導(dǎo)語：空間交會(huì)對(duì)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(diǎn)，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(huì)對(duì)接中的應(yīng)用,討論了激光雷達(dá)作為一種交會(huì)敏感器的基本原

理及其被用于測(cè)距、測(cè)速、測(cè)角和姿態(tài)測(cè)量的具體實(shí)現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞空間交會(huì)對(duì)接;激光雷達(dá);激光應(yīng)用;激光測(cè)量

在航天器與空間站的交會(huì)和對(duì)接過程中,一般將空間站稱為“目標(biāo)飛行器”,是被動(dòng)的;將航天

器稱為“追蹤飛行器”,是主動(dòng)的。交會(huì)對(duì)接過程分為如圖1所示的三個(gè)階段[1]。

圖1交會(huì)對(duì)接飛行階段的劃分

追蹤飛行器進(jìn)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(cè)量信息和與目標(biāo)飛行器建立通信聯(lián)系,轉(zhuǎn)入自動(dòng)尋的階段?？梢?飛行器

要進(jìn)行空間對(duì)接必須先進(jìn)行交會(huì)(100km～10m),然后進(jìn)行對(duì)接(10～0m)?？臻g交會(huì)對(duì)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(huì)對(duì)接測(cè)量系統(tǒng)和敏感器的研究在當(dāng)前和今后

一段時(shí)間都是一個(gè)關(guān)鍵研究課題。

自主交會(huì)對(duì)接范圍為100km～0m,國(guó)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(duì)接敏感器(10～0m)四種不同敏感器完成全過

程交會(huì)對(duì)接測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的可*性。但是這

種測(cè)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(jī)。為了捕獲目標(biāo)飛行器和測(cè)量相對(duì)姿態(tài),一

般還裝有多部天線,整個(gè)測(cè)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(guó)、俄羅斯、歐洲空間局及日本等都在發(fā)展激光交會(huì)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(huì)雷達(dá)測(cè)量精度高、功耗小,體積也較小。

本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面入手,研究空間交會(huì)對(duì)接中的激光交會(huì)雷達(dá)系統(tǒng),揭示應(yīng)用于此領(lǐng)域

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

1國(guó)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)在60年代初期首次為“雙子星座計(jì)劃”研制微波交會(huì)雷達(dá),作用范圍為450km～150m,可

以測(cè)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(jì)算機(jī)。在阿波羅飛船

進(jìn)行登月艙和指令服務(wù)艙交會(huì)對(duì)接時(shí),采用X波段單脈沖比幅連續(xù)波雷達(dá)。美國(guó)航天飛機(jī)的交會(huì)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(shí)分方式工作。70年代美國(guó)成功研前已

經(jīng)在進(jìn)行激光交會(huì)雷達(dá)和光學(xué)敏感器等自主交會(huì)對(duì)接測(cè)量設(shè)備的研制。前蘇聯(lián)交會(huì)對(duì)接測(cè)量系統(tǒng)

基本上采用無線電測(cè)量設(shè)備———微波雷達(dá),有時(shí)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(dòng)軸的方向圖像。為使對(duì)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(huì)對(duì)接,重點(diǎn)發(fā)展激光交會(huì)雷達(dá)。歐洲空間局雖至今尚未實(shí)現(xiàn)在軌交會(huì)對(duì)接,但從80年代初

就開始研究自主交會(huì)對(duì)接測(cè)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(huì)雷

達(dá)。80年代后期日本也開始研制交會(huì)對(duì)接測(cè)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(huì)測(cè)量手段比較適合,而在中近距離上采用激光交會(huì)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(jìn)掃描機(jī)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(huì)對(duì)接全過程的測(cè)量敏感器成為

了可能。目前這些敏感器大部分還在試驗(yàn)和研制階段。

表1給出了80年代以來交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)敏感器一覽表。

表1激光雷達(dá)在空間交會(huì)對(duì)接中的應(yīng)用一覽表

系統(tǒng)名稱報(bào)道時(shí)間作用距離工作方式

激光對(duì)接系統(tǒng)美國(guó)約翰遜空間中心1986

年報(bào)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(jì)

式掃描裝置,姿態(tài)測(cè)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(bào)道

多目標(biāo)100～6m

單目標(biāo)測(cè)量6～0m

析象管為接收器件,相位式測(cè)

