国外交会对接测量系统
1前苏联/俄罗斯的交会对接测量系统
前苏联/俄罗斯的交会对接测量系统是一种自动测量系统，主要采用微波雷达。这种无线电交会对接测量系统包括追踪航天器上的微波雷达、速度陀螺仪以及目标航天器上的应答机等。
为了捕获目标航天器并测量追踪航天器与目标航天器之间的相对姿态，在两个航天器上装有多部天线。追踪航天器利用从目标航天器上的应答机返回的信号的时间延迟确定相对距离，利用返回信号的多普勒平移确定接近速率，从对接天线得到的信号还可以得到相对姿态。在两个航天器相距20m左右时，不能再从对接天线的信号中导出相对姿态，这时姿态信息依赖于速度陀螺仪的积分输出。这种测量系统可以作为交会对接全过程的测量手段。在实现航天员手动交会对接时，远距离采用微波雷达，近距离采用目视光学设备或闭路电视系统，航天员通过在屏幕或目视窗口上看到的目标航天器的图像确定其大致距离与方位。
前苏联多次航天器空间交会对接实践证明，这套测量系统工作可靠，性能可以满足要求，但是设备比较复杂，重量和体积较大，功耗较高。
此外，前苏联还研制了激光交会雷达，使自主自动交会对接测量系统更完善，且具有更高的技术性能。
2美国的交会对接测量系统
美国在20世纪60年代初在双子星座计划中主要使用的是微波交会雷达。微波雷达是一个干涉测量型系统，在追踪航天器与目标航天器相距450km～150m范围内估计目标航天器的距离和方位，然后将该信息输送给计算机，并显示给航天员；两个航天器在90km～6m范围内，还显示接近速率。在距离较近时，如60m以内，由于目标太近，交会雷达不再能给出距离的准确估计，这时主要依靠航天员的视觉观测来确定两个航天器之间的相对距离和相对姿态。
阿波罗计划的交会对接系统与双子星座计划类似，交会雷达采用单脉冲比幅式连续波雷达，作用距离为740km～24m。在近距离(300m以内)时，为增强航天员捕获目标的能力并能粗略估计相对姿态，在飞船上安装了不同颜色的条纹或十字标记。
在航天飞机轨道器与目标航天器的交会对接中，交会雷达为Ku波段脉冲多普勒雷达，可以采用主动和被动模式工作。在主动模式，目标航天器上必须有应答机，对从轨道器交会雷达发射的雷达信号提供反馈信号。在该模式下，交会雷达的作用距离为555km～30m。在被动模式，追踪航天器接收目标航天器的发射信号。在这种模式下，交会雷达作用距离为22km～30m。除了交会雷达外，轨道器上还有两个附加设备：一个是轨道控制敏感器(TCS)。它是一个安装在轨道器有效载荷舱内的激光测距仪，在1.5km～l.5m范围内提供两个航天器之间的距离、接近速率和方位并显示给航天员。另一个是固定在轨道器对接机构中心的摄像机。它的图像在大约90m以内为航天员对接提供可视化帮助。此外，航天员还有一个手持激光测距仪，在两个航天器接近期间可用于补充其他导航设备测量的接近距离和接近速率。
近年来，美国航宇局马歇尔航天飞行中心和约翰逊航天中心一直在进行自动测量系统的研究，其传感器包括全球定位系统(GPS)和视频制导传感器(VGS)。GPS用于粗导航阶段的绝对定位和相对定位。当两个航天器相距1000m时，采用GPS绝对定位；相距50～1000m时，采用GPS相对定位。当两个航天器之间的距离小于50m时，采用VGS来确定两个航天器之间的距离、方位和姿态。VGS由安装在追踪航天器上的CCD摄像机和安装在目标航天器上的合作目标构成。马歇尔中心设计的VGS采用两个不同波长的激光器依次照射加有带通滤光片(仅通过其中一种波长)的角反射器(合作目标)，利用得到的不同波长激光器照射时的两幅图像相减去除背景和干扰。约翰逊中心设计的由若干个发光二极管构成的合作目标按固定的模式闪烁，CCD摄像机分别在目标亮与不亮时摄取图像，然后相减以去除背景和噪声干扰。去除背景和噪声干扰后，可以利用图像中剩余的目标信息完成精导航阶段的测量任务。
