HY-2卫星激光反射器理论分析及激光测距试验
HY-2卫星激光反射器理论分析及激光测距试验
作者:罗青山;郭唐永;邹彤;朱威;姚运生;
卫星激光测距仪技术是旨在利用空间技术研究地球动力学、大地测报学 、地球物理学和天 文学等的技术手段 , 是 当前高精度卫星精密定位观测的主要手段之一 , 是现代各种定位观测手段 中单点采样精度最高的一种正21,其观测精度已经到达几厘米甚至几毫米,因此人造卫星(下文简称人卫)激光测距技术的一个重要用途是可以对GPS、甚长基线干涉测量等定轨结果进行检核。激光反射器作为一种无源的光学元件 ,一般安装在卫星的对地面 ,对地面发射的脉冲激光进行原方向反射,通过精密测蜇激光飞行的时间来计算星地之间的距离。目前能够用于卫星激光测距的卫星大约有50多颗 ,按照其结构大致可以分为平板结构 、球形结构 、半圆台结构 及特殊结 构 四类 。
国内自主研制的卫星激光反射器均是以石英为材质的实体棱镜加工而成阮71,高轨卫星以平板结构为主,低轨卫星以 “类圆台”结 构 为主。由千低轨卫星相对于地而观测站的速度快,可供地面测站实施激光观测的时间短,且激光反射器可观测的仰角范围大,所以低轨卫星激光反射器在观测站 181的 观测仰角范围、角锥棱镜的速差补偿的要求更高。文中以国内自主研制的HY-2卫星激光反射器为例,系统地分析HY-2卫星激光反射器的特性,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。并利用国内自主研制的新一代流动式卫星激光测距系统TROSlOOO对HY-2卫星进行追踪和激光测距实验,实验结果表明: HY-2 卫星的激光测距误差基本控制在1cm左右,所研制的激光角反射器性能优良。
1 HY-2 卫星激光反射器
1.1 HY-2卫星简介
HY-2卫星是国内第一颗海洋动力环境探测卫星气主要是监测和探测全球海洋动力环境参数,包括海面温度、海面风场 、海面高度 、有效波高、海流、潮沙 、大地水准面等 ,是海洋防灾减灾和海洋资源开发利用的重要监测、探测手段。HY-2的成功应用为国内海洋灾害的预警报和海洋科学研究、全球气候变化提供了可靠的观测数据。HY-2卫星已经成功发射,工作寿命3年。轨道高度为965 km, 近圆轨道。星上装载有微波散射计、雷达高度计、微波辐射计和校正微波辐射计、DORIS、双频GPS和卫星激光反射器激光反射器安装在卫星的对地面,且反射器周围无遮挡。
1.2 HY-2卫星激光反射器
HY-2卫星激光反射器反射器由九个角锥棱镜分布在一个半球台结构上 ,中间分布一个 ,四周分布八个。HY - 2 卫星激光反射器是 由武汉大学负责设计研制,其中核心部件角锥棱镜是由中国地震局地震研究所采用配重分离器法进行研制,所研制的角锥棱镜锁制的金属反射膜获得了光学反射率大于90%的优异成果 ,且角锥棱 镜 二 面角误差精度可达到的.2 " 的高水平 。H Y - 2 卫 星反射镜单体采用通光口径为33 mm,顶高为26 .2 mm 的石英材质角锥棱镜。
1.3 远场衍射分布
HY-2卫星的轨道高度为965km,轨道倾角为99.35 ° '偏心率为0.00117,卫星运行周期为104.5min,重访周期为14天。其最大速度光行差约为 10 " , 为补偿卫星速度光行差的影响,采用分裂衍射中心法,即将角锥棱镜的三个二面角设计。
1.4 相对 有效 反射面积分布
激光回波信号的强弱取决于角锥棱镜通光孔径的大小及其分布方式, 由于是卫星激光合作目标在轨运行过程中相对于人卫激光观测站的位置不固定,无法以具体台站为中心的坐标系来计算激光反射器有效反射面积,HY-2卫星具有对称性,以角锥棱镜的光学轴的交点作为坐标原点,x轴指向卫星轨道运行方向,z轴指向地心,y轴符合右手定则,则激光反射器总有效反射面积为各个角反射器有效反射面积之和。
根据HY-2卫星激光反射器排布方式及相对有效反射面积计算公式,在单个角锥棱镜相对反射面积取1时激光反射器有效反射面积的分布图,卫星激光反射器有效反射面积分布由角锥棱镜的排布方式和角锥棱镜通光口径两个因素决定。由相对有效反射面积分布图可知,HY-2有效反射面积分布比较均匀,且可以对与地面处于不同方位的激光测距站的激光进行有效反射。
2卫星激光反射器误差分析
2.1距离改正概率模型
对于由多个角锥棱镜组成的阵列而言,通常以角锥棱镜的光学轴的交点作为光学中心, 由于不同的激光入射角会导致不同的距离更正值。HY-2卫星包含9块角锥棱镜,其各个角锥棱镜光学指向如表2所示,则HY-2卫星激光反射器距离更正值分布,激光从不同的角度入射,其距离改正值不同,该值不会超过10 mm, 不同激光入射角度的距离改正标准偏差值为3.2 mm。
2.2综合测距精度分析
卫星激光测距的测距误差可以分为系统仪器误差、卫星激光反射器误差、系统延迟测歉误差、气象参数采集误差和大气修正模型误差等(16-20)。HY-2卫星的单次综合测距误差为9.4-13.4 mm。除上述误差项外,还存在激光能最波动、真空光速误差、大气折射率误差、大气湍流等一些无法定量的误差项,也将影响到激光测距的结果。
3 HY-2卫星追踪及激光测距实验
国内自主研制的新一代流动式卫星激光测距系统TROSlOOO在山东荣成对HY-2卫星进行追踪和激光测距界面截图。两根粗线为设置的距离门宽度,两根粗线的中间分布代表信号探测装置开启后接收到的噪声和信号,细线表示有效回波信号,离散的白色的点表示噪声。激光测距实验对HY-2卫星观测1.2 min,总共2 835个点,其内符合精度为11mm,实验结果表明,实测结果与理论结果相符。
4结论
HY-2卫星是国内第一颗海洋动力环境探测卫星,对HY-2卫星轨道实施厘米级定轨是海洋动力环境卫星提供服务的基础。卫星搭载了激光反射器,以厘米级精度卫星激光测距作为卫星精密测轨的独立标校手段。HY-2卫星至发射升空以来,全球多个人卫激光测距站对其成功实施了激光测距,其测量弧段范围从仰角14.7°~87.7°'且大多对HY-2卫星的激光测距误差内符合精度基本控制在1.0 cm 左右,标志着HY-2卫星激光发射器性能优良。文中对HY-2卫星远场衍射分布、相对有效反射面积、距离改正值分布和激光测距综合精度进行了分析,最后利用TROSlOOO流动式激光测距仪对HY-2卫星进行追踪和激光测距实验,实验结果表明,实测结果与理论结果相符,这对以后设计卫星激光反射器提供了依据。
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