PN1B微小卫星激光反射器设计及激光测距试验

大气密度探测实验卫星PN1B于2015年9月在太原卫星发射中心成功发射,为了实现对该卫星星载GPS定轨数据提供检核标准及高精度测轨应用要求,依据卫星无法提供阵列结构激光反射器所需要的安装面积的限制,首次采用通光口径为10 mm的微小激光反射器按照不同的指向分布在卫星的棱边。利用TROS1000流动人卫激光测距系统对该卫星进行追踪和激光测距试验,测量结果表明激光回波数据充足,每秒平均激光回波光子数达173个,标志着此类微小激光反射器的应用将会在卫星轨道精密定轨方面发挥重要作用。     

kHz激光器在武汉卫星观测站的测距实验

高重复频率激光器是kHz卫星激光测距系统的重要组成部分,提高激光发射频率可以有效地获得更多的观测数据,这是当今卫星激光测距领域的发展方向.针对武汉卫星观测站进行的kHz激光测距实验,介绍了kHz激光器的工作过程和原理,分析了影响高重复频率回波探测的因素.实验结果表明:对实验过程中所观测到的中低轨卫星,观测数据量提高了1...     

时幅转换技术及其在激光测距系统中的应用

简要介绍了时幅转换技术[1 ] 的原理、实现方法以及在激光测距系统中的应用。给出了实际时幅转换特性的试验数据及精度分析。利用时幅转换器测量时间的精度和分辨率可以分别达到几十皮秒和几皮秒的量级。将这一技术应用于传统的激光测距系统后 ,可以将测距精度和分辨率由原来的分米级分别提高到厘米级和毫米级。     

基于G-SPAD的卫星激光测距回波特性

从盖革模式单光子雪崩光电二极管的光电特性出发,分析了卫星激光测距的测距精度与激光脉冲宽度及回波强度的关系,并利用长春站卫星激光测距系统对地球动力学卫星进行观测.结果表明,当回波光子数为1 000左右时,系统测距精度为10.2mm左右,当回波光子数为8 000时,测距精度减小为9.4mm左右,表明回波强度较大时,可提高卫星激光测距系统的测距精度;当激光器脉宽为200ps时,系统测距精度为17.3mm,当脉宽为50ps时,系统的测距精度为10.0mm,表明卫星激光测距系统的测距精度随着脉宽变窄得到了有效提高.为进一步验证理论结果,对Ajisai卫星进行实测,分析了高重复频率激光测距系统对系统测距精度的影响,结果表明采用窄脉宽高重复频率的激光测距系统,激光测距有效回波数和标准点密度呈数量级增加,测距精度也有一定的提高.因此,为了改善卫星激光测距系统回波特性,应选用脉宽窄、重复频率高、能量大的激光器作为基于盖革模式单光子雪崩光电二极管的卫星激光测距系统的激光光源.     

4kHz重复频率卫星激光测距系统及其应用

分析了上海天文台皮秒激光器系统在不同重复频率下的输出功率、输出波形等性能,实现了重复频率为4 kHz、功率为3 W、波长为532 nm的激光稳定输出。建立了4 kHz重复频率卫星激光测距系统,实现了4 kHz重复频率卫星测距,其测量数据量和标准点数据精度比1 kHz重复频率的分别提高了约2.62倍和1.62倍,提升了卫星观测性能。采用Lomb算法获得了Ajisai卫星自转频率(平均值为0.4234 Hz)以及自转频率准确度(0.0054 Hz),与1 kHz激光观测系统相比,4 kHz重复频率卫星激光测距系统的卫星自转测定精度显著提升。     

圆扫描变像管人卫激光测距技术研究

在本文中,我们设计并研制了用于毫米级精度人卫激光测距的圆扫描时间分析系统。研制的圆扫描变像管理论时间分辨率可优于3ps,可用于双色测距;偏转灵敏度高达10cm/kV,偏转空间分辨率优于24lp/mm;利用双MCP内增强,增益～1×10⁶,并有门控功能以进一步提高信噪比和动态范围。扫描控制电路能提供300MHz、10W的正弦信号,其频率、幅度、相位稳定度均可满足要求。调试过程中较好地解决了阻抗变换、空间干扰和相位正交等关键问题。在仅2W的RF功率驱动下,即可实现稳定的φ24mm的圆扫描,系统实测时间分辨率达4.8ps。在实验室实测测距精度达亚毫米级。动态实验及模拟测距表明,该时间分析系统可满足第四代人卫激光测距系统的需要。     

