高精度千赫兹重复频率卫星激光测距系统及实测结果.pdf

2011 年 第 56 卷 第 15 期：1177 1183 英文引用格式英文引用格式:Zhang Z P,Zhang H F,Wu Z B,et al.kHz repetition Satellite Laser Ranging system with high precision and measuring results(in Chinese).Chinese Sci Bull(Chinese Ver),2011,56:11771183,doi:10.1360/972011-79 中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 进 展 高精度千赫兹重复频率卫星激光测距系统及实测结果 张忠萍,张海峰,吴志波,陈菊平,李朴,杨福民 中国科学院上海天文台,上海 200030;中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室,南京 210008 E-mail: 2011-02-09 收稿,2011-04-06 接受 国家自然科学基金(10973029)、上海市空间导航与定位技术重点实验室项目(06DZ22101)和中捷国际科技合作项目(2009DFA01930)资助 摘要 千赫兹重复频率激光测距具有目标捕获快、回波数多、测距精度高、标准点数据密度高等优点,已成为国际激光测距技术的发展趋势.针对千赫兹激光测距系统,中国科学院上海天文台采用皮秒脉宽千赫兹频率激光器和高精度事件计时器,研制了纳秒级控制精度的事件模式距离门控及后向散射避免电路,设计开发高实时性控制软件和数据预处理软件,建立了高精度千赫兹重复频率卫星激光测距系统,实现了从低轨到中高轨卫星千赫兹重复频率常规观测和低轨道卫星白天测距,测距精度 712 mm,并在国际上首先实现了同步轨道卫星千赫兹重复频率激光测距.与低重复频率激光测距相比,激光测距有效回波数和标准点数据密度有数量级增加,测距精度也有了一定的提高.关键词 卫星激光测距 千赫兹激光器 控制系统 同步轨道卫星 白天测距 卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)作为一种高精度空间测量技术,已在空间大地测量和卫星精密定轨中得到广泛的应用.长期以来,国际激光测距网中大多数观测站,采用了低重复频率(10 Hz)的测距方式.由于重复频率低,测距数据量少,限制了测距资料标准点精度和快速捕获目标能力的提高,且这种激光器件大部分是 20 世纪 8090 年代制造,采用的是脉冲点灯泵浦源,长期使用时其安全性和稳定性较差.1994 年 Degnan1提出了采用微小能量、重复频率到千次的半导体泵浦激光器件的 SLR 系统,2003 年奥地利 Graz 站率先实现了采用重复频率达 2 kHz、能量为 0.4 mJ 的半导体泵浦激光器,配合皮秒计时器及控制软件,实现了千赫兹重复频率卫星激光测距,测距数据量相比低重复频率有了大幅度的增加,系统稳定性、标准点测距精度也有了一定的提高2.随后,国际上多个国家相继开展了千赫兹重复频率激光测距技术研究.随着千赫兹卫星激光测距技术的发展,其应用研究已延伸到卫星自旋、姿态定位及大气可见度等领域3.中国科学院上海天文台在国内率先开展了千赫兹重复频率卫星激光测距技术研究4,经过对千赫兹卫星激光测距关键技术研究,包括千赫兹重复率激光器性能、距离门控技术、高精度时间间隔测量技术、实时测距控制技术及大数据量高效数据预处理技术,建立了高精度千赫兹卫星激光测距系统,实现了千赫兹重复频率的常规观测,测量范围从几百公里低轨卫星到三万八千公里的同步轨道卫星,成为国内首先具备 2 kHz 重复频率常规测距能力的台站,也是国际上首次采用千赫兹重复频率激光器测量同步轨道卫星的台站.通过对测距系统伺服跟踪性能进一步提高及白天千赫兹激光测距技术的研究,实现了低轨道卫星白天千赫兹重复频率激光测距,测量精度 712 mm.在 2010 年第 3 季度国际激光测距观测公报中,上海 SLR 站地面标靶测量精度位居全球第三,表明上海天文台所建立的千赫兹重复频率卫星激光测距系统已达到国际领先水平.本文详细介绍了上海天文台高精度千赫兹重复频率卫星激光测距系统及实际测量情况,并与低重 2011 年 5 月 第 56 卷 第 15 期 1178 复频率测量结果进行了比较,展示了千赫兹重复频率激光测距在观测数据量、标准点数据密度、测量精度等方面所呈现的优势.1 高精度千赫兹重复频率卫星激光测距系统 在千赫兹重复频率激光测距中,激光器、距离门控电路、计时设备、控制软件等均与低重复率测距完全不同,这些技术是开展千赫兹激光测距的关键技术和设备.1.1 千赫兹重复频率激光器 激光器作为卫星激光测距系统中关键设备之一,其良好的工作性能是顺利开展激光测距的保证.我们引进了美国 Photonics Industries 公司半导体激光泵浦皮秒激光器,由 SESAM 被动锁模皮秒种子源、隔离系统、再生放大系统(单选模块和再生放大腔)及倍频系统组成.其工作原理如下:SESAM 可饱和吸收体被动锁模产生 80 MHz、单脉冲能量约 1 nJ、脉宽小于 20 ps、波长为 1064 nm 的脉冲序列.