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高精度卫星激光反射器
发布时间:2017-09-06发布人:浏览人数:

高精度卫星激光反射器

一、成果概况

导航卫星、地球动力学卫星、海洋测高卫星、重力卫星,地球观测等卫星的轨道精确确定是卫星提供服务的基础。卫星激光测距技术(SLR)是现代各种定位观测手段中单点采用精度最高的一种,因此在监测大陆板块运动、地壳形变、地球自转,改进地球重力场和地心引力常数,确定地球和海洋潮汐变化的规律等方面具有重要作用。

激光反射器是SLR测量中的重要组成部分,其主要功能是利用反射器对入射光束的定向反射特性,对地面站发射的脉冲激光信号进行反射,使其原路返回,由地面站接收和探测,通过精确测定激光信号往返时间间隔,进而实现星地距离的精确测量。

中国地震局地震研究所研制高精度角锥棱镜的品质和精度一直处于国内领先水平并进入国际先进行列,自主研制的高精度角锥棱镜已成功运用在我国北斗二代、天宫一号激光合作目标、神州四号、技术实验卫星、海洋二号等二十多套激光反射器。自主设计研制的分布式激光反射器已成功应用于三颗皮纳卫星。以上卫星激光反射器,地面测距系统已进行成功观测,达到了设计和使用要求。

二、主要创新点

1.首次设计研发了针对皮纳卫星的激光反射器。

随着“一箭多星”技术和皮纳卫星技术的发展,向太空发射卫星数量越来越多,质量越来越小。皮纳卫星是指质量为千克级,运行在250~1000Km轨道上的卫星。由于皮纳卫星对体积和重量的要求苛刻,无法提供棱台阵列结构激光反射器所需要的安装面积,大大的限制了激光反射器在皮纳卫星上的应用。

针对质量为千克级的皮纳卫星,设计质量小于100克、视场角满足360°、测距精度达厘米级的微小卫星激光反射器,因微小激光反射器具有质量轻、分布灵活、便于标准化配置的特点,有现实应用价值。

2.具备了通光口径8~175mm的全系列高精度激光反射镜设计研制能力。

中国地震局地震研究所研制高精度激光反射镜技术指标一直处于国内领先水平并进入国际先进行列,其指标为:

①尺寸:φ8mm-φ175mm

②波前畸变:λ/2、λ/4、λ/10、@λ=632.8nm

③材料:K9、熔石英、硅等材料

④光洁度:20/10

⑤二面角:0.2″、0.4″、0.5″

⑥光束偏移角:1″、2″、5″、10″

三、应用效应及前景

1.高精度阵列式SLR反射镜推广应用效果

已为北斗系列卫星、海洋二号、以及皮纳卫星等我国自主研发的人造卫星提供了高精度的SLR激光反射镜。

高精度激光反射镜推广应用情况

序号

项 目

合作单位

发射日期

1

神舟4号

上海天文台

2002.12

2

BD1-F03

上海天文台

2003.5

3

试验一号

上海天文台

2008.11

4

BD2系列

上海天文台

2009.4-至今约16颗

5

TG-1激光雷达

合作目标

上海天文台

2011.9

6

韩国卫星

上海天文台

2013.1

7

海洋二号

武汉大学

2011

以上卫星激光反射器,地面测距系统已进行成功观测和完成空间交会对接,达到产品设计和使用要求。另外,中国地震局地震研究所已承担航天东方红卫星公司的大气密度探测实验卫星PN-1B、PN-1C、PN-1D激光反射器,卫星于2015年9月在太原卫星发射中心成功,现阶段正在承担东方红海特公司TP-1卫星激光反射器的研制任务,TP-1卫星激光反射器已经交付,择机发射。

自主研制激光反射器

序号

项 目

发射日期

1

皮纳卫星(3颗)

2015.9.20

2

TP-1卫星

2017年择机

2. PN-1B、PN-1C、PN-1D激光反射器应用情况

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皮卫星结构示意图

我国于2015年9月20日7时01分“长征六号”运载火箭一次性将20颗微小卫星成功送入轨道。其中有3颗皮卫星如图所示,其主要目标是探测轨道空间大气密度。皮卫星的结构尺寸为245mm×245mm×243mm,重量约为5kg,中国地震局地震研究所根据皮卫星的应用需求及皮卫星对激光反射器对体积和质量的苛刻限制,在皮卫星的侧面和对地面共分布了15个通光口径为1.0cm的微小激光合作目标,在卫星发射升空,顺利进入预定轨道,经过姿态调整具备卫星激光测距条件后,2015年12月19日TROS1000流动人卫激光测距系统在山东荣成对皮卫星进行了卫星追踪和激光测距试验,并顺利接收到激光回波信号。

皮卫星激光回波数据

观测时间弧段长为0.35分钟,总共3808个点,其激光测距精度为1.2cm,通过对皮卫星激光回波每秒统计结果表明在观测期间其回波数最大值达314个/秒,激光测距试验验证了通光口径为1.0cm的微小激光合作目标能够提供足够的的回波光子数。

3.具备包括导航卫星、海洋卫星、重力卫星、皮纳卫星等高轨、低轨卫星激光反射器的设计研发能力。

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高精度系列角锥棱镜

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北斗系列卫星激光反射器 海洋二号激光反射器 天宫1号激光合作目标

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(a)结构示意图 (b)实物图

皮卫星示意图及实物图