航天器交会对接位姿测量最优估计
第３１卷第２期四川兵工学报２０１０年２月【武器装备】
航天器交会对接位姿测量最优估计睾
汤同伟８，王惠南ｂ，冯成涛８
（南京航空航天大学ａ．自动化学院；ｂ．高新技术学院，南京２１００１６）
摘要：航天器间的相对位姿确定是航天器编队飞行、交会与对接、捕获与维护等重大航天任务的关键技术之一．基于图像信息的相对位置与姿态的确定是解决航天器相对位置与姿态确定问题的有效方法．本文中采用四元数来描述航天器相对姿态，建立目标航天器的特征光标点的物理坐标和对应的图像点图像坐标之间的数学模型，并利用信赖域算法求解该非线性优化问题．仿真结果表明了该算法的有效性和可靠性，证明该算法能够满足交会对接航天器之间位置与姿态的测量精度的要求．
关键词：相对位姿；单目视觉；信赖域；四元数
中图分类号：Ｖ４４８文献标识码：Ａ文章编号：１００６—０７０７（２０１０）０２—０００１—０４在２个空间飞行器进行交会对接的最后阶段，通常采
用光学成像敏感器来测量跟踪飞行器和目标飞行器之间的相对位置和姿态．在目标飞行器上布设和安装光学特征点，光学特征点的几何形状、尺寸和位置已知；在跟踪飞行器上安装面阵ＣＣＤ传感器，通过对特征点在ＣＣＤ上成像的分析和计算就可以确定跟踪飞行器和目标飞行器之间的相对位置和姿态．国内外学者对该问题作了大量研究¨。７Ｊ，但经典的直接法或迭代法存在以下问题：①迭代求解和多值结果【ｌ“ｊ，后者将带来识别的困难，迭代求解的收敛性和收敛速度将极大影响测量精度，而迭代过程的收敛性和收敛速度主要取决于迭代算法和初值选取；②利用角度求航天器间的相对距离，所获得结果精度差，特别是在远距离的测量精度更差．
本研究中的方法是在目标航天器上合理设置４个非共面特征点．基于针孔成像模型的假设，根据特征点在ＣＣＤ成像平面上的投影，首先，测出每个特征像点在摄像机成像平面上的二维坐标．其次，采用四元数来描述航天器相对姿态，建立目标航天器的特征光标点的物理坐标和对应图像点图像坐标之间的数学模型，并将该数学模型（相对位姿参数）求解问题转化为非线性优化问题，最后利用信赖域算法求解该非线性优化问题．仿真结果表明该算法的有效性和可靠性，能够满足交会对接航天器测量精度要求．ｉ基于机器视觉确定位姿的基本方程
１．Ｉ坐标系
Ｉ）如图Ｉ所示，０；一Ｘｉｇ。表示像平面像物理坐标系简称（ｉ）系，其原点０。定义为相机光轴与图像平面的交点，兢轴和ｔ轴分别与图像像素的列数与行数平行．
２）０。一ｘ。ｙｃｚ。表示摄像机坐标系简称（Ｃ）系，与追踪航天器坐标系一致．其原点０。为摄像机镜头中心，０。到像平面的距离称为摄像机的焦距，，匕轴为主光轴方向，置轴与像平面象素坐标系横方向平行，ｚ。轴与像平面象素坐标系竖直方向平行，并与其它两轴构成右手系．
３）０。一‰‰％表示世界坐标系简称（埘）系，与文中的目标航天器坐标系一致．该坐标系定义在目标特征光标点上，‰轴由ｓ。指向屯；气轴在ｓ。，如，屯决定的平面内，过ｓ。并垂直于‰轴；ｙ。轴与其它两轴构成右手坐标系．摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系可以用旋转矩阵Ｒ与平移向量ｊ来描述．假设空间中某一点在（埘）系、（ｃ）系与（ｉ）系下的坐标分别是Ｐ。＝（‰，Ｙ。，气）１，Ｐ。＝（置，ｙｃ，之）１。，与Ｐ；＝（气，毛）１’，于是存在如下关系式旧１：
时㈦０㈦】戈＂扎Ｚ＿
１
其中：Ｒ为３×３正交方向余弦矩阵，用来描述（硼）系与（Ｃ）
●收稿日期：２００９—１２—１３
作者简介：汤同伟（１９８４一），男，硕士研究生，主要从事小卫星飞轮储能与姿态组合控制研究；
王惠南（１９６４一），男，教授，博士研究生导师，主要从事领域为惯性导航研究．
万方数据
空间交会对接技术详解
空间交会对接技术详解 空间交会与对接技术是指两个航天器在空间轨道上会合并在结构上连成一个整体的技术。广泛用于空间站、空间实验室、空间通信和遥感平台等大型空间设施在轨装配、回收、补给、维修以及空间救援等领域。 意义重大 空间交会与对接是载人航天活动的三大基本技术之一。所谓三大基本技术就是载人航天器的成功发射和航天员安全返回技术、空间出舱活动技术和空间交会对接技术。只有掌握它们，人类才能自由出入太空，更有效地开发宇宙资源。对于国家来说，还能独立、平等地参加国际合作。 在突破并掌握了载人航天的基本技术之后，宇宙飞船的主要用途就是为空间站和月球基地等接送航天员和物资。在航天领域专家常说的一句话是：“造船为建站，建站为应用。”至今发射的宇宙飞船大多是作为空间站的天地往返交通工具和长期停靠在空间站上的救生艇。为了实现宇宙飞船的运输功能，就必须攻克两项关键技术，那就是宇宙飞船与空间站的空间交会技术与对接技术，主要设备是交会测量系统和对接机构。 航天器之间的空间交会对接技术很复杂。在国外载人航天活动早期，航天器之间的空间交会对接过程中经常发生故障与事故，即使在1997年，俄罗斯的两个航天器还发生过一次重大的空间交会对接事故——“进步M3-4”飞船与“和平”号空间站相撞，使“和平”号空间站上的“光谱”号舱被迫关闭，部分氧气泄漏，动力系统也受到影响。 通过多年的努力，目前美国和苏联/俄罗斯已完全掌握了在地面支持下的载人交会与对接技术。尤其是苏联/俄罗斯在掌握了空间交会与对接技术以后，先后利用飞船的运输能力发展了几代载人空间站，在空间交会与对接等方面一直占据着技术优势。 虽然起步较晚，但欧洲、日本等国家在空间交会与对接研究方面已取得长足进步，特别是某些单项技术和设备，如地面仿真、对接敏感器等，都取得了惊人的进步。日本曾于1998年通过两颗卫星成功进行了无人交会与对接在轨试验，
航天器的发展史