经隔离系统,到达再生放大系统.单选模块中的普克尔盒从80 MHz 的种子光中选出 1 kHz 的脉冲,并将其注入到再生放大腔进行放大.通过控制普克尔盒的加压时间来控制种子光在再生放大腔中的往返次数.光脉冲在腔内往返振荡达到饱和,放大倍数约 106.从再生放大系统射出的光脉冲进入倍频系统,经二倍频,输出脉冲能量 12 mJ、波长为 532 nm 的绿光.图 1 为千赫兹激光器光路结构框图.1.2 距离门控制及后向散射避免 对低重复频率(10 Hz)激光测距,一般门控长度(激光信号往返时间间隔)小于激光发射间隔,可采用直接计数的方法加以解决.而对于千赫兹激光测距,门控长度将大于激光发射间隔,如果仍采用这种方法则需要几十到上百个计数器才能完成整个距离门控的输出,这实现起来比较困难且会降低电路的稳定性.千赫兹距离门控制电路摒弃计数器输出门控的方法,充分利用了 FPGA 在运算、存储、逻辑资源等方面的优势,采用一种直观的比较输出方法5,6,基本原理是:距离门控制电路内部有一个与 UTC 同步的时钟,根据卫星预报数据计算门控信号的输出时刻,由距离门控电路中的比较器对门控时刻和其内部时钟时刻进行比较,如果二者相等,则距离门控电路输出一个门控信号.图 2为上海天文台研制的基于FPGA 的千赫兹距离门控电路结构图6,主要包含串口接收模块、实时时钟模块、比较模块、缓存模块和并口接收模块.经测试,这种事件模式距离门控电路,最高重复频率可达 10 kHz,门控信号输出控制精度为 5 ns.在千赫兹重复频率激光测距中,由于探测器工 图 1 千赫兹激光器光路结构框图 1179 进 展 图 2 千赫兹距离门控电路框图 作频率为千赫兹,易受到大气后向散射光的干扰,造成有效信号的损失,对于 1 kHz 重复频率,最高损失可达 20%.为避免后向散射的干扰,采取了移动点火信号时刻来推迟激光发射的方法6.在预计回波信号到达后,再发射激光,这就避开后向散射信号对回波信号的影响.1.3 高精度事件计时器 在千赫兹重复频率激光测距中,由于测量频率高,通常使用的时间间隔计数器已无法满足测量要求,必须采用事件计时方式的事件计时器(Event Timer,ET).激光测距中激光发射时刻和返回时刻可看作两个事件,并由事件计时器分别精确记录,再根据卫星预报数据正确识别出对应的激光发射时刻和返回时刻,两者时刻差即为实际测量的激光信号往返时间间隔7,进而获得卫星的观测距离值.上海天文台引进了拉脱维亚研制的分辨率为 1 ps、计时精度小于 10 ps 的 A032 事件计时器,通过对该计时器进行二次开发,基于增强型并口(Enhanced Parallel Port,EPP)的数据采集模式,实现了对事件 计时器的操作控制8,满足了千赫兹卫星激光测距的要求.1.4 实时测距控制 激光测距系统中,控制软件是测距控制系统的核心,负责激光器控制、伺服跟踪控制、数据采集、处理和实时残差显示等.千赫兹卫星激光测距需要在百微秒到毫秒的时间间隔内完成以上工作,对控制软件的时序提出了很高的要求8.为了提高控制软件的可视化操作,上海天文台千赫兹控制软件运行在 WindowXP 操作系统下,使用了两台计算机来完成测距任务.图 3为上海天文台千赫兹激光测距控 图 3 千赫兹激光测距控制功能模块 2011 年 5 月 第 56 卷 第 15 期 1180 制模块,其中计算机 A 负责距离门控发送、激光点火信号以及伺服跟踪控制,此计算机作为主控端;计算机 B 负责接收主波、回波事件、主回波实时识别处理并求得卫星观测距离、卫星距离残差显示、实时信 号提取、数据预处理及数据归档等工作,两台计算机通过串口进行数据通信.双机操作模式保证了可以在 2 千次,甚至 4 千次重复频率下工作.1.5 数据预处理软件 目前大部分激光测距系统中采用了高灵敏度的单光子探测器 C-SPAD,而探测器暗噪声数与重复频率有直接关系.图 4 显示了 C-SPAD 暗噪声数与重复频率的关系,当重复率为 1和 2 kHz时,C-SPAD 的暗噪声分别在 230 和 350 kHz 左右.暗噪声数的成倍增加,再加上背景噪声的影响,测距数据中将含有大量 图 4 C-SPAD 暗噪声数与重复率的关系 的野值.因此,在测距资料实际应用之前,必须进行资料预处理,剔除野值、扣除系统误差、评定资料质量等9.在千赫兹重复频率激光测距时,由于每圈卫星记录的数据点数可达上百万,且每天观测圈数在3040 圈,对如此大的数据量和多圈卫星进行数据预处理时,就需考虑预处理方法的效率问题,以保证测距数据得到及时处理和发送到国际激光测距数据处理中心,因此快速、高效数据预处理方法是高重复率激光测距中的一项关键技术.经测试,数据预处理过程中较为耗时的操作为距离残差屏幕显示和多项式拟合两部分.在距离残差屏幕显示方面,当距离残差总点数大于一定值时(如 1 万点),我们采取每隔若干点显示 1个数据点方法,在处理过程中所有数据点都将参与处理;在多项式拟合算法方面,为充分利用Fortran 语言在数值计算中的高效率性能,我们采用了 VC+语言与 Fortran 语言相结合的软件开发方式,操作界面由 VC语言编写,多项式拟合计算由 Fortran语言来完成.经实际应用,上述方法既加快了数据点屏幕显示和处理速度,又保证了数据处理结果的准确性.