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。

基于三维扫描技术在地下空间可视化方面的研究

随着城市地下空间的开发利用日益增多,传统可视化方法难以满足复杂地下空间的管理需求。本文探讨了基于三维扫描技术的地下空间可视化方法。首先概述了三维扫描技术的原理、设备及特点,分析了地下空间可视化的需求。然后提出了一套包括数据采集、处理、三维建模与可视化的技术流程。最后通过实例说明该方法在地下停车场管理中的应用。三维扫描可视化为地下空间的规划、运营、应急等提供直观量化的支持,具有广阔前景。

机载激光点云单木分割方法对比及精度分析

通过对机载激光点云基于冠层高度模型、基于点云以及基于层堆叠种子点分割方法,对针叶林、阔叶林、针阔混交林3种不同类型林分进行单木分割,并通过计算单木分割的检测率、正确率、F-score等精度指标,探究不同分割方法在不同类型林分的适用性。实验结果表明,对于针叶林,基于点云分割方法的分割精度最高,基于层堆叠种子点分割方法对树木分割的正确率最高;对于阔叶林和针阔混交林,基于层堆叠种子点分割方法的分割精度和检测率较高,优于其他两种分割方法。

太极计划中的星间激光测距地面电子学验证

在空间引力波探测太极计划中,激光干涉测距系统是获取引力波信号的直接手段,为了消除激光频率不稳定性对其的影响,需利用时间延迟干涉技术降低噪声的干扰。时间延迟干涉是一种数据后处理方法,要实现该技术的数据构型,需对卫星臂长实现精确的绝对距离测量。本文从太极计划的需求分析出发,分别从信源编码设计、延迟环设计以及数据处理算法等方面介绍测距系统的设计方案。在信源编码中,文章通过分析m序列、gold序列、Weil码三种伪随机码的自、互相关性优劣以及长度选取上的灵活性,最终选择了Weil码并筛选出其自相关性最优的移位-截取组合,将其作为测距系统所用的伪随机码。同时,基于该测距系统,搭建了一套地面电子学验证实验装置,以模拟信号传输的物理过程并验证系统性能。实验主体装置采用一块基于Xilinx公司K7芯片的自研FPGA板卡用以模拟卫星通信测距过程以及实现锁相环、延迟环等功能。实验将24.4 kbps的16位信息码与1.5625 Mbps的1024位Weil码进行BPSK调制,采样频率为50 MHz,通过10~60 m的射频同轴电缆进行传输后,使用质心法对采集数据进行优化,随后测定该距离。实验结果表明:在60 m范围内,测距精度优于1.6 m。实验证明了测距系统原理及设计的可行性,为下一步的光学系统验证奠定了技术基础。

卫星激光测距系统皮秒准确度时延标定研究及应用

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。

地月空间星地双向单程测量高精度模型

针对使用星地双向单程测量技术实现给定场景下的地月空间高精度测量问题,建立了地月空间纳秒级星地时差解算模型与米级瞬时距离解算模型,定量分析了模型中各因素的量级,并对模型中收发时延、引力时延、定轨误差和大气延迟等多种因素引入的时差和距离估算误差进行了定量分析。仿真数据的处理结果校验了误差量级理论分析的准确性,时差估算的均方根误差优于7.6ns,瞬时距离估算均方根误差优于2.4 m。建立的模型可以对地月空间星地DOWR测量数据进行高精度处理,实现地月空间高精度时间比对,支持未来中国载人登月等任务及地月空间高精度导航技术。

多监测任务下空间碎片监测网调度优化方法

空间碎片监测网采集的轨道测量数据是轨道编目的基础。面对巨量碎片和有限的监测站点,数据采集方法与快速的作业任务调度优化是充分发挥监测效能、提升编目能力和精度的关键技术。监测任务包括常规监测、重点目标监测和应急监测等。针对监测网多任务调度优化问题,以监测收益为目标函数,分别提出线性指派模型和考虑移动成本的非线性指派模型,并使用改进的LAPJV算法和改进的2-opt算法进行解算。开展了地基观测网络空间碎片监测任务优化仿真实验,线性模型和非线性模型处理200个测站、7170个碎片的4 h任务规划,改进的LAPJV算法和2-opt算法的解算时间分别为12.051 s和162.071 s,监测总收益分别为289399.07和285333.79,分别可监测2931和2918个碎片,占碎片总数的40%以上。结果表明,模型/算法兼顾解算速度和精度,具有近实时监测任务优化的能力,可以作为监测任务优化的有效解决方案。

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。

基于点云的管道三维自动建模方法研究

随着我国城市地下空间的不断建设,各种类型的管廊已经成为社会和人们生产生活中不可缺少的物质条件。本文针对市政基础设施、地下空间中错综复杂的管道难以观测和三维建模的问题,采用三维激光扫描技术获取管廊的点云数据,并对点云数据中存在的噪点采用拉普拉斯算法进行去除,以提高管道中心线的提取效率。在此基础上提出一种基于RANSAC算法的管道中心线提取方法,并对提取的中心线进行等平面处理,基于OpenGL和MFC框架开源库结合RANSAC算法研发了利用点云进行管道三维自动建模模块,并实现了复杂管道的可视化。

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 。

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。

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。

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。