超高重频卫星激光测距时序电路实现及应用

高重频卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)具有精度高、捕获快、观测数据量大、可靠性高等优势。但随着重复频率提升至百千赫兹以上,现有测量时序电路无法达到系统运行处理速度和实时后向散射规避等要求。本文提出超高重频卫星激光测距时序电路设计方法,采用FPGA代替控制计算机进行门控距离实时计算,精确产生门控信号控制探测器开启,并使用了收发交替的方式实时调整激光点火信号以规避后向散射干扰。能够自主完成激光测距中距离门控输出时刻的计算、存储和信号输出,最高工作频率大于500 kHz,满足百千赫兹超高频率测距的要求。该系统已成功应用于上海天文台100 kHz重复率SLR,标准点精度突破200μm,验证了基于FPGA的测距时序电路的正确性和潜力。该电路设计简单、分辨率高、上位机交互方便,为百kHz~MHz的超高重频SLR系统时序控制电路设计提供有效解决方案。

近红外空间碎片激光测距探测成功概率影响因素的研究

基于激光雷达方程和天空背景噪声估算公式推导出近红外空间碎片激光测距探测成功概率的计算公式,仿真研究了该公式中大气透过率和天空背景噪声的影响因素,经数据拟合,得到空间碎片激光测距探测成功概率的归一化表达式。在此基础上,仿真分析了太阳高度角、目标天顶角、目标轨道距离和目标横截面积对目标探测成功概率的影响。结果表明:目标探测成功概率随太阳高度角升高而减小,随目标轨道距离的增加而减小,随目标天顶角的增大而减小,当目标天顶角增加到70°时,目标探测成功概率开始急剧下降;目标轨道距离固定的情况下,目标探测成功概率随目标横截面积的增大而增大。该研究对提高空间碎片的观测效率具有一定的应用价值。

GNSS广播ERP参数评估

中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、美国GPS、日本准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System,QZSS)、印度区域导航卫星系统(Indian Regional Navigation Satellite System,IRNSS)等系统在导航电文中播发了地球自转参数(earth rotation parameter,ERP),即极移和世界时(Universal Time,UT)-协调世界时(Universal Time Coordinated,UTC)(ΔUT1).广播ERP主要用于需要在地球参考系和惯性参考系之间转换的GNSS星载应用,如卫星精密定轨、地月导航等.通过国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)收集了BDS、GPS、QZSS、IRNSS的广播ERP数据,评估了各GNSS的广播ERP不连续性,得到GPS和IRNSS的极移不连续性为0.9~1.4 mas,ΔUT1不连续性约为0.2 ms;QZSS的极移不连续性约为0.1 mas,ΔUT1不连续性约为0.02 ms;BDS的极移不连续性约为4.5 mas,ΔUT1不连续性约为1.3 ms.通过与国际地球自转和参考系服务(International Earth Rotation Service,IERS)14C04序列比较显示,QZSS极移误差约为0.6 mas,ΔUT1误差约为0.27 ms;GPS和IRNSS的极移误差约为2.4 mas,对于ΔUT1,GPS误差约为0.36 ms,IRNSS的ΔUT1误差相差较大,约为10.47 ms;由于更新间隔较长,BDS极移误差约为6 mas,ΔUT1误差约为1.2 ms;与GPS相比,BDS极移与ΔUT1误差分别差了近1.5倍和2.5倍.