图 5 为上海天文台千赫兹数据预处理软件界面,其中(a)为数据点均匀选取显示,(b)为全部数据点显示.2 测量结果及分析 2.1 千赫兹重复频率常规测量 在完成千赫兹卫星激光测距关键技术后,上海天文台利用口径 60 cm 望远镜,采用皮秒千赫兹重复 图 5 千赫兹激光测距数据预处理软件(a)部分数据点显示;(b)全部数据点显示 1181 进 展 图 6 上海 SLR 站低重复率(a)与千赫兹重复率(b)地靶和 Lageos 测量精度比较 频率激光器,从2009年9月开始试验观测,成为国际上两个实现 2 kHz 重复频率激光测距的台站之一,随后实现了常规观测,并将所获得观测数据发送到国际激光测距数据处理中心.图 6 给出了 2009 和 2010年第 3 季度国际激光测距观测公报对全球各站的地靶和 Lageos 卫星测量精度的统计,上海天文台激光站采用千赫兹重复频率后地靶和 Lageos 卫星测量精度分别提高到 4 和 11 mm,其中地靶精度名列全球第3 名10.由于测距频率的提高,使得每圈卫星所获得的有效数据点数得到成倍增加.表 1列出了上海天文台激光测距站对几种不同轨道高度卫星的低重复频率与千赫兹重复频率测距的有效测量数据点数,其中符号“/”表示无数据.由表 1 可看出,采用千赫兹重复频率测距后,上海天文台 SLR 站所获得有效数据点数得到大幅度的提高,最远观测到 38000 km 同步轨道卫星.同时测量圈数也得到大幅度提高,2010 年 表 1 几种卫星低重复频率与千赫兹重复率频率测量 结果对比 卫星 轨道高度(km)每圈有效数据点数(平均)低重复频率 千赫兹重复频率 Champ 474 168 31120 Grace 485 110 9673 Envisat 796 277 38175 Starlette 812 251 62131 Jason 1336 213 22277 Lageos 5860 181 22406 Etalon 19120 300 9637 Giove 23916/7267 GEO 36000/7200 上海 SLR 站获得的圈数为 2993 圈,相比 2009 年度1624 圈11,测量圈数提高了近 1 倍.2.2 同步轨道卫星激光测距 同步轨道卫星由于距离远、目标暗、回波信号弱,对激光器脉冲能量、望远镜跟踪指向精度、回波信号 2011 年 5 月 第 56 卷 第 15 期 1182 识别等都提出了很高的要求.高轨卫星激光测距是国际上评定测站技术水平的一个重要指标.为此,上海天文台采用高性能伺服驱动器和高精度光栅编码器,以提高伺服跟踪系统的跟踪性能,有利于对高轨卫星开展激光测距.图 7为改造后的伺服控制系统跟踪 Ajisai 卫星方位和高度跟踪误差图,左侧纵坐标代表位置,右侧纵坐标为跟踪误差,跟踪精度达到小于1 角秒水平11.图 8 为 2010 年 8 月 14 日对 GEO 卫星测量结果图,卫星距离为 38800 多公里.这是国际上首次采用皮秒千赫兹激光测距技术进行同步轨道卫星测量,单次测量精度为 12 mm,每分钟平均回波点数 540 点,图 7 伺服跟踪系统方位(a)和高度(b)跟踪误差图 图 8 GEO 卫星 kHz 重复频率激光测距 这充分体现了采用千赫兹重复频率激光器对高轨卫星测量的优势.2.3 白天千赫兹重复率激光测距 在实现千赫兹重复率夜间常规测距基础上,我们开展了白天激光测距关键技术研究,采用 1.5 A 超窄带滤光器、精密调试激光发射和接收系统、测量望远镜照准差和指向模型、应用回波信号实时识别技术,于 2010 年 8 月起已成功实现低轨卫星白天千赫兹重复率测量,成为国际上为数不多的具备白天千赫兹重复频率测距台站.图 9 为 2010 年 8 月 19 日上午 10时(UTC 2h)Envisat 卫星白天千赫兹重复率激光测距实时测量界面,图中上半部分是对回波信号进行实时识别的结果.3 结论 千赫兹重复频率卫星激光测距已成为国际激光测距技术发展方向,国外多个国家已开展了千赫兹测距的技术研究,且随着该技术的发展,其应用领域已扩展到卫星自旋、姿态定位及大气可见度等方面的研究.为达到国际激光测距先进水平,中国科学院上海天文台在国内最早提出开展千赫兹重复频率激光测距技术研究.通过对千赫兹激光测距的关键技术进行研究,建立了高精度千赫兹重复频率激光测距系统,实现了千赫兹测距的常规观测;测量目标距离已达 38000 多公里;测量的有效数据点数、标准点数据密度相比于低重复频率有了数量级提高,测量圈数也增加了近 1倍.上海天文台已成为国际上为数不多的具备 2 kHz 重复频率卫星激光测距能力台站,图 9 Envisat 卫星白天激光测距 1183 进 展 也是国际上首次开展同步轨道卫星千赫兹激光测距和国内最早开展白天千赫兹重复率的台站之一,上海天文台千赫兹重复频率测距能力已达到国际领先水平.参考文献 1 Degnan J J.SLR2000:An autonomous and eye safe satellite laser ranging station.In:9th International Workshop on Laser Ranging In-strumentation,Canberra,Australia,1994.312314 2 Kirchner G,Koidl F.Graz kHz SLR system:Design,experiences and results.In:14th ILRS Workshop,San Fernando,Spain,2004.212213 3 Kucharski D.Graz Satellite Laser Ranging system.In:Graz in Space 2010,Graz,Austria,2010 4 吴志波.