遥感SiCH-2卫星光学系...“猫眼”效应的卫星激光测距_龙明亮.pdf

龙明亮，张海峰，林海生，吴志波，邓华荣，秦思，张忠萍.2023.遥感 SiCH-2 卫星光学系统“猫眼”效应的卫星激光测距.地球与行星物理论评（中英文），54（5）：581-586.doi：10.19975/j.dqyxx.2022-061.LongML,ZhangHF,LinHS,WuZB,DengHR,QinS,ZhangZP.2023.CatseyeeffectforsatellitelaserrangingbasedontheopticalsystemofremotesensingsatelliteSiCH-2.ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysics,54(5):581-586(inChinese).doi:10.19975/j.dqyxx.2022-061.遥感 SiCH-2 卫星光学系统“猫眼”效应的卫星激光测距龙明亮1*，张海峰1,2，林海生3，吴志波1,2，邓华荣1，秦思2，张忠萍1,2,41中国科学院上海天文台，上海2000302中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，南京2100083上海大学计算机工程与科学学院，上海2004444华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海200062摘要：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 10cm.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 4.3s.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.关键词：卫星激光测距；空间碎片；光电探测设备；“猫眼”效应doi：10.19975/j.dqyxx.2022-061中图分类号：P129文献标识码：ACats eye effect for satellite laser ranging based on the optical system ofremote sensing satellite SiCH-2LongMingliang1*,ZhangHaifeng1,2,LinHaiSheng3,WuZhibo1,2,Denghuarong1,QinSi2,ZhangZhongping1,2,41ShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China2KeyLaboratoryofSpaceObjectandDebrisObservation,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China3SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200444,China4StateKeyLaboratoryofPrecisionSpectroscopy,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,ChinaAbstract:RemotesensingsatelliteSiCH-2fromUkrainewaslaunchedin2011.Atpresent,ithasstoppedworkingandisoutofcontrol,andithasbeenforecastedtobecomespacedebrisbyatwo-lineroot(TLE)fromtheNorthAmericanAirDefenseCommand(NORAD).Here,thecatseyeeffectoftheopticalsystemisanalyzed,andthesatellitelaserranging(SLR)systematShanghaiObservatoryisusedtomeasuretheechointensityofsatel-liteSiCH-2,whichisverystrong,andtherangingaccuracy,whichisbetterthan10cm.Theanalysisofthemea-surementcapabilityresultsshowsthatthelaserreflectionechofromsatelliteSiCH-2reachesthelaserranginglevelofthesatellitewiththereflector,andisconsistentwiththedetectionabilityofthephotoelectricdetectionequip-收稿日期：20220805；录用日期：20220914基金项目：上海市自然科学基金面上资助项目（20ZR1467500）；国家自然科学基金资助项目（12003056，11903066）；上海市科技创新行动仪器共享配套操作与应用资助项目（21142201900）SupportedbytheNaturalScienceFoundationofShanghai(GrantNo.20ZR1467500),NationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNos.12003056,11903066),andShanghaiScienceandTechnologyInnovationAction(GrantNo.21142201900)*通信作者：龙明亮（1989-），男，副研究员.