交会对接及传感器技术课件.ppt

1、交会对接与传感器技术交会对接与传感器技术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对接简介l“交会”即是两航天器，在预定的时间，抵达一定的轨道和空间；l“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。l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。交会对接简介交会对接简介l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 “抓手-碰撞锁”式神

2、舟八号和天宫一号神舟八号和天宫一号所采用的对接装置所采用的对接装置“异体同构周边异体同构周边”式对接装置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。中国的对接装置交会对接过程交会对接过程 调相 导引 接近 对接：捕获、缓冲、拉近、锁紧 交会对接过程交会对接过程调相调相l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。交会对接过程交会对接过程导引导引l在导引阶段，追踪

3、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15100千米)。l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0.51千米)，由此开始最后接近和停靠。交会对接过程交会对接过程接近接近l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31米/秒。追l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测量系统精确测量两个航天器的距离、

4、相对距离、相对速度和姿态速度和姿态，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。交会对接过程交会对接过程对接对接l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。l在对接合拢前关闭发动机，以0.150.18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。交会对接过程中应用的传感

5、器技术交会对接过程中应用的传感器技术l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测量系统精确测量两个航天器的距离、相对速度和姿态距离、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。l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l精确测量两个航天器的距离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

6、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。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l精确测量两个航天器的相对速度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G

7、PS传感器测速。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l精确测量两个航天器的姿态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。测距位移传感器测距位移传感器激光雷达激光雷达l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

8、光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。测距位移传感器测距位移传感器激光雷达激光雷达l基本原理基本原理：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。测距位移传感器测距位移传感器激光雷达激光雷达l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

9、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。测距位移传感器测距位移传感器激光雷达激光雷达l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。lD=ct/2 l式中：lD测站点A、B两点间距离；lc光在大气中传播的速度；lt光往返A、B一次所需的时间。l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。l。测距位移传感器测距位移传感器激光雷达激光雷达l特

10、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：l（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。测距位移传感器测距位移传感器激光雷达激光雷达（2）隐蔽性好、抗有源干扰能力强 激光直线传播、方向性好、光

11、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。测距位移传感器测距位移传感器激光雷达激光雷达（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

12、雷达强了许多。测距位移传感器测距位移传感器激光雷达激光雷达l（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。测距位移传感器测距位移传感器激光雷达激光雷达缺点：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10.6m的co2激光，是所有激光中大气传输性能较好的,

13、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1020km,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。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

14、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。参考文献l1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l2朱仁璋 航天器交会对接技术 国防工业出版社 2007年10月l3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l4郝岩 航天测控网 国防工业出版社 2004年1月l5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l6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