高重复频率卫星激光测距的研究.硕士学位论文.上海:中国科学院上海天文台,2006.4547 5 Kirchner G.SLR Graz:The RGG(Range Gate Generator).In:kHz SLR Meeting,Graz,Austria,2004 6 吴志波,张忠萍,陈菊平.基于 FPGA 的高重复率距离门控电路实现.电子学报,2010,38:919922 7 吴志波,张忠萍,陈菊平,等.事件计时器在卫星激光测距中的应用.中国科学院上海天文台年刊,2007,28:135141 8 Kirchner G.Software for kHz SLR.In:kHz SLR Meeting,Graz,Austria,2004 9 张海峰,张忠萍,秦思,等.上海天文台卫星激光测距的台站预报和数据预处理软件的功能.中国科学院上海天文台年刊,2009,30:153160 10 http:/ilrs.gsfc.nasa.gov/stations/site_info/global_report_cards/perf_2010q3_wLLR.html 11 张忠萍,陈菊平,吴志波,等.2009 年上海天文台卫星激光测距观测报告.中国科学院上海天文台年刊,2010,31:2024 kHz repetition Satellite Laser Ranging system with high precision and measuring results ZHANG ZhongPing1,2,ZHANG HaiFeng1,WU ZhiBo1,2,CHEN JuPing1,2,LI Pu1&YANG FuMin1 1 Shanghai Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200030,China;2 Key Laboratory of Space Object and Debris Observation,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China kHz repetition Satellite Laser Ranging(kHz SLR)with the advantages of fast target acquisition,large amount of returns,high measuring accuracy and high normal point data density,has become the trend of international laser ranging technology.For kHz Satellite Laser Ranging system,using kHz repetition laser with picoseconds pulse-width and high-precision Event Timer,designing nanosecond accuracy of Range Gate Generator with event mode and back-scattering avoiding circuit,developing real-time control software and data pre-processing software,Shanghai Astronomical Observatory(CAS)has established the kHz repetition laser ranging system with the ability to track routinely the LEO/HEO satellites at nighttime and daylight laser ranging for LEO satellites at the precision of 712 mm and become the first station to range to GEO satellite with kHz repetition rate laser.By comparing with low repetition laser ranging,the returns and data density per normal points are greatly increased.The ranging precision is also improved obviously.satellite laser ranging,kHz repetition laser,control system,GEO satellite,daylight laser ranging doi:10.1360/972011-79