卫星激光测距站分级与GNSS卫星轨道精度校核

GNSS卫星轨道是实现导航定位等位置服务的基础,对卫星轨道精度的精确评估关系到服务的精度与可靠性。卫星激光测距技术是评估卫星轨道精度的独立外部检核手段,由于SLR站系统水平不一,导致数据质量差异较大,因此合理选用高性能SLR站是精确评估卫星轨道的关键。本文利用聚类分析方法,依据国际激光网发布的近10 a全球SLR站性能评估报告,选择观测总圈数、LAGEOS标准点RMS值和系统短期偏差3个参数作为测站分级评估指标,将全球SLR站进行分级。在此基础上,对2020年所有参与国际激光联测的GNSS卫星的事后精密轨道进行了精度校核。结果表明,SLR站水平与数据质量密切相关,利用模糊C-均值聚类算法可有效对全球SLR测站进行分级,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ级测站占比分别为28%、51%和21%;采用不同级站观测数据得到的检核结果存在明显差异,基于Ⅰ级站数据的校轨残差均值的绝对值和标准差总体小于Ⅱ和Ⅲ级测站,3种GNSS卫星轨道精度在R、T、N方向上的差异不明显,对应分量的RMS值之间的较差均处于毫米级水平。

高精度卫星激光测距在北斗卫星导航系统应用及发展

卫星激光测距(SLR)是卫星轨道测量中精度最高的一种技术,广泛应用于卫星精密定轨、卫星轨道精度检核、激光时间比对等,是导航系统卫星轨道精确测定的重要组成部分。本文结合中国科学院上海天文台SLR系统及北斗卫星国际激光联测,取得全球激光台站观测数据,为实施全球导航卫星系统联合研究提供了条件;发展了100 kHz高重复频率SLR技术并应用于北斗卫星激光观测,标准点数据精度达百微米水平,有效提升了导航卫星激光观测数据质量;同时描述卫星激光测距技术在北斗导航系统其他应用情况,包括卫星独立定轨、广播星历精度检核、星地激光时间比对等。

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。

遥感SiCH-2卫星光学系统“猫眼”效应的卫星激光测距

乌克兰地球遥感卫星SiCH-2由2011年发射升空,目前已停止工作,处于失效失控状态,作为空间碎片目标由北美防空司令部(NORAD)提供两行根数(TLE)预报.本文分析了光学系统的“猫眼”效应,以上海天文台卫星激光测距(SLR)系统实现对SiCH-2卫星进行激光测距,测量回波强度大,测距精度优于10 cm.测距能力表明SiCH-2对激光反射回波达到合作目标带反射器的卫星激光测距水平,与光电探测设备“猫眼”效应分析的探测能力相当,测距数据结果表明该卫星处于自转状态,自转周期为4.3 s.本文国内外首次实现基于“猫眼”效应对在轨目标的激光测距,为远距离空间目标的探测提供了新的方法,促进高精度激光探测技术的应用发展,有利于对失效或轨道异常的光学系统类光电探测系列卫星进行监视监测.

空间激光通信与测距一体化研究

【目的】随着卫星技术和通信技术的不断提高,空间激光通信与测距一体化技术也逐渐成熟。而伴随着深空探测、卫星导航等领域的进一步发展,大量的业务及应用需求对星间的通信容量和测距精度又提出了更高的要求。在综合考虑卫星荷载与功耗的前提下,如何在实现激光卫星高速通信的同时,完成测距并进一步提升测距精度,成为亟待解决的课题。【方法】基于双向单程测距原理,设计并实现了一种同时支持正交相移键控(QPSK)和二进制相移键控(BPSK)的相干通信与测距一体化系统,为进一步提升测距性能,又从提升时钟精度入手,通过使用差拍采样方法,使用鉴频与鉴相来获取发送时钟与接收时钟之间的频率差与相位差,以此来获取到更高的时钟精度,从而对测距值进行校正。【结果】该系统能稳定工作在接收光功率大于-48 dBm的环境,针对不同应用需求可设置不同的速率,QPSK模式下最高速率为5 Gbit/s,BPSK模式下速率分别为2.5 Gbit/s、1.25 Gbit/s和625 Mbit/s,系统测距精度理论上可达最小值53 ps,在正常通信时,使用Matlab与Vivado对测距数据进行计算处理,验证了系统测距精度小于0.1 ns。进一步采用差拍采样方法,仿真条件下,测距精度可提升至码元宽度的10^(-3)量级,达±0.36 cm。【结论】所提通信测距一体化系统能够在高速通信的同时实现高精度测距,对未来激光卫星的相关应用具有一定的实际意义。

