SLR技術及其在GPS衛(wèi)星定軌中的應用

李洪波，彭軍

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0 引言

SLR、多普勒測速、雷達測高以及GPS跟蹤是幾種重要的衛(wèi)星定軌技術，由于采用忽略某些次要因素的動力學方法估算衛(wèi)星的位置和速度，加之解算誤差，估算獲得的衛(wèi)星軌道必須通過上述定軌技術或其組合校核。SLR在上述方法中精度最高，通常較電磁波方法的測距精度高1～2個數量級，因此得到眾多國家及國際測量組織的高度重視。美國JPL和NASA聯(lián)合成立的衛(wèi)星精密定軌試驗中，SLR是主要的研究和實施手段之一;Glonass、北斗以及美國1994年之后發(fā)射的NAVSTAR衛(wèi)星星座都配置了SLR系統(tǒng)所需的后向反射器，以實現(xiàn)SLR和GPS的并置觀測，達到進一步提高衛(wèi)星定軌精度和GPS系統(tǒng)性能的目的[1－4]。

SLR測距精度正在向mm級測量精度發(fā)展;測距范圍甚至能遠達3.8×105km;跟蹤站已發(fā)展到包括10余個流動站的全球50多個觀測站，目前已形成全球SLR測量跟蹤網。除用于GPS衛(wèi)星精密定軌外，SLR還是地球動力學、大地測量學、地球物理學和天文學等學科的重要研究手段，極大地促進了上述學科的發(fā)展[3]。

1 SLR系統(tǒng)的基本組成及原理

SLR系統(tǒng)通常包括望遠鏡系統(tǒng)、激光發(fā)射系統(tǒng)、光電接收系統(tǒng)以及時－頻系統(tǒng)。圖1是SLR工作原理示意[5]。根據地面跟蹤站的預報，SLR系統(tǒng)的望遠鏡跟蹤上衛(wèi)星并發(fā)射激光脈沖，該脈沖打到衛(wèi)星后，被衛(wèi)星上的后向反射器反射至光電接收系統(tǒng)，經處理后，完成衛(wèi)星與跟蹤站間距離的測量，因此理論上，SLR系統(tǒng)的測量模型可表述為

式中:D為衛(wèi)星到測站間的距離;t為時間間隔計數器測出激光脈沖往返的時間間隔;c為光速。

圖1 SLR系統(tǒng)

表2是巨向斌等總結的幾種典型SLR系統(tǒng)的性能[6]。

表2 典型的SLR系統(tǒng)性能

1.1 望遠鏡系統(tǒng)[7]

SLR的望遠鏡系統(tǒng)由主光路、導星系統(tǒng)和激光發(fā)射系統(tǒng)組成。工作時，激光器發(fā)射脈沖，該脈沖經發(fā)射望遠鏡準直擴束后射向衛(wèi)星，衛(wèi)星的星載反射器將激光原路返回，由光電倍增管探測接收;時間系統(tǒng)計量脈沖發(fā)射和返回時間間隔，經處理后獲得星地距離。

1.2 激光發(fā)射系統(tǒng)

SLR的激光發(fā)射系統(tǒng)通常由激光發(fā)射器、電源和熱交換器等組成。為減少測量誤差，激光發(fā)射系統(tǒng)應具有較小的激光脈寬和較高的重復率以提高數據量和標準點精度——高重復率激光發(fā)射系統(tǒng)的研究是SLR系統(tǒng)研究的熱點之一，Graz站和中國上海天文臺已實現(xiàn)kHz SLR測距技術[7-8]。Graz站的一種激光器采用SESAM(Semiconductor Saturable Absorber Mirror)作為激光器振蕩源，以產生非常穩(wěn)定的超短綠光 (532 nm)脈沖，輸出頻率可在10 Hz～2 kHz范圍內調節(jié)，壽命＞5000 h，功率＜1 kW。

1.3 光電接收系統(tǒng)

光電接收系統(tǒng)是SLR系統(tǒng)的重要組成部分，對SLR系統(tǒng)整體性能有重要影響，其關鍵技術是影響探測成功率的后向散射回波的處理。對于1 kHz的SLR系統(tǒng)，如果后向散射時間為200 ps，則回波將損失20%。避免后向散射通常采用兩種控制策略[9]:① 主波推遲。如果回波將與下一個主波時刻沖突，則推遲下一個主波時刻發(fā)射。②改變激光中心發(fā)射頻率，以避免回波落在探測器失效時段內。

