皮纳微小卫星激光反射器设计及激光测距分析

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,被广泛地应用于科研、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仍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—1 000 km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150 g、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1 cm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。     

GRACE和SLR观测的地球动力学扁率最大熵谱及小波相关分析

卫星重力测量技术的实现为测定地球动力学扁率提供了新的方式和途径,GRACE卫星是目前最新的重力测量卫星,据其恢复的低阶重力场较以往精度得到大大提高,然而其观测地球动力学扁率（二阶项）却与卫星激光测距（SLR）结果相差较大.本文采用最大熵谱和小波分析方法对GRACE和SLR观测的地球动力学扁率时间序列信号进行定量比较分析,结果表明：GRACE观测的地球动力学扁率年际周期变化振幅仅为SLR观测结果的25%,并且目前GRACE观测的地球动力学扁率数据中含有系统输入信息和相位差,但前者较后者包含有较强的短周期（2～6月）信息.造成这种差异的主要原因可能来自于GRACE与SLR全球观测数据时空分布不同.     

新技术观测板块的漂移——监测地震活动的可能手段

本文较详地介绍了观测板块漂移的最新技术,包括卫星激光测距、长基线干涉技术及在实际应用中所取得的测量结果和展望。文章还介绍了其它新技术,如,与SLR原理相类似的月球激光测距和最有前途的全球定位系统。利用这些技术有可能与全球地震活动进行相关性的研究,可望为监测地震开辟一条新的途径。     

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.     

基于多颗低轨卫星的SLR台站坐标几何解算方法

卫星激光测距（SLR）技术作为卫星精密定轨手段和轨道检核重要方法,激光反射器已经成为重力卫星和测高卫星等低轨卫星的基本载荷.经典的SLR台站坐标是使用动力学方法计算的,本文根据多颗低轨卫星（LEO）多历元的激光观测数据,采用几何方法开展地面SLR测站坐标计算.通过组建低轨卫星群实现对全球激光站的动态观测,为了合理配置不同低轨卫星间观测值权重,削弱低轨卫星群可能存在的系统性偏差,提出采用方差分量估计组合的最小二乘法进行解算.实测结果显示,解算出SLR台站坐标框架解与SLRF2014差异平均值在25.1 mm,外符合精度达到1~2 cm.该方法避免了复杂动力学模型,SLR台站坐标的几何计算方法既可以作为激光测站框架解算手段之一,同时将LEO卫星群作为空间并址站实现不同技术地球参考框架间的融合.     

10112秒精度激光测距问题的理论研究

随着空间大地测量技术观测精度的提高，需要激光测距理论模型适应目前和未来可预见的精度要求．本文基于激光测距的基本原理，给出了太阳系质心参考系(BRS)和地球质心参考系(GRS)中的相对论激光测距的理论模型，对两种激光测距模型中有关引力时延的量级进行了估计，并给出了完整而自洽的时间尺度和时空坐标变换的理论公式．根据最新的BRS和GRS系之间的时空坐标变换关系，在皮秒(10^-12s)的精度下，推导出了在GRS中适合于所有激光测距问题的相对论模型，同时扩展了IERS推荐的激光测距模型的适用范围．     

DZR—Ⅲ型厘米级卫星激光测距仪

本文叙述了由国家地震局地震研究所与中国科学院测量与地球物理研究所协作研制成功的ＤＺＲ－Ⅲ型厘米级卫星激光测距仪的测距原理及主要性能。该设备已装备于武汉人卫激光测距站并已投入日常观测。经国外数据处理中心美国戈达德激光跟踪网（ＧＬＴＮ）和荷兰Ｄｃｌｆｔ大学航空工程系对观测资料进行预处理，单次测距精度已达到±２～３ｃｍ，测程为２万多公里。已能观测到目前国际上统一联测的所有带激光发射镜的卫星，观察资料已用     

