交会对接及传感器技术

交会对接过程——对接

对接就像火车车厢之间的挂钩连接，航天器对接也是这样的过程， 只是更加复杂，更有难度，要让两个重达8吨的航天器严丝合缝， 对精度有着非常高的要求。两个8吨重的飞行器高精度对接，就 像靶场射击，对接机构中小到指甲大小的齿轮和针头大小的接口 都要严丝合缝。 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。
参考文献





[1]张柏楠 《航天器交会对接任务分析与设计》 科学出版社 2011 年5月20日 [2]朱仁璋 《航天器交会对接技术》 国防工业出版社 2007年10 月 [3]唐国金、罗亚中、张进 《空间交会对接任务规划》 科学出版 社 2008年1月 [4]郝岩 《航天测控网》 国防工业出版社 2004年1月 [5]赵天池 《传感器和探测器的物理原理和应用》 科学出版社 2008年5月 [6]樊尚春、吕俊芳、张庆荣、闫蓓 《航空测试系统》 北京航空 航天大学出版社2005年4月
交会对接过程
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调相 导引 接近 对接：捕获、缓冲、 拉近、锁紧
交会对接过程——调相

在太空中遨游的天宫一号 要“降轨调相”， 从飞行状态转换成对接状态，并把各项指标调 整到最佳状态，温度调整到20度，压力调整到 人体适宜的压力（以实现人员、物资的转 移 ），而且还要调转方向，静候对接的最佳 时刻。
结语
“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。
交会对接过程——导引
在导引阶段，追踪航天器在地面控制中心的操纵下， 经过5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。
交会对接与传感器技术
交会对接与传感器技术
1、整体介绍交会对接 2、应用的传感器技术 3、测距传感器——激光雷达
交会对接简介

“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。
交会对接过程中应用的传感器技术

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。
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交会对接过程中应用的传感器技术


在“接近”步骤中，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。
交会对接过程中应用的传感器技术
交会对接过程中应用的传感器技术

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。


交会对接过程——接近


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。
测距位移传感器——激光雷达

组成 ： 它由激光发 射机、光学接收机、 转台和信息处理系统 等组成，激光器将电 脉冲变成光脉冲发射 出去，光接收机再把 从目标反射回来的光 脉冲还原成电脉冲， 送到显示器。
测距位移传感器——激光雷达

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。
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。

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。
测距位移传感器——激光雷达
（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。

（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。
测距位移传感器——激光雷达
测距位移传感器——激光雷达

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。




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 。 。
交会对接简介

目前已有的对接装置主要有： “环-锥”式 “杆-锥”式 “异体同构周边”式←神舟八号和天宫一号
所采用的对接装置
“抓手-碰撞锁”式
“异体同构周边”式对接装置
工作方式： 当两个航天器接 近时，三块导向 瓣分别插入对方 的导向瓣空隙处。 对接框上的锁紧 机构使两个航天 器保持刚性连接。
[中国的对接装置]
测距位移传感器——激光雷达

脉冲法：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。
测距位移传感器——激光雷达
测距位移传感器——激光雷达
（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。
测距位移传感器——激光雷达