激光角反射器:从月球激光测距到天体探测基础设施

激光测距已成为太阳系内检验等效原理与洛仑兹破缺、测定后牛顿参数与引力常数时变等引力与相对论物理学研究的强大工具。为此,对激光角反射器在自然天体探测中的应用与发展进行了概述与分析。简单陈述激光角反射器的历史沿革后,首先介绍了数个有待或正在实施的包含激光角反射器部署的天体探测计划。其次,基于激光角反射器与激光测距资料的已有工程经验,描述了激光角反射器在天体探测中承担的科学任务与关键技术问题。最后,以本世纪新一代激光角反射器与收发光源革新为背景,预测了激光角反射器及其激光测距的发展趋势,并针对无人与载人月球探测,对激光角反射器在新阶段天体探测中的使用提出建议。

利用ICESat-2激光测高监测和评估鄱阳湖水位变化特征

ICESat-2卫星搭载了先进的光子计数激光测高仪,可实现对内陆中大型湖泊水位动态变化监测.本文利用ICESat-2卫星2018—2020年逐月的ATL13全球内陆水体数据估计和分析鄱阳湖水位变化特征,利用鄱阳湖湖口、星子和康山水文站实测数据进行验证和误差修正,并结合各测站水位数据、降雨量数据分析鄱阳湖水位动态变化及其成因.结果表明:1)鄱阳湖年内水位变化剧烈,具有明显的季节变化规律,6—10月为高水位期,其他月份为低水位期,水位高峰期出现在7—9月,总体水位呈上升趋势.2)ICESat-2测高水位与实测水位相关性R^(2)为0.846以上,经过误差修正后相关系数高达0.974.湖口站、星子站和康山站的均方根误差(RMSE)分别为1.660、1.073和0.836 m,经过误差修正重新计算后,三站RMSE分别为0.663、0.659和0.440 m,其测量精度提升约1 m.3)鄱阳湖水位变化与降雨量高度相关,1—2月和10—12月降雨量较少,为枯水期,水位下降;3—10月降雨量增多,为丰水期,水位上涨;降雨主要集中出现在7—9月,对应水位高峰期.

基于有效回波概率估计空间碎片激光测距系统作用距离

基于回波光子数方程估计空间碎片激光测距系统作用距离时,最小可接受回波光子数很难确定。本文提出了通过改变空间碎片实测数据回波稀疏性获得精度变化曲线的退化模型,以＂精度不变＂作为衡量条件,确定保精度情况下系统最小可识别有效回波概率,从而估算系统作用距离的方法。首先,根据单光子雪崩探测器＂关门＂特性,得到了有效回波概率与测量距离关系。然后,建立实测数据的稀疏性退化模型得到测量精度与有效回波概率的跃变曲线,根据精度曲线中＂保精度平台＂的＂跳变点＂获得最小可识别有效回波概率。最后,根据最小可识别回波概率获得系统对不同大小典型空间碎片的作用距离。分别处理了有效截面积为3.884 0,6.391 2和9.855 5m2的3种典型空间碎片的实验数据,结果表明：系统在满足m级测距精度的前提下,可识别的最小有效回波概率为0.02~0.044,对上述不同特性典型空间碎片相应的最大作用距离分别为820,1 520和2 250km。提出的模型在精度不变情况下解决了系统最小可识别有效回波概率难以确定的问题,大大减少了实验成本。

影响机载激光扫描测高精度的系统误差分析

简要介绍了机载激光扫描测高技术的系统组成和发展现状。通过坐标转换技术建立起机载激光扫描对地定位的基本几何关系 ,并从这些几何关系出发 ,着重分析了动态偏心改正及动态时效误差对机载激光测高精度的影响 ,对不同的误差源如何影响定位结果的精度进行了讨论 ,最后给出模拟计算结果 ,得出了一些有益的结论。

SLR资料精密测定GLONASS卫星轨道

将SLR资料计算的轨道与CODE轨道进行了比较 ,并将比较结果转换到RTN坐标系中。通过比较分析发现 ,两种轨道差值在轨道径向、法向和沿轨方向的精度分别优于 1 0cm、5 0cm和 45cm ;SLR和微波资料确定的GLONASS卫星轨道在径向存在系统误差 。