主要从事卫星/空间碎片激光测距技术及应用研究.E-mail：F_CEO_第54卷第5期地球与行星物理论评（中英文）Vol.54No.52023年9月ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysicsSep.,2023mentcatseyeeffectanalysis.ThemeasurementresultsalsoshowthatsatelliteSiCH-2isinastateofrotation,withaperiodof4.3s.Inthisstudy,thelaserrangingofon-orbittargetsbasedonthecatseyeeffectisrealizedforthefirsttime,whichprovidesanewmethodforanalyzinglong-distancespacetargets,promotestheapplicationanddevelopmentofhigh-precisionlaserrangingtechnology,andisbeneficialtomonitorthephotoelectricdetec-tionseriesofsatellitesthatfailorhaveabnormalorbits.Keywords:satellitelaserranging;spacedebris;photoelectricdetectionequipment;catseyeeffect0引言卫星激光测距（satellitelaserranging,SLR）充分利用激光的波长短、方向性好、单色性好等特点，通过精确测量脉冲激光从地面观测站坐标到卫星反射器的往返时间，获得卫星与站点之间的高精确距离，其测距精度达毫米级，是轨道空间目标测量技术中精度最高的，在空间目标高精度定轨（罗青山等,2016;Ohetal.,2017;Shaoetal.,2020;谢俊峰等,2016）、地球参考框架（Boninetal.,2018）、地球重力场（张岚和孙文科，2022）、相对论验证（Lucchesietal.,2015）、高精度激光时间传递比对（SchreiberandKodet,2018）等领域科学研究广泛应用，为卫星导航系统（Zhangetal.,2020）、载人航天及深空探索探测（Courdeetal.,2017）等重大国家专项的突破提供重要可靠的测量数据支持服务.在天宫二号的精密轨道定轨（POD）的应用中，采用 SLR 测量数据达到了 1.7cm（Shaoetal.,2020），同时北斗导航卫星中 SLR 定轨残差均方根值（RMS）可优于 1cm.在卫星上搭载的可见光、红外和微波等传感器的地球观测遥感卫星是地球表面与近地空间电磁辐射数据、地球资源和环境信息等收集研究的重要空间观测技术，在陆地自然资源、海洋生态环境、气象灾害等诸多领域得到全球各国的广泛应用（杜晓辉和张学民，2021；罗青山等，2016；孙伟伟等，2020；谢俊峰等，2016）.光电技术的应用提高了光电探测设备系统应用性能，但其本身的光学系统也存在着“猫眼”效应，使得光学镜头比漫反射体的后向散射光强可高出几个数量级（李旭东等，2022；赵勋杰等，2003）.乌克兰地球遥感卫星SiCH-2 是现代典型的地球观测遥感卫星，因寿命到期已经失效，被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，TLE 预报精度一般在千米级，本文将采用 TLE 预报，分析“猫眼”效应，基于上海天文台 SLR 站对其进行激光测距.1“猫眼”效应分析在夜间猫的眼睛看起来很亮，原因在于光线通过猫的眼睛瞳孔后射到眼底上，再由眼底的反射，使光束原路返回，此时看到猫的眼睛就显得比较亮，即为“猫眼”效应.同样地对于光电设备，光学系统焦平面上的光电探测器表面对正入射来的激光将按光的可逆性原理，使其原路返回，从而获得方向性好、亮度高的后向反射的激光.即聚焦功能的透镜和镜面反射的光敏面使光电设备系统对入射激光的逆反射起到了类似“准直”作用（Shengetal.,2022a,2022b），使激光回波强度比其他的目标（或背景）反射的回波强度高（都元松等，2018）.图 1 为具有“猫眼”效应的光路示意，光电设备光学系统由物镜和焦平面处的光敏面构成，光学系统近似为一个没有像差与衍射的系统，则远处平行光轴的光束 AB（A1B1）将汇聚在焦平面 F 点.由于光学系统具有轴对称性，这样由焦平面 F 点的反射光将以镜面反射的方式沿 A1B1（AB）光路原路返回，以上反射类似于角反射器，设光学系统有效孔径为 D，焦距为 f，采用几何光学原理可推出对反射截面有贡献的有效作用孔径 D1为（李旭东等，2022）：D1=Dff+2d(1)其中，d 为离焦量，从（1）式中可得离焦量与有效作用孔径成反比.在垂直正入射下，由几何光学可计算出离焦量 d 的回波发散角为：1=2arctanDd(f+d)2(2)由上式可见光学系统焦距越长，对应的回波发散角越小，后向反射的光越强.