航天器的发展史 摘要美丽的星空、浩瀚的宇宙对于人们来说充满了无限的诱惑，激励人们不停地去探索与发现。从古代的嫦娥奔月到现在的嫦娥一号升天，都寄予着人们无限的希望。随着科学技术的发展，航天器的出现使得脱离大气层飞向外太空不再是一个梦想。同时，对宇宙的探索提高了人们对大自然的认识，对人类自我的认知程度。当然也必定会带动现在社会的经济与政治发展，使得我们的社会文化与经济文化向更加多元化的方向发展。 关键词宇宙；探索与发现；科学技术的发展；航天器；经济与政治 Spacecraft Development Abstract:The beauty of the sky, the vast universe filled with infinite enticement for people,inspiring people to keep exploring and discovering.From ancient chang e to the number of now ascended into heaven, which wholly people infinite hope. With the development of science and technology, the emergence of the spacecraft made from the atmosphere to fly to the outer space is not a dream.At the same time, the exploration of the universe improved people the understanding of nature and human cognitive degree of self.Of course it also will drive the economy and society development, making our social culture and economic culture more diversified development. Keywords: Universe; Exploration and discovery; The development of science and technology; The spacecraft; Economic and political 1 航天器的概要 航天器又称空间飞行器、太空飞行器。它是卫星、飞船、空间站、航天飞机和宇宙探测器的总称。航天器是按照天体力学的规律在太空运行，执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。相传最早的试图飞天的人是中国一名叫做“万户”的人，他做了两个大风筝绑在椅子两边，并且将不少的火药绑在凳子上，然后命令仆人点燃火药，但是随着巨响，他消失在烟雾中，人类最早
非合作式自主交会对接的自适应鲁棒控制
非合作式自主交会对接的自适应鲁棒控制 作者：李斌冯云昊王强杜柳 来源：《现代电子技术》2011年第17期 摘要：研究非合作式自主交会对接的近距离接近问题，以一个翻转卫星的平面追踪问题为例子，用交会对接过程中外界干扰的估计值构造能量函数，根据Lyapunov稳定判据提出一种自适应鲁棒控制率。最后进行的数字仿真验证了该控制率是可行的，并且满足非合作式自主交会对接的高精度和抗干扰的要求。 关键词：自主交会对接；非合作目标； Lyapunov函数；自适应鲁棒控制 中图分类号：TN919.3-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)17-0163-03 Adaptive Robust Control for Approach of Autonomous Rendezvous and Docking with Non-cooperative Target LI Bin, FENG Yun-hao, WANG Qiang, DU Liu (Automation Institute of Chongqing University, Chongqing University, Chongqing 400030, China) Abstract： The proximity guidance of autonomous rendezvous and docking with non-cooperative target is researched. A planar tumbling satellite chasing problem is presented as a case study. The system energy function is constructed by means of the estimation of the external disturbances in the stage of autonomous rendezvous and docking. According to Lyapunov stability criterion, an adaptive robust control law is presented. Finally, the numerical simulation results demonstrate that the adaptive robust control law is efficient and satisfies the requirements of precise and anti-jamming in the stage of autonomous rendezvous and docking with non-cooperative target. Keywords： autonomous rendezvous and docking; non-cooperative target; Lyapunov function; adaptive robust control 0 引言 随着航天技术的快速发展和进步，空间飞行器出现功能多样化、结构复杂化和任务长期化的趋势，这就要求空间飞行器自主交汇对接成为一项不可或缺的关键技术。目前国外国内对自主交汇对接技术进行了大量的研究和实验［1-5］，如：美国NASA通过发射“自主交会技术实验卫星”(Demonstration of Autonomous Rendezvous Technology，DART)验证自主交会和轨道机
空间对接专业技术的实现
空间对接技术的实现
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： ?
