单向激光测距及其测量试验
单向激光测距及其测量试验
张秋扬
月球、 卫星激光测距采取的测量方式皆为激光往返传输,即:在同一台望远镜上设置激光发射与接收系统, 并通过设计空间目标激光反射器来补偿速差, 以使激光反射器的回波信号反射至地面测量系统,从而实现精确测量空间目标距离。鉴于传统的激光测距难以达到星际空间, 则要求改用单向激光传输模式,即分别在地面站端、空间飞行器端设置激光发射接收系统。 目前,基于单向激光传输的测距方式分为应答式、单向激光测距两种,其中单向激光测距更具应用优势, 因此更能满足空间飞行器的测量 要求。
1 单向激光测距技术
对千单向激光测距, 其激光测量端设在地面站端、空间飞行器端,且都设有相应的时间基准系统。据此,单向距离测量误差与计时设备、 光子探测及测量终端 时间系统钟差存在直接关系。单向激光传输模式下,空间飞行器测横端的光子接收能力可用接收的光子数来表示E为激光脉冲能隘,J;S为单位能量对应的光子数,波长532nm的激光约有2.67 X 10乓儿为空 间飞行器端的接收面积,m气K,、K,. 分别为地面发射系统与空间飞行器端接收系统的效率;T为单程大 气透过率;a为衰减因子,即指因大气抖动等造成的激光能量损耗;R为目标距离,km汛为激光光束经过发射望远镜的发散角。 火星轨道空间飞行器的距离约为8xl07 km,则依据光子数Nr的估算方程式,倘若E=I50 ml、儿=78 m2人=0.6、K,=0.65、T=0.4、0,=10" 及a=0.05 , 则一个激光脉冲接收的光子数为 2.1。 据此,针对单光子探测器,火星轨道飞行器测最端完全能够完成激光光子的探测与测距。
2 IGSO卫星单向激光测距试验
某导航卫星轨道高3 .6万km及其属千倾斜同 步轨道,简称IGSO。 为了保证导航卫星定轨的精密度,该导航卫星既载有时间计时器和光子探测器,还设有激光反射器及实现在地面站进行激光往返传输的卫星激光测距。在本次测拭试验中,利用该卫星设备的测景平台及既有的地面、星载测量系数,并对地面激光发射时刻等进行精确控制,以完成IGSO卫居单向激光测距试验气
2.1 测量试验
对于本次测量试验,包括星载设备系统(时间计 时器、光子探测器)和地面设备系统(卫星微波信号接收装置、卫星激光测距系统),具体试验要点为:地面望远镜在跟踪卫星时,利用卫星激光测距系统实现控制;激光器在发射激光信号时,按定的时序进行控制,并利用发射望远镜向卫星发射;地面激光发射时刻记录在时间计时器中;光子探测器设置在卫星对地面,用以探测激光信号从地面站发射的具体情况,而信号达到卫星的时刻记录在时间计时器中;激光信号达到卫星的时刻先经微波发射机向地面站发送,再与激光发射时刻匹配,然后再利用得到卫星 单程距离的测值,继而实现单向激光测距。依据空间飞行器端光子数的估算方程式,单次激光脉冲在发射出以后,IGSO卫星的光子探测器接收的光子数为 0.67。可见,光子探测器接收的光子数并不多,究其原因是光子探测器未设接收望远镜,因此接收面积较小。为此,增加测量频率可实现在单位时间内有效探测激光信号。
2.2 单向激光测距的地面控制
在IGSO卫星测量端,其有效时间窗口长2µs,即指时间计时器开、关门信号的时间最长间隔2µs, 其中包含光子探测器探得的背景噪声。为此,要求激光脉冲信号每次从地面站发射至卫星时,都应在有效时间窗口中,因此要求严控激光发射时刻,这是单 向激光测距得以成功开展的关键。同时,光子探测器对激光信号探测的准确度与卫星的空间背景噪声也有关系,即通过统计分析IGSO卫星的空间噪声,有助于控制地面站发射激光信号的时刻。
2.3 单向激光测距误差
对于IGSO卫星单向激光测距,其误差包括系统误差和偶然误差。其中,偶尔误差是卫星测距精准度的关键影响因素,其包含下列两个部分的内容:激光发射时刻的测量误差,比如地面钟秒脉冲的抖动 误差与计时器计时误差、激光起始信号探测(器)误 差;激光发射到卫星的时刻的测量误差,比如激光光程的起伏误差及卫星钟秒信号的抖动误差、计时器计时误差激光探测器的探测误差。
3 结语
在本次测量试验中,星载激光测量终端的应用是一次成功的实践,其为我国研发行星际空间飞行器激光测量终端积累了经验,从而促进了单向激光测距技术再我国的深入发展。
本文章转自爱学术,如有侵权,请联系删除