交會(huì)對(duì)接及傳感器技術(shù)課件

1、交會(huì)對(duì)接與傳感器技術(shù)交會(huì)對(duì)接與傳感器技術(shù)交會(huì)對(duì)接與傳感器技術(shù)1、整體介紹交會(huì)對(duì)接2、應(yīng)用的傳感器技術(shù)3、測(cè)距傳感器激光雷達(dá)交會(huì)對(duì)接與傳感器技術(shù)1、整體介紹交會(huì)對(duì)接交會(huì)對(duì)接簡(jiǎn)介“交會(huì)”即是兩航天器，在預(yù)定的時(shí)間，抵達(dá)一定的軌道和空間；“對(duì)接”即是使兩航天器連接在一起。在空間預(yù)定軌道上運(yùn)行目標(biāo)飛行器，去追蹤飛行器交會(huì)對(duì)接。航天器對(duì)接裝置是用來實(shí)現(xiàn)航天器之間對(duì)接、連接與分離的裝置。通過它，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)航天器機(jī)械、電氣、液路的連接。二者通過對(duì)接組成軌道復(fù)合體后， 可實(shí)現(xiàn)人員、物資的轉(zhuǎn)移。 交會(huì)對(duì)接簡(jiǎn)介“交會(huì)”即是兩航天器，在預(yù)定的時(shí)間，抵達(dá)一定的軌交會(huì)對(duì)接簡(jiǎn)介目前已有的對(duì)接裝置主要有： “環(huán)-錐”式

2、“桿-錐”式 “異體同構(gòu)周邊”式 “抓手-碰撞鎖”式神舟八號(hào)和天宮一號(hào)所采用的對(duì)接裝置 交會(huì)對(duì)接簡(jiǎn)介目前已有的對(duì)接裝置主要有：神舟八號(hào)和天宮一號(hào)所“異體同構(gòu)周邊”式對(duì)接裝置工作方式：當(dāng)兩個(gè)航天器接近時(shí)，三塊導(dǎo)向瓣分別插入對(duì)方的導(dǎo)向瓣空隙處。對(duì)接框上的鎖緊機(jī)構(gòu)使兩個(gè)航天器保持剛性連接。“異體同構(gòu)周邊”式對(duì)接裝置工作方式：中國(guó)的對(duì)接裝置中國(guó)的對(duì)接裝置交會(huì)對(duì)接過程 調(diào)相 導(dǎo)引 接近 對(duì)接：捕獲、緩沖、 拉近、鎖緊 交會(huì)對(duì)接過程 調(diào)相 交會(huì)對(duì)接過程調(diào)相在太空中遨游的天宮一號(hào) 要“降軌調(diào)相”， 從飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換成對(duì)接狀態(tài)，并把各項(xiàng)指標(biāo)調(diào)整到最佳狀態(tài)，溫度調(diào)整到20度，壓力調(diào)整到人體適宜的壓力（以實(shí)現(xiàn)人員、

3、物資的轉(zhuǎn)移 ），而且還要調(diào)轉(zhuǎn)方向，靜候?qū)拥淖罴褧r(shí)刻。交會(huì)對(duì)接過程調(diào)相在太空中遨游的天宮一號(hào) 要“降軌調(diào)相”，交會(huì)對(duì)接過程導(dǎo)引在導(dǎo)引階段，追蹤航天器在地面控制中心的操縱下，經(jīng)過5次變軌機(jī)動(dòng)，進(jìn)入到追蹤航天器上的敏感器能捕獲目標(biāo)航天器的范圍(一般為15100千米)。 在自動(dòng)尋的階段，追蹤航天器根據(jù)自身的微波和激光敏感器測(cè)得的與目標(biāo)航天器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，自動(dòng)引導(dǎo)到目標(biāo)航天器附近的初始瞄準(zhǔn)點(diǎn)(距目標(biāo)航天器0.51千米)，由此開始最后接近和?？?。 交會(huì)對(duì)接過程導(dǎo)引交會(huì)對(duì)接過程接近追蹤航天器首先要捕獲目標(biāo)的對(duì)接軸，當(dāng)對(duì)接軸線不沿軌道飛行方向時(shí)，要求追蹤航天器在軌道平面外進(jìn)行繞飛機(jī)動(dòng)，以進(jìn)入對(duì)接走廊，此時(shí)

4、兩個(gè)航天器之間的距離約100米，相對(duì)速度約31米/秒。追蹤航天器利用由攝像敏感器和接近敏感器組成的測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)航天器的距離、相對(duì)速度和姿態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)，使之沿對(duì)接走廊向目標(biāo)最后逼近。 交會(huì)對(duì)接過程接近追蹤航天器首先要捕獲目標(biāo)的對(duì)接軸，當(dāng)對(duì)接交會(huì)對(duì)接過程對(duì)接對(duì)接就像火車車廂之間的掛鉤連接，航天器對(duì)接也是這樣的過程，只是更加復(fù)雜，更有難度，要讓兩個(gè)重達(dá)8噸的航天器嚴(yán)絲合縫，對(duì)精度有著非常高的要求。兩個(gè)8噸重的飛行器高精度對(duì)接，就像靶場(chǎng)射擊，對(duì)接機(jī)構(gòu)中小到指甲大小的齒輪和針頭大小的接口都要嚴(yán)絲合縫。在對(duì)接合攏前關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，以0.150.18米/秒的?？克俣扰c目標(biāo)相撞，最后利用異