转播到腾讯微博 国际空间站与哥伦布号实验舱对接（来源:《国际太空》杂志） 1．空间交会对接技术概述 空间交会对接技术是指两个航天器在空间轨道上会合并在结构上连成一个整体的技术。空间交会对接技术包括空间交会对接轨道设计技术、轨道交会控制技术、对接机构设计技术、空间交会对接测控技术等。广泛用于空间站、空间实验室、空间通信和遥感平台等大型空间设施在轨装配、回收、补给、维修以及空间救援等领域。目前为止，只有美国和俄罗斯掌握完整的交会对接技术,欧洲的ＡＴV和日本的ＨTＶ在交会对接技术方面分别得到了美国或俄罗斯的技术支持。 什么是空间交会对接 空间的两个航天器在同一时刻以同样的速度到达同一个地点的轨道控制过程及结果称做轨道交会。在空间将两个航天器对接起来形成一个航天器的事件称做空间对接。所谓空间交会对接是轨道交会和空间对接的总称。 空间交会对接技术包括空间交会对接轨道设计技术、轨道交会控制技术、对接机构设计技术、空间交会对接测控技术等。 对接过程通常分为４个阶段。两个航天器在完成交会后保持一定的距离,进入共面的相对飞行阶段。在进行下一个步骤之前,两个航天器都要确定对接姿态。当两个航天器完成了最后的对接准备以后，目标航天器(被动方）保持原状态，对接航天器(主动方）则进行主动靠近。为了保证对接的准确性，航天员（或自动对接系统）必须在确保两个航天器的对接设备处于同一直线上之后,再小心翼翼地进行对接。最初的接触会触发一些小型撞锁来连接两个航天器(软对接)，它们能够起到对接过程中的缓冲作用。在对接完成后,对接设备将两个航天器拉近紧贴在一起,一些能够进行密封连接的对接系统的对接口进行密封（硬对接)。 空间交会对接技术的作用 空间交会对接技术的作用主要体现在三个方面。一是为长期运行的空间设施提供物资补给和人员运输服务。例如,除早期试验阶段外，俄罗斯联盟号载人飞船和进步号货运飞船的全部飞行任务，以及美国航天飞机与和平号空间站及国际
航天器热防护材料的发展概述
航天器热防护材料的发展概述 载人航天的返回舱，重复使用的运载器及空天飞机等，再入大气层时，由于航天器从接近真空的外空间进入稠密的大气层，再加之飞行速度很好，在大气中以高马赫数飞行时，飞行器和弹体表面会产生严重的启动加热，将对飞行器表面产生热损伤，因此防隔热材料是飞行器最重要的关键材料之一。防隔热材料是能够阻止热量传递，保护仪器或设备正常工作的一类材料。 烧蚀类热防护材料发展历史长，技术也相对成熟，因此应用也相对广泛。例如由甲醛，环氧树脂或硅橡胶为集体的低密度烧蚀材料适用于高焓，低热流和较长时间使用条件下的飞行器防热，是宇宙飞船返回舱和星际探测器中重要的热防护材料。有的返回舱采用高密度烧蚀材料，由石棉玻璃布（大底处）或加氟特伦（侧壁处）构成烧蚀层。NASA目前正研制的“猎户座”飞船的防热罩将是一种一次性使用的烧蚀系统，可通过逐渐烧蚀来消耗掉大气再入过程中产生的高温。 传统的烧蚀材料热防护是以牺牲防热材料的质量损失换取防热的效果，但对外形不变的要求，烧蚀热防护已无能为力（？），于是提出非烧蚀的概念。对于非烧蚀（或可重复使用）的新型防护系统及材料来说，提高材料极限使用温度和高温性能，提高表面辐射，抗氧化能力，防隔热一体化和能量疏导和耗散机制的主被动结合防热成为目前的研究热点和重点。近期的一些研究表面了改性碳/碳材料，陶瓷基复合材料，超高温陶瓷材料以及新型隔热材料在热防护领域的应用前景。
碳/碳复合材料具有强度高（尤其是高温强度稳定），抗热冲击性能好，耐烧蚀性好等特点。近年来，对抗氧化碳/碳复合材料的研究主要集中在基体材料和涂层设计及其系列化发展，进一步提高强度和使用温度，提升重复使用可靠性等方面。近期美国采用多种方法大幅度提高了2D碳/碳复合材料基材的层间和面内力学性能，对抗氧化涂层系统进行深入研究，取得显著进展。抗氧化碳/碳复合材料克服了碳/碳复合材料材料本身不耐氧化的缺点，而保留了直到2500℃的超高温条件下机械性能不降反升的有点。在碳/碳复合材料表面涂覆Hfc 等难熔碳化物，可大大减低碳/碳复合材料少时率，能承受更高燃气温度或延长时间。 超高温陶瓷材料及陶瓷基复合材料材料 超高温材料指的是在高温环境下（高于2000℃）以及反应气氛中（如原子氧环境）能够保持物理和化学稳定性的一种特殊材料。包括：硼化物，碳化物以及氮化物在内的一些过度金属化合物。由高熔点硼化物，碳化物以及氧化物组成的多元复合陶瓷材料被称为超高温陶瓷材料，在2000℃以上表现出很好的抗氧化特性。 隔热材料 纳米隔热材料与功能梯度材料。功能梯度材料是指构成材料的要素即组成和结构沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化，从而使材料的性能也呈梯度变化的一种新型材料，预期这种新型的材料将会成为航空航天器热防护系统新一代隔热材料的研究方向之一。（？）对隔热材料要求越来越高，主要的研究趋势有三个方面：
空间交会对接技术
《空间交会对接技术》阅读答案 沈羡云 北京时间2011年11月3日凌晨1时36分，天宫一号目标飞行器与神舟八号飞船顺利完成首次交会对接，中国载人航天首次空间交会对接取得圆满成功，开辟了载人航天的新纪元。 人们在谈起空间交会对接时总是将它们连在一起，好像是一回事，实际上它是两个过程，即是空间交会和空间对接的总称。空间的交会对接就好像人生的恋爱和结婚一样，是有联系但性质上又不完全相同的两回事。空间交会是指两个或两个以上的航天器，通过轨道参数的调整，在空间轨道上按预定位置和时间“相会”的过程。通常只要交会的航天器相距在一定距离范围以内（例如300米），就算实现了交会。对接是指它们“相会”后，通过专门的对接装置将两个航天器连接成一个整体。交会的航天器不一定对接，但是需要对接的航天器则一定要首先实现交会，而且交会还必须达到对接所要求的精度。 回顾一下载人航天的历史，我们可以看到：无论是美国还是俄罗斯都与我国一样，经过了发射单个飞船、空间实验室、空间站三个阶段。