采用被动标志－角反射器作为合作目标，需要在追踪航天器上安装照射光源。由于双倍光程、立体角内的扩散以及传输和反射的损耗，要求激光器的功率很大，增大了追踪航天器的功率负荷。采用两幅图像相减来消除背景和噪声干扰时，由于相减的两幅图像之间存在时间差，若在此时间差内因相对姿态变化使两幅图像的背景和干扰发生变化，则相减将不能全部消除背景和干扰，从而影响合作目标识别和参数测量的正确进行。
3欧空局的交会对接测量系统
欧空局从20世纪80年代初期就开始研究自主交会对接测量技术及敏感器，并计划用于使神号航天飞机与哥伦布空间站的自主自动交会对接。其测量系统采用分段式，各个阶段采用不同的敏感器，并且具有一定的交叉。每个阶段同时使用两种敏感器，互为备份。一般分为四个阶段：远程(50km左右到100m)采用微波交会雷达；中短程(5km到10m)采用激光雷达；近程(200m到几米)采用光学成像敏感器；最后接近阶段(l0m到0m)采用位置敏感器(分析表明，位置敏感器的最适宜作用距离在2m以内)。这种测量系统的优点是冗余度大，测量精度高，系统可靠性好，燃料消耗少；缺点是所用测量敏感器种类多，技术复杂，增加了追踪航天器的有效载荷，实施比较困难。
4日本的交会对接测量系统
日本研究的自动交会对接测量系统主要使用扫描式激光雷达和CCD光学成像敏感器。两个航天器在100m以内时，采用CCD摄像机作为接近敏感器来测量两个航天器之间的相对位置和相对姿态；在10m到20km距离上，利用连续波激光雷达确定目标航天器相对于追踪航天器的距离和方向；100m以远的相对距离和相对速度由GPS获得。日本的自动交会对接测量系统已经在1998年“工程试验卫星”7的交会对接中得到了验证，但是其交会对接测量系统仍有待于进一步完善。
5对国外交会对接测量系统的分析
通过对国外交会对接测量系统的分析，可以看出：
——在远距离阶段，例如自动寻的阶段，采用微波雷达是适宜的，这已经在美国和前苏联/俄罗斯多年的航天器交会对接中得到了验证。
——在近距离阶段，例如最后逼近段，采用光学成像和图像信息处理的方法优于雷达和其他方法，这是因为：1在距离较近时，雷达与目标和其他类似系统的干涉信号会产生严重问题，而光学法则有利于反射频干扰；2这种方法具有描述细致、易于观测和在同一时刻能有效识别和跟踪多个目标的优点；3这种方法不但可以精确地测量目标的三维相对平移和平移速度，而且可以精确地测定相对姿态及其角速率，并能精确地提取所有的制导参数，从而保证交会对接顺利进行。
交会对接测量系统发展趋势
根据国际上关于航天器空间交会对接的成功经验和取得的技术成果，尤其是多种交会对接测量技术和各类敏感器的应用与发展，可以看出，航天器空间交会对接测量系统的发展呈以下趋势：
1采用自动自主交会对接技术
为了减轻航天员的负担，减少对地面站的依赖和要求，不使航天器上的交会对接系统太复杂，并提高整个交会对接的可靠性，采用自动自主的交会对接技术比较合适。因此，自动自主的交会对接技术已成为国际上的研究热点。
2人参与航天器的交会对接
人具有机器所无可比拟的应变能力和解决复杂问题的能力，所以，为了提高系统的可靠性，人参与交会对接是必要的。人可在地面或航天器上对交会对接过程的某些关键状态进行监视，并可在特殊情况下决策性介入。
