卫星测距的激光系统

本文讨论了在希腊迪奥尼索斯的雅典卫星跟踪站对装有角反射器的卫星进行测距的红宝石激光系统。发射机是一台100兆瓦、1焦耳、10毫微秒的红宝石激光器,安装在手动的俯仰-方位装置上。该装置上的接收机是-40厘米的卡塞格伦望远镜,其焦点上有一光电倍增管。Q调红宝石激光器输出10毫微秒的光脉冲指向卫星,并由卫星上的角反射器反射到地面上的光电倍增管。由光经过的时间就可求出卫星的距离。系统在1968年9月已正常运转,并做了近一千次成功的测距试验,精度达几米。     

白天卫星激光测距望远镜指向误差修正方法研究

白天卫星激光测距时,由于望远镜机架受太阳辐照和温度变化等因素影响,指向误差时变性较大,影响了对白天卫星的精确跟踪指向。针对卫星过境天区,提出了一种通过白天恒星监视,实现望远镜局部指向误差快速修正的方法,消除环境温度变化效应,实现高精度望远镜指向。以中国科学院上海天文台60 cm口径卫星激光测距系统为平台,应用短波截止滤光技术,实现了对亮于3等恒星的白天监视;并在卫星过境天区选择到6到7颗恒星进行观测,建立望远镜局部指向误差修正模型,以满足白天激光观测需求。该方法对白天卫星测距特别是高轨卫星等具有一定应用价值,也可推广到其他需白天目标观测的望远镜系统。     

对月球测距的高功率激光系统

本文介绍对月球测距的一种移动式激光系统。适用于有1.5米望远镜的天文观察所。望远镜仅用于接收激光回波信号,因此对它的其他用途都不受大的影响。移动式月球测距激光系统,用的是高能、单模的钕玻璃激光器,它的倍频波长是530毫微米。因其激光发散度极小,仅用0.2米直径的光学器件就可以取得大气限制的束宽。这个方案设计之最初设想是对近地球卫星测距。对这种应用,使用一种5厘米的光学转向(Coude)系统指引激光束。还有单独的一台12厘米接收望远镜。     

1 064 nm波长白天卫星激光测距试验

1 064 nm波长大气透过率高、天空背景辐射小,采用该波长激光开展卫星测距,有助于提升测距系统的探测能力,已成为国际测距技术的重要发展趋势之一。采用2.2 nm窄带滤光片,计算并测试了白天情况下1 064 nm波长测距系统的噪声,验证了该滤光片在白天对背景噪声的抑制效果。基于圆心光路调节方法,夜间借助红外相机实现了1 064 nm波长激光发射光路与机械轴的重合度调节,保证了全天区优于5″的激光指向精度,解决了白天观测条件下1 064 nm波长激光精确指向问题。采用重复频率为1 kHz、功率为5 W的1 064 nm激光器,建立了1 064 nm波长白天卫星激光测距试验系统,最远获得了地球同步轨道卫星的有效回波数据,实现了1 064 nm波长白天激光测距。试验研究将为我国1 064 nm在远距离卫星激光测距、空间碎片漫反射激光测距方面的应用与发展奠定了技术基础。     

基于光子计数技术的远程测距激光雷达

100km远距离测距的激光雷达,由于作用距离远,多采用低重复频率、高能量激光器配合大口径望远镜实现远程激光测距,导致系统存在体积大、重量大、功耗高等缺点。基于光子计数技术的激光测距雷达具有灵敏度高的特点,有效降低了系统的激光能量和望远镜的接收口径,降低了系统的体积、重量和功耗。设计了一种应用于远距离小目标探测的测距激光雷达,采用盖格模式的雪崩光电二极管实现光子计数,实现了系统的小型化。详细介绍了该系统的设计原理、组成部分和实验结果。实验结果表明,在双程大气透射率为0.25的大气环境下,对于有效反射面积为6m2、反射率为0.1的小目标,该系统的最远测距能力达到100km,距离分辨率为6m。     

双望远镜的空间碎片激光测距试验研究

大口径望远镜有助于提升空间碎片目标测量能力。根据激光测距雷达方程应用多台相对较小口径望远镜同时接收激光回波信号,可等效实现单台大口径望远镜激光信号接收能力,弥补大口径望远镜在目标快速跟踪、系统运行维护等方面不足,并可兼顾测距系统测量能力和效率。基于中国科学院上海天文台相距约55 m的1.56 m和60 cm口径望远镜系统,研究了双接收望远镜测距技术,在国内首次开展双望远镜空间碎片激光观测试验,验证了多望远镜同时接收碎片目标激光信号测量技术。测量数据结果表明:1.56 m口径望远镜激光回波接收能力是60 cm口径望远镜的约3~4倍,双望远镜可等效于一台约1.65 m口径望远镜的激光接收能力,在远距离、小尺寸空间碎片目标高精度激光观测中将发挥重要作用。     

