1.微波雷达

在相对测量敏感器中，微波雷达是一类常见的设备。从20世纪60年代起至今，美国和苏联／俄罗斯多次成功使用微波交会雷达完成交会对接任务。微波交会雷达较适合中、远距离交会测量，针对合作、非合作目标均适用。在目标上安装应答机或反射器，将达到更远的工作范围。

微波雷达主要有两种工作模式：第一种是利用微波测距和比相测角法分别测量卫星间的距离和方位角，其中距离测量精度能达到毫米级；第二种则是通过在卫星上安装微波信号收发设备，测量航天器之间的伪距和载波相位值，解算其相对距离。微波测距又分为脉冲方式和相位方式两种。脉冲法测距又称为直接法测距，它是直接测定仪器间断发射的脉冲信号在被测距离上往返传播时间，从而求得距离的方法。脉冲式测距仪的优点是它的原理和仪器设计都很简单，测程远，功耗小，但精度低。相位方式又称为间接法测距，测定由仪器发出的正弦波信号在所要测量的距离上往返传输所产生的相位变化（相位差），不需要直接测定电磁波往返传输的时间。根据相位差间接求得传播时间，从而求得所要测量的距离，该种方法测量精度达到毫米级，但测量距离较短。

2.差分全球定位系统

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）不仅可以用于航天器的精确定轨，而且可以用来确定两个航天器的相对位置，其主要工作原理是追踪航天器和目标航天器分别安装GPS接收机。两个航天器首先通过解算GPS信号分别获得各自在惯性坐标系内的位置，然后通过两个位置数据的差分计算，从而获得相对位置信息，这种相对定位模式称为差分GPS定位。差分GPS相对定位模式可以相互抵消系统的固有误差，从而获得更高的相对信息精度。按照工作方式的不同，差分GPS可分为伪距差分和载波相位两种方法，精度最高可达到厘米级。由于GPS卫星位于中高轨道上，而地球静止轨道（Geostationary Earth Orbits，GEO）高于GPS卫星的轨道，因此差分GPS不适合静止轨道的相对测量任务。

差分GPS是一种合作目标条件下的相对导航方式。美国、欧洲及日本等国家和地区多次开展差分GPS在空间相对定位领域的应用研究。在欧洲的自动货运飞船（Automated Transfer Vehicle，ATV）项目中，ATV距离国际空间站（International Spacestation，ISS）约12 km时进入ISS的通信范围内。启动差分GPS工作，ATV通过本地通信链路实时接收从ISS的GPS接收机发来的GPS数据，通过差分计算最终得到两者的相对位置和速度信息。

3.激光测距仪(www.daowen.com)

激光测距仪的工作原理是：首先通过自身携带的激光发生器发射激光束，然后激光束被测目标进行反射，激光测距仪通过接收反射的激光回波，最后结合发射信息来确定目标相对于激光测距仪的距离。激光测距仪能够在几十米到几十千米的范围内测量两航天器的相对距离，它具有体积和质量小，测量精度较高，受外界环境影响小等优点，十分适合在空间交会任务中应用。激光测距仪能够同时测量目标的相对距离和视线角，但是由于激光光束夹角较小且存在姿态偏差，因此，在目标初始捕获过程中，激光光束可能无法照射目标。此外，由于大多数航天器外表面装有热控包覆层，所以当激光光束照射到目标表面后有可能发生镜面发射，致使激光测距仪无法接收到激光回波，因此采用单一激光测距仪是无法满足对目标的连续测量要求的。

4.光学相机

光学成像测量是一种高智能化的测量技术，其测量系统主要包括光学相机和图像处理计算机。光学成像相机获得目标的信息较为丰富，通过相应的图像处理与解算，不仅可以获得目标的相对位姿信息，还可以识别目标的几何特征。此外，光学相机具有体积和质量小、功耗小、精度高等优点，十分符合空间相对测量任务需求。光学相机在轨工作时易受轨道光照条件的影响：当太阳光进入相机视场时，会造成相机曝光过度而无法识别目标；当目标进入地影区时，可见光则无法发现目标。因此，在工作过程中，尽量选择在光照区进行，同时要尽量避免逆光的情况发生。考虑到地影区的测量需求，可以在平台上加装辅助照明设备。

光学相机的工作模式主要有两种，其中一种是相对位姿测量模式，该种模式主要用于对目标的近距离测量任务，较为典型的是伪空间交会对接和空间机械臂伺服。在与目标交会对接的过程中，光学相机通过对目标拍照并提取合作光标的几何特征，采用多点透视成像（Perspective N Points，PNP）或光标匹配处理算法即可同时获得对接或抓捕接口的相对位姿信息。对于非合作目标，光学相机在获得目标对接或抓捕接口的图像之后，首先提取对接或抓捕接口的几何特征，然后利用三维重构等方法处理，最后得到目标接口的相对位姿信息。光学相机还可以采用单目、双目和多目工作方式。美国在2007年的“轨道快车”（Orbital Express）项目中开展了电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相机相对测量技术在轨试验。此外，美国凤凰计划（PHOENIX）项目采用三目立体视觉系统对逼近阶段的非合作航天器进行位置姿态测量，主要对航天器上通用的星箭对接环接口进行抓捕，这种结构在航天器上的分布位置基本相同，其几何构型一般为圆形，但是尺寸信息和航天器运动参数是未知的。日本国家信息和通信技术研究中心于2005年提出了在轨维护系统（Orbital Maintenance System，OMS），OMS采用双目立体相机＋手眼相机的视觉系统对目标进行位姿测量。其中，双目立体视觉模块负责非合作目标的整体监控和位姿测量，手眼相机模块负责对接部分的捕获机构状态检测。OMS提出计划使用SmartSat-1进行验证。目前，采用单目视觉测量系统，对合作目标的近距离相对位置测量精度优于1 cm，测速精度优于0.05 m／s，对非合作目标远距离测角精度优于0.05°。

光学相机的另一种工作模式是方位角测量模式，这种模式主要针对远距离目标的视线角测量需求。远距离目标的测量步骤如下：按照要求搜索目标，首先根据搜索结果锁定目标拍照生成图像；然后求出图像帧中目标的形状中心相对于相机视轴的视线角，给出目标的测量数据。光学相机的测量距离范围、角度范围以及精度存在一定的关系。为了兼顾视场捕获范围和测角精度要求，光学相机的视场角及焦距往往进行折中设计。较为典型的分为宽视场和窄视场两种。宽视场测量相机具有较宽的视场角，但精度较低；窄视场测量相机具有较高的测角精度，但是测角范围较小。