5、體同構(gòu)周邊對(duì)接裝置的抓手、緩沖器、傳力機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)使兩個(gè)航天器在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)硬連接，完成信息傳輸總線、電源線和流體管線的連接。 交會(huì)對(duì)接過程對(duì)接對(duì)接就像火車車廂之間的掛鉤連接，航天器對(duì)交會(huì)對(duì)接過程中應(yīng)用的傳感器技術(shù)在“接近”步驟中，追蹤航天器利用由攝像敏感器和接近敏感器組成的測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)航天器的距離、相對(duì)速度和姿態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)，使之沿對(duì)接走廊向目標(biāo)最后逼近。應(yīng)用的傳感器包括GPS、RGPS、激光雷達(dá)、CCD等。交會(huì)對(duì)接過程中應(yīng)用的傳感器技術(shù)在“接近”步驟中，追蹤航天器利交會(huì)對(duì)接過程中應(yīng)用的傳感器技術(shù)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)航天器的距離 ： 在航天測(cè)控網(wǎng)中，除了返回軌道段“黑障區(qū)”的測(cè)

6、量用反射式跟蹤外（單脈沖雷達(dá)或相控陣?yán)走_(dá)），其他所有軌道段測(cè)量都是在航天器應(yīng)答機(jī)配合下完成的。我們將測(cè)距基帶信號(hào)分為2類：一類是脈沖雷達(dá)信號(hào)；另一類是多測(cè)音信號(hào)、偽隨機(jī)碼信號(hào)、復(fù)合偽碼和音-碼混合信號(hào)。前者對(duì)應(yīng)的是單脈沖雷達(dá)測(cè)距技術(shù)，后者對(duì)應(yīng)的是連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)。二者都利用了無線電波在均勻介質(zhì)中傳播速度恒定且瞬時(shí)相位與傳播距離呈線性關(guān)系的基本原理。 或者應(yīng)用位置傳感器全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)GPS。交會(huì)對(duì)接過程中應(yīng)用的傳感器技術(shù)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)航天器的距離 ：交會(huì)對(duì)接過程中應(yīng)用的傳感器技術(shù)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)航天器的相對(duì)速度 ： 廣泛應(yīng)用于航天測(cè)控網(wǎng)中的是連續(xù)波測(cè)速系統(tǒng)。連續(xù)波測(cè)速按高穩(wěn)定度振蕩源所在位置分為單

7、向測(cè)速和雙向測(cè)速，單向測(cè)速的振蕩源安裝在航天器上，雙向測(cè)速的振蕩源配置在測(cè)控站。 應(yīng)用多普勒效應(yīng)速度傳感器，或采用基于位置和時(shí)間傳感器的方法測(cè)量相對(duì)速度，例如GPS傳感器測(cè)速。交會(huì)對(duì)接過程中應(yīng)用的傳感器技術(shù)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)航天器的相對(duì)速度 交會(huì)對(duì)接過程中應(yīng)用的傳感器技術(shù)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)航天器的姿態(tài) ： 航天器姿態(tài)測(cè)量技術(shù)是由裝載在航天器上的姿態(tài)敏感器測(cè)量本體坐標(biāo)系的角運(yùn)動(dòng)或測(cè)量本體坐標(biāo)系的地球、太陽兩個(gè)方向角實(shí)現(xiàn)的。所以，飛行器姿態(tài)測(cè)量器件包括慣性平臺(tái)和地球敏感器、太陽敏感器等。 慣性平臺(tái)通常采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，由固定在本體坐標(biāo)系上的三個(gè)正交安裝的測(cè)速積分陀螺和三個(gè)正交安裝的線加速計(jì)及導(dǎo)航計(jì)算機(jī)組成

8、。交會(huì)對(duì)接過程中應(yīng)用的傳感器技術(shù)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)航天器的姿態(tài) ：測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)組成 ： 它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)組成 ： 它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)基本原理 ： 激光雷達(dá)最基本的工作原理與無線電雷達(dá)沒有區(qū)別，即由雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測(cè)量反射光的運(yùn)行時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。 至于目標(biāo)的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)距離，并計(jì)算其變化率而求得速度，這也是直接探測(cè)型

9、雷達(dá)的基本工作原理。 測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)基本原理 ：測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)脈沖法：測(cè)距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測(cè)量物體的反射后又被測(cè)距儀接收，測(cè)距儀同時(shí)記錄激光往返的時(shí)間。光速和往返時(shí)間的乘積的一半，就是測(cè)距儀和被測(cè)量物體之間的距離。脈沖法測(cè)量距離的精度是一般是在+/- 1米左右。另外，此類測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)一般是15米左右。 測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)脈沖法：測(cè)距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測(cè)量測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)激光測(cè)距是光波測(cè)距中的一種測(cè)距方式，如果光以速度c在空氣中傳播在A、B兩點(diǎn)間往返一次所需時(shí)間為t，則A、B兩點(diǎn)間距離D可用下列表示。 D=ct/2 式中： D測(cè)站點(diǎn)A、B兩點(diǎn)間距離； c光在大氣中