由镜面反射激光雷达方程的光子回波功率 Ps：Ps=16P0ArAssTrTs22021R4(3)Ar其中 P0为测量系统发射激光的功率，0为激光发散角，1为目标反射的激光回波发散角，为接收582地球与行星物理论评（中英文）2023年AssTrTs系统的有效接收面积，R 为目标与观测测量点之间的距离，为被测目标的光学系统的有效作用截面积，为目标光学系统的反射系数，双程大气透过率为，发射光学与接收光学系统效率为.而由漫反射的目标激光雷达方程的光子回波功率 Pr：Pr=2P0ArALcosTrTs220R4(4)AL其中，为漫反射目标有效截面积，为反射系数，由此具有“猫眼”效应的光学系统目标回波与漫反射目标回波功率比为：PsPr=8AssAL21(5)式中，在垂直正入射且有效截面积相等及反射率相同的条件下，（5）式变为：PsPr=821(6)由（6）式，当光电探测器的光敏面处于焦平面无离焦量时，对入射光将原路反射，其类似于角反射器的作用效果.2卫星激光测距系统目前上海天文台 SLR 系统基本框架如图 2 所示（龙明亮等，2020；吴志波等，2019），其运行过程为，先从联网计算机控制终端下载空间碎片目标的轨道预报参数，经计算机处理转换可执行文件，根据选择的目标而发出对应目标的控制指令对伺服系统进行操控，望远镜跟踪机架被驱动跟踪对应空间碎片目标，在编码器的实时反馈下实现空间碎片目标的高精度精确跟踪，并由望远镜的接收终端的监视 CCD 实时监测目标在 CCD 视场中的位置，实现实时高精度跟踪.此时由地面人员从上位机发出指令给测距的距离门控电路，经距离门控电路发出激光点火信号给激光器系统，激光器输出激光，其中部分较弱激光由光电探测器探测转换为电信号至事件计时器的通道 A，记录激光发射的脉冲信号，即主波时刻 t1，同时将数据传输至计算机终端保存；绝大部分激光通过激光传输及望远镜光学系统出射至目标上（激光击中目标），经空间碎片漫反射，由望远镜接收系统实现对激光回波信号的接收，并汇聚在高精度的单光子探测器上，单光子探测器实现将激光回波信号转换为电信号，通过电平转换至事件计时器通道 B，得到回波时刻 t2，并将数据传输至计算机终端保存.为了实现高精度的距离精确测量，需要较高的时间频率基准以获得精确的时刻值.同时由空间轨道目标预报距离门控电路，准确定位在激光回波回来时刻附近开启单光子探测器.此时得到回波时刻t2与主波时刻 t1之差包含了测距系统中信号线、电平转换等所带来的系统延时，需要扣除测距系统的延时，即从测量 t2-t1中除去系统延时 T，得到测距距离如下式（7）所示，其中，c 为光的传播速度.物镜焦平面OO1A1B1ABF图1光电设备光学系统的“猫眼”效应光路示意图Fig.1Schematicdiagramofthelightpathofthecatseyeeffectfromtheopticalsystemintheopticalequipment伺服系统控制指令机架位置激光器发射系统跟踪机架编码器至卫星折轴光学系统发射指令主波主波时刻回波时刻回波接收系统门控脉冲秒脉冲秒脉冲秒脉冲门控指令时间频率基准距离门控电路卫星激光回波监视CCD单光子探测器事件计算器10 MHz10 MHz10 MHz空间轨道目标预报、数据处理等计算机控制系统图2上海天文台 SLR 系统框图Fig.2ShanghaiAstronomicalObservatorySLRsystemblockdiagram第54卷第5期龙明亮，等：遥感 SiCH-2 卫星光学系统“猫眼”效应的卫星激光测距583R=(t2t1T)c2(7)基于上海天文台 60cm 的 SLR 系统采用 1W的 1kHz 皮秒激光器，其中激光器的工作波长为532nm，脉宽 35ps，采用小孔光阑空间滤波、0.15nm 的滤波器进行光谱滤波、距离门控的方式进行噪声滤波，满足全天时 24 小时不间断地常规化卫星激光测距，SLR 数据质量在 2015 年其长期稳定性、短期稳定性及标准点精度分别达到了4.1mm、9.3mm 和 1mm，是国内首个满足国际激光测距服务组织（ILRS,https:/ilrs.gsfc.nasa.gov/network/systemperformance/global_report_cards/quar-terly/index.html）数据质量国际标准的台站，并持续保持至今（吴志波等，2019）.空间碎片对激光脉冲的漫反射使得激光回波信号散射广，地面接收的回波信号微弱，不同于合作目标装有角反射器将入射激光很好地约束在较小的范围内，地面回波信号覆盖范围相对较小，相比漫反射回波信号强度强，同时空间碎片目标预报精度相比合作的角反射器的差，测量难度进一步增大（Baietal.,2019;龙明亮等,2021;张海峰等,2020）.光学系统的“猫眼”效应特征，具有角反射器的效果，有效地提高空间碎片（失效卫星）的探测能力.3地球遥感卫星 SiCH-2 的激光测距SiCH-2 是乌克兰的遥感卫星，旨在以可见光和近红外光谱对地球进行成像 8m 空间分辨率和单张 50km 的地表成像范围，SiCH-2 图像是环境、灾害和农业监控重要的信息来源.以太阳同步轨道，轨道高度为 700km，采用的倾角为 98.26，对应的轨道周期 97.5min.SiCH-2 卫星上的主要有效载荷为多谱段的地球成像仪，全色和多光谱推扫式的成像仪；多谱段地球成像仪工作在短波谱段，应用光学对接式结构，包括 3 个线阵，卫星外观图如图 3 所示（http:/ 项目得到地面控制综合体、信息开发中心以及通信和数据传输系统的支持.其在特殊反作用力器的帮助下沿三个轴保持其在轨道上的位置稳定，从而使其传感器可以高精度地指向地面（Kravchenkoetal.,2014）.