10-12秒精度激光测距问题的理论研究

随着空间大地测量技术观测精度的提高 ,需要激光测距理论模型适应目前和未来可预见的精度要求 .本文基于激光测距的基本原理 ,给出了太阳系质心参考系 (BRS)和地球质心参考系 (GRS)中的相对论激光测距的理论模型 ,对两种激光测距模型中有关引力时延的量级进行了估计 ,并给出了完整而自洽的时间尺度和时空坐标变换的理论公式 .根据最新的BRS和GRS系之间的时空坐标变换关系 ,在皮秒 (10 - 1 2 s)的精度下 ,推导出了在GRS中适合于所有激光测距问题的相对论模型 ,同时扩展了IERS推荐的激光测距模型的适用范围     

卫星预测地震研究进展综述

地球卫星技术观测预测地震灾害的评价是近年来国际科联所关注的重要研究项目 ,该项目要求评价这一技术的成熟性和应用效果 ,并提出改进的指导方针。本文根据所掌握的资料综述了卫星观测和预测地震的一些事例及部分结果 ,讨论了卫星测震技术一些不确定性及影响问题。评价卫星测震技术的目的 ,是为该项技术的科研开发系统和组织应急响应紧急救援系统架起桥梁 ,回答后者应用该技术所抱有的焦虑心情原因及其具体问题 (如观测到的地震信息到发生地震的时间是几年、几个月 ,几天还是几小时呢 ?当然 ,这是非常难确定的。科研开发决策人可以说的是 ,…     

用LAGEOS-1的激光测距资料测定地球引力常数GM

本文利用LAGEOS-1卫星的激光测距资料，从1990年至1994年，每半年取90天资料，用统计轨道方法，多级复弧法解得10组地球引力常数GM值，取加仅平均值后，最终结果为GM＝398600．44181（±0．00023）km3／s2     

基于卫星热红外与倾斜电磁结合之地震前兆立体综合监测系统设计初探

基于卫星遥感热红外观测、钻孔倾斜和电磁扰动前兆观测的良好效果,论述卫星热红外与倾斜电磁结合地震前兆立体综合监测系统初步设想及可行性初步研究,阐述了系统的建设思路和技术构成,进行了系统创新点和技术难点分析,结论为该系统建设可行,具有良好地震预测效果。     

导电大地上航空电磁系统校准

航空电磁系统校准是开展实际测量工作的基础,校准情况直接影响数据处理和解释.传统校准方法通常假设在自由空间中进行,忽略导电大地耦合影响.然而,实际工作中很难找到绝对高阻的校准场地,导电大地对系统校准和观测数据的影响无法忽视.本文以频率域航空电磁系统为例,对导电大地上航电系统校准技术和校准误差改正方法进行研究.我们首先推导了层状导电大地上水平共面和直立共轴线圈系统的校准公式,结果表明导电大地对航电系统校准尤其是水平共面装置的高频信号影响很大.针对校准过程中大地电导率已知的情况,本文采用非线性方程求解技术一次性确定校准线圈位置和Q值;在没有任何辅助信息情况下,也可直接利用实测数据计算校正因子进行迭代求解.测试结果表明该方法快速、准确、有效.考虑到系统相位和增益调整直接影响观测数据,本文提出了航空电磁数据校准误差的改正算法.实测数据误差改正结果表明,导电大地对高频信号影响严重,校准误差改正后的航空电磁数据与实际地质资料更好吻合.     

一种新型重力测量卫星系统确定全球重力场的性能分析

本文设计了一种高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量相结合的新型重力测量卫星系统,其可在一定程度上发挥卫星重力梯度和低低卫星跟踪卫星两种测量模式各自的优势.基于重力卫星系统指标设计的半解析法,深入分析了不同重力测量卫星系统配置和不同观测量及其不同白噪声水平情况下,新型卫星重力测量模式反演重力场模型的能力.数值模拟分析结果表明：在观测值精度和星间距离相同的条件下,轨道高度是影响重力场反演精度的关键因素;随着星间距离的增大,高频重力场信号反演精度会先提高后降低,轨道高度在200~350 km之间时,星间距离在150~180 km之间时反演精度最优;星间距离变率和卫星重力梯度两类观测值仅在某些精度配置时可达到优势互补,如果某一类观测值精度很高,则另一类观测值在联合解算时贡献非常小或者没有贡献.在300 km轨道高度,若以GRACE和GOCE任务的设计指标1 μm·s^-1/√Hz和5 mE/√Hz来配置新型重力测量卫星系统中星间距离变率和引力梯度观测值的精度,联合两类观测值解算200阶次模型大地水准面的精度比独立解算分别提高1.2倍和2.8倍.如果以实现100 km空间分辨率1~2 cm精度大地水准面为科学目标,考虑卫星在轨寿命,建议轨道高度选择300 km,星间距离变率和卫星重力梯度的精度分别为0.1 μm·s^-1/√Hz和1 mE/√Hz.本文的研究成果可为中国研制自主的重力测量卫星系统提供参考依据.     