基于角反射器不均匀分布模型的卫星形状效应研究

卫星形状效应是阻碍卫星激光测距(SLR)系统测距精度向毫米级发展的重要因素之一。基于卫星角反射器的实际分布,提出了角反射器不均匀分布(RUD)模型,计算了激光入射角与参与SLR过程的卫星角反射器个数、分布、反射强度的关系,分析讨论了卫星形状效应对SLR回波数据残差分布、卫星质心改正(CoM)值产生的影响。结果表明,与现有CoM模型不同,利用RUD模型计算得到的参与SLR反射的角反射器个数随激光入射角变化,角反射器分布分散且不对称,同纬度各角反射器反射激光强度不同,SLR回波波形中"拖尾效应"明显,与实测结果相符。同时,利用RUD模型得到的CoM值随激光入射角呈动态变化。对于Lageos-1卫星,长春站CoM平均值为248.1 mm,在国际激光测距服务组织的参考范围之内。     

激光测距卫星的质心改正模型

卫星质心改正值(简称CoM,Center-of-Mass)是卫星激光测距系统中的一个重要参量,准确估算该参量有助于提高卫星激光测距精度.本文以Lageos卫星为例,应用概率理论以及卫星上的角反射器对光子的反射概率与反射器的光学截面成正比,建立了球形激光卫星的CoM数学模型,并计算了几颗球形卫星的CoM值,还对一般的情况进行了讨论.     

基于斜程传输模型的卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究

基于大气气溶胶在空间的不均匀分布,提出并利用激光在大气气溶胶中的斜程传输模型开展卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究,即将气溶胶的分布分为水平及垂直方向,在垂直方向将其分为无穷多层,令每层气溶胶的水平方向浓度分布均匀,结合气溶胶粒子的散射截面、尺度分布函数,计算激光在每层气溶胶中的透过率,最后进行积分得到激光的大气传输透过率.结果表明,与Kim经验公式及Mie理论模型相比,由斜程传输模型计算得到的激光气溶胶透过率更接近实验值,其平均相对误差降低了一个数量级,仅为3.5%,表明该模型可准确地计算激光在气溶胶中的传输特性.结合激光雷达公式,利用该模型对气溶胶中不同轨道高度卫星探测成功率进行数值模拟仿真,发现在轻霾环境中低轨卫星的探测成功率可达40%以上,高轨卫星的探测成功率仅为15%,可利用高效率探测器与高能量激光器实现轻霾环境下的卫星激光测距.研究结果能合理解释已有的实验报道并有效地预估卫星激光测距系统探测性能,为系统的升级改造提供可靠的理论依据和技术保障.     

一种提高消防用光电观瞄系统激光测距精度的方法

针对消防用光电观瞄系统对激光测距的高精度要求,提出了一种提高激光测距精度的方法.该方法采用基于FPGA的延迟线内插技术来减小计数量化误差,并且以差分GPS标定数据为基准,运用分段线性拟合的方法对实测数据进行修正,通过与差分GPS标定数据比对试验验证表明,该激光测距系统精度可以达到0.8m,满足消防用光电观瞄系统≤1 m的测距精度要求.     

Satellite laser ranging experiment with sub-centimeter single-shot ranging precision at Shanghai Observatory

The Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, incollaboration with the Czech Technical University, carried out the experiment of satellite laser ranging with sub-centimeter precision in Shanghai in August 2001. A pico-second event timer was used for the measurement of the time interval between the transmitted and returned laser pulses for Lageos 1, 2, Starlette, Stella, Topex/Poseiden and ERS-2 in coordination with the existing laser transmitting and receiving system at the Shanghai Observatory. The analysis of the measurement showed that the single-shot ranging precision with these satellites is 7-8 mm. In order to compare ranging precision, the existing ranging system has tracked simultaneously these satellites and obtained the ranging precision of 12-15 mm. It means that the ranging precision with the new system is 80% better thanthe existing system. The systematic biases with the existing system have also been checked in the experiment.     

Doppler effect performance for multiple hops optical connections in LEO satellite constellations

Low earth orbit satellite constellations using laser inter-satellite links are recognized to be capable to satisfy the increasing broadband communication demands. However, Doppler in inter-satellite laser communications can degrade the performance of the optical space network. It is crucial to study the Doppler performance on the high precision system. The expression of Doppler wavelength shift for multiple hops laser inter-satellite links is proposed in the paper. The calculation of Doppler wavelength shift in multiple hops ISL is studied with the consideration of location, motion and onboard characters of the satellites. Theoretical and numerical analysis show different routing way between two certain distant satellites will lead to different Doppler wavelength shift and signal transmitting time, and the variation of Doppler wavelength shift is mostly depend on the number of laser inter-satellite links hops; reasonable onboard time delay can augment signal transmitting time with little influence to the Doppler wavelength shift. It is hoped that the study can help the routing selection of the optical space network and system compensation.     