卫星上的 S 波段通信系统用于负责接收来自地面的飞行控制命令，同时将有关卫星上各系统健康状况的遥测数据传输到任务控制中心.SiCH-2 上的 GPS 接收器将提供有关卫星位置的高度准确的导航数据，供电系统将使用四个太阳能电池阵列发电并将其存储在星载电池中.其于 2011 年 8 月 17 日莫斯科时间 11:12:20（世界标准时间07:12:20）由第聂伯（Dnepr）运载火箭从Dombarovsky 导弹部署区升空发射成功进入轨道.因电源电池故障，SiCH-2 于 2012 年 12 月 12 日停止与地面控制通信而失效失控，成为空间碎片，卫星上三个轴稳定的反作用器也停止工作，卫星姿态不 受 地 面 站 控 制，此 后 由 北 美 防 空 司 令 部（NORAD）进行编目，编号为 37794，雷达散射面积 RCS 为 0.9m2.为了对 SiCH-2 卫星进行卫星激光测距，验证其“猫眼”效应.从NORAD 公布的网页（www.Space-Track.-Org）下载 SiCH-2 卫星的 TLE，经计算机处理输入给伺服系统实现空间目标 SiCH-2 的跟踪瞄准，采用上海天文台 SLR 测距系统，实现目标测量，如表 1 所示.太阳能板X 波段天线GPS 接收天线多谱段地球成像仪地球红外成像仪粒子实验探测S 波段天线图3SiCH-2 地球遥感卫星示意图Fig.3Schematic diagram of SiCH-2 Earth remote sensingsatellite表1空间目标 SiCH-2 的卫星激光测距结果统计Table1StatisticsofsatellitelaserrangingresultsofspacetargetSiCH-2数量日期测量点数精度/cm时间偏差/ms距离偏差/m最大距离/km最小距离/km12021-06-0826178.9222.12239.881496.4141322021-06-11823310.5444.8849.181404.21076.232021-08-2929906.6352.227856.2717.342021-08-3144935.7410.957.9942.5812.5584地球与行星物理论评（中英文）2023年从表 1 中，可以看出回波点数多，测距精度在亚分米级，比常规带角反射器的卫星目标测距精度差（龙明亮等，2020），高精度卫星激光测距因带独特设计角反射器，保证了不同的轨道状态下都有较高的精度，而光学系统的“猫眼”效应，受光学系统的影响，不同的轨道状态下测量精度不同，相差明显.目标距离偏差（RB）达到了几十米，甚至上百米，说明目标的轨道预报偏差较大.其中 2021年 8 月 31 日的目标测量回波如图 4 所示，图中回波信号强度很明显，达到了带角反射器的低轨目标的测量回波率.回波信号的周期性清晰，回波周期性主要体现在 SiCH-2 卫星在失控下的自旋，从图 4 的回波信号中可以得到其自旋周期为 4.3s.图4空间目标 SiCH-2（碎片编号 ID：37794）的 SLR 测量Fig.4SLRmeasurementforSiCH-2(ID:37794)4结论本文分析了地球观测遥感卫星搭载光学系统载荷的“猫眼”效应，表明光学系统在“猫眼”效应下其探测能力与角反射器的探测能力可相当，以上海天文台 SLR 系统进行激光测距，对失控失效的SiCH-2 遥感卫星进行多次测量，测得该目标的回波强度大，测距精度达亚分米级，从测量数据中得到该目标处于自转状态，自转周期为 4.3s.通过对SiCH-2 遥感卫星的光学系统“猫眼”效应的探测，国内外首次实现“猫眼”效应的空间在轨目标的激光测距，为远距离空间目标的高精度激光探测提供了新的途径，有利于对失效失控的光电探测系列卫星进行监测监视.ReferencesBaiZ-X,ChenH,GaoX-Q,etal.2019.HighlycompactnanosecondlaserforspacedebristrackingJ.OpticalMaterials,98:109470.BoninJ-A,ChambersD-P,ChengM-K.2018.Usingsatellitelaserran-gingtomeasureicemasschangeinGreenlandandAntarcticaJ.TheCryosphere,12:71-79.CourdeC,TorreJM,SamainE,etal.2017.Lunarlaserranginginin-fraredattheGrasselaserstationJ.Astronomy&Astrophysics,602:90.DuX-H,ZhangX-M.2021.AnionosphericdisturbancecausedbythedisintegrationofatyphoonobservedbytheSWARMsatellitesJ.ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysics,52(6):662-674(inChinese).DuYS,DongWF,LuoW,etal.2018.AnalysisofLaserActiveDe-tectionTechniqueBasedonCatseyeeffectJ.ModernDefenceTechnology,46(5):88-93(inChinese).Kravchenko O,Lavrenyuk M,Kussul N.2014.Orthorectification 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