航天器交会对接技术大作业

《航天器交会对接技术》 课程大作业
题目：交会对接相对导航方案设计 姓名： 学号：
2015 年 1 月
目录
一、绪论................................................................................................................ 3 1.1 基本概念.................................................................................................. 3 1.2 阶段划分.................................................................................................. 3 1.3 系统介绍.................................................................................................. 4 1.4 国内外技术概况...................................................................................... 5 1.美国交会对接测量技术..................................................................... 6 2.苏联/俄罗斯交会对接测量技术 ....................................................... 7 3.欧洲空间局交会对接测量技术......................................................... 7 4.日本交会对接测量技......................................................................... 8 1.5 测量系统的特点：.................................................................................. 9 1.6 交会对接测量技术发展趋势.................................................................. 9 二、导航方案设计.............................................................................................. 11 2.1 测量系统配置原则................................................................................ 11 2.2 交会对接各测量阶段精度要求............................................................ 11 2.3 交会对接全过程导航方案设计............................................................ 11 三、C-W 双脉冲制导 ......................................................................................... 14 3.1 C-W 方程 ............................................................................................... 14 3.2.C-W 双脉冲制导求解 ........................................................................... 15
交会对接技术逐步向着尽量减少航天员的在轨操作，实现自动交会对接；另一方 面是尽量减少对地面站的依赖， 实现自主交会对接。 下面重点介绍苏联 （俄罗斯） 、 美国、欧空局以及日本在空间交会对接有关测量技术方面的研究概况 1.美国交会对接测量技术 1965 年 12 月 15 日，美国―双子星座‖6 号和 7 号飞船在航天员参与下，实现 了世界上第一次有人空间交会。 这两艘飞船在不同轨道上并列飞行，两艘飞船的 间距保持在 1.83 至 3.05 之间，距离地球达 312 公里。美国为双子星座飞船研制 的测量传感器是 L 波段微波雷达。它采用脉冲测距和相位单脉冲比幅技术实现 角跟踪，目标航天器上装有 应答机，在低功率条件下获得较大的作用距离 （150m～460km） 。系统采用了具有 70°× 70°覆盖空域的天线来发射非相干脉 冲。应答机根据接收的询问脉冲，发射一个频率上有偏移，时间上有延迟的应答 脉冲， 由于异频转发使雷达频率的表面发射回波得到抑制。同时在飞船上装有光 学设备——目视瞄准仪。 