皮纳微小卫星激光反射器设计及激光测距分析
发布时间：2020-11-05 17:57
皮纳卫星是指质量为千克级、以微机电系统技术为基础的小卫星。皮纳卫星能够通过组成星座、编队或卫星群完成单颗大卫星难以实现的任务,广泛的运用于科研、技术试验、商业遥感等领域。皮纳卫星设计寿命短,在完成在轨服务后就会成为空间碎片,这时要想对皮纳卫星进行精准定位,就必须采用非合作目标的方式进行激光测距。按照目前空间非合作目标的激光探测能力,由于皮纳卫星尺寸小,导致返回的激光信号弱,探测难度大,且随着皮纳卫星发射次数的增多,将严重影响人类的空间科技活动。因此设计出适合于皮纳卫星的激光测距合作目标,使得激光测距技术的高精度特性应用于皮纳卫星的目标监测,这对空间目标高精度测量和提升碎片目标精密监测与预警有着重要的实用价值。本论文紧紧围绕研制出适合于皮纳卫星的微小激光反射器这一目标,立足于低轨皮纳卫星高难度的激光测距实用需求,设计质量轻、分布灵活、满足在轨和成为空间碎片后任能采用常规的人卫激光测距技术进行观测、且便于标准化配置的微小卫星激光反射器。论文的主要工作内容如下:(1)理论计算并分析了星载激光测距合作目标的速差效应及其补偿方法、有效视场角、有效反射器面积、可观测时间、远场衍射分布、质心误差改正分布等核心技术参数,并以低轨卫星中常用的金字塔结构和八棱台结构激光反射器为例进行分析,为皮纳卫星激光反射器设计提供理论依据。(2)针对轨道高度在250～1000Km的皮纳卫星,以标准立方体结构皮纳卫星为例,设计了质量不超过150g、视场角满足360°、测距精度达厘米级、具有足够回波强度、且便于标准化配置的微小激光反射器,并设计了长方体和多面体结构皮纳卫星激光反射器。(3)为我国第一颗大气密度探测实验卫星PN1B设计了星载卫星激光反射器,这是国内首次采用通光口径为1cm的微小激光反射器阵列,通过TROS1000流动人卫激光测距系统对该卫星进行的激光测距试验,观测期间其回波数最大值达314个/秒,验证了微小激光合作目标能够提供足够的的回波光子数。(4)设计了一种适用于角锥棱镜加工的靠体,在铣磨成型、粗磨及精磨和粗抛工序中直接通过该靠体的翻转实现角锥棱镜的成盘化加工,最后以配重分离器工艺进行精抛。使得角锥棱镜整体工艺方案加工工序减少、生产节奏快、效率高、质量可保证。(5)为确保卫星激光反射器发射成功后在太空环境中能正常工作,以皮纳低轨卫星激光反射器为例,介绍了激光反射器在地面进行的光学性能、力学性能、热学性能及空间辐照性能测试。
【学位单位】：中国地震局地球物理研究所
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V443;TN249
【部分图文】：
１．１空间目标的激光测距技术??１．１．１卫星激光测距技术??卫星激光测距技术（ＳＬＲ）是当今最为精密的定位观测技术之一，它是由美国国家航空??航天局（ＮＡＳＡ）发起的利用空间技术研宄地球动力学、大地测量学、地球物理学和天文学??等的技术手段。１９６３年，ＮＡＳＡ?Ｇｏｄｄａｒｄ空间飞行中心的Ｈｅｎｒｙ?Ｐｌｏｔｋｉｎ提出将带有激光反射??器装置安装在卫星上的建议，测量的数据可应用大地测量。１９６４年１０月，美国ＮＡＳＡ发射??了第一颗带有激光测距合作目标的卫星＂Ｂｅａｃｏｎ－Ｂ＂，并获得了卫星激光测距数据。从此，卫??星激光测距技术作为一种新的空间测量技术便发展起来。卫星激光测距的原理是通过精确测??定激光脉冲信号从地面卫星激光测距站到卫星激光反射器之间的往返时间间隔，进而进行的??测距。卫星激光测距技术在监测大陆板块运动、地壳形变、地球自转，改进重力场和地心引??力常数，确定地球和海洋潮汐变化规律，监测空间碎片等方面具有广阔的应用前景（赵春梅，??２０１６）。??