距,遠(yuǎn)距離用析象管測(cè)角

用于空間交會(huì)對(duì)接

的掃描激光雷達(dá)

日本東京宇航研究所1987

年報(bào)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(cè)器

用作接收器件,利用相位法測(cè)

距,用檢流計(jì)掃描裝置

用于自主交會(huì)對(duì)接

的光電敏感器

德MBB公司1983年報(bào)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(jì)

掃描裝置,姿態(tài)測(cè)量由CCD完成。

用于交會(huì)對(duì)接跟蹤

激光雷達(dá)

日本電氣、三菱電機(jī)公司

1989年報(bào)道

30km～0.2m

近距離CCD成象

GaAs激光二極管,四象限檢測(cè)

器和CCD成象,音頻測(cè)距。

交會(huì)對(duì)接光學(xué)敏感

器系統(tǒng)

日本NASDA公司1995年

報(bào)道

600～0.3m半導(dǎo)體激光連續(xù)測(cè)距

CCD成象

有源傳感器用于空

間交會(huì)對(duì)接[2]

美國(guó)NASA

1997年報(bào)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(cè)。

目前美、俄所實(shí)現(xiàn)的空間交會(huì)對(duì)接都需要宇航員的手動(dòng)介入,而在未來的許多太空任務(wù)如衛(wèi)星

服務(wù)計(jì)劃、空間站自動(dòng)補(bǔ)給、深空探索、無人飛船等,則需要無人式的自主交會(huì)對(duì)接[3]。因此美、俄、

日及歐洲空間局都在發(fā)展自主自動(dòng)交會(huì)對(duì)接測(cè)量系統(tǒng),特別是復(fù)合式激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)。

80年代以來,我國(guó)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(cè)

距、測(cè)速、定位和成像等理論模型和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),完全可以將激光技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)不久將進(jìn)行的無人自

主空間交會(huì)對(duì)接。

448電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)第28卷

2激光雷達(dá)在空間交會(huì)對(duì)接中的應(yīng)用

在實(shí)際的空間交會(huì)對(duì)接中,當(dāng)相對(duì)距離大于100m時(shí),航天員可通過機(jī)載微波交會(huì)雷達(dá)和潛望

鏡來獲得兩航天器之間的相對(duì)位置。隨著兩航天器的逼近,當(dāng)相對(duì)距離小于100m時(shí),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(cè)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(diǎn),激光雷達(dá)能在交會(huì)階段直到對(duì)接的整個(gè)過程(20km～0m)中提供高精度的相對(duì)距

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

過程,又能為未來無人交會(huì)對(duì)接任務(wù)提供自主導(dǎo)航的擴(kuò)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(hào)處理、掃描跟蹤機(jī)構(gòu)、目標(biāo)反射器

和檢測(cè)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(jī)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(jī)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(duì)象是

光束,所以機(jī)構(gòu)可作得十分精巧、細(xì)致,不象微波雷達(dá)隨動(dòng)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(gè)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(shí)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(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。

2.2在空間交會(huì)對(duì)接中的激光雷達(dá)工作原理

激光雷達(dá)的測(cè)距、測(cè)速和測(cè)角原理與微波雷達(dá)基本相同[6]。因此用于空間交會(huì)對(duì)接的激光雷達(dá)

包含連續(xù)波測(cè)距器和位置敏感器兩個(gè)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(cè)量距離和位置

的激光光束,經(jīng)極化混合光學(xué)系統(tǒng),進(jìn)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(cè)距和測(cè)位置信

息,分別把光信號(hào)調(diào)制在f1和f2,其中測(cè)距

工作頻率f1為幾MHz到幾百M(fèi)Hz,可以利

用邊帶頻率的相位延遲之差測(cè)距。圖4為其

實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。

第4期楊春平等:激光雷達(dá)在空間交會(huì)對(duì)接中的應(yīng)用449

圖4距離敏感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖中PD1、PD2和PD3為光電二極管,它

們把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。PD1檢測(cè)連

續(xù)波測(cè)距基準(zhǔn)信號(hào),PD2檢測(cè)目標(biāo)反射器

反射回來的信號(hào),兩個(gè)信號(hào)相比可得出相

位差。

激光雷達(dá)比較可*和精確的測(cè)速方

法是測(cè)量回波信號(hào)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(hào)

