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空间交会激光雷达APT捕获技术及仿真

冯国柱  
【摘要】: 随着我国航空航天事业的迅猛发展,宇航科技已经进入了和平开发外太空的新阶段。神舟5号首次载人航天和神舟6号多人多天的飞行实验成功是我国航天事业的一个重大里程碑,标志着我国航天技术的不断成熟。下一步将要进行的是航天员出舱行走和空间交会对接实验,进而建立临时或长期有人职守的空间站。空间交会对接技术是建立空间站的关键技术之一,而空间交会激光雷达的APT技术又是空间交会中的关键也是最困难的技术之一。本文结合系统要求,对APT捕获技术作了如下研究: (1)分析了空间交会激光雷达APT系统的组成部分:包括发射扫描系统,目标反射系统,位置姿态测量系统,距离速度测量系统,以及APT控制系统单元技术。其中对几个关键部分进行了详细分析:计算了目标角反射器的激光雷达散射截面(LRCS)值,研究了QD与CCD对目标位置角度的计算方法和空间分辨率; (2)根据系统指标和要求并结合现有国内技术特点研究了APT捕获系统扫描的捕获概率问题,然后分析了几种常见的扫描方式:矩形(Raster)扫描、螺旋(Spiral)扫描,矩形螺旋(Raster Spiral)扫描,玫瑰形(Rose)扫描以及李萨如形(Lissajo)扫描; (3)对分行扫描和螺旋扫描进行了详细的仿真分析,分析了它们在不同捕获分辨角、捕获范围、振动角振幅和终端位置分布均方差时的捕获概率、捕获时间与系统常数之间的关系。结合二者的优点将分行式螺旋扫描在激光雷达系统中的应用进行了计算机仿真,并对其进行了系统仿真分析。总结各种扫描方式的特点,对目标逃逸特点进行优化设计,采用了一种实用的六边形扫描方式,并进行仿真计算。结果表明:六边形(hexagon)扫描方式比分行式螺旋矩形扫描方式的扫描效率提高了11.1%; (4)分析了各种情况对捕获扫描速度的影响,并进行了仿真,得出了初步的仿真实验结果。利用Matlab/simulink和C总共编写了仿真程序65个; (5)最后利用现代DSP技术,结合系统要求设计了一套APT扫描跟踪系统,实现了APT系统的硬件电路设计,将有待更进一步的实验验证。


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