SLR光電接收系統(tǒng)歷經普通快速光電倍增管、靜電交叉場光電倍增管以及微通道板光電倍增管 (MCPPMT，Micro channel plank-photo multiplier tubes)等幾個階段。MCP-PMT在NASA和部分歐洲站均有使用，具有很小的暗電流，能很好地探測可見光，但測時精度差、價高、工作壽命短。為進一步提高測量精度，一些研究者正在探尋圓掃描變像管應用于SLR的可能性[10]。

1.4 時－頻系統(tǒng)

時－頻系統(tǒng)包括時基和計時器兩部分，是SLR精度測量的基礎，可接收來自GPS系統(tǒng)的秒脈沖信號和UTC時間，以得到絕對時間參數，包括測距時刻等。SLR時－頻系統(tǒng)的時基頻率穩(wěn)定度要求優(yōu)于2×10－12Hz/s，UTC同步精度優(yōu)于100 ns;計時器可精確獲得激光脈沖往返的時間間隔。kHz SLR系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得一個周期內可能包括多個激光脈沖，因此，目前的SLR計時器不止包含早期的計時系統(tǒng)，還包括事件系統(tǒng)，通過事件系統(tǒng)與計時系統(tǒng)的配合來完成激光脈沖時間參數的測量[5]。

2 SLR技術的新發(fā)展

SLR系統(tǒng)較早期產品在方便性、自動化程度及測距指標上有了顯著提高。Shargorodsky等研制的緊湊型SLR，極大地減小了SLR系統(tǒng)的體積，更便于構建SLR流動站;而SLR2000是SLR系統(tǒng)自動化技術應用的典型代表，其最終目標之一是構建無人值守的SLR跟蹤站;在測距指標方面，隨著激光系統(tǒng)元器件及測量和數據處理方法的不斷進步，SLR的測距精度在不遠的將來有望達到mm量級。

2.1 緊湊型SLR系統(tǒng)[11]

俄國莫斯科精密工程研究所研制了可日夜使用(天頂大氣傳輸性需優(yōu)于0.7)的緊湊型SLR系統(tǒng)，在2002年已投入使用，如圖2，該SLR系統(tǒng)的顯著特點是光學子系統(tǒng)可拆卸換裝，具有實時光學成像的觀測能力，測距部分和電視屏幕需安裝于熱穩(wěn)定性好的房間內，激光發(fā)射孔徑為50 mm，為使光束準直并聚于一點，在望遠鏡中折軸中采用角度裝置。該SLR系統(tǒng)的主要技術參數如下:自重:＜300 kg;供電電源為220 V;功耗:2.5 kW;測距范圍:400～36000 km(測距均值誤差 (RMS)＜1 cm);輸出脈寬:250 ps;輸出功率:1 mJ;脈沖發(fā)射重復率:100 Hz;脈沖波長:532 nm。

該系統(tǒng)可由2人在3 h內組裝完成，正常工作時僅需1人。

圖2 緊湊型SLR系統(tǒng)

2.2 SLR2000[12－15]

NASA研制的SLR2000是目前最先進的SLR系統(tǒng)，全天候、無人值守、對人眼安全是其顯著特點，采用鎖模技術保證激光脈寬，激光波長為532 nm，激光發(fā)射功率為130 μJ，脈沖重復率為2 kHz，光束發(fā)散角為10″，測量誤差1 cm，標志點精度可達mm級，可日夜跟蹤高達22000 km地球同步軌道上配備直角反射鏡的衛(wèi)星。

SLR2000是對SLR系統(tǒng)的實質改進，但系統(tǒng)復雜，缺少滿足要求的溫度、電流和電壓傳感器，尚未完全自動化。NASA希望SLR2000可以讓授權操作者通過互聯(lián)網登陸/運行系統(tǒng)，且能自動升級、自動調度衛(wèi)星、自動處理數據以及在遇到嚴重問題時可自動安全地關閉系統(tǒng)。NASA也希望未來SLR系統(tǒng)可作為太空與地面激光通信鏈路中的地面終端，工作在與目前月球、星際和深空任務應答系統(tǒng)相同的模式下。圖3給出了SLR2000的功能框圖及工作原理。圖4是SLR2000系統(tǒng)的實物圖。

圖3 SLR2000系統(tǒng)組成框圖

圖4 SLR2000系統(tǒng)

