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.     

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。     

卫星激光测距系统皮秒准确度时延标定研究及应用EI北大核心CSCD

卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)以脉冲激光为媒介获取卫星的精确距离,是空间大地测量技术中准确度最高的手段。在传统卫星激光测距系统中,通过测量已知距离的固定靶目标实现系统总时延的标定,对获取单向发射或接收时延的研究较少,这制约了卫星激光测距在激光时间比对、多台站协同测距及行星际激光测距等方面的应用。文中开展皮秒准确度时延标定方法的研究,首先,分析了卫星激光测距系统的时延组成及影响因素;其次,以中国科学院上海天文台卫星激光测距系统为平台,开展电学、光学和光电转换等时延的高精度测量,并将各部分时延组合完成收发时延的标定;最后,分析发射和接收时延标定的准确度,并将时延标定方法应用于地靶距离偏差的校验,验证时延标定方法的可行性。结果表明,发射和接收时延标定的准确度分别优于11 ps和13 ps,地靶距离偏差与国际激光测距组织(ILRS)反馈值相差仅11 ps。     

一种应用于卫星导航定位系统的SLR系统架构与实现

卫星激光测距(SLR)是一种高精度测量观测点与卫星之间距离的重要方法,它可以为卫星精密定轨和星地时间同步提供高精度观测数据。本文首先介绍了卫星激光测距基本原理,然后从系统架构角度深入分析了用于卫星导航定位系统的激光测距系统的组成和功能,详细阐述了激光测距中光学系统、控制系统等子系统原理及工作过程。最后,按照本文架构实现的激光测距系统给出了实际的测试结果和精度。实验表明,本文提出的激光测距系统具有较高的测量精度,能够满足我国导航定位系统的测距需求。     

时间比例放大法在脉冲激光测距中的应用

脉冲激光测距机体积小巧、测距时不需要辅助目标,因此便于携带且操作简单。但由于受到计时器计时精度的限制,脉冲激光测距的精度相对较低。而高精度脉冲激光测距系统往往难以达到低成本和便携的要求。为此,介绍一种时间比例放大法用来提高脉冲激光测距精度,这样就可以以低成本开发具有较高测距精度的便携式激光测距系统。     

高精度事件计时器的设计与实现

高频率、大范围和高精度是现代卫星/月球激光测距(SLR/LLR)的发展趋势,需要高精度事件计时器作为其时问测量单元.分析研究了事件计时器测量时间的原理,并基于时间数字转换(TDC)和现场可编程门阵列(FPGA)技术,用TDC芯片测量微小时间间隔,同时结合FPGA芯片设计和实现整个高精度事件计时器.进行了信号周期测量实验,结果表明,该测量仪准确度高,标准偏差值优于50 ps,系统误差小于11 ps,量程为24 h,温度漂移小于100 fs/℃,短期稳定性好于±3ps/h.     

Lageos卫星激光测距前沿回波数据提取模型及应用

Lageos卫星是专用地球动力学卫星,其卫星激光测距数据质量的提升对地球动力学研究具有重要意义。基于Lageos卫星激光角反射器分布,推导了不同层级角反射器回波与反射深度的关系,建立了Lageos卫星前沿回波数据提取模型,并将其应用于上海天文台卫星激光测距数据预处理,验证了该提取模型生成标准点的数据质量改善情况:内符合实验结果表明采用前沿数据提取模型生成的标准点距离参考线的标准差由337mm减小为050mm;外符合实验结果表明前沿数据提取模型处理结果经过快速精密定轨后反馈的距离偏差均值由28mm减小为21mm。因此,前沿回波数据提取模型所得标准点数据的稳定性和准确性有一定提升,为获得高质量Lageos卫星激光测距数据提供了一种有效的方法。     

