高重复频率卫星激光测距实验研究

介绍了上海天文台开展高重复频率激光测距实验和卫星实测情况.通过研制事件模式距离门控电路,开发高实时性测距控制软件,引进高精度事件计时器,利用重复频率为1 kHz、能量2 mJ的半导体泵浦激光器,以60 cm激光测距仪为平台,成功实现了对(800～7000)km卫星的高重复频率激光测距,所获得的回波数据是常规低重复频率测距的2～3个数量级.     

精密激光测距系统

1953年美帝就已开始运用电光仪器测量大地距离。第一台仪器大而笨重,用钨灯作光源。1962年,小巧而轻便的仪器制成,它用汞蒸汽灯作光源。两种仪器都有比较高的测量精度,但是,它们的工作距离有限,而且只能在夜间观察。1965年末开始发展用激光器作光源的仪器,以便提高在中等程度的雾下的测量范围,在明亮日光下测量出较长的距离,并提高精度。此仪器在1966年完成并作了野外试验。     

高自动化卫星激光测距系统研究与设计

卫星激光测距(SLR)技术因测量精度高而广泛应用,但由于涉及多门学科领域使得系统复杂,制约了自动化水平提高,影响着该技术的发展和推广应用。基于上海天文台SLR系统平台,分析了SLR的操作流程,提出光学系统、伺服系统、控制系统及远程监控管理系统等自动化发展方向,设计了角秒级精度光束指向瞄准方法,研制了精度为1″的小型化伺服控制系统,实现了观测模式的快速切换,并搭建远程监控管理系统,使整个SLR系统的自动化能力得到提高,减少了人力操作,提高了观测效率。应用上述研究成果,在国内成功进行了SLR的远程控制实验,实现了SLR系统的异地操作和监控,为SLR的全自动化及远程控制应用奠定了技术基础。     

高重复率卫星激光测距的关键技术及其进展

高重复率卫星激光测距技术通过采用千赫兹的发射频率获得更多的观测数据来提高测距精度,是未来卫星激光测距的发展方向.综述了国内外高重复率卫星激光测距系统采用的关键器件及技术的研究现状,并展望了系统未来的发展趋势.     

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。     

分米精度卫星激光测距

从1964年探险者22号人造卫星发射以来便开始了卫星激光测距工作。卫星激光测距精度已由开始的米级提高到分米级和目前的厘米级。高精度卫星激光测距的实现,使它能广泛应用到大地测量和地球动力学的研究上。通过精密测出卫星轨道和它的微小变化,可以研究全球性的重力场模型。可以精确的确定地面点坐标,对长基线的测量精度可达3～5cm。并可能对地表面的微小变化,如极移、大陆漂移、板块运动、地球自转速率的变化等进行研究。通过地壳坐标点的变化,反应出地壳的形变,可进行地震等预报。由于这些重要的应用,使这项工作在全球迅速发展起来。     

精密激光测距的最佳化问题

从测程、精度与信噪比的关系出发,推导并分析了相位式精密激光测距系统及调制和检测的最佳化。作为一个系统设计实例,引述了 JCY-3型激光测距仪的参数选择和野外实测数据。     

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。     

激光地球动力学卫星激光测距实验

实验用跟综机架是一台地平式经纬仪,主镜口径625毫米。由于Lageos卫星距离远,星等暗,我们确定改主镜作为导星镜用。其光学系统如图1所示。 在转台两悬臂水平轴方向,和在次镜反射光的光路中安装一个45°反射镜,它可以透过5320埃的激光回波,带宽为200埃。实验证明,导星镜可以顺利地跟踪14等星的Lageos卫星,它的视场是42分。在上海地区,天气好的话,仰俯角可以跟到39°。     

地球卫星新型激光测距系统

为了改进地球卫星间距离的激光测距测量精度,发展了一种新技术。这个方法是利用一个锁模激光发射器和一个装有偏转电极的象变换管,测量激光脉冲到远距离的后向反射器和返回的飞行时间。发射和返回光脉冲信号聚焦在象变换管的光电阴极上,而它的偏转板由一个非常稳定的振荡器产生高压120兆赫正弦波触动。由两个光脉冲在输出荧光屏上成象的相对位置,能够精密测量飞行时间超过偏转正弦周期的某个大的积分的N倍的小数部分。N值借助于一个辅助测量获得,测量时发射和返回光脉冲用光电倍增管接收,信号输出采用开门和关门通用的时间间隔计数器。已经建成系统的一种实验室试验方案并在屋顶上进行了测试,全长(来回)大约80米。在这个全长测量中,用激光测距系统所得结果的统计偏差相当于±1.3厘米的误差(标准误差)。因为单程距离测量的误差应该是全程的一半,所以这个结果意味着测距精度±7毫米。由激光测量得到的全长平均值和用常规的方法(即用一个钢尺)测得的结果相符达到±1厘米(小于共同的实验误差)。     

卫星激光测距数据处理方法研究进展

数据处理技术的发展与进步是实现毫米级卫星激光测距（Satellite Laser Ranging,SLR）的重要保障。文中简要回顾了SLR技术的发展历程,阐述了数据处理技术在SLR的实际应用,着重介绍了国内外典型的数据处理算法及其发展脉络。同时,针对大地测量产品的应用需求,分析了目前SLR数据处理算法的适用性、稳定性及存在的问题。最后,针对激光测距的未来发展态势,提出了新一代SLR数据处理方法面临的挑战及可能的解决方案,并对其发展趋势做出展望。     