2.3 雙波長 SLR 系統(tǒng)[5，9，16 －18]

mm級測量精度是SLR系統(tǒng)追求的目標，這要求減小大氣效應對測量結果的影響。目前，SLR測量結果評價中常使用誤差約10 mm的Marini-Murray大氣模型已不能適應mm級SLR測量系統(tǒng)的要求。在目前SLR測量已能達到cm級測量精度且時間計量已能滿足ps測量的條件下，雙/多波長SLR系統(tǒng)是一種可能提高SLR系統(tǒng)測量精度的途徑。

通常，研究者采用下述兩種方法構建雙波長衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)，其一是直接選用基頻光及其倍頻光作為測距激光，其二是利用Raman效應輸出多波長激光。2001年，中國上海天文臺研制了多波長SLR Raman激光系統(tǒng)，并在此之上進行了試驗分析，取得了一系列成果。國際上的一些跟蹤站，如Graz，EOS Australia等，也進行了雙波長SLR的相關研究。目前的雙/多波長SLR系統(tǒng)尚處于實驗室階段。

2.4 數據處理方法的新進展[12－15，17－18]

探測器的熱噪聲和天空背景噪聲是SLR測量中必須面對的噪聲源，尤其是白天使用SLR觀測，即使使用空域、時域等多種濾波算法，仍存在大量異常觀測值。因此，SLR系統(tǒng)的數據處理算法有效性得到了越來越多研究者的關注。

早期的SLR測量結果通常由研究者對數據進行觀察并采用多項式擬合等手段獲得，該方法要求操作人員具有長期的觀測經驗，極易引入人為誤差。因此，研究者希望能夠發(fā)展新的、穩(wěn)健的SLR數據處理算法。這期間，研究者開發(fā)了快速回波辨識和統(tǒng)計濾波等信號辨識算法。

1)Graz快速回波辨識算法

奧地利科學家Graz提出了一種kHz SLR系統(tǒng)快速獲得回波的方法:每次探測到stop事件，計算殘差，然后把它與上次存儲的1000個殘差值比較——如果在特定的帶寬內 (如100 ps)，殘差最小個數大于某人工設定的門限值，則標記該新的殘差，并將其作為辨識到的信號。該算法的特點是門限值和接受帶寬可根據需要調整。Graz算法對低軌衛(wèi)星探測成功率接近100%，但幾乎無法探測到高軌衛(wèi)星。

2)Poisson統(tǒng)計濾波算法

長期的SLR觀測經驗表明，應采用物理濾波和統(tǒng)計濾波等多種濾波技術保障SLR系統(tǒng)測量數據的有效性。一種常用的有效統(tǒng)計濾波是Poisson濾波:通過采用一傾斜矩形短時間窗掃描數據達到辨識信號趨勢的目的，辨識過程中采用Poisson準則濾除噪聲。

除此之外，正在使用的SLR信號辨識方法還有NASA的標準點 (GNP－1)算法和相關算法、樣條和Bayesian統(tǒng)計濾波法等。

由于濾波方法固有的特點，一種方法不可能在任何條件下都適用，通常需要根據具體觀測條件組合使用上述辨識方法。

2.5 SLR系統(tǒng)的測量誤差[19]

作為衛(wèi)星精密定軌的重要手段之一，對SLR系統(tǒng)觀測準確度的評定至關重要。SLR測距模型可表述為

式中:D為地面站與衛(wèi)星間的距離;Δt為信號發(fā)出至回傳至接收器所需時間;Δd0為地面端偏移量;Δds為衛(wèi)星端偏移量;Δdb為地面系統(tǒng)信號延遲;Δdr為折光量;η為測量殘差。可見，SLR測量結果與Δt，Δd0，Δds，Δdb，Δdr和η的測量誤差密切相關。

Δt由兩方面因素形成，一是時間系統(tǒng)轉換為UTC形成的誤差，目前為±1μs;二是信號接收器的時間延遲，是誤差的主要來源，需控制在6.7×10－12s，這需要對大氣阻力做模式分析和測試。

Δd0包括點位誤差和對心誤差;Δds包括反射鏡位置偏差與衛(wèi)星質心偏差。因此嚴格控制地面坐標的精度，同時在衛(wèi)星發(fā)射前仔細標定衛(wèi)星質心。