一种基于NAND FLASH基带数据模拟源的设计与实现

针对卫星数传分系统基带数据模拟源的要求,提出了基于FPGA控制的NAND FLASH解决方案,阐述了该方案的硬件和软件的设计与实现,对NAND FLASH的读、写、擦除的操作时序进行了研究。单片FLASH最高读取速率可达250 Mbps,可通过多片FLASH芯片并行读取达到更高的读取速率。试验表明,该方案实现的卫星数传分系统基带数据模拟源可以有效模拟卫星数传分系统所需的数据模拟源,满足卫星数传分系统测试的需求。     

用改进型SBG卫星跟踪望远镜测距兼测向

本文介绍东德波茨坦的SBG型卫星跟踪望远镜。此设备装有一台红宝石激光器和光电接收机,它可对测地卫星作激光测距,同时还可进行照相测向。试验结果达到预期效果。特别是依次确定了若干测地卫星的方向和距离。测距精度达1～2米。     

模拟测距调制解调器码的信息处理机和产生器

本报告详细地介绍了模拟测距周制解调器的研制情况,该设备尽可能使用了最近研制的线性集成电路。样机的硬设备可在高噪声环境下(即C/N_0为37分贝-赫)捕获微弱信号的频率和相位,这已在实验室的噪声试验中得到证实。本报告讨论了系统和硬没备的实现情况。这里采用和试验过的测距技术,已直接用于“宇航卫星”系统。这是一种侧音测距的可能途径。试验步骤和试验结果均列在总结、建议和结论等项内容中。报告还给出电路的设计方法、试验数据和分析方法等。     

图片介绍

LRR-101型小型激光器是由美国国际激光系统公司生产的,它能测目标距离,方位和俯仰。这种系统包括Nd:YAG激光发射机、接收机、控制和测距线路,以及瞄准望远镜。硅雪崩二松管探测器做接收机,它的灵敏度可变,使减少近距时的回散效应.该系统测距范围从250米到9995米,距离精度是5米。控制和测距线路能指示多目标,但只读出最近的目标。电源是24伏NICa电池,每次充电可用1000次     

光行差对高轨卫星激光测距的影响分析

随着卫星激光测距技术的发展,高轨卫星激光测距的数据量明显提高。由于高轨卫星距离远回波弱,这就要求望远镜系统能精确地对准卫星目标才能接收到有效回波。首先分析了影响望远镜对准的光行差因素,即卫星运行的速度光行差和发射激光运行引入的光行差。文中以Glonass系列高轨卫星为例,重点研究了发射激光束运行引入的光行差偏移量,并且计算出测站测量Glonass系列卫星的光行差角偏移量为26rad。在实际高轨卫星激光测距中对Glonass系列卫星进行了数十次的测距实验验证,证明了文中对光行差影响的分析是正确的。通过文中的研究可以提高高轨卫星激光测距的捕获机率,大大提高高轨卫星观测效率。     

卫星激光测距系统的指向偏差修正

为了控制激光测距望远镜准确指向目标,本文采用图像处理方法精确识别卫星位置,计算卫星质心相对于参考中心的偏差并转换为望远镜的脱靶量,从而通过伺服系统修正望远镜的指向偏差;同时识别光束图像,得到光尖位置并计算光尖点与接收视场中心的偏差量,修正激光束指向偏差。     

多望远镜信号接收的激光测距系统探测能力

地面激光测距站向空间目标发射激光信号后,其反射的回波信号达到地面站时将覆盖一定范围,通过设置多台望远镜接收信号,有利于提升对激光信号探测能力。根据激光雷达测距方程及信号探测概率,分析了多望远镜信号接收系统的探测概率、提升效果以及等效接收能力。利用中国科学院上海天文台相距约60 m、口径分别为1.56 m和60 cm双望远镜系统,通过双望远镜同时接收卫星的回波信号,研究了双望远镜信号接收系统探测能力。相比原60 cm口径望远镜系统,单位时间内激光回波数增加了四五倍。考虑到1.56 m口径望远镜激光测量性能,双望远镜可等效于一台口径约1.61 m望远镜系统接收能力,验证了多望远镜信号接收可行性和技术优势。分析了多望远镜系统对轨道高度1 000 km、直径10 cm非合作目标测量能力及所需望远镜台数,使该测量技术在微弱信号探测与大口径望远镜激光测量中将会发挥重要作用。     