在这个过程中，最主要的一项技术就是交会对接技术。可以说没有交会对接技术的发展，就没有载人航天的发展。可以想象一下，哪个火箭有这样大的推力可以将像国际空间站这样的庞然大物发射到太空？国际空间站的建成，都是靠交会对接将一个个舱段与空间站的主构架连接在一起的；国际空间站的应用，也是通过交会对接将航天员和物质一次次地送到国际空间站，使他们发挥作用。目前我国火箭近地轨道最大运载能力仅为9.2吨，不仅无法将体积更大、重量更重的空间实验室发射升空，也满足不了空间实验室在运行期间所需大量物资的运输要求。 根据航天器空间交会对接技术的发展过程，可将其在载人航天活动中所起的主要作用归纳为以下几个方面。 首先，它是空间站和载人飞船维持正常运行的必要条件。航天员定期的更换、飞行所需的燃料、航天员的食物、科研生产原材料的补给和取回、仪器设备的更换与维护、在飞行轨道上为其他应用卫星提供服务等，都需通过空间交会对接以实现地面和太空航天器之间的人员和货物运送。 其次，解决运载火箭推力有限的难题。当航天器的体积和重量超过运载火箭的能力时，可以分次发射，然后把各次发射的飞行器或者有效载荷经过空间交会对接，在轨道上组装成大型的航天器。这样，利用航天器的空间交会对接技术，可以间接地完成大型或超大型航天器的发射任务和空间站的组装任务。 第三，进行空间站维修和救援。通过航天器空间交会对接技术，维修在轨道上出故障的航天器，或者发射救生船以营救在飞行轨道上出事故的载人航天器上的航天员。 再有，实现往返于轨道间、星际间的渡船、拖船等服务型航天器的在轨作业。 最后，对今后发展和规划复杂的飞行任务进行有效优化。例如，复杂飞行任务可以分解成为几个独立的相应阶段，然后利用空间交会对接技术，按飞行过程要求，重新将其组合。 总之，随着空间技术的发展和空间应用的扩大，航天器空间交会对接技术的作用亦将越来越重要。
总结我国航空航天取得的巨大成就和对未来我国航空航天发展的看法
总结我国航空航天取得的巨大成就和对未来我国航空航天发展的看法 （一）我国航空航天取得的巨大成就 我国航天事业起步于二十世纪五六十年代。 1956年10月8日，我国第一个火箭导弹研制机构——国防部第五研究院成立，钱学森任院长。 1958年4月，开始兴建我国第一个运载火箭发射场。 1964年7月19日，我国第一枚内载小白鼠的生物火箭在安徽广德发射成功，我国的空间科学探测迈出了第一步。1968年4月1日，我国航天医学工程研究所成立，开始选训宇航员和进行载人航天医学工程研究。 1970年4月24日，随着第一颗人造地球卫星“东方红1号在酒泉发射成功，我国成为世界上第五个发射卫星的国。 1978年1月26日，首颗返回式卫星发射成功，3天后顺利返回，我国成为世界上第三个掌握卫星返回技术的国家。30多年来，我国共研制发射了15种类型、51颗人造地球卫星，成功率达90%以上，初步形成了4个卫星系列——返回式遥感卫星系列、“东方红”通信广播卫星系列、“风云”气象卫星系列和“实践”科学探测与技术试验卫星系列，“资源”地球资源卫星系列和“北斗”导航定位卫星系列也即将形成。
1979年，“远望”1号航天测量船建成并投入使用，我国成为世界上第四个拥有远洋航天测量船的国家。目前我国已形成先进的陆海基航天测控网，由北京航天指挥控制中心、西安卫星测控中心、陆地测控站、4艘“远望”号远洋航天测量船以及连接它们的通信网组成，技术达到了世界先进水平。 1985年，我国正式宣布将“长征”系列运载火箭投入国际商业发射市场。1990年4月7日，“长征三号”运载火箭成功发射美国研制的“亚洲一号”卫星，截至目前已将27颗国外制造的卫星成功送入太空，我国在国际商业卫星发射服务市场中占有了一席之地。 1990年7月1日，“长征”2号捆绑式火箭首次在西昌发射成功，其低轨道运载能力达9.2吨，为发射载人航天器打下了基础。1992年，我国载人飞船正式列入国家计划进行研制，这项工程后来被定名为“神舟”号飞船载人航天工程。“神舟”号飞船载人航天工程由“神舟”号载人飞船系统、“长征”运载火箭系统、酒泉卫星发射中心飞船发射场系统、飞船测控与通信系统、航天员系统、科学研究和技术试验系统等组成，是我国在20世纪末期至21世纪初期规模最庞大、技术最复杂的航天工程。2002年12月，"神舟"四号无人飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。这是中国载人航天工程的第四次飞行试验，第一次是在1999年1月，第二次在2001年1月，第三次在2002年3月。随着“神舟”四号发射成功，“神舟”飞船已成功进行了4次
航天器交会对接位姿测量最优估计
第３１卷第２期四川兵工学报２０１０年２月【武器装备】 航天器交会对接位姿测量最优估计睾 汤同伟８，王惠南ｂ，冯成涛８ （南京航空航天大学ａ．自动化学院；ｂ．高新技术学院，南京２１００１６） 摘要：航天器间的相对位姿确定是航天器编队飞行、交会与对接、捕获与维护等重大航天任务的关键技术之一．基于图像信息的相对位置与姿态的确定是解决航天器相对位置与姿态确定问题的有效方法．本文中采用四元数来描述航天器相对姿态，建立目标航天器的特征光标点的物理坐标和对应的图像点图像坐标之间的数学模型，并利用信赖域算法求解该非线性优化问题．仿真结果表明了该算法的有效性和可靠性，证明该算法能够满足交会对接航天器之间位置与姿态的测量精度的要求． 关键词：相对位姿；单目视觉；信赖域；四元数 中图分类号：Ｖ４４８文献标识码：Ａ文章编号：１００６—０７０７（２０１０）０２—０００１—０４在２个空间飞行器进行交会对接的最后阶段，通常采 用光学成像敏感器来测量跟踪飞行器和目标飞行器之间的相对位置和姿态．在目标飞行器上布设和安装光学特征点，光学特征点的几何形状、尺寸和位置已知；在跟踪飞行器上安装面阵ＣＣＤ传感器，通过对特征点在ＣＣＤ上成像的分析和计算就可以确定跟踪飞行器和目标飞行器之间的相对位置和姿态．国内外学者对该问题作了大量研究¨。