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卫星激光测距研究室
2015-05-27    |    发布:

卫星激光测距研究室从1982年开展卫星激光测距(Satellite Laser Ranging-SLR)研究工作。1985年改造成第三代卫星激光测距系统;1987年首次观测到地球动力卫星LAGEOS1991年,对激光测距系统进行了改造,实现了计算机全自动控制,改进了软件系统中的预报、跟踪、数据采集、处理、发送等功能,并采用微光摄像技术进行卫星监视,观测数据的数量和质量有了明显提高。1997年完成单光子探测升级改造,采用C-SPAD单光子雪崩二极管,同时更新了外围设备,使SLR的系统性能、观测精度与数据量有了很大提高,单次测距精度由原来的6厘米左右提高到2厘米,标准点精度达到5毫米左右,系统的长期稳定性由4厘米提高到1厘米以下,观测数量从1000多圈增加到3000圈以上,整体性能进入国际先进行列。2006年开始,采用事件计时器取代了时间间隔计数器,为KHz激光测距奠定了基础。2007年,长春人造卫星观测站执行国家重大科技基础设施建设项目“中国大陆构造环境监测网络长春站SLR项目改造”,对原有的激光测距系统进行升级改造,于2009年在技术上取得了重大突破,利用自主研发的软、硬件系统,成功实现了常规KHz卫星激光测距和白天测距,大大提高了激光测距系统的测距能力和水平,成为国际上少数具备白天常规KHz卫星测距能力的台站之一。  

目前,SLR测距系统探测能力达到40000公里,单次测量精度小于1.5cm,并实现对所有的国际联测卫星进行二十四小时的跟踪观测,年观测数据最多超过19000圈(2014 2015),观测成绩位居世界第二位,被国际激光测距服务组织公认为国际上性能最强的四个台站之一。  

近年来,卫星激光测距研究室承担并完成了许多重大科研项目  

2002年,承担神舟四号激光精密定轨观测任务以及为总装基地的雷达标校进行的激光观测任务,获得大量激光观测数据。  

2006年,承担并完成了中欧科技合作项目伽利略实验卫星GIOVE的观测任务,在三个月的时间对系统进行了升级改造,使其能够满足常规观测欧洲Galileo卫星的能力。  

2007年,承担并完成了国家大科学工程中国地壳运动观测网络工程中国大陆构造监测网长春基准站的建设和常规观测任务,并于2009年成功实现了白天测距和KHz卫星激光测距,成为国际上少数具备白天常规KHz卫星测距能力的台站之一。同年,与上海天文台合作,开展北斗二代卫星MEO的跟踪观测及星地时间比对实验,均取得成功。  

2010年,承担国家自然科学基金面上项目《基于Windows XP的千赫兹卫星激光测距控制系统的研究》。  

2011年,承担中国科学院国家天文台阿根廷san Juan站的KHz系统改造项目;中国科学院武汉测地所九峰站的KHz白天测距系统改造项目;国家天文台的基于AJISAI卫星的时间传递实验项目。  

2012年,承担中国科学院科研装备研制项目《实用型空间碎片激光测距系统试验平台研制》;武汉大学HY-2A卫星角反射器性能测试项目。  

2014年,承担国家自然科学基金青年基金项目《基于APD的高精度空间碎片激光测距系统探测器研究》;国家自然科学基金面上项目《基于空间碎片激光测距的高层大气密度测量研究》;中国科学院修缮购置专项项目《1米激光通信系统升级改造》。 

2015年,承担国家自然基金天文联合专项项目《基于天文高速成像的空间碎片精密测量研究》。同年,我站通过自主预报以及实时预报修正方法(时间偏差和距离偏差实时修正),成功观测到北斗导航卫星compass-is1compass-ms1compass-ms2的有效数据,为提高我国北斗导航卫星定轨精度起到重要作用。 

研究方向及意义  

1)研究方向  

  • 卫星激光测距研究室主要是面向天文地球动力学的国际前沿和国家需求,以卫星激光测距系统为研究平台,以合作目标为主要研究对象,开展激光测距技术研究工作。 

激光测距技术的发展方向:一是应用各种方法和手段提高观测数据量、测距精度及稳定性;二是提高激光测距系统的自动化程度,减少人力和物力的消耗  

  • 空间碎片激光测距技术研究  

拓展激光测距研究对象,借助激光测距平台,开展空间碎片激光测距技术研究及空间碎片激光测距数据分析工作。 

  • 开展激光测距数据的应用和分析研究 

由于KHz激光测距使得观测数据点数大幅度增加,逐步开展海量数据的处理、分析和应用研究工作,如开展激光照明、大气视宁度度测定、卫星姿态的研究,为卫星激光测距数据应用提供更广阔的空间。  