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1~2个数量级,观测精度也有所提高。

机载激光测深海面扫描轨迹计算与分析

介绍了机载激光测深技术的椭圆扫描原理 ,推导出在椭圆扫描方式下计算激光海面扫描轨迹的数学模型 ,并进行了编程模拟运算、绘图和扫描特征分析。

空间碎片激光测距应用研究

空间碎片的存在使空间环境日益恶化,已影响到空间活动的安全。国际上很多国家开展了空间碎片探测技术的研究,空间碎片激光测距技术成为一种新的探测手段。首先,概述了国内外空间碎片激光测距技术的发展趋势和现状。其次,在成功获得空间碎片激光测距回波的基础上,研究了激光测距数据联合测角数据单站定轨的方法,仿真计算结果表明,该方法的定轨精度优于单纯光学测角数据定轨的精度。最后,提出一种利用空间碎片激光测距误差来初步测定空间碎片尺度的方法,并分别通过地面靶激光测距实验和空间碎片激光测距实验验证了该方法的可行性,为空间碎片尺度测定提供了一种参考依据。

空间碎片激光测距系统研究

为了对空间碎片进行有效监测,基于60 cm卫星激光测距系统,利用实时时间偏差修正及目标闭环跟踪、激光出射方向控制、预报实时修正等技术,建立了与卫星激光测距并置观测的空间碎片激光测距（Debris Laser Ranging,DLR）系统,实现了高重复频率空间碎片常规观测。长春站在26个观测日里获得有效数据466圈,其中晨昏数据26圈,观测高度角范围19°~87°,测距精度可达1.0 m（RMS）,测距范围400~1 800 km,观测的雷达散射截面（RCS）最小可达0.9 m2。与国内外DLR台站性能比较,长春站高重复频率DLR系统精度高、观测距离范围大、RCS较小、回波数据多,观测数据稳定可靠,已经达到国际领先水平。该系统可还用于高层大气、高轨道小尺寸空间碎片监测、多手段观测技术联合等应用的研究。

云南天文台人造卫星激光测距系统原理

从光路结构特征和测距控制系统特点出发,研究分析了目前云南天文台人造卫星激光测距系统的原理,详细阐述了测距系统的工作过程,并给出该系统当下的基本测距情况。

利用SLR和伪距资料确定导航卫星钟差

提出了综合利用SLR和GPS伪距资料测定导航卫星钟差的方法,采用2002年10月的SLR和伪距实测数据计算了GPS35卫星的钟差,并对GPS35卫星的钟差进行了预报,为了验证计算结果的精度,将本文计算的卫星钟差与IGS精密钟差进行了比较。通过比较分析发现:综合利用SLR和伪距资料测定的导航卫星钟差精度优于3ns,测定的导航卫星钟差与实际卫星钟差不存在系统差;导航卫星钟差的预报精度与计算卫星钟速的时间跨度有关;可以分离卫星坐标和卫星钟差之间的相互影响,便于对卫星钟差的研究。

激光测距中APD阵列探测信噪比分析

APD阵列可提高光子探测效率,然而在回波探测概率提高的同时提高噪声探测概率,因此需合理选择阵列单元数以提高探测信噪比。根据回波和噪声在距离门内的分布情况,结合光子探测概率,建立了盖革模式下APD阵列探测信噪比随阵列单元数的变化模型。讨论了回波光子数、背景噪声强度、回波在门控内位置、占空比等因素对探测信噪比的影响。分析结果表明,提高回波光子数、探测器占空比、轨道预报精度有助于增加APD阵列的探测信噪比;4元APD阵列适用于回波光子数小于0.1、门控内噪声光子数小于1的观测情况,而回波和噪声强度较强时,25元APD阵列能够取得相对较优的探测信噪比。建立的APD阵列探测信噪比模型有助于快速选择APD阵列单元数以达到较高探测信噪比。

