长春站激光测距系统单向延迟标校方法研究.pdf
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1、第 卷 第 期吉林师范大学学报(自然科学版).年 月 ().收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()吉林省科技发展计划项目()第一作者简介:董 贺()男吉林省大安市人副教授博士.研究方向:卫星激光测距技术与应用.通讯作者:汪 津()男吉林省东丰县人教授博士.研究方向:有机半导体器件物理.:./.长春站激光测距系统单向延迟标校方法研究董 贺付少鹏刘 洋梁智鹏郑彦宁董 雪华 杰汪 津(.吉林师范大学 信息技术学院吉林 四平.中国科学院 国家天文台长春人造卫星观测站吉林 长春.中国科学院 空间目标与碎片观测重点实验室江苏 南京)摘 要:卫星激光测距是当代空间大地测量中精度最高的技术之一其精度可达
2、毫米级.为了延长激光测距的作用距离采用单向激光测距方式将作用范围由近地空间拓展到深空探测领域同时带来了激光测距发射端和接收端系统延迟的独立标校问题.本文基于长春站卫星激光测距系统应用自主设计的激光测距单向延迟标校装置搭建单向激光测距模拟系统建立发射端延迟标校模型并分析单向延迟标校精度.实验结果表明长春站 系统发射端延迟为.分析得到单向延迟标校精度优于.经延迟标校方法修正后的单向激光测距精度可达毫米级.该单向延迟标校方案简便易行自主设计的激光测距单向延迟标校装置及方法有助于实现单向激光测距延迟标校的标准化为长春站 系统在应答器测距和激光时间传递等单向激光测距方面的扩展应用提供了技术支撑.关键词:
3、激光测距单向测距延迟标校激光时间传递中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引言卫星激光测距()是大地测量中精度最高的测量技术之一.自 年代末以来一直用于空间大地测量和相关学科其原理与光学雷达原理相同通过精确测量激光脉冲往返地面站及空间目标的双向飞行时间获得精确的距离信息其精度已经达到毫米级.传统双向测量是卫星大地测量、地球参考框架、地球物理学和其他学科的关键数据来源.由于激光器功率、望远镜口径等设备能力的制约激光测距的作用距离受到很大限制如:观测距离 万公里的月球激光往返飞行时间达到.考虑到地球自转产生的光行差单次测距回波还不到 个光子实现月球激光测距基本上已经到达了传统双向卫星激光测距技术
4、的极限.由于行星际距离过于遥远传统双向激光测距技术已经不能满足未来行星际激光测距的需求需要应用超长距离单向激光测距技术采用单向激光传输模式激光发射系统和接收系统分别位于地面站端和空间飞行器端激光能量随传输距离的平方衰减其作用距离可达到行星际空间是未来行星际激光测距的重要测量方式.此外星地激光时间传递以及激光通信等也需要单向激光测距技术的支持.单向激光测距系统与传统 系统技术相似实现高精度测距影响的主要因素同样是系统延迟.在传统的激光测距中通过在 系统中建立地面靶标增加“地靶测量”过程通过一个已知距离的地靶来测量系统中发送和接收延迟量的总和进行系统延迟的精密标定它的精度和长期稳定性现在已经达到毫
5、米级别.吉林师范大学学报(自然科学版)第 卷但单向激光测距系统中延迟标校方法与传统 系统延迟标校方法并不相同其原因是在这些测量中需要严格区分发送与接收通道并独立计算不同通道的延迟量用于数据的进一步处理与应用.其发射与接收的时刻需参照协调世界时()方式进行标记精度应优于 .对于应答器测距和激光时间传递应用中发射与接收精度甚至要达到 .目前对单向激光测距系统延迟量的测量还没有能够实现便捷、精度高与稳定性好的标准方法也没有实现单向延迟标定的模型化这限制了单向激光测距系统的标准化应用.本文在长春站 系统基础上建立单向激光测距延迟标校模型应用自主设计的激光测距单向延迟标校装置搭建单向激光测距模拟系统实现
6、长春站激光测距系统发射端单向延迟的快速高精度测量发射端延迟值为.测量精度优于.为长春站 系统在应答器测距和激光时间传递方面的扩展应用打下了基础.实验.单向激光测距基本原理单向激光测距的基本原理与传统的激光测距相同其区别在于单向激光测距中激光测量端的发射和接收端为独立部分且通常拥有各自的时间基准系统.单向激光测距测量原理图如图 所示.图 单向激光测距测量原理.在发射端各时刻按自身时间系统记录.表示信号脉冲经过发射基准点的时刻表示发射端时间系统记录的信号脉冲时刻两者的差 称为发射端的延迟量.信号脉冲经 飞行时间从发射基准点到达接收基准点.表示信号脉冲经过接收基准点的时刻表示接收端时间系统记录的信号
7、脉冲时刻两者的差 称为接收端的延迟量.记 为单向激光测距系统的钟差用公式表示如下:().()其中:为发射端的延迟量为接收端的延迟量 为测量过程中的其他误差总和包括激光在大气中的折射偏差、目标质心位置偏差、随机误差.由基本原理可知单向激光测距中时间间隔测量精度与发射端和接收端钟差、计时器和系统延迟有直接关系是影响单向激光测距精度的主要因素.长春站单向激光测距模拟系统根据单向激光测距的基本原理在长春站现有 口径千赫兹卫星激光测距系统基础上搭建单向激光测距模拟系统结构如图 所示.右侧蓝色区域为设计的激光测距单向延迟标校装置由事件计时器、光电探测器、传输光路、接口以及其他配件组成在模拟系统中同时起到接
8、收端及测距目标的作用.左侧紫色区域为发射端由激光器、主波探测器、恒比鉴别器、折轴发射系统、高频同轴线缆等第 期 董 贺等:长春站激光测距系统单向延迟标校方法研究组成.由于该模拟系统发射端与接收端位于同一地点发射端与单向延迟标校装置共用装置中的事件计时器.该模拟系统改变了传统地靶标定系统延迟的方法通过测量接收端固定延迟计算得出发射端单向延迟.图 长春站单向激光测距模拟系统结构示意图.结果与讨论.单向延迟标校结果分析根据图 所示系统长春站单向激光测距模拟系统的发射端和接收端在统一的时统下运行式()中钟差 式()可简化为().()激光测距系统的发射端延迟 为事件计时器 的 通道至发射轴中心延迟根据单
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