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(cè)出fd,利用公式v=fdc/(2f0)即可測(cè)量

目標(biāo)飛行器的相對(duì)速度,由于調(diào)制技術(shù)限制,此方法測(cè)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(jìn)一步提高靈敏度和測(cè)速精度(優(yōu)于1mm/s)。

激光雷達(dá)對(duì)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(hào),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(cè)器上。如果目標(biāo)反射回來的光信號(hào)與測(cè)

量光軸有一角偏差,則投射在光電探測(cè)器上的光斑在四個(gè)象限上的面積不同,經(jīng)處理后得到相應(yīng)角

誤差信號(hào),從而得到兩個(gè)飛行器的相對(duì)方位角和仰角。

現(xiàn)在,激光雷達(dá)也能用于最后的手動(dòng)逼近和對(duì)接階段,此時(shí)主要用來測(cè)量相對(duì)姿態(tài)。激光測(cè)距

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

器實(shí)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(jī)、紅外攝像機(jī))和安裝在目

標(biāo)器上的特征光點(diǎn)(如激光二極管或無源光點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)目和位置,有以下方法:1)三個(gè)特征光點(diǎn)在目標(biāo)飛行器對(duì)接口平面內(nèi)成等腰直角三角形

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

行器對(duì)接口垂直的平面內(nèi)成等邊三角形排列,其中一個(gè)安裝在對(duì)接軸上;4)四個(gè)特征光點(diǎn)在目標(biāo)飛

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

成等腰三角形排列,另一個(gè)安裝在對(duì)接軸上[5];6)五個(gè)特征光點(diǎn),其中四個(gè)特征光點(diǎn)在目標(biāo)飛行器

對(duì)接口平面內(nèi)成正方形排列,另一個(gè)安裝在對(duì)接軸上;7)三個(gè)不在一條直線上的特征光點(diǎn)在目標(biāo)飛

行器對(duì)接口處根據(jù)需要任意布局。

根據(jù)1997年NASA報(bào)道[5],美國(guó)馬歇爾太空飛行中心用于近距離的自主交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)的激光

雷達(dá)測(cè)量相對(duì)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(jī)(響應(yīng)波長(zhǎng)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(jī)上成像的光點(diǎn)或圖

像,經(jīng)數(shù)據(jù)處理成為相對(duì)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(cè)量精度的主要因素有:1)特征光點(diǎn)數(shù)目和布局:原則上光點(diǎn)數(shù)目越

多和光點(diǎn)與攝像機(jī)構(gòu)成的體積越大,測(cè)量精度越高;2)攝像機(jī)數(shù)目和安裝位置:從原理上說攝象機(jī)

數(shù)目越多,測(cè)量精度越高。但通常采用雙攝像機(jī)已足夠,此時(shí)可以克服光點(diǎn)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(huì)受到總體設(shè)計(jì)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(cè)量結(jié)果的一個(gè)重要因素。

450電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)第28卷

國(guó)外大量實(shí)驗(yàn)表明:相對(duì)距離越長(zhǎng),姿態(tài)測(cè)量誤差越大;在長(zhǎng)距離(>10m),測(cè)量姿態(tài)精度比測(cè)

量距離精度高;在短距離(<10m),測(cè)量距離精度比測(cè)量姿態(tài)精度高。

3結(jié)束語

激光雷達(dá)在空間交會(huì)對(duì)接應(yīng)用方面,不僅可以作為遠(yuǎn)距離交會(huì)測(cè)量手段,也可以作為近距離交

會(huì)對(duì)接敏感器。與微波雷達(dá)相比,它具有以下特點(diǎn):1)窄波束:用實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的天線孔徑,可得到極

窄的激光波束,從而提高測(cè)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(hào)帶寬,從而

提高測(cè)距的精度和測(cè)角分辨率。3)測(cè)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(cè)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(cè)量飛行器的相對(duì)姿態(tài)角。

另外,激光雷達(dá)還可以做到無機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),同時(shí)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(huì)對(duì)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(huì)對(duì)接.北京:國(guó)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(huì)對(duì)接全過程的測(cè)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(dòng)交會(huì)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(jī)遇與挑戰(zhàn).電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),1994,23(增):1～7

7林來興.自主交會(huì)對(duì)接測(cè)量系統(tǒng)和對(duì)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(huì)對(duì)接中的應(yīng)用451