７Ｊ，但经典的直接法或迭代法存在以下问题：①迭代求解和多值结果【ｌ“ｊ，后者将带来识别的困难，迭代求解的收敛性和收敛速度将极大影响测量精度，而迭代过程的收敛性和收敛速度主要取决于迭代算法和初值选取；②利用角度求航天器间的相对距离，所获得结果精度差，特别是在远距离的测量精度更差． 本研究中的方法是在目标航天器上合理设置４个非共面特征点．基于针孔成像模型的假设，根据特征点在ＣＣＤ成像平面上的投影，首先，测出每个特征像点在摄像机成像平面上的二维坐标．其次，采用四元数来描述航天器相对姿态，建立目标航天器的特征光标点的物理坐标和对应图像点图像坐标之间的数学模型，并将该数学模型（相对位姿参数）求解问题转化为非线性优化问题，最后利用信赖域算法求解该非线性优化问题．仿真结果表明该算法的有效性和可靠性，能够满足交会对接航天器测量精度要求．ｉ基于机器视觉确定位姿的基本方程 １．Ｉ坐标系 Ｉ）如图Ｉ所示，０；一Ｘｉｇ。表示像平面像物理坐标系简称（ｉ）系，其原点０。定义为相机光轴与图像平面的交点，兢轴和ｔ轴分别与图像像素的列数与行数平行． ２）０。一ｘ。ｙｃｚ。表示摄像机坐标系简称（Ｃ）系，与追踪航天器坐标系一致．其原点０。为摄像机镜头中心，０。到像平面的距离称为摄像机的焦距，，匕轴为主光轴方向，置轴与像平面象素坐标系横方向平行，ｚ。轴与像平面象素坐标系竖直方向平行，并与其它两轴构成右手系． ３）０。一‰‰％表示世界坐标系简称（埘）系，与文中的目标航天器坐标系一致．该坐标系定义在目标特征光标点上，‰轴由ｓ。指向屯；气轴在ｓ。，如，屯决定的平面内，过ｓ。并垂直于‰轴；ｙ。轴与其它两轴构成右手坐标系．摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系可以用旋转矩阵Ｒ与平移向量ｊ来描述．假设空间中某一点在（埘）系、（ｃ）系与（ｉ）系下的坐标分别是Ｐ。＝（‰，Ｙ。，气）１，Ｐ。＝（置，ｙｃ，之）１。，与Ｐ；＝（气，毛）１’，于是存在如下关系式旧１： 时㈦０㈦】戈＂扎Ｚ＿ １ 其中：Ｒ为３×３正交方向余弦矩阵，用来描述（硼）系与（Ｃ） ●收稿日期：２００９—１２—１３ 作者简介：汤同伟（１９８４一），男，硕士研究生，主要从事小卫星飞轮储能与姿态组合控制研究； 王惠南（１９６４一），男，教授，博士研究生导师，主要从事领域为惯性导航研究． 万方数据
航天器的发展史
航天器的发展史 【摘要】本文文首先简要介绍了航天器的基本概念和特征，然后 ,阐述了航天器的分类，并对三种载人航天器做了简单的对比，重点概括了航天器的发展历史，包括卫星、空间探测器、载人航天飞船和国际空间站的发展过程，简要分析了各种航天器发展过程中的技术进步。最后 ,对航天器的发展目标和前景作了展望。 【关键词】航天器卫星空间探测器载人航天器发展历史 【引言】航天技术“是高度综合的现代科技 ,是许多最新科技成就的集成 ,对国家现代化和社会进步有宏观促进作用 ,高投入、高风险和高效益是其特点，航天器的发展体现了一个国家的综合科技水平”。航天器的发展是人类的对外太空奥秘探索的进步，是人类发展和认知的进步。航天器的发展是紧紧依赖于各学科的发展的，材料、动力学等自然学科对它们的发展有直接的关键的影响，航天器的进步也是科学的进步，标志着新型能源、新型材料的发展日趋成熟。 1航天器基本介绍 航天器，又称空间飞行器、太空载具等，是指在地球大气层以外的宇宙空间中，基本按照天体力学的规律运动的各种飞行器。载人航天器家族中有三个成员：载人飞船、空间站和航天飞机。 航天器大多不携带飞行动力装置，依靠运载火箭，通常为第二级火箭提供的初速来运动。运载火箭在燃料耗尽后就自动分离，向地球下落；航天器或者进入绕地球轨道，或者在给以动量情况下，继续飞向太空目的地。在极高真空的宇宙空间航天器靠惯性自由飞行。航天器的运动速度为八到十几公里每秒。 绝大多数航天器为无人飞行器，各系统的工作要依靠地面遥控或自动控制。航天员对载人航天器各系统的工作能够参与监视和控制，但是仍然要依赖于地面指挥和控制。航天器控制主要是借助地面和航天器上的无线电测控系统配合完成的。 航天器的电源不仅要求寿命长，比能量大，而且还要功率大，从几十瓦到几千瓦。[1]它使用的太阳电池阵电源系统、燃料电池和核电源系统都比较复杂，涉及到半导体和核能等项技术。航天器轨道控制和姿态控制系统不仅采用了很多特有的敏感器、推力器和控制执行机构以及数字计算装置等，而且应用了现代控制论的新方法，形成为多变量的反馈控制系统。 2航天器的分类 [2]航天器分为无人航天器和载人航天器。无人航天器按是否环绕地球运行分为人造地球卫星和空间探测器。通常,航天器分为人造地球卫星、空间探测器和载人航天器。 2.1 人造地球卫星 简称人造卫星，是数量最多的航天器,约占航天器总数的90％以上。它按用途分为科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。科学卫星用于科学探测和研究，应用卫星是直接为国民经济和军事服务的人造卫星，按是否专门用于军事应用卫星又可分为军用卫星和民用卫星，[3]军用航天器包括军用卫星、天基武器和执行军事使命的载人航天器，有许多应用卫星是军民兼用的。 2.2 空间探测器 又称深空探测器，按探测目标分为月球探测器、行星和行星际探测器。各种
对接技术