阵列探测技术在激光测距中的应用

高精度的空间碎片观测数据对航天器碰撞预警具有重要意义,激光测距技术是目前空间目标距离测量中精度最高的一种技术,但大多数空间碎片上并未携带角反射器装置,激光测距回波信号较弱。阵列探测技术可以提高回波信号较弱的空间碎片激光测距探测成功概率,中国科学院云南天文台2015年开始开展基于阵列探测技术的激光测距试验,2017年成功将阵列超导纳米线单光子探测器和多通道事件计时器等阵列探测技术应用于激光测距试验系统中,分别在2017年3月和2018年3月的激光测距试验中,成功采集2×2和4×4阵列激光测距数据。其中探测到最小目标为轨道高度约1 000 km、大小为雷达截面(Radar Cross Section,RCS) 0.045 m^2的空间碎片;探测到最远目标为斜距约5 000 km、大小为RCS 18.25 m^2的空间碎片。

1064 nm波长白天卫星激光测距试验

1 064 nm波长大气透过率高、天空背景辐射小,采用该波长激光开展卫星测距,有助于提升测距系统的探测能力,已成为国际测距技术的重要发展趋势之一。采用2.2 nm窄带滤光片,计算并测试了白天情况下1 064 nm波长测距系统的噪声,验证了该滤光片在白天对背景噪声的抑制效果。基于圆心光路调节方法,夜间借助红外相机实现了1 064 nm波长激光发射光路与机械轴的重合度调节,保证了全天区优于5″的激光指向精度,解决了白天观测条件下1 064 nm波长激光精确指向问题。采用重复频率为1 kHz、功率为5 W的1 064 nm激光器,建立了1 064 nm波长白天卫星激光测距试验系统,最远获得了地球同步轨道卫星的有效回波数据,实现了1 064 nm波长白天激光测距。试验研究将为我国1 064 nm在远距离卫星激光测距、空间碎片漫反射激光测距方面的应用与发展奠定了技术基础。

卫星激光测距数据处理方法研究进展

数据处理技术的发展与进步是实现毫米级卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)的重要保障。文中简要回顾了SLR技术的发展历程,阐述了数据处理技术在SLR的实际应用,着重介绍了国内外典型的数据处理算法及其发展脉络。同时,针对大地测量产品的应用需求,分析了目前SLR数据处理算法的适用性、稳定性及存在的问题。最后,针对激光测距的未来发展态势,提出了新一代SLR数据处理方法面临的挑战及可能的解决方案,并对其发展趋势做出展望。

高重复率卫星激光测距中后向散射干扰及规避

大气后向散射对高重复率卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)的回波接收产生干扰且随测量频率增加愈发严重,已成为制约SLR工作频率提升的关键因素之一。根据大气散射雷达探测方程,分析了探测系统接收到的大气后向散射光功率及对回波接收的影响,以上海天文台现有收发分离的SLR系统为平台,通过试验验证了分析的合理性;据此厘清后向散射干扰产生时序,给出基于激光发射时序控制的后向散射规避方法。通过在高重复率距离门控电路中添加激光点火信号产生模块,并实时判断后向散射干扰情况以控制点火信号是否延迟输出,基于FPGA(Field Programmable Gate Array)完成了后向散射自动规避电路,成功应用在上海天文台高重复率SLR的常规观测中,实现了对散射的完全规避,且对Lageos等重点激光卫星的平均点火频率下降率低于2%,具有很好的推广应用价值。

由SLR观测的地心周期性运动(1993-2006年)(英文)

地球质心(CM)是整个地球的质量中心,地心运动是由地球系统的质量重新分布激励的,特别是流体圈层。利用SLR对LAGEOS1/2卫星的距离观测,解算1993—2006年期间的地心运动时间序列,然后分别利用小波变换和最小二乘法分析该序列,发现地心运动存在长期和周期性变化。地心的长期运动表明地壳形状在变化。季节性变化是地心运动的主项,主要是由地球流体圈层的质量分布造成的,如海洋、大气和陆地水等。地心运动还存在其他周期性和准周期性变化。地心运动存在2～5年的长周期变化。许多周期都存在渐变,这表明整个地球系统质量和环境存在不规则的变化。