HY-2卫星激光反射器理论分析及激光测距实验

激光反射器作为一种被动无源光学合作目标,是人造卫星激光测距系统中的重要组成部分。对于运行在低轨卫星中的激光反射器,既要在较大的激光入射角范围提供服务,又要将角反射器阵列结构所引入的综合测距误差控制在一定范围内,以保证高精度的激光测距,因此绝大多数采用半球形阵列结构。文中以我国海洋二号卫星激光反射器为例,对半球形激光反射器的远场衍射分布、相对有效反射面积分布、距离更正误差分布和激光测距综合精度等核心技术参数进行理论分析。并以国内流动式卫星激光测距系统TROS1000对海洋二号卫星激光反射器进行追踪和激光测距实验,测量结果表明,激光测距内符合精度为1.1 cm,理论分析与实测结果相符。标志着海洋二号卫星激光反射器性能优良,这对以后激光卫星反射器的设计具有指导意义。     

Galileo卫星激光反射器的结构设计

卫星激光反射器的结构设计是激光反射器设计的重要内容,本文以Galileo卫星激光反射器为例,阐述了中高轨导航卫星激光反射器结构设计所需解决的问题和措施途径,包括结构总体布局、角反射器组件结构、材料设计、减振缓冲、静电防护、热控技术等;并针对航天环境载荷(结构装配、恒加速度、振动、冲击、热循环等),对激光反射器的机械和光学性能影响进行了分析、计算和讨论,以此验证结构设计的可行性;Galileo卫星实际测距效果理想进一步表明Galileo反射器结构设计的合理。     

设计有效光源反射器的方法和实践

反射器设计是容易的。但设计一种高效反射器并不容易。为说明其应用，人们可采用标准反射器灯或裸灯和使用定制反射器系统［1］。不论哪种方法都可达到最佳效果。市场尽管有各种带反射器的灯，但卤素灯通常为装饰照明或高架投影器和电影投射器而设计的。这种产品对诸如医疗仪器或液晶显示器（LCD）投影系统之类的特殊应用并非总是最佳。应用中还设计了一些光学效率较低的灯。在灯的效率不允许太低的系统中，光学工程师必须必须考虑灯性能的微细差异而对裸灯设计一种特定反射器。光学工程师往往没有精确的光源模型或灯的热力学特性的模型，…     

试验卫星激光反射器的设计和试验

MS1和MS2试验星是我国首批设计寿命10年的中高轨导航卫星,为提高在轨精度和实现卫星精密定位,作为舱外有效载荷,两颗卫星均标配搭载了激光反射器。卫星激光反射器光学设计应考虑远场衍射等物理光学影响,不能仅考虑几何光学理论设计。以试验星反射器为例,基于角反射器光学远场衍射能量分布理论为基础,采用最大雷达截面法进行反射器尺寸优化,利用角度补偿法进行速差补偿角设计,对反射器表面加工精度、反射表面特性、切割方式等光学参数进行优化分析计算,并通过合理的机械结构和材料设计,解决了高量级力学环境、330℃高低温度交变、10年空间辐照寿命等环境适应性问题。试验星光学测试结果表明:参数设计合理,可实现远场环带能量在预定观测区域的最大化,在轨观测数据表明反射器工作正常,测距精度、测距范围等指标满足预期设计,理论设计和实践相符,这对今后同类激光反射器的设计具有借鉴和指导意义。     

卫星激光合作目标中角反射器的密接布阵设计

用于卫星合作目标的角反射器阵列的设计 ,国际上普遍采用的是圆形布阵方案。采用正六边形密接布阵设计 ,获得了轻量化、高稳定性的卫星激光合作目标。角反射器阵列尺寸为 2 80mm× 16 0mm ,重量小于 2kg ,共有38个角反射器单元 ;单元底面加工成正六边形 ,对边距为 31 5mm ,有效通光口径为 30mm ,高为 2 5mm ;考虑到星载角反射器的速差效应及其补偿要求 ,经计算机数值模拟 ,将单个角反射器的综合角度误差确定为 5°± 0 5″ ,并在加工时对每个直二面角人为引入约 1″的角度误差。该设计虽然在一定程度上增加了阵列基座的加工难度 ,但计算表明 ,在设计尺寸一定的情况下 ,与传统圆形布阵相比 ,合作目标阵列的重量减轻 15 5 % ,而有效反射系数及回波光子数均提高 10 3%。     

