diào)制頻率。只要測出fd,利用公式v=fdc/(2f0)即可測量

目標(biāo)飛行器的相對速度,由于調(diào)制技術(shù)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(yōu)于1mm/s)。

激光雷達(dá)對目標(biāo)的角跟蹤可采用圓錐掃描法和單脈沖法。激光雷達(dá)向目標(biāo)飛行器發(fā)射激光信

號,經(jīng)目標(biāo)反射回來,通過光學(xué)系統(tǒng)投射到四象限光電探測器上。如果目標(biāo)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(jīng)處理后得到相應(yīng)角

誤差信號,從而得到兩個飛行器的相對方位角和仰角。

現(xiàn)在,激光雷達(dá)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(tài)。激光測距

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

器實現(xiàn)。

光學(xué)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(biāo)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(jù)安裝在目標(biāo)飛行器上特

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

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

行器對接口垂直的平面內(nèi)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(biāo)飛

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

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(biāo)飛行器

對接口平面內(nèi)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(biāo)飛

行器對接口處根據(jù)需要任意布局。

根據(jù)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(tǒng)的激光

雷達(dá)測量相對姿態(tài)的主要方法是直接照射法:在激光雷達(dá)上安裝CCD照相機(響應(yīng)波長為800nm

和850nm),采用寬發(fā)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(biāo)飛行器上的邊角反射器陣列(吸收800nm,反射850nm),然后根據(jù)CCD相機上成像的光點或圖

像,經(jīng)數(shù)據(jù)處理成為相對距離和姿態(tài)[2]。隨著CCD面陣的像素增多,數(shù)據(jù)處理和軟件的改善,這種

方法可以獲得較高精度。

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

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

數(shù)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(shè)備量來說,減少設(shè)備總會受到總體設(shè)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(shù)值誤差也

是影響測量結(jié)果的一個重要因素。

450電子科技大學(xué)學(xué)報第28卷

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

3結(jié)束語

激光雷達(dá)在空間交會對接應(yīng)用方面,不僅可以作為遠(yuǎn)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(dá)相比,它具有以下特點:1)窄波束:用實際可實現(xiàn)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(dá)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(dá)工作頻率高,從而提高了多普勒測量

的靈敏度;4)固態(tài)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(tài)角。

另外,激光雷達(dá)還可以做到無機械運動機構(gòu),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(dá)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(xiàn)

1林來興.空間交會對接.北京:國防工業(yè)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(fù)合式激光雷達(dá).航天控制,1992,4:41～47

4KachmarPM,ChuW,PoluchkoRJ.激光導(dǎo)航敏感器在自動交會中的應(yīng)用.控制工程,1996,4:26～29

5PhilipCalhoun.Asolutiontotheproblemofdeterminingtherelative6DOFstateforspacecraftautomated

rendezvousanddocking.SPIE,1995,2466:175～184

6吳健.激光雷達(dá)—機遇與挑戰(zhàn).電子科技大學(xué)學(xué)報,1994,23(增):1～7

7林來興.自主交會對接測量系統(tǒng)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

第4期楊春平等:激光雷達(dá)在空間交會對接中的應(yīng)用451