低轨道量子卫星通信星上交换算法及仿真

量子卫星通信能够解决量子移动通信在航海、航空领域中对于远距离和大范围的需求,而星上交换是量子卫星通信的关键技术之一.本文以低轨道量子卫星通信星上交换为研究对象,提出了一种新的星上交换算法—终端测距法.利用该算法测得终端到相邻小区中心的距离,并将测得的数据上传给当前服务卫星系统,再由卫星系统通过比较距离大小决定终端是否切换.数学分析和仿真结果表明,该算法可靠性高、操作方便,能够在各卫星之间实现平稳切换.     

低轨道量子卫星通信星上交换算法及仿真

量子卫星通信能够解决量子移动通信在航海、航空领域中对于远距离和大范围的需求,而星上交换是量子卫星通信的关键技术之一.本文以低轨道量子卫星通信星上交换为研究对象,提出了一种新的星上交换算法——终端测距法.利用该算法测得终端到相邻小区中心的距离,并将测得的数据上传给当前服务卫星系统,再由卫星系统通过比较距离大小决定终端是否切换.数学分析和仿真结果表明,该算法可靠性高、操作方便,能够在各卫星之间实现平稳切换.     

Orbit determination for geostationary satellites with the combination of transfer ranging and pseudorange data

Geostationary satellites(GEOs) play a significant role in the regional satellite navigation system.Simulation experiments show that the clock corrections could be mitigated through a single strategy or double differencing strategies for a navigation constellation,but for the mode of individual GEO orbit determination,high precision orbit and clock correction could not be obtained in the orbit determination based on the pseudorange data.A new GEO combined precise orbit determination(POD) strategy is studied in this paper,which combines pseudorange data and C-band transfer ranging data.This strategy overcomes the deficiency of C-band transfer ranging caused by limited stations and tracking time available.With the combination of transfer ranging and pseudorange data,clock corrections between the GEO and the stations can be estimated simultaneously along with orbital parameters,maintaining self-consistency between the satellite ephemeris and clock correction parameters.The error covariance analysis is conducted to illuminate the contributions from the transfer ranging data and the psudoranging data.Using data collected for a Chinese GEO satellite with 3 C-band transfer ranging stations and 4 L-band pseudorange tracking stations,POD experiments indicate that a meter-level accuracy is achievable.The root-mean-square(RMS) of the post-fit C-band ranging data is about 0.203 m,and the RMS of the post-fit pseudorange is 0.408 m.Radial component errors of the POD experiments are independently evaluated with the satellite laser ranging(SLR) data from a station in Beijing,with the residual RMS of 0.076 m.The SLR evaluation also suggests that for 2-h orbital predication,the predicted radial error is about 0.404 m,and the clock correction error is about 1.38 ns.Even for the combination of one C-band transfer ranging station and 4 pseudorange stations,POD is able to achieve a reasonable accuracy with the radial error of 0.280 m and the 2-h predicted radial error of 0.888 m.Clock synchronization between the GEO and tracking stations is achieved with an estimated accuracy of about 1.55 ns,meeting the navigation service requirements.     

用于空间碎片清除的高功率激光器（英文）

虽然人类的太空活动已经考虑了尽量减少空间碎片的措施,但近地轨道碎片的数量仍呈指数增长,特别是中小型碎片的现有数量已对在轨卫星构成了实质性的威胁。作为具有较高期待的消除碎片办法,用地基DF激光器和空基Nd∶YAG激光器消除碎片的方案令人关注,它们可以以低成本和非破坏性的方式清除空间轨道的危险碎片。本文介绍了使用平均功率为100 kW的高功率、高重复频率P-P Nd∶YAG激光器和平均功率约为1.5 MW的DF激光器来保护在轨飞行器和清除直径为1～10 cm空间轨道危险碎片涉及的相关工作。     

A Raman laser system for multi-wavelength satellite laser ranging

~~A Raman laser system for multi-wavelength satellite laser ranging@K.Hamal$Czech Technical University in Prague,Czech @I.Prochazka$Czech Technical University in Prague,Czech @J.Blazej$Czech Technical University in Prague,Czech1. Yang Fumin, Chen Wanzhen, Zhang Zhongping et al., Satellite laser ranging experiment with sub-centimeter single-shot ranging precision at Shanghai Observatory, Science in China, Ser. A, 2002, 32(10): 935-939. 2. Degnan, J. J., Millimeter accurac…