地基激光测距系统观测空间碎片及其探测能力研究

空间碎片高精度测量是提升碎片目标精密监测与预警的重要途径。作为空间碎片地基光电探测技术,激光测距具有高精度测量特性。根据空间碎片激光测距特点以及瞄准国际技术发展,研制高性能高功率激光器、突破高效率激光信号探测等,国内首先建立了60 cm口径空间碎片激光测距系统,实现了碎片目标测量距离从500~2 600 km,目标截面积从小于0.5 m2到大于10 m2,具备了空间碎片常规测量能力。根据空间碎片激光测距方程,结合实际激光回波数据,综合考虑空间碎片过境时段等,构建了地基激光测距系统探测仿真模型,研究了60 cm口径空间碎片激光测距系统探测能力,可对距离1 000 km、直径大于50 cm碎片目标进行观测,与实际测量结果相符,验证了仿真模型的合理性,为未来地基激光测距系统高效运行及测量装备建设与探测效能评估奠定了基础。     

基于图像处理的激光指向误差修正技术方法研究

为了进一步提高卫星激光测距系统中激光指向修正的效率,提出了一种优化的用于激光指向的图像处理算法实现方案。针对实拍的CCD图像,利用拉东变换的方式对图像中的散射光尖点进行精确定位,采用带阈值的质心法提取目标卫星质心,将解算出的光尖点与卫星点的位置偏差转换为望远镜指向的弧度偏差,反馈至激光指向控制系统中,形成了有效的闭环控制。目前,该方案已成功应用于乌鲁木齐气象卫星站内的地基激光定位系统中,实现了在线实时修正激光指向误差,并将指向精度控制在2弧秒以内。     

MLRS: A Lunar/Artificial Satellite Laser Ranging Facility at the McDonald Observatory

The McDonald Laser Ranging Station (MLRS) is a dualpurpose nstallation designed to obtain observations from both artificial satellite and lunar. targets. It was originally constructed to replace lunar activity on the McDonald 2.7-m telescope and, at the same time, establish artificial satellite ranging capabilities at the Observatory. The system is designed around a 0.76-m telescope assembly and uses a very narrow 532-nm wavelength laser pulse. The MLRS is presently operational near Fort Davis, Texas, in support of the NASA Crustal Dynamics Project.     

基于星间激光测距的高轨卫星定位技术研究

针对传统的高轨卫星定位技术存在定位精度低的问题,提出了基于基于星间激光测距的高轨卫星定位技术。在高轨卫星飞行器上安装低噪声激光探测器,借助激光探测器、发射机以及接收器构建星间通信链路,分析接收天线的接收功率与发射天线的发射功率之间的关系,通过激光脉冲传输空间测距与高轨卫星信号捕获接收功率和发射功率获得定位初始数据;再分析星间相对运动和修正电离层误差,得到定位数据的精确解算融合结果。选取精度因子DOP作为评判高轨卫星定位技术的参数,通过仿真实验发现高轨卫星定位技术比传统定位技术的平均DOP值高2.89,由此证明所提定位技术的定位精度更高。     

新型相位式激光测距系统电路的设计

为了提高相位式激光测距系统的精度和可靠性,设计了一种新型的相位式激光测距系统的发射和两路几乎一致的接收电路。通过采用具有微小频差的低抖动时钟发生技术,差频测相技术等原理,系统可以实现特定环境下的高精度测量。系统由级联式PLL可编程时钟信号源、激光发射与接收模块、自动增益控制、混频滤波及数据采集组成。利用时钟源产生调制信号,并对反馈信号和接收信号进行放大、混频滤波等信号调理,进而采集数据并对数据进行处理分析。在电路的设计中,优化了激光的调制发射电路,采用低回波损耗的尾纤式激光器,增加简单实用的自动增益模块等。实验观察的波形和数据结果分析表明,此相位式激光测距系统电路简单实用,并且具有较高的稳定性和较高的测量精度。     

APOSOS光电望远镜空间目标观测精度分析

利用内符合精度和外符合精度两种精度判定方法,对国内首台基于APOSOS亚太地基光学空间物体观测系统）项目安装在国外的15 cm地基空间碎片光电观测望远镜获得的观测数据进行了观测精度计算分析。经过计算分析,得到内符合精度在5左右;利用全球激光测距服务系统提供的综合激光测距数据格式标准点资料对Lageos1、Lageos2和Ajisai卫星进行精密定轨,进而获得这些卫星的精密轨道,并以此精密轨道作为APOSOS 15 cm光电望远镜观测数据外符合精度的评定依据,得到外符合精度大约在6左右。计算分析结果表明:系统的观测精度较高,达到了设计指标,能够满足科研和工程应用的需要。     

卫星激光测距系统中图像处理子系统设计

为了提高卫星激光测距系统的自动化程度,设计了一套用于卫星激光测距系统的图像处理子系统。本子系统通过图像处理手段,解算出激光束光尖和卫星位置,并将位置偏差反馈给控制计算机,用以调整激光束的出光方向和修正预报偏差。首先给出了该系统的软硬件框架和实现流程;然后重点介绍了图像处理部分算法;最后结合实际观测对系统进行性能验证,结果表明本系统功能正常,稳定可靠,在一定程度上提高了激光测距系统的精度和实时性。