空间交会对接激光雷达关键技术分析

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1、空间交会对接激光雷达关键技术分析基金项目：航天五院创新基金（CAST200710），航空科学基金（20070151002）作者简介：李丽（1970-），女，辽宁北镇县人，副教授。主要从事激光成像，光电探测等方面研究。Email:lili2005@buaa.edu.cn李丽，任熙明（北京航空航天大学电子信息工程学院，北京100083）摘要：结合美国AOS公司的AVGS和WA-LRF，美国Sandia国家实验室的LDRI及加拿大Neptec公司的TriDAR三个实用系统，详细分析了国外空间交会对接激光雷达关键技术及其相应算法，对比指出不同系统的优缺

2、点。在此基础上提出了采用基于APD阵列的三维成像激光雷达用于空间交会对接，为发展空间技术提供参考。关键字：交会对接；激光雷达；飞行时间法。AnalysisofRVDLIDAR’skeytechnologiesLili,Renxi-ming(BeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsInstituteofElectronicsandInformationEngineering,Beijing100083)Abstract:ThekeytechnologyoftherendezvousLIDARand

3、theiralgorithmsbasingonAVGSandWA-LRFofAOSIncinUSA,LDRIofSandiaNationalLaboratoriesandTriDARofNeptecIncinCanadaisdisceibedinthispaper.Itprovidesinformationforthedevelopmentofspacetechnologywiththeadvantagesanddisadvantagesofthesedifferentsystems。The3DlidarbasedonAPDarrayforRV

4、Dissuggested.Keyword:Aendezvousanddocking;LIDAR;TOF.中图分类号：TN958.9840引言空间交会对接(RVD，Rendezvousanddocking)，包含空间交会和空间对接两个过程，其中空间交会指两个或两个以上的飞行器在空间轨道上按预定位置和时间相会，空间对接是指两个飞行器在空间轨道上相会后在机械结构上连成一个整体。空间交会对接是实现航天站、航天飞机、太空平台和空间运输系统的太空装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨道上服务的先决条件。空间交会对接测量技术[1,2]主要对两个或多个

5、航天器在交会对接时的相对轨道位置、速度和姿态角等参数进行测量。激光雷达在交会对接应用方面起到重要作用，不仅可作为远距离交会测量手段，也可以作为近距离交会对接系统。由于外层空间应用激光雷达不存在大气的影响问题，同时由于激光本身的波束窄、相干性好、工作频率高等优点，激光雷达能在交会阶段直到对接的整个过程(20km～0m)中提供高精度的相对距离、速度、角度和角速度的精确测量，因此它既能用于目前的自动寻的、接近和最后的手动逼近操作过程，又能为无人交会对接任务提供自主导航的扩展功能。空间交会对接的主要研究者是美国、苏联/俄罗斯、欧空局以及日本等。随着传感

6、器技术发展和新颖跟踪算法的出现，产生了一些主动交会对接的新方法，然而还保留着多系统结构。因而仅在一个系统内就能实现在所有距离范围内进行目标跟踪显得非常迫切。这样的系统可分为两大类：第一类需要预先在目标上安装跟踪部件。如角反射镜；第二类则不需要。第一类系统易于获取信号和实现高速数字处理，但要求有合作目标。第二类系统相对灵活且得到广泛应用，但对跟踪传感器和软件要求苛刻，是新一代跟踪系统的研究重点。文中结合美国AOS公司的AVGS和WA-LRF组件，美国Sandia国家实验室的LDRI及加拿大Neptec公司的TriDAR，分析了目前空间交会对接激光

7、雷达关键技术。其中AVGS和WA-LRF组件属于第一类系统，LDRI和TriDAR属于第二类系统。41美国AOS公司先进视频制导系统AVGS和广角激光测距仪组件WA-LRF2004年，AOS公司将AVGS和WA-LRF传感器组件[3,4]成功应用于DART项目，其能提供5km内的距离与方位信息以及300m范围内的6自由度信息。这一传感器组件基于激光光学系统，由AVGS和WA-LRF组成，重量小于40lbs，外形尺寸小于12"×10"×18"。其中AVGS为视场（FOV）达16°的单稳态激光收发器，由脉冲激光光源，焦阑透镜和高分辨CMOS成像器组

8、成，其成像器采用PhotobitPB1024,读取数据速度达150帧/秒，处理时间为5.5ms。WA-LRF为视场（FOV）达8°的双向收发器，整合了