对接技术： 交会对接是指两个航天器在空间轨道上会合，并在结构上连成一个整体的技术。而对于载人航天工程而言，这项技术具有怎样的影响和意义呢？ 大家知道，各国在进行载人航天工作时，把航天员送入太空所使用的运输工具要么是载人飞船，要么是航天飞机。然而，这些都不能实现在轨道上长时间工作的目标。相比而言，空间站较前两者规模更大、设备更齐全、科研能力也更强，而中国载人航天工程的第三步就是要建立一个永久太空站。中国载人航天工程总设计师周建平这样形容建立空间站与交会对接的关系：“交会对接是为空间站提供补给的一个前提，你不能实现交会对接，你补给不上，你就根本不可能去研制空间站。” 换句话说，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空间装配、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。“天宫一号”目前已经顺利升空并进入预定轨道，“神舟八号”飞船即将与它进行交会对接试验。那么，在交会对接过程中，两个飞行器的角色分别是怎样的呢？空间技术专家、神舟飞船总设计师戚发轫告诉记者：“交会对接是靠两个飞行器来完成的，…天宫一号?是作为一个目标飞行器，…神舟八号?是作为一个追踪飞行器，它们两个共同完成交会对接这个任务。” 从位置上来讲，在交会对接的时候，“神舟八号”飞船以适当的速度，主动追击“天宫一号”。在两者不断接近的过程中，飞船将根据目标飞行器的状态，进行若干次变轨。同时，飞船还要调整轨道面，保证其运行的轨道与天宫一号的轨道“共面”，也就是与之处于同一个平面。这应该如何来理解？ 在三维空间进行两个航天器的对接，只有做到上下左右不偏不倚，才能确保不出意外。这样的操作，难度不可谓不大。如果这些过程改为在一个平面上进行，那么航天器就只需要进行左右调整了——这种仅在平面上的移动看似简单多了，然而，它却给发射任务带来了新的要求。载人航天发射场系统副总师郑永煌说：“一旦…天宫?(一号)这个轨道确定，然后我…神八?飞船发射就要瞄准…天宫?的对接轨道，我们叫共面发射。(这)就对这个发射窗口的选择很严格，要求是零窗口，就是要求准时发射。” 郑永煌所说的发射窗口是指允许运载火箭发射的时间范围，习惯上也被称为允许发射阶段。这个范围的大小也叫做发射窗口的宽度。窗口宽度有宽有窄，宽的以小时计，甚至以天计，而窄的只有几十秒钟，甚至为零。为了实现两者轨道共面，“神舟八号”要力争零窗口发射。郑永煌补充到：“如果你不准时发射的话，一有偏差，那等于说这个共面有偏差了，(而)带来偏差就得由咱们运载火箭来进行修正。如果火箭修正不了，就要靠飞船修正。所以我说明这两个概念，一个概念要求是零窗口准时发射；第二，你不零窗口发射不(是)说不可以，但是对我的飞行安全构成影响。”
2019-《空间交会对接技术 沈羡云》阅读答案-word范文模板 (2页)
2019-《空间交会对接技术沈羡云》阅读答案-word范文模板 本文部分内容来自网络整理，本司不为其真实性负责，如有异议或侵权请及时联系，本司将立即删除！ == 本文为word格式，下载后可方便编辑和修改！ == 《空间交会对接技术沈羡云》阅读答案 空间交会对接技术沈羡云 北京时间201X年11月3日凌晨1时36分，天宫一号目标飞行器与神舟八号飞船顺利完成首次交会对接，中国载人航天首次空间交会对接取得圆满成功，开辟了载人航天的新纪元。 人们在谈起空间交会对接时总是将它们连在一起，好像是一回事，实际上它是两个过程，即是空间交会和空间对接的总称。空间的交会对接就好像人生的恋爱和结婚一样，是有联系但性质上又不完全相同的两回事。空间交会是指两个或两个以上的航天器，通过轨道参数的调整，在空间轨道上按预定位置和时间“相会”的过程。通常只要交会的航天器相距在一定距离范围以内（例如300米），就算实现了交会。对接是指它们“相会”后，通过专门的对接装置将两个航天器连接成一个整体。交会的航天器不一定对接，但是需要对接的航天器则一定要首先实现交会，而且交会还必须达到对接所要求的精度。 回顾一下载人航天的历史，我们可以看到：无论是美国还是俄罗斯都与我国一样，经过了发射单个飞船、空间实验室、空间站三个阶段。在这个过程中，最主要的一项技术就是交会对接技术。可以说没有交会对接技术的发展，就没有载人航天的发展。可以想象一下，哪个火箭有这样大的推力可以将像国际空间站这样的庞然大物发射到太空？国际空间站的建成，都是靠交会对接将一个个舱段与空间站的主构架连接在一起的；国际空间站的应用，也是通过交会对接将航天员和物质一次次地送到国际空间站，使他们发挥作用。目前我国火箭近地轨道最大运载能力仅为9.2吨，不仅无法将体积更大、重量更重的空间实验室发射升空，也满足不了空间实验室在运行期间所需大量物资的运输要求。 根据航天器空间交会对接技术的发展过程，可将其在载人航天活动中所起的主要作用归纳为以下几个方面。 首先，它是空间站和载人飞船维持正常运行的必要条件。航天员定期的更换、飞行所需的燃料、航天员的食物、科研生产原材料的补给和取回、仪器设备的更换与维护、在飞行轨道上为其他应用卫星提供服务等，都需通过空间交会对接以实现地面和太空航天器之间的人员和货物运送。 其次，解决运载火箭推力有限的难题。当航天器的体积和重量超过运载火箭的能力时，可以分次发射，然后把各次发射的飞行器或者有效载荷经过空间交会
航天器发展史
机械小论文 12 年10月8日
航天器发展史 [摘要] 分类介绍了火箭、卫星、空间探测器、载人航天飞船的发展，主要介绍了苏（俄）美两国对航天器的研究以及他们在不同年代所发射的航天器 [关键词] 航天器；火箭；卫星；空间探测器；载人航天飞船 引言 航天器的基本知识 “在太空基本上按照天体力学规律运行，具有一定功能并执行一定任务的飞行器，称为航天器。航天器包括人造卫星、载人航天器(载人飞船、空间站和航天飞机)和空间探测器(月球探测器、行星探测器等)三大类。[1]世界上第一个航天器是苏联1957 ” 年10 月 4 日发射的“人造地球卫星1 号” ，第一个载人航天器是苏联航天员加加林乘坐的东方号飞船，第一个把人送到月球上的航天器是美国“阿波罗11 号”飞船，第一个兼有运载火箭、航天器和飞机特征的航天飞机是美国“哥伦比亚号” 航天飞机。至今，航天器还都是在太阳系内运行。通常，航天器分为人造地球卫星、空间探测器和载人航天器。人造地球卫星，简称人造卫星，是数量最多的航天器，约占航天器总数的90％以上。空间探测器，又称深空探测器，按探测目标分类。载人航天器，按飞行和工作方式分为载人飞船、航天站和航天飞机。