高重复率卫星激光测距中后向散射干扰及规避

大气后向散射对高重复率卫星激光测距（Satellite Laser Ranging,SLR）的回波接收产生干扰且随测量频率增加愈发严重,已成为制约SLR工作频率提升的关键因素之一。根据大气散射雷达探测方程,分析了探测系统接收到的大气后向散射光功率及对回波接收的影响,以上海天文台现有收发分离的SLR系统为平台,通过试验验证了分析的合理性;据此厘清后向散射干扰产生时序,给出基于激光发射时序控制的后向散射规避方法。通过在高重复率距离门控电路中添加激光点火信号产生模块,并实时判断后向散射干扰情况以控制点火信号是否延迟输出,基于FPGA（Field Programmable Gate Array）完成了后向散射自动规避电路,成功应用在上海天文台高重复率SLR的常规观测中,实现了对散射的完全规避,且对Lageos等重点激光卫星的平均点火频率下降率低于2%,具有很好的推广应用价值。     

旋转卫星激光测距数据分析与处理

为解决传统的旋转卫星激光测距数据频谱分析方法运算量大、耗时长的问题,提出一种基于快速Lomb-Scargle算法的卫星激光测距数据处理方法。首先用经验模式分解方法来自适应地去除O-C残差中代表卫星轨道运动的低频趋势项;然后采用快速Lomb-Scargle算法对预处理后的数据进行频谱分析,得到相对应的周期图,进而分析卫星的自转速率。采用该方法处理了奥地利Graz站千赫兹测距系统测量得到的Ajisai卫星的数据,分析得出2010年5月Ajisai卫星自转的速率约为0.472Hz。并对4圈激光测距资料进行处理,结果表明,该方法可以将频谱分析运算量降低两个数量级,节省大量处理时间,为快速高效地处理大量的旋转卫星激光测量数据提供了新思路。     

卫星激光测距数据处理算法的研究进展

简述了卫星激光测距系统研究背景和发展现状,阐述了数据处理算法在卫星激光测距技术中的重要地位和作用,重点介绍了当前国际上普遍采用的一些数据处理算法的发展应用情况以及一些先进的数据处理算法的研究进展,包括屏幕处理技术、泊松统计滤波算法、相关检测算法等.最后展望了卫星激光测距技术及其数据处理算法的发展方向.     

基于高重频卫星激光测距测算AJISAI卫星自转速率

随着千赫兹(k Hz)卫星激光测距技术的发展,高精度、高重频的卫星测距数据为卫星自转速率的研究奠定了基础。基于中国科学院云南天文台k Hz卫星激光测距系统的卫星实测数据,分析了AJISAI卫星的自转情况。利用正交最小二乘法对原始观测数据进行了预处理,然后利用频谱分析的方法获得了AJISAI卫星实测数据的频谱图,结合AJISAI卫星角反射器面板的排列规律,分析得出2014年4月AJISAI卫星自转的速率约为0.4382 Hz,利用国内的测距数据得到了地球动力学卫星的自转速率。该方法可以推广到对其他类似激光卫星自转速率进行测定,同时为高精度卫星自转模型的建立提供了基础条件。     

SBG卫星相机扩大用于激光测距

为SBG卫星相机研制了一种激光测距装置。用可以活动的镜片,使接收器可在照相与光电工作方式之间快速变换。对测地卫星GeosA的初步观测得到了满意的激光回波数据,随机测试误差为±1米。     

百kHz重复频率卫星激光测距

对卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)回波数与重复频率、脉冲能量及功率关系进行分析,表明单位时间内相同激光回波数,重复频率越高所需激光脉冲能量和平均功率越低;同时对SLR单次测量精度及标准点数据精度进行分析,表明标准点时长内测距点数越多,SLR标准点精度越高。提出点火脉冲群与门控脉冲群收发交替的工作模式,解决超高重复频率后向散射光噪声对激光回波干扰问题。开发多缓冲区存储模式,使测量软件数据实时处理与储存效率提升4~6倍。基于中国科学院上海天文台60 cm口径SLR系统,以快速事件计时器、脉冲群生成器、低噪声单光子探测器等,采用脉冲间隔5 μs、单脉冲能量80 μJ的皮秒激光,收发交替脉冲群模式下实现100 kHz重复频率低轨至高轨卫星的SLR测量,近地星Hy2b标准点精度达到28.55 μm,远地星Galileo218标准点精度达到136.51 μm,为发展更高重频和高精度空间目标激光测距提供了有效方法。     

少光子灵敏度精密激光测距方法及验证

针对传统线性探测激光能量需求高、光子计数难以区分信号和噪声的特点,提出了一种基于少光子的高精度激光测距方法。利用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier,SiPM）作为回波探测器,并对脉冲测距系统的回波响应模型、噪声特性以及测距精度进行分析。搭建了实验验证系统,实现了在激光波长为532 nm、能量为10 nJ的条件下,对107.86 m处的面目标进行测距。实验结果表示,系统的噪声为随机分布,且噪声幅度不超过3个像元同时响应量级,鉴别阈值略大于该值时,即可清晰地分辨出信号和噪声;对于包含32个光子的回波信号,探测器中发生雪崩像元的个数约为4个,此时系统测距精度达到3=3 cm。     

我国实现白天千赫兹卫星激光测距

中国科学院国家天文台长春人造卫星站卫星激光测距(SLR)系统实现白天千赫兹卫星激光测距。这也使该站成为国际上少数具备白天常规千赫兹卫星测距能力的台站之一。