Guidetech GT668SLR-1事件计时器在卫星激光测距中的应用研究

高重频卫星激光测距系统中,激光脉冲飞行时间通过事件计时器分别测量主波和回波时刻获得。为了采用更高重频且高精度的事件计时器,将Guidetech公司的GT668SLR-1事件计时器应用于中国科学院云南天文台的1.2 m望远镜激光测距系统,对其结构原理进行分析,并利用其测量由信号发生器产生的固定信号、地靶测距和卫星测距等试验,采集数据的处理结果达到激光测距精度要求,由此判定GT668SLR-1事件计时器可用做卫星激光测距系统的时间测量单元。

事件计时器在卫星激光测距中的应用

传统时间间隔的测量速率受限于被测事件的时间间隔,事件计时概念的引入可以很好地提高测量速率。事件计时器是高重频(kHz级)卫星激光测距(SLR)技术的主要设备。该文介绍了事件计时器A032-ET的性能以及其在卫星激光测距中的应用,为我国开展高重频SLR研究提供了技术支持。

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。

卫星激光测距中白天测距的分析与实现

卫星激光测距是一项重要而实用的技术,由于白天背景噪声大约是夜间的100万倍,国际上大多数观测台站的卫星激光测距工作都是在夜间进行的。成功实现对激光测距卫星的白天测距,将有助于卫星精密定轨和地球动力学等相关领域的研究,是一项非常重要和有意义的工作。在研制某卫星激光测距项目中,为了完成对MEO(middle earth orbit)、GEO(geostationaryearth orbit)和IGSO(inclined geosynchronous satellite orbit)的白天测距,针对大口径接收望远系统设计和白天背景噪声抑制两大技术难点,进行了详细的分析和论述,提出了采用18点轴向支撑和柔性径向支撑方案解决了大口径主镜的支撑问题,采用空间滤波、光谱滤波和时间滤波技术解决了白天背景噪声大的问题。实践证明,该套系统成功地实现了对GEO卫星的白天测距,白天测距成功率达到了77.5%,测距精度达到了2.6 cm,系统的白天测距能力达到了国际领先水平。

阿根廷圣胡安激光测距系统的SLR数据质量分析

利用自行研制的激光定轨软件CASMORD分析阿根廷圣胡安激光测距系统的SLR数据质量。结果表明,阿根廷圣胡安激光测距系统性能良好,具有较小的系统偏差(距离偏差和时间偏差),系统偏差稳定,随时间的变化较小,有效观测圈数和数据观测量处于全球台站前列;经系统偏差修正后,该系统达到了亚厘米级观测水平,具有较高的观测精度,可以为卫星的精密定轨提供在我国本土无法观测的轨道弧段的资料,为我国科学研究和国家的特殊需要提供必须的宝贵资料。

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。

卫星激光测距中接收光路光机结构设计

在卫星激光测距过程中,需要在跟踪卫星的同时完成激光测距,为了能实现全天候的测距工作,白天卫星激光测距的探索具有重要的意义。对中、高轨卫星测距时,反射回来的激光能量非常少,因此必须采用大口径的望远镜进行接收。在研制某型号卫星激光测距的项目中,为了保证MEO、GEO和IGSO的成功测距,选用口径为1 000 mm的主光系统,在第一像面前采用分光棱镜光谱分光的形式,实现了跟踪卫星和激光测距任务的同时完成,并且扩展了白天光束监测光路,使系统具备了全天候测距功能。实践证明,光学系统成像质量良好,机械结构设计合理、紧凑,成功地实现了对中、高轨卫星的测距。