Δdr與PTF參數密切相關，通常由信號傳遞路徑中大氣狀態(tài)參數的測量誤差引起。

Δdb由激光器發(fā)射信號起始點坐標測量誤差引起，通常為常數，可通過標定修正。

為消除重大誤差，提高觀測精度，通常將測量數據作如下處理:通過對觀測量的處理獲得觀測參考位置，則殘差定義為觀測量與參考位置之差η=d0－dp。對殘差依次采用多項式擬合迭代，將給定范圍外的誤差全部去除，最后將觀測到的曲線間隔分開，則殘差向量的中點即為標志點，標志點精度指標在第三代SLR中已達到1～2 cm。

除應用新器件、新電路外，雙波長激光測距系統(tǒng)有望大大減小氣象參數對測量結果的影響。

3 討論和結論

SLR系統(tǒng)是衛(wèi)星測距準確度最高的一種技術，是導航/定位衛(wèi)星軌道校核的重要手段之一，應大力發(fā)展SLR技術。

經過數十年的發(fā)展，全球已建立了數十個SLR站，并組織了十幾個國家參加的國際技術合作組織，積累了豐富的SLR經驗。除用于如NAVSTAR和Glonass衛(wèi)星軌道校核外，SLR系統(tǒng)也應用于如TIPs，ADEOS等大氣及環(huán)境觀測衛(wèi)星的精密軌道確定，典型事例為:歐洲ERS-1衛(wèi)星1991年發(fā)射后發(fā)現(xiàn)其PRARE系統(tǒng)失效，但利用全球SLR跟蹤站對該衛(wèi)星跟蹤后，依然完成了ERS-1所需完成的任務，所花費用比重新發(fā)射衛(wèi)星的費用少很多。

中國Compass1導航系統(tǒng)采用2個地球同步衛(wèi)星組網，其地面部分除了中心控制站外，還建立了若干個差分校準站。Compass2采用高軌衛(wèi)星星座，提高導航能力和精度，勢必需要對高軌衛(wèi)星星座精密軌道進行校準。建立新一代高精度遠程激光測距站，對于Compass2導航應用、地球動力學研究、星地聯(lián)測中數千公里基線和測站地心坐標的確定，都具有重要意義。

提高SLR及其衛(wèi)星定軌精度主要有以下幾個研究方向:

1)更高重復率的SLR技術。上千Hz的測距頻率大大增加了回波點數據量，提高了標志點精度。目前的kHz SLR系統(tǒng)已有可能根據獲得的大量返回數據跟蹤衛(wèi)星上可見的單個反射器，通過對每個角反射器的跟蹤及分析，可獲得關于衛(wèi)星形狀/姿態(tài)/運動等多方面的信息。這些信息可用于識別衛(wèi)星類型、了解衛(wèi)星姿態(tài)、診斷衛(wèi)星故障等。該技術不僅要求元器件技術的不斷提高，也要求發(fā)展相應的新算法，以適應微弱回波信號辨識的需要;

2)雙/多波長SLR系統(tǒng)。由于不需要通過模型修正大氣延遲誤差，雙/多波長SLR系統(tǒng)已成為SLR儀器研究者關注的重點之一。但該技術難度很大，不僅需要良好的元器件支持，也需要正確匹配激光波長，同時開發(fā)完善可靠有效的數據處理算法;

3)定軌精度越高要求SLR系統(tǒng)采用的激光發(fā)射頻率越高，使用的事件計數器的時間間隔越小，如mm級定軌精度在激光頻率為kHz量級時，時間計數器需要達到50 ps量級。因此如何精確確定時間計量的準確性也是SLR研究的方向之一;

4)便攜的SLR系統(tǒng)的開發(fā)。由于固定站使用靈活性及適用范圍相對較差，有必要發(fā)展可便攜的SLR系統(tǒng)。由于中國國土范圍的限制，便攜型SLR系統(tǒng)可根據需要靈活地選取站位，改善SLR站的分布，提供更精密的衛(wèi)星軌道校核服務;

5)提高SLR測量站的自動化程度也是SLR技術發(fā)展的重點方向之一，如美國無人值守的SLR系統(tǒng)——SLR2000;

6)由于SLR在確定地心坐標的過程中無法得到歲差、章動的改正量，而甚長基線干涉 (VLBI)、GPS等其他技術恰好彌補了SLR的上述不足，因此如何更好地融合上述相關技術的測量也是SLR技術的發(fā)展方向之一。

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