3使用多种测量敏感器
在测量敏感器方面，在较远距离时(两个航天器相距几百千米到几百米)，宜采用微波交会雷达；在较近距离时(两个航天器相距几百米至零米)，宜采用光学成像敏感器；而在中距离时(几千米至几百米)，宜采用激光雷达。
4敏感器应包括观测设备和应答设备
各类敏感器一般均由安装在追踪航天器上的观测设备和安装在目标航天器上的应答设备组成。例如，对于交会雷达，一般在追踪航天器上安装雷达天线及其电子处理设备，在目标航天器上安装雷达应答机或角反射器；光学成像敏感器一般由安装在追踪航天器上的CCD摄像机及图像处理设备和安装在目标航天器上的标志器构成。
5用于近距离的光学成像敏感器的发展趋势
1 采用LED交会对接敏感器，即在目标航天器上安装LED作发光器件的主动标志，而在追踪航天器上宜安装双摄像机立体成像观测系统，其功耗小、处理方法简单、可靠性高。
2 反阳光、月光、星光以及其他杂光干扰是设计中的一个关键问题，需要通过阳光效应的分析确定LED的工作波段，并在摄像机系统内采取相应的反杂光干扰措施。
3 原理上采用三个标志器就能完成两航天器之间的相对位置与相对姿态的测量，但为了有利于反杂光干扰，最好采用多个标志器，并且设计成具有某些不变特征。同时，为了解决测量精度和摄像机视场要求之间的矛盾，合作目标最好采用分层的方法。
4 空间环境适应性是设计中的另一个关键问题。例如，敏感器在空间应具有抗强辐射能力，并能适应空间环境温度(－100～＋100℃)变化。
有关启示
空间航天器交会对接已经成为航天事业继续发展的一个重要的支撑性技术。随着我国载人航天工程的进展，我国空间对接技术的研究已迫在眉睫。通过国外空间交会对接技术的发展，我们得到如下启示：
(1)由于进行交会对接技术研究的经费巨大，因此要充分运用数学和物理仿真技术进行相关的地面仿真与人员的训练，把其空间在轨试验次数减到最低限度，这对增加系统的可靠性和成功率具有重大的技术价值和经济效益。
(2)借鉴国外已有的成功经验，在发展交会对接技术时，其实现途径应是高度人－机匹配的自动化监测系统，即通过地面的有限支持，辅以航天员手控的高级自主交会对接系统。所以，应研究高精度的空间跟踪、制导和控制系统，同时预先开展航天器交会对接的人工控制方法研究，并将人工智能和专家系统用于航天器的空间交会对接，只有这样才能充分发挥出人在空间交会对接过程中的作用。
(3)关于空间交会对接测量系统，星上部分可采用绝对/相对GPS/惯性交会导航定轨系统、小型Ku波段交会雷达、小型激光测距测速测姿成像交会激光雷达和激光逼近敏感器，星上交会对接采用自控/半自控/人控导航、控制；地面部分要确定进行交会对接试验时的测控系统，开发地面测控中心用的飞行程序和制导软件；采用天地多媒体高速信息网络系统等。
(4)充分进行空间交会对接系统的地面试验，这是交会对接成功的关键。同时尽快建立进行交会对接必要的地面试验设施与仿真设备，特别要注意考察空间环境下，系统、设备以及单机的工作可靠性和工作寿命。这是载人航天器顺利进行空间交会对接，完成飞行任务的有力保证。
(5)加强系统的故障冗余能力设计，这是提高交会对接可靠性的基础。鉴于航天器交会对接阶段易发生故障的可能性以及航天器各个系统任务的需要，应全面考虑各个系统的可靠性和冗余设计，使系统具有一定的故障冗余能力。
(6)对航天员进行严格的训练，这是保证交会对接成功的有效措施。航天员的素质、技能和经验是非常重要的，要提高其素质和技术必须进行严格的训练。航天员缺乏训练，就不能应付交会对接中出现的突发事件。