航天飞机既是航天器又是可重复使用的航天运载器。航天器在天体引力场作用下的运动方式主要有两种：环绕地球运行和飞离地球在行星际空间航行。环绕地球运行轨道是以地 球为焦点之一的椭圆轨道或以地心为圆心的圆轨道。行星际空间航行轨道大多是以太阳为焦点之一的椭圆轨道的一部分。航天器克服地球引力在空间运行，必须获得足够大的初始速度。在地球表面的环绕速度，称为第一宇宙速度。高度越高，所需的环绕速度越小。航天器在空间某预定点脱离地球进入行星际飞行必须达到的最小速度叫做脱离速度，又叫逃逸速度。预定点高度不同，脱离速度也不同。在地球表面的脱离速度称为第二宇宙速度。从地球表面发射飞出太阳系的航天器所需的速度称为第三宇宙速度。 一、火箭技术 火箭是人类实现航天的重要工具，无论是载人飞船还是人造卫星，都需要火箭作为运输载体。中国三国时期就出现一种带火的箭，即在箭杆前部绑有易燃物，点燃后用弓弩射出，称为火箭。后来火箭在古代中国逐渐发展为多种构造，如神火飞鸦，火龙出水等。19 世纪末20 世纪初，随着科学技术的进步，近代火箭技术和航天飞行发展起来，先驱者的代表人物有前苏联的齐奥尔科夫斯基，美国人戈达德和德国奥伯特。齐奥尔科夫斯基毕生从事火箭技术和航天飞行的 研究。在他的经典著作中，对火箭飞行的思想进行了深刻的论证，最早从理论上证明用多级火箭可以克服地心引力进入太空。他建立了火箭运动的基本数学方程，奠定了理论基础。戈达德博士在1010 年开始进行近代火箭的研究工作。他在1919 年的论文中提出了火箭飞行的数学原理，指出火箭必须具有7.9km/s 的速度才能克服地球的引力。他认识到液体推进剂火箭具有极大的潜力，1926 年3 月他成功在研制和发射了世界上第一枚液
空间对接技术的实现
转播到腾讯微博 国际空间站与哥伦布号实验舱对接（来源：《国际太空》杂志） 1.空间交会对接技术概述 空间交会对接技术是指两个航天器在空间轨道上会合并在结构上连成一个 整体的技术。空间交会对接技术包括空间交会对接轨道设计技术、轨道交会控制技术、对接机构设计技术、空间交会对接测控技术等。广泛用于空间站、空间实验室、空间通信和遥感平台等大型空间设施在轨装配、回收、补给、维修以及空间救援等领域。目前为止，只有美国和俄罗斯掌握完整的交会对接技术，欧洲的ATV和日本的HTV在交会对接技术方面分别得到了美国或俄罗斯的技术支持。 什么是空间交会对接 空间的两个航天器在同一时刻以同样的速度到达同一个地点的轨道控制过 程及结果称做轨道交会。在空间将两个航天器对接起来形成一个航天器的事件称做空间对接。所谓空间交会对接是轨道交会和空间对接的总称。 空间交会对接技术包括空间交会对接轨道设计技术、轨道交会控制技术、对接机构设计技术、空间交会对接测控技术等。 对接过程通常分为4个阶段。两个航天器在完成交会后保持一定的距离，进入共面的相对飞行阶段。在进行下一个步骤之前，两个航天器都要确定对接姿态。当两个航天器完成了最后的对接准备以后，目标航天器（被动方）保持原状态，对接航天器（主动方）则进行主动靠近。为了保证对接的准确性，航天员（或自动对接系统）必须在确保两个航天器的对接设备处于同一直线上之后，再小心翼翼地进行对接。最初的接触会触发一些小型撞锁来连接两个航天器（软对接），它们能够起到对接过程中的缓冲作用。在对接完成后，对接设备将两个航天器拉近紧贴在一起，一些能够进行密封连接的对接系统的对接口进行密封（硬对接）。 空间交会对接技术的作用 空间交会对接技术的作用主要体现在三个方面。一是为长期运行的空间设施提供物资补给和人员运输服务。例如，除早期试验阶段外，俄罗斯联盟号载人飞船和进步号货运飞船的全部飞行任务，以及美国航天飞机与和平号空间站及国际空间站对接的主要任务都是如此。二是为大型空间设施的建造和运行服务。和平
航天飞机发展史
航天飞机发展史 1.重大事件：1981年4月12日，第一架航天飞机哥伦比亚号航天飞机发射，宇航员翰·杨（John W·Young）和克里平（Robert L·Crippen）揭开了航天史上新的一页。 1983年6月18日女宇航员莎丽·赖德（Sally K·Ride）乘挑战者号上天飞行，名列美国妇女航天的榜首。 1983年8月30日，“挑战者”号航天飞机首次实现黑夜发射，6天后又在黑夜降落，宇航员队伍中的布拉福德是第一位“登天”的黑人。 1984年2月3日乘挑战者号上天的麦坎德利斯（B·McCandless），成为世界上第一位不系安全带到太空行走的宇航员,此后宇航员“太空漫步”成为航天飞机任务中经常出现的画面。 1984年4月6日挑战者号上天后，宇航员首次抓获和修理轨道上的卫星成功。1984年10月5日，又是“挑战者”号，首次搭载了7名宇航员升空，其中女宇航员凯瑟琳·苏利文成为第一位太空行走的美国女性，从此航天飞机经常运送7名宇航员。 1985年1月24日发现号升空，首次执行秘密的军事任务。 1985年4月29日，第一位华裔宇航员王赣骏（Taylor Wang）乘挑战者号上天参加科学实验活动。 1985年11月26日，亚特兰蒂斯载宇航员上天第一次进行搭载空间站试验。1986年1月28日，“挑战者”号在发射升空时由于O型密封圈脱落导致一连串反应，并在发射升空72秒时爆炸解体坠毁。造成7名宇航员丧生，才有了里根总统那次著名的演讲《真正的英雄》。 1988年9月28日，“发现”号在航天飞机任务中止32个月后升空，5名宇航员释放了一颗卫星，并完成了几项科学实验，这标志着航天飞机项目再次走上正轨。1990年4月24日，“发现”号航天飞机将“哈勃”太空望远镜送上轨道，人类有了观察遥远宇宙的“火眼金睛”。 1992年5月7日奋进号首次飞行，宇航员在太空第一次用手工操作抢救回收卫星成功。 1992年7月31日亚特兰蒂斯号上天，首次进行绳系卫星发电试验。 1992年9月12日，“奋进”号升空，这架航天飞机成为宇航员马克·李和简·戴维斯的“婚礼特快”，这两位宇航员是第一对在太空缔结良缘的夫妇。 1995年6月27日，“亚特兰蒂斯”号发射，它实现了航天飞机和俄罗斯的“和平号”轨道空间站首次对接，美国和俄罗斯宇航员在外太空互相“串门”，新闻评论说“冷战”已在地球之外结束。