图１．２全球ＳＬＲ跟踪网分布图??中国卫星激光测距网目前有北京、上海、长春、昆明、武汉５个固定ＳＬＲ站和１个流动??式ＳＬＲ站，并且与阿根廷合作在圣湖安建了?１个固定的ＳＬＲ站
年来我国流动式卫星激光测距系统对一系列激光卫星的观测实验表明：观测精度优于??１０ｍｍ，最大测程达３．７万公里，ＴＲＯＳＩＯＯＯ是目前世界上口径最大的流动式卫星激光测距系??统如图１．４所示，该系统具有口径大、测程远、技术集成度高、流动便捷的特点。ＴＲＯＳＩＯＯＯ??在２０１１年测试验收后，先后在武汉九峰地震台、湖北咸宁、山东荣成地震台等地实现了运??行观测。未来ＴＲＯＳＩＯＯＯ将充分发挥其流动便捷的优势，赴新疆、青海、内蒙古等西部地区??进行流动观测，可大大改善我国中西部地区ＳＬＲ观测空白的问题。??图１．４我国流动式卫星激光测距系统ＴＲＯＳＩＯＯＯ??本论文以流动式卫星激光测距系统ＴＲＯＳＩＯＯＯ为基础，如图１．４所示，依托该系统的千??赫兹激光发射技术、配合高精密事件计数器、单光子雪崩二极管探测器、精密追踪和时间、??空间滤波去噪技术进行卫星激光反射器追踪及测距试验。??ＴＲＯＳＩＯＯＯ技术参数：??接收口径：ｌｍ??系统质量：１５吨??测程：３７０００?Ｋｍ??激光发射频率：１?ｋＨｚ??外形尺寸：长１５?ｍ、宽２．５?ｍ、高３．９?ｍ??脉冲能量：１．０?ｍｊ??５??
【参考文献】
本文编号：2871990
【学位单位】：中国地震局地球物理研究所
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V443;TN249
【部分图文】：
１．１空间目标的激光测距技术??１．１．１卫星激光测距技术??卫星激光测距技术（ＳＬＲ）是当今最为精密的定位观测技术之一，它是由美国国家航空??航天局（ＮＡＳＡ）发起的利用空间技术研宄地球动力学、大地测量学、地球物理学和天文学??等的技术手段。１９６３年，ＮＡＳＡ?Ｇｏｄｄａｒｄ空间飞行中心的Ｈｅｎｒｙ?Ｐｌｏｔｋｉｎ提出将带有激光反射??器装置安装在卫星上的建议，测量的数据可应用大地测量。１９６４年１０月，美国ＮＡＳＡ发射??了第一颗带有激光测距合作目标的卫星＂Ｂｅａｃｏｎ－Ｂ＂，并获得了卫星激光测距数据。从此，卫??星激光测距技术作为一种新的空间测量技术便发展起来。卫星激光测距的原理是通过精确测??定激光脉冲信号从地面卫星激光测距站到卫星激光反射器之间的往返时间间隔，进而进行的??测距。卫星激光测距技术在监测大陆板块运动、地壳形变、地球自转，改进重力场和地心引??力常数，确定地球和海洋潮汐变化规律，监测空间碎片等方面具有广阔的应用前景（赵春梅，??２０１６）。??
图１．２全球ＳＬＲ跟踪网分布图??中国卫星激光测距网目前有北京、上海、长春、昆明、武汉５个固定ＳＬＲ站和１个流动??式ＳＬＲ站，并且与阿根廷合作在圣湖安建了?１个固定的ＳＬＲ站
年来我国流动式卫星激光测距系统对一系列激光卫星的观测实验表明：观测精度优于??１０ｍｍ，最大测程达３．７万公里，ＴＲＯＳＩＯＯＯ是目前世界上口径最大的流动式卫星激光测距系??统如图１．４所示，该系统具有口径大、测程远、技术集成度高、流动便捷的特点。ＴＲＯＳＩＯＯＯ??在２０１１年测试验收后，先后在武汉九峰地震台、湖北咸宁、山东荣成地震台等地实现了运??行观测。未来ＴＲＯＳＩＯＯＯ将充分发挥其流动便捷的优势，赴新疆、青海、内蒙古等西部地区??进行流动观测，可大大改善我国中西部地区ＳＬＲ观测空白的问题。??图１．４我国流动式卫星激光测距系统ＴＲＯＳＩＯＯＯ??本论文以流动式卫星激光测距系统ＴＲＯＳＩＯＯＯ为基础，如图１．４所示，依托该系统的千??赫兹激光发射技术、配合高精密事件计数器、单光子雪崩二极管探测器、精密追踪和时间、??空间滤波去噪技术进行卫星激光反射器追踪及测距试验。??ＴＲＯＳＩＯＯＯ技术参数：??接收口径：ｌｍ??系统质量：１５吨??测程：３７０００?Ｋｍ??激光发射频率：１?ｋＨｚ??外形尺寸：长１５?ｍ、宽２．５?ｍ、高３．９?ｍ??脉冲能量：１．０?ｍｊ??５??
【参考文献】
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1 翟东升;漫反射激光测距关键技术研究[D];中国科学院研究生院(云南天文台);2016年
本文编号：2871990
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