10、傳播的速度； t光往返A(chǔ)、B一次所需的時(shí)間。 由上式可知，要測(cè)量A、B距離實(shí)際上是要測(cè)量光傳播的時(shí)間t，根據(jù)測(cè)量時(shí)間方法的不同，激光測(cè)距儀通?？煞譃槊}沖式和相位式兩種測(cè)量形式。典型的是WILD的DI-3000、真尚有的LDM30X 。 。測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)激光測(cè)距是光波測(cè)距中的一種測(cè)距方式測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)特點(diǎn)：與普通微波雷達(dá)相比,激光雷達(dá)由于使用的是激光束,工作頻率較微波高了許多,因此帶來了很多特點(diǎn),主要有： （1）分辨率高 ： 激光雷達(dá)可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是說可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個(gè)目標(biāo)(這是微波雷達(dá)無論如何也辦不

11、到的),并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)；距離分辨率可達(dá)0.lm；速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi)。距離和速度分辨率高,意味著可以利用距離多譜勒成像技術(shù)來獲得目標(biāo)的清晰圖像。分辨率高,是激光雷達(dá)的最顯著的優(yōu)點(diǎn),其多數(shù)應(yīng)用都是基于此。 測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)特點(diǎn)：與普通微波雷達(dá)相比,激光雷達(dá)測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)（2）隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng) 激光直線傳播、方向性好、光束非常窄,只有在其傳播路徑上才能接收到，因此敵方截獲非常困難，且激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)(發(fā)射望遠(yuǎn)鏡)口徑很小,可接收區(qū)域窄，有意發(fā)射的激光干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)的概率極低；另外，與微波雷達(dá)易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同，自然界中能對(duì)激光雷達(dá)

12、起干擾作用的信號(hào)源不多，因此激光雷達(dá)抗有源干擾的能力很強(qiáng),適于工作在日益復(fù)雜和激烈的信息戰(zhàn)環(huán)境中。 測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)（2）隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng)測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)（3）低空探測(cè)性能好 微波雷達(dá)由于存在各種地物回波的影響,低空存在有一定區(qū)域的盲區(qū)(無法探測(cè)的區(qū)域)。而對(duì)于激光雷達(dá)來說,只有被照射的目標(biāo)才會(huì)產(chǎn)生反射,完全不存在地物回波的影響，因此可以零高度工作，低空探測(cè)性能較微波雷達(dá)強(qiáng)了許多。 測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)（3）低空探測(cè)性能好 測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)（4）體積小、質(zhì)量輕 通常普通微波雷達(dá)的體積龐大，整套系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)以噸記，光天線口徑就達(dá)幾米甚至幾十米。而激光雷達(dá)就要輕便、靈巧

13、得多,發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的口徑一般只有厘米級(jí),整套系統(tǒng)的質(zhì)量最小的只有幾十公斤，架設(shè)、拆收都很簡(jiǎn)便。而且激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維修方便，操縱 容易，價(jià)格也較低。 測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)（4）體積小、質(zhì)量輕 測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)缺點(diǎn)： 首先，工作時(shí)受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠(yuǎn)。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。如工作波長(zhǎng)為10.6m的co2激光，是所有激光中大氣傳輸性能較好的,在壞天氣的衰減是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷達(dá)的作用距離,晴天為1020km,而壞天氣則降至1 km以內(nèi)。而且,大氣環(huán)流還會(huì)使激光光束發(fā)生畸變、抖動(dòng)

14、，直接影響激光雷達(dá)的測(cè)量精度。 其次，由于激光雷達(dá)的波束極窄,在空間搜索目標(biāo)非常困難，直接影響對(duì)非合作目標(biāo)的截獲概率和探測(cè)效率,只能在較小的范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo)，因而激光雷達(dá)較少單獨(dú)直接應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和搜索。 測(cè)距位移傳感器激光雷達(dá)缺點(diǎn)：結(jié)語 “天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器與“神州八號(hào)”飛船實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，為我國(guó)突破和掌握航天器空間交會(huì)對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)，初步建立長(zhǎng)期無人在軌運(yùn)行、短期有人照料的載人空間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展空間應(yīng)用、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，以及建設(shè)載人空間站奠定了基礎(chǔ)，積累了經(jīng)驗(yàn)。在神舟八號(hào)飛赴“天宮”之約的漫漫行程中，每一個(gè)重要關(guān)節(jié)點(diǎn)上都需要測(cè)控系統(tǒng)的“精控秒測(cè)”，而各種傳感器的應(yīng)用也是測(cè)控系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。整個(gè)科研團(tuán)隊(duì)的刻苦攻關(guān)，提供了完善的技術(shù)保障，最終實(shí)現(xiàn)了“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器與“神州八號(hào)