对GPS36卫星激光测距最佳观测时间的研究

针对GPS-36这颗卫星的运行特点,利用2004年全年的预报和实际观测记录,本文详细分析了这颗卫星的出没时间和运行规律,并通过日出日落时间与卫星运行规律来预报2005年GPS-36卫星每天通过的最大高度角及最佳观测时间。

高自动化卫星激光测距系统研究与设计

卫星激光测距(SLR)技术因测量精度高而广泛应用,但由于涉及多门学科领域使得系统复杂,制约了自动化水平提高,影响着该技术的发展和推广应用。基于上海天文台SLR系统平台,分析了SLR的操作流程,提出光学系统、伺服系统、控制系统及远程监控管理系统等自动化发展方向,设计了角秒级精度光束指向瞄准方法,研制了精度为1″的小型化伺服控制系统,实现了观测模式的快速切换,并搭建远程监控管理系统,使整个SLR系统的自动化能力得到提高,减少了人力操作,提高了观测效率。应用上述研究成果,在国内成功进行了SLR的远程控制实验,实现了SLR系统的异地操作和监控,为SLR的全自动化及远程控制应用奠定了技术基础。

TDC-GPX在卫星激光测距中的应用

利用高精度时间测量芯片TDC-GPX以提高卫星激光测距系统中的时间测量精度,再结合FPGA的大规模数字集成设计,从而提高了卫星激光测距系统的测量精度。

不同测站卫星质心不同改正对卫星激光测距定轨精度的影响分析

数值模拟和理论分析均已显示,由于卫星形状效应,质心改正存在对测站系统运行模式的依赖性,即不同测站对卫星质心的改正是不同的。本文分析这种依赖性对卫星定轨精度的影响。长时间序列的统计结果表明,与全球统一测站卫星质心改正相比,采用不同测站卫星质心不同改正系统性地提高短弧定轨精度。对Lageos-1/2,平均提高约0.4mm;对Etalon-1/2,平均提高约0.6mm。在各种相关应用对卫星激光测距数据处理精度要求迈向毫米级的今天,有必要考虑不同测站卫星质心不同改正。

高精度事件计时器及其在卫星激光测距应用

高重复率卫星激光测距需采用事件计时方式记录激光发射和接收时刻,作为测距系统精密计时单元。本文介绍了事件计时器测量原理,以及上海天文台基于时间数字转换(TDC)和现场可编程门阵列(FPGA)所设计开发的高精度事件计时器。对该事件计时器性能进行了测试,计时精度优于10 ps,非线性误差在数皮秒内。利用上海天文台卫星激光测距系统,进行了事件计时器控制软件开发,对地面靶目标和卫星进行了观测。根据国际激光测距数据处理中心反馈,卫星测量误差达到国外同类事件计时器水平,满足卫星激光测距应用要求。

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1kHz、能量2mJ的半导体泵浦激光器，以60cm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。

中国新一代流动卫星激光测距系统研究

我国新一代流动卫星激光测距(SLR)系统TROS-I于2000年建成,并成功地在乌鲁木齐、拉萨西部地区进行了流动观测,弥补了国家SLR跟踪网在亚洲腹地的空缺。本文介绍了TROS-I的组成结构及其在中国西部对Lageos等卫星的观测情况。结果表明,观测标准点精度优于10 mm,最大测程达2万km,可见,流动观测能有效地增强我国激光测距网的监测能力,对于我国自主卫星的精密定轨、中国大陆地壳现今运动的研究可发挥重要作用。

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12.7mm、22.7mm和2.0mm提升到4.1mm、9.3mm和1.0mm 国内率先达到国际卫星激光测距组织(ILRS)的数据质量标准(10mm 20mm和5mm)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.