導航衛星激光反射器技術發展綜述

呂華昌,陳念江,鐘聲遠,吳 健,李楠楠,李長楨,郭麗娜,耿園園

(固體激光技術重點實驗室,北京 100015)

1 引 言

1960年,美國T.H.Mamain在實驗室研制成功世界首臺光波紅寶石激光器,由于激光特有的方向性、單色性、相干性和高亮度特點,1963年第三屆國際量子電子學會提出利用新光源測量衛星距離的可能性。1964年10月，美國通用電器公司和戈達德飛行中心(GFSC)先后成功測得NASA發射的世界首顆帶激光反射器的衛星-探險者22號(BE—B)的距離。隨后,衛星激光測距(Satellite Laser Ranging,SLR)技術得到了迅速的發展,在衛星軌道測量、地球自轉參數測定、地殼運動監測、大陸板塊運動、潮汐變化參數的精確測定等領域得到廣泛應用,經過三代的發展,目前精度為亞厘米級,正在研制的四代衛星激光測距系統預期精度可達毫米量級。1998年11月,在德國第11界國際激光測距大會上正式成立國際激光測距服務(International Laser Ranging Service,ILRS)組織,統一組織SLR國際觀測和數據應用。作為衛星軌道單點測定精度最高(尤其是衛星徑向精度)的一種技術,SLR技術已成為當今文地球動力學一項重要觀測手段,與GPS技術、甚長基線干涉測量VLBI(Very Long Baseline Interferometry)共同組成空間大地測量主要新技術[1-5]。

衛星激光角反射器(Laser Retro-Reflector,簡稱LRR)為無源光學器件,作為SLR技術空間載荷部分,裝載在衛星表面,其作用是增強星體目標對激光信號的反射率,將測距站發射的激光光束原方向反射回地面,以實現星地距離的精密測量。裝載激光反射器的衛星,范圍遍及數百公里的近地軌道直至地球同步軌道,按分類可分為測地衛星、對地觀測衛星、科學/實驗衛星、導航衛星等。

導航衛星系統可為用戶提供高精度時空基準和精確信息,在現代社會生活中發揮重要作用。為實現衛星軌道的精密標定,導航系統大多組成星體都配有激光反射器,以輔助實現衛星精密定軌、GPS定軌結果標校等用途,本文主要就導航衛星激光反射器發展現狀、設計主要問題以及未來趨勢研究方向進行了評述、討論和展望。

2 SLR測距和定軌原理

衛星激光測距的原理是通過精確測定激光脈沖從地面觀測點到裝有激光反射器衛星的往返時間間隔Δt,從而計算出衛星質心到測站儀器中心的距離D[6-7]。

D=CΔt/2+ΔD

(1)

式中，ΔD為測站測距修正數,包括測站的潮汐修正、測站板塊運動修正、測站偏心修正、測站大氣延遲修正、測站廣義相對論修正、衛星質心修正等,計算過程中,還應對測量光路和電氣系統的時延等參數進行嚴格的標定[6]。

SLR精密定軌采用動力學統計定軌方法,即基于星站距離觀測量和各種動力學模型,用動力學理論求解衛星軌道根數和其他運動學參數。

精密定軌是在低精度的參考軌道(簡稱初軌)的基礎上,利用區域或全球跟蹤站的觀測數據對參考軌道進行改進。軌道改進的同時還可以根據需要解算整周模糊度、測站坐標、對流層延遲、地球自轉參數、天線相位中心偏差、地球質心偏差等參數。

實際衛星飛行運動中,初始狀態處于未知狀態,其運動方程的物理常量和模型存在誤差,從而導致理論積分計算軌道與衛星真實軌道間存在偏差。為獲得接近真實軌道的積分軌道參數,必須對衛星進行跟蹤觀測,通過觀測量的約束不斷優化迭代衛星狀態矢量,使之滿足預設精度,最后綜合衛星跟蹤幾何信息和星體運動動力信息來估算衛星初始狀態及參數,這其中,SLR測距采樣量精度決定了衛星定軌精度的高低[8]。

3 導航衛星激光反射器發展現狀

導航衛星激光反射器是衛星激光反射器的一個主要應用方向。美國GPS、中國北斗、俄羅斯GLONASS和歐洲GALILEO系統并稱為全球四大衛星導航系統,發展迅速,日本、韓國、印度等國家為本國或本地區利益考慮,也在積極發展各自區域系統[9]。導航衛星軌道范圍從10000多公里直至40000多公里,從分類上歸為中高軌道衛星,采用多個反射器組合平面陣列方式。

圖1 四大衛星導航系統Fig.1 Four major satellite navigation systems

3.1 美國GPS

美國GPS(Global Positioning System)是世界首個建成的導航定位系統,全球信號覆蓋率達98%。經過多年發展,GPS星座已共發射50多顆衛星,在軌運行衛星30余顆,星座構形趨向于一種6個軌道平面的均勻分布與非均勻備份混合形式,平均軌道高度20200 km,軌道傾角55°,周期11 h 58 min,經歷一代和二代的發展,目前處于GPSⅢ現代化階段[9]。這其中,僅有1993年8月和1994年3月發射的地球同步衛星GPS-35和GPS-36配有俄羅斯空間設備研究所提供的激光反射器,軌道高度36000 km,平面長方形陣列,正六邊形切割,內接圓直徑28.6 mm,反射器數量32個,反射面鍍鋁膜。由于有效反射面積較小(239 mm ×194 mm),是目前高軌衛星中觀測難度最高的反射器[1,10]。

圖2 GPS35、36星反射器Fig.2 LRR of GPS 35,36 star

3.2 俄羅斯GLONASS

俄羅斯GLONASS為前蘇聯20世紀80年代初開始建設的衛星定位系統,系統架構、定位原理和方案規劃都與GPS類似,衛星軌道19100 km、軌道