航天器交会对接逼近段控制研究进展
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/484235503.html, 航天器交会对接逼近段控制研究进展 作者：朱晓光 来源：《卷宗》2020年第17期 随着航天技术的飞速发展，载人和无人飞船频繁往返于空间站，航天器需要更加灵活快速的实施对接。航天器在空间实现交会对接是由航天器制导、导航和控制（Guidance，Navigation and Control， GNC）系统完成的，GNC的主要任务是高精度测量航天器之间的相对速度、相对位置、相对姿态以及相对姿态角速度，并控制航天器完成姿态的调整和轨道的切换。未来我国的神舟飞船将从多个方向实施与空间站的交会对接。因此，进一步研究与发展航天器沿不同轨迹的自主交会对接技术是未来太空领域工程应用的必然趨势。 航天器的自主交会对接过程可分为发射、调相（地面导引）、远距离交会、近距离交会、对接停泊等几个阶段，不同的阶段要求的航天器控制精度不同，而近距离交会的最终逼近段控制精度要求较高。在最终逼近段，要完成准确可靠地对接需要位置和姿态的精确调节，以及两合作航天器间的协同配合来共同完成。换言之，航天器自主交会对接必须解决逼近段追踪航天器相对位姿高精度的自主控制问题。然而，一方面交会对接过程对航天器相对位姿控制的动态特性要求较高;另一方面，复杂的空间运行环境和航天器动力学模型中的不确定因素往往会影 响其控制精度，因此需要应用新的控制算法来解决交会对接中航天器位置和姿态控制的误差精度和鲁棒性问题。 1 国外研究现状 Kluever， C. A为航天器沿固定轴的终端平面交会对接设计了反馈控制方案;Saponara， M 将基于优化的模型预测控制应用于火星样品回收任务中的航天器自主交会操作;Di Cairano， S 将模型预测控制应用于航天器交会对接逼近段的轨道平面机动;Singla， P在考虑未建模动态、参数扰动和实际位姿测量误差的情况下，针对航天器交会对接控制问题，给出了一种输出反馈结构的模型参考自适应控制方法;Subbarao， K和Sam， W以空间自由漂浮机器人和服务的漂浮物体交会停靠为研究背景，利用反馈线性化设计控制律使当前和期望姿态之间的误差为零，再通过自适应干扰观测矩阵来修正由重力梯度和其他未知干扰引起的干扰力矩，其稳定性通过Lyapunov方程和Matrosov定理证明;Stansbery， D， T基于六自由度模型，提出了一种用状态依赖的Riccati方程设计的非线性调节器来控制航天器在接近翻滚目标时的位置和姿态;Pan， H. Z在航天器平移速度和角速度测量缺失的情况下，用一个高通滤波器来估计航天器的速度和角速度，并给出了一种Lyapunov框架的非线性输出反馈控制，以保证航天器相对位姿跟踪误差的半全局渐进收敛;Naasz， B. J针对微小卫星力矩输出受限的情况，整合了基于LQR平均方 程组的姿态控制器和基于轨道要素反馈的轨道控制器;Park， H在考虑避障的情况下，为航天 器对接到一个旋转/翻转平台设计了模型预测控制律;Guglieri， G为航天器交会对接地面试验系统的GNC设计了比例微分综合控制器和脉冲宽度调制器来控制推进器跟踪预定的轨迹和速
2020高考物理卫星变轨与航天器对接问题(解析版)
2020年高考物理备考微专题精准突破 专题2.8 卫星变轨与航天器对接问题 【专题诠释】 人造地球卫星的发射过程要经过多次变轨，如图所示，我们从以下几个方面讨论． 1．变轨原理及过程 (1)为了节省能量，在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道Ⅰ上． (2)在A点点火加速，由于速度变大，万有引力不足以提供在轨道Ⅰ上做圆周运动的向心力，卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ. (3)在B点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道Ⅲ. 2．物理量的定性分析 (1)速度：设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v1、v3，在轨道Ⅱ上过A点和B点时速率分别为v A、v B.因在A点加速，则v A＞v1，因在B点加速，则v3>v B，又因v1>v3，故有v A>v1>v3>v B. (2)加速度：因为在A点，卫星只受到万有引力作用，故不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过A点，卫星的加速度都相同．同理，从轨道Ⅱ和轨道Ⅲ上经过B点时加速度也相同． (3)周期：设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上运行周期分别为T1、T2、T3，轨道半径分别为r1、r2(半长轴)、r3，由 开普勒第三定律a3 T2＝k可知T1＜T2＜T3. (4)机械能：在一个确定的圆(椭圆)轨道上机械能守恒．若卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道的机械能分别为E1、E2、E3，则E1＜E2＜E3. 【高考领航】 【2019·江苏高考】1970年成功发射的“东方红一号”是我国第一颗人造地球卫星，该卫星至今仍沿椭圆轨道绕地球运动。如图所示，设卫星在近地点、远地点的速度分别为v1、v2，近地点到地心的距离为r，地球质量为M，引力常量为G。则()
A ．v 1>v 2，v 1＝ GM r B ．v 1>v 2，v 1> GM r C ．v 1