具有面形误差的角反射器反射特性研究

通过采用矢量光学和光线追迹算法来建立具有面形误差角反射器的几何光路模型,可以得到各种面形误差、不同入射角和不同底面切割形状的有效反射面积;通过蒙特卡洛法对夫琅禾费衍射进行模拟,可以得到角反射器的远场衍射能量分布模型。针对三角形切割的球面面形误差的角反射器,介绍了角反射器内部光线路径和蒙特卡洛衍射,给出了具有不同球面面形误差的有效反射面积和衍射分布。以上分析手段可以为特殊用途角反射器、相位补偿和光行差角补偿等方案提供结构设计、优化和校验。     

导航卫星激光反射器技术发展综述

卫星激光角反射器(laser retro-reflector,LRR)作为SLR系统空间载荷部分,装载在卫星表面,其作用是增强星体目标对激光信号的反射率,实现星地距离的精密测距。导航卫星激光反射器是星载激光反射器应用的一个主要分支,本文主要就导航卫星激光反射器国内外技术发展现状、光机设计主要问题、未来趋势和研究方向进行了扼要的评述、讨论和展望;所叙述的内容对其他类型激光反射器的设计同样有借鉴作用。     

角锥棱镜的入射角及有效反射面积分析

基于角锥棱镜的基本结构及定向反射的光学特性,证明了同一光束出射点与入射点的对称关系以及不同入射光束出射点与对应顶点投影点的偏移量关系。推导出不同入射条件下角锥棱镜最大入射角及有效反射面积的理论计算方法,并给出最大入射角随方位角和折射率变化的规律图线及有效反射面积随入射角、方位角、折射率变化的规律图线。研究为角锥棱镜阵列的有效反射面积、回波能量的计算、误差分析等提供理论基础,且对正确设计使用角锥棱镜具有重要的理论指导意义。     

北斗卫星激光反射器被国际组织确认为最佳

我国卫星激光反射器研究获得突破．中国科学院上海天文台研究员杨福民主持研制的卫星激光反射器,经过北斗二代M1卫星两年多的运行使用．证明其已达到了国际领先水平,受到国际同行的高度称赞．并被国际激光测距组织确认为目前最佳设计。     

发展三极观测激光测高卫星的探讨

南极、北极和青藏高原素有地球三极之称, 正经历着巨大变化的“三极”区域既是影响研究全球气候变化的关键区,又是保障国家安全利益的重要战略特殊区。激光测高卫星具有快速获取全球地表高精度三维信息的特点,在极地区域相比其他类卫星其优势更加明显。为满足新形势下“三极”区域遥感观测研究的需求,立足于激光测高卫星,总结了国内外已有激光测高卫星在极地观测方面的现状,分析了激光测高卫星在极地区域的观测需求,探讨了激光测高卫星在极地区域的可观测要素,提出了我国发展极地观测激光测高卫星的相关建议,并对未来极地遥感卫星体系建设给出了初步设想及展望。     

区域覆盖卫星系统的共地面轨迹星座实现

研究了使用中轨共地面轨迹星座实现区域覆盖卫星通信系统的优化方法,提出了一种能够完整描述该类型星座的编码标识方法,给出了多个适用于我国的星座方案实例。基于时变的业务分布密度特性对星座方案的参数进行了调整,使得星座的覆盖特性与业务分布密度更加一致。仿真结果表明该类型星座能够以较少数量的卫星为我国提供良好的覆盖性能。     

激光跟踪中目标卫星表面BRDF对回波信号的影响

通过双向反射分布函数(BRDF)公式,模拟了空间激光主动照明跟踪中,相同材料、不同粗糙度下卫星表面的BRDF,得出了随着卫星表面材料粗糙度的增加,镜面反射分量越小,漫反射分量越大,双向反射分布散射角越宽,接收到的回波信号对方向的敏感性减小。同时模拟了入射角度对卫星表面BRDF的影响,得出了照明光束小角度入射、接收信号方向与照明光束方向一致时,镜面反射分量的增加增强了反馈信号,当大角度入射时,反馈信号急剧减小。当入射角大于34°时,通过卫星表面BRDF计算得到的最小接收功率,比之前把卫星目标看成朗伯体,通过激光雷达公式计算得到的最小接收功率小。得出了增加照明光束的发射功率为原来的5倍,或者增大接收口径为原来的2.5倍,可以消除大入射角度带来的接收功率的减小,使得系统有4倍的功率余量。     