  • 开展月球激光测距技术研究

将现有激光测距技术应用于月球激光测距,为月球科学、基础引力理论、重力理论、引力波等研究提供重要数据。   

2)研究意义  

激光测距技术是一项综合技术,涵盖激光、电子、微光探测、自动控制、精密光学机械、天文测量和卫星轨道计算等多个学科领域。  

卫星激光测距数据具有广泛的应用领域。精确测定卫星的地心位置,从而可以精确监视和预报卫星的运动;精确测定地面台站相对地心的位置和运动,从而可以监测板块构造运动和地壳的水平和垂直形变,并进而为地震预报提供重要信息。SLR全球网已经成为国际地球参考架(ITRF)的重要组成部分;精确测定地球自转参数(日长和极移),以提供ITRF与国际天球参考架(ICRF)之间的联系,并为揭示地球系统各圈层间的质量重新分布和角动量交换作贡献;对用于测量海面地形、陆地地形和陆冰体积变化等的空载雷达测高仪进行精确轨道测定,可以将测高系统的漂移从长期海洋地形中分离出来,从而大大提高雷达测高的精度;精确测定地球重力场随时间和空间的变化,从而测定地球系统质量重新分布产生的效应,为研究长期气候变化作贡献;对LAGEOS的长期观测提供了最精确的GM(万有引力常数与地球质量的乘积)测定值,并已证实GM值没有长期变化;SLR观测可用来确定海洋和地球潮汐,对广义相对论预测进行验证。 

月球激光测距对于天文和天体物理领域中的很多基础研究工作都具有重要意义。利用多个地球观测站和多个月面角反射器阵列,激光测月技术可以连续观测地月距离的变化,这些观测数据对月球科学、地球科学、太阳系科学、相对论和重力理论等领域的研究非常重要;开展月球激光测距研究,可实现月球物理、地球重力场、地球动力学、地球朝向参数、太阳系坐标系、广义相对论、分米精度轨道测量、引力波等方面的研究。月球激光测距系统是深空探测研究的重要手段,“月球与深空探测”科研计划不但提高利用月球资源的能力,也有利于进行其他行星的深空探测研究,更有利于提高航天技术水平,推动空间科学、天文学、材料科学等基础科学和高新技术的创新和发展。 

    

主要设备情况 

  60厘米卫星激光测距仪  

  Ø 卡塞格林型R-C系统的反射式望远镜  

  Ø 接收望远镜口径:600 mm  

  Ø 发射望远镜口径:210 mm 

  Ø 接收系统的组合焦距为:3.54  

  1米激光通讯望远镜  

  Ø 望远镜接收口径:1000 mm  

  Ø 望远镜机架:地平式  

  Ø 粗跟踪水平范围:≤±270°  

  Ø 粗跟踪俯仰范围:5°~ 90°  

  1 KHz全固态锁模皮秒激光器  

  Ø Photonics Industries公司RG30-L 532型号激光器  

  Ø 波长:532.0 nm  

  Ø 单脉冲能量:1 mJ  

  Ø 脉冲宽度:25 ps  

  Ø 重复频率:50010 KHz  

  Ø 光束质量 M2:<1.3 

  Ø 发散角:0.4 mrad  

  Ø 光束指向精度:<10 μrad 

  0.5 KHz高功率纳秒激光  

  Ø 镭宝光电技术有限公司Tolar-532-30型号激光器  

  Ø 波长:532.0 nm 

  Ø 单脉冲能量:60 mJ  

  Ø 脉冲宽度:10 ns  

  Ø 重复频率:1~500 Hz  

  Ø 光束质量 M2:<1.5  

  Ø 发散角:0.4 mrad  

  Ø 光束指向精度:<8 μrad  

  其他各类测试设备和仪器  

  Ø 时间间隔计数器(HP5370BSR620  

  Ø 事件计时器(A032-ET  

  Ø GPS时间频率接收机(HP58503AEndRun)  

  Ø 恒比定时鉴别器(TC4541428  

  Ø 脉冲分配器  

  Ø 频率分配放大器  

  Ø 单光子探测器(C-SPAD)  

  Ø 气象仪MET 3  

  Ø CCD PCO 

                                                                图1. 60 cm卫星激光测距仪

                                                                2 60cm望远镜

                                                           图3 100 cm激光通讯望远镜

  科研力量 

目前测距研究室共有研究人员9名,其中包括研究员1名,副研究员2名,实验师1助理研究员3人,工程师1人,助理工程师1人。 

  成果与合作 

  2012年联合长春光机所申请了院级科研装备研制项目《实用型空间碎片激光测距系统试验平台研制及其应用》。 

  2012年获得软件著作权“观测数据统计系统V1.0”。 

  2013年获得软件著作权“卫星激光测距数据预处理软件V1.0” 

  2014年获得软件著作权两项“卫星激光测距控制软件V1.0”和“空间非合作目标优选预报程序”。 

  2015年获得软件著作权“卫星激光测距预报软件V1.0”。 

  2016年获得中华人民共和国国家知识产权局的发明专利授权,专利名称:获取空间目标与观测站距离的方法及装置,专利号:ZL 2013 1 0751685.9 

  联系方式 

  单 位:中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站 

  地 址:吉林省长春市净月潭西山 

   编:130117 

  电 话:0431-81057981 

  E-mailccslr@cho.ac.cn 

  联系人:韩兴伟