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。     

双向式测距系统性能最优化研究及其应用

双向式激光测距技术克服传统激光测距系统中距离四次方能量衰减的缺点,可用于行星际高精度激光测距。通过研究双向式激光测距系统中资源和采样率之间的平衡性,可以用适量减少星端资源,增加地面端资源的方法,来达到测距性能最优化。以平衡系统为基础,开展双向式激光测距模拟试验,进而评估上海天文台卫星激光测距系统的行星际测距能力。最后介绍了2005年美国对水星的试验系统MLA。     

卫星激光测距系统稳定性分析及提高

以典型SLR系统为研究平台,根据测量数据的产生流程,详细分析了卫星测量与系统校准时的状态差异,并评估了状态差异对测量数据距离偏差的影响,引出SLR测量数据稳定性提升的途径.研究成果用于上海天文台SLR系统后,2015年度对地球动力学卫星(Lageos)观测数据的长期稳定性、短期稳定性和标准点精度分别由改造前的12. 7 mm、22. 7 mm和2. 0 mm提升到4. 1 mm、9. 3 mm和1. 0 mm,国内率先达到国际卫星激光测距组织(ILRS)的数据质量标准(10 mm,20 mm和5 mm)并持续保持,提升了我国在SLR领域的国际地位和观测数据权重,具有良好的推广应用前景.     

卫星激光测距系统控制分系统设计及实现方法

卫星激光测距系统是一套集光、机、电为一体的精密复杂系统。控制分系统主要通过精确控制激光器分系统、望远镜分系统、折轴光学系统实现测距信号的发射、接收和测距数据处理。是保证系统具有高自动化程度和高测距成功率的关键技术。使用 FPGA 设计制作控制信号板,产生激光点火信号和距离门信号,实现精确控制激光器、单光子雪崩二极管和时间计数器。 本文对系统的整个工作流程进行了仔细分析,设计出软件的各个功能模块。分别对 1m 望远镜、 激光器做了控制试验,用真实卫星白天测距数据做了数据处理试验,得到了很好的效果。     

对地观测星载激光测高系统高程误差分析

星载激光测高系统通过接收卫星平台激光器发出的激光脉冲经地表反射的微弱回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星轨道和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果.其高程误差主要受器件、环境和目标参数影响,目前还没有完整描述对地观测星载激光测高系统平面和高程误差的数学模型.简化并完善了针对固体地表的激光测距误差模型,建立了完整的激光脚点平面和高程误差模型.利用高程精度和空间分辨率更高的机载Lidar数据评估了星载激光测高系统GLAS实测数据的高程偏差,评估结果符合所建误差模型.在较平坦的冰盖表面,GLAS系统高程精度可以达到设计值约15 cm.研究内容对测高系统高程误差评估和系统参数设计具有参考意义.     

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。     

高速运动环境TDMA卫星通信同步控制技术

分析了高速运动对TDMA卫星通信系统造成的影响,提出一种适用于高速运动环境的TDMA卫星通信同步控制技术。利用装载平台的导航信息辅助实现多普勒频偏的快速捕获,结合TDMA卫星通信特点完成多普勒频偏的跟踪补偿,同时使用多普勒频偏估计并修正运动引起的定时误差,可以在不改变TDMA卫星通信网现有其他设备技术状态的情况下,消除高速运动产生的影响,实现高速运动环境下TDMA卫星通信终端的快速入网和同步保持。     

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。     

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。     

基于FPGA的导航卫星失连下高精度守时方法研究

针对授时系统导航卫星失连问题,提出一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的高精度守时方法。以统计学和概率论为基础,统计10分钟内标准秒脉冲信号每个周期下授时系统恒温晶振所产生的脉冲数值的均值和动态方差。当授时系统导航卫星失连,系统根据均值和方差动态设置系统晶振脉冲计数阈值从而模拟产生高精度秒脉冲信号,消除晶振累积误差。实验结果表明,1小时内授时系统守时误差小于250ns,可满足授时系统在电力、靶场等系统中的守时要求。