航天员根据仪表盘上的显示结果和光学瞄准器的目视结 果，以手控方式进行交会对接。 20 世纪 70 年代初， 在阿波罗飞船登月过程中， 登月舱与指令-服务舱的交会 对接采用了 X 频段单脉冲比幅式连续波交会雷达， 作用距离为 740km～24m， 能 测出登月舱相对指令-服务舱之间的距离、距离变化率、角度和角度变化率。交 会雷达天线部件上的陀螺稳定天线孔径视线不受登月舱运动而改变， 因此保证了 角速度的精确测量。 在 300m 以内的近距离时， 为了增强航天员捕获目标的能力， 并且能粗略估算相对姿态， 航天器上安装了不同颜色对准灯和目标对准十字交叉 仪。同时也安装了光学瞄准器，以解决 150m 时航天员的手控对接。 在以上交会对接测量系统中，微波雷达用于远距离测量，目标光学瞄准器或 电视摄像仪用于进距离测量， 并要求航天员参与操作和控制。 随着国际空间站的 建设和航天飞机的研制和使用，美国多次完成了航天飞机与空间站的交会对接。 航天飞机上用于交会对接和通信的是 Ku 频段脉冲多普勒雷达，通过测量脉冲往 返时间确定距离，用载波多普勒频移测量速率，用单脉冲比幅测量角度，用天线 基座的陀螺测量角度率。 这种雷达除完成交会对接测量功能外，还具有通信和导 航功能。 20 世纪 90 年代以来，随着美国航天军事活动日益频繁以及航天系统复杂程 度的进一步提高， 美国大力发展了自主交会对接技术。 具有代表性的项目就是―实 验卫星系统‖（XSS） 、―自主交会对接演示‖（DART）卫星和―轨道快车‖（Orbital
1.2 阶段划分：
飞行器空间交会对接可分为运载火箭上升段和追踪飞行器交会对接飞行段 两个阶段。火箭发射前，地面测控系统要精确地测定目标飞行器轨道，必要时还 要调整其轨道。火箭发射控制人员依据所提供的目标飞行器精密输入轨道数据，
进行火箭控制参数设计和计算， 火箭按预定程序自主飞行，将追踪飞行器送入与 目标飞行器共面、满足入轨轨道高度和两飞行器相位差要求的初始轨道。 从追踪航天器入轨后开始， 交会对接飞行阶段一般分为： 远距离导引段、 寻 的段、接近段、平移靠拢段、对接段、组合体飞行段和撤离段，其中寻的段、接 近段和平移靠拢段一起称为自主控制段。图 1-1 为 V-bar 交会对接飞行阶段划分 示意图：
1.4 国内外技术概况
美国和前苏联从 20 世纪 60 年代初就开始研究交会对接技术。迄今为止，美 苏（俄）已经进行了 230 多次交会对接。目前交会对接技术主要向自主和自动方 向发展。 除了美国和俄罗斯继续大力发展交会对接技术外，欧洲和日本也在积极 开展交会对接技术的研究工作， 欧空局于 2008 年 3 月成功进行了 ATV 与国际空 间站的交会对接。由于交会对接技术难度很大，所以尽管采取了各种措施，失败 仍时有发生。仅以苏联的联盟号飞船为例，到 1992 年底共发射 95 艘，在交会对 接时出故障的就有 3、15、23、25、33、T8 等 6 次。 自 20 世纪 60 年代美国双子星座 8 号飞船与阿金纳号火箭在世界上首次实现 空间交会对接至今已有近 50 年的历史。 伴随着交会对接技术的不断发展和完善， 作为交会对接系统的关键技术之一的测量技术也得到了很大的发展。 特别是随着 计算机技术、信息处理技术、光学成像技术以及激光技术的应用发展，促使空间
交换的必要信息外， 追踪器地面控制只需要得到目标器的精确轨道参数。在近距 离导引段开始自主控制后， 追踪器和目标器开始需要频繁交换数据。 在这一阶段， 追踪器和目标器必须建立空空通信链路，接近轨迹必须满足安全性要求。在进入 接近走廊后，必须建立包含追踪器、目标器和地面控制中心的控制体系结构，明 确各参与方的控制优先权。地面控制中心应该具有最高控制权。 本文主要对自主交会对接系统进行分析， 其中涉及的关键技术是自主相对测 量技术。高精度测量是自主相对测量技术的关键。在交会对接飞行任务中，追踪 飞行器可能需要进行绕飞，以及从后向、前向和径向等不同方向进行交会对接， 要求相对测量敏感器精度高、 作用距离大和视场范围宽。 相对测量敏感器的技术 在一定程度上决定了交会对接飞行的自主能力和技术水平。 交会对接相对测量敏感器通常分为远场和近场敏感器两类。 远场敏感器一般 作用距离为上百千米到百米量级，用于交会对接寻的段和接近段。近场敏感器一 般作用距离为几百米到零距离接触， 用于交会对接的近距离接近段和平移靠拢段。 远场敏感器通常指要求测量目标飞行相对追踪飞行的位置和速度， 而近场敏感器 要求测量二者的相对方位和姿态。 用于交会对接测量的手段包括卫星导航、 微波、 激光和光学成像等。 交会对接测量设备是交会对接任务成功的关键， 在每个飞行阶段都应该有冗 余备份，并且能适应空间环境要求。采用高精度的光学测量敏感器时，需要特别 关注阳光干扰的抑制问题。
图 1-1 V-bar 交会对接飞行阶段划分示意
图 1-2 交会对接任务的系统组成
1.3 系统介绍
如图 1-2 为交会对接任务的系统组成示意图， 交会对接任务如果有地面的支 持，将会大大降低系统复杂度，提高安全和成功概率。由于地面测控网的覆盖范 围有限， 交会对接追踪航天器必须具有一定的自主控制能力，能够在目标航天器 附近进行自主控制。 追踪航天器和目标航天器的地面控制中心可以单独设立，也 可以联合设立。在发射和调相阶段，追踪器和目标器可以单独控制。除了要相互