Design and implementation of variable coding and modulation for LEO high-resolution Earth observation satellite

As LEO (Low Earth Orbit) high-resolution Earth observation satellite needs to transmit a large amount of remote sensing data from the satellite to the ground station, higher downlink capacity still poses a severe challenge to LEO. Therefore, variable coding and modulation (VCM) has become an important scheme to optimize the performance of satellite downlink. In this paper, the downlink VCM system of China Earth observation satellite is studied for the first time. By evaluating the free space loss of the satellite downlink path, a VCM-based satellite downlink system is designed, and a DVB-S2 BCH-LDPC encoded variable bit rate high-order MAPSK modulator is implemented. The maximum channel bit rate can reach 3.5 Gbps. Then, the experimental results of Gaofen-7 satellite, which was launched in November 2019, are carried out which showed that our design method effectively meets the design requirements, and the performance is verified.     

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。     

漫反射成像法的激光参数测量系统设计

精确地测量激光在大气传输后的光斑参数,是研究激光大气传播效应和分析激光发射系统性能的关键技术手段。测量激光远场参数的方法主要包括阵列探测法和相机成像法,目前在激光大气传输效应的测量评估中大都采用阵列探测法。由于探测器阵列靶受物理空间和研发成本等因素的限制不能均匀且高分辨率紧密排布,将造成采样光斑的失真,难以精确地测量远场光斑参数。针对此问题,利用相机分辨率高的特点,设计了一套基于漫反射屏成像法的激光参数测量系统。该系统最小测量分辨力小于0.39 mm,质心位置平均偏差为0.05 mm,测量光斑到靶功率不确定度优于10%。该系统能有效地测量激光发射系统的跟瞄精度和到靶功率,为分析激光大气传输效应和分析激光发射系统性能提供有效手段。     

星载激光测高仪大气干项延迟校正

星载激光测高仪发射的激光脉冲在通过地球大气层时发生折射,导致激光路径的延长,为了获得高精度的测距结果,必须对大气延迟进行修正;而大气干项延迟在大气延迟中占主导作用,仅由测量位置的地表大气压力决定。通过推导静态大气在非理想气体条件下的流体静力学方程,得出地表气压与位势高度有关的大气压力模型,结合NCEP基于标准大气压层的气象数据和GLAS测量的时间经纬度和高程数据,对位势高度使用4阶Runge-Kutta算法进行数值积分得出地表气压,进而计算大气干项延迟。通过该方法和NCEP地表气压估计得出的干项延迟分别与GLAS官方公布的干项延迟对比,该方法计算结果的趋势与准确程度均占优,且最大干项延迟误差小于2 cm。证明通过流体静力学方程数值积分计算地表气压的方法能够得出对星载激光测高仪较为准确的大气干项延迟。     

激光引偏干扰中漫反射板假目标的布设方法

激光引偏干扰是一种对抗半主动激光制导武器的有效手段,漫反射板假目标是激光引偏干扰系统的标准配置设备,为了提高漫反射板假目标在激光引偏干扰中的诱偏效果,研究了漫反射板的布设方法。根据半主动激光制导武器的来袭威胁信息和漫反射板的反射特性,分析了漫反射板假目标的布设位置、漫反射面的朝向和多个假目标布设的具体要求,给出了量化的约束关系式,并指出了实际布设过程中的近似处理方法。研究结果对于漫反射板假目标的布设具有理论指导意义。     

圆锥形卫星天线太阳光反射特性仿真

根据卫星探测的相关理论,建立了卫星光学探测的仿真模型,并利用MATLAB进行仿真,研究了任意给定的卫星轨道、卫星天线参数和地面探测站位置参数下,探测站观测到的卫星天线的星等值。引入了圆锥形卫星天线对太阳光的反射公式和星等值的概念,给出了卫星处于地球阴影区和探测站探测盲区的判断方法。通过对模拟结果进行分析,可以得出任意一天、任意时刻卫星天线对固定探测站的星等值,并能给出圆锥形卫星天线对地面固定探测站的星等值随时间的变化规律。结果表明对低地球轨道卫星,地面观测站的同一光学观测设备在一天时间内可观测时间是很短的,对于圆锥形卫星天线,可观测时间更短。