基于AlphaGUARD P2000F测氡仪利用水中溶解氡对DDL-1型气氡仪校准的实验研究

对测氡仪器进行定期校准是保证测量结果准确性和可靠性的关键。基于用国际公认的计量传递仪器AlphaGUARD P2000F作为氡气溯源仪器及其自带水氡测量组件对三套DDL-1型电离法测氡仪使用水中溶解氡进行校准实验。实验结果和用固体氡源校准三套仪器的结果与仪器出厂校准结果进行对比,两种校准方法的K值相对误差均小于5%,达到目前地震监测氡观测技术要求。实验结果表明,水中溶解氡代替固体氡气源校准,可以解决目前固体氡源校准中存在的运输困难、维修技术要求高、国家环保部门监管严格等问题,为地震氡观测仪器校准技术找到了一种新的途径。     

用激光测距小网的观测资料研究鲜水河断裂带的活动特征

利用跨鲜水河断裂带的两个激光测距小网1985－1997年的重复观测资料，分析研究了鲜水河断裂带的活动特征。通过对观测资料的数据处理，获得了测区较客观的位移场和应变场。形变分析结果表明，鲜水河断裂带北段处于蠕动状态，南段则处于应变积累的闭锁状态。     

卫星激光测距

日本已在两个固定型的一个流动型的ＳＬＲ站进行了卫星激光测距。在最近的４年里，靶卫星的快速增加了ＳＬＲ数据应用的多样性。人们不断作出努力来提高测距离的精度并改善开发分析软件。     

地震电磁卫星地面传输系统简介

开展天地一体化地震观测是目前推动地震短临科学研究取得突破的重要途径之一。以卫星观测为主要手段的空间对地观测技术是实现对我国及临区进行地震电磁效应高精度、大范围和大动态连续观测的有效途径,并且为地震短临预报开创空基监测的新思路。地面传输系统是连接地震电磁卫星各应用系统之间的重要桥梁和纽带。它的科学设计是地震电磁卫星项目建设的基础。本文拟从国内外发展现状、系统建设指导思想、系统组成、链路功能描述、系统运行性能指标等方面对我国即将建设的地震电磁卫星地面传输系统进行简要分析介绍,从而为地震电磁卫星地面传输系统初步设计的完成提供一个基本框架。     

地震监测氡观测仪器校准新方法研究

利用国际刻度参考装置AlphaGUARD测氡仪及水氡测量组件, 使用水中溶解氡(或豁免级氡气源), 开展代替目前氡气固体源校准方法实验。 对FD-125测氡仪标配的3个闪烁室(1#、 3#及5#)分别使用水中溶解氡和氡气固体源进行校准实验, 3个闪烁室的校准K值相对误差分别为5.06%, 1.92%及2.76%, 可以达到目前地震监测氡观测技术要求。 实验结果表明, 水中溶解氡代替氡气固体源校准, 可以解决目前氡气固体源校准中存在的运输困难、 维修技术要求高等问题, 是今后氡观测仪器校准技术的发展趋势。     

中国卫星地震应用系统框架与地震电磁卫星计划进展

地震卫星和卫星地震应用系统建设已写入了<国家防震减灾规划(2006-2020年)>、<航天发展"十一五"规划>、<国家空间信息基础设施建设与应用"十一五"规划>等多项重要规划中.根据防震减灾业务发展对空间对地观测技术的需求,卫星地震应用系统总体包括几个部分.     

卫星热红外观测进行地震预报的可能性分析

阐述了低空大气卫星热红外增温的理论基础，及与其他异常的关系。简述了地震前低空大气卫星热红外增温的普遍性，卫星热红外观测技术的特点和问题，及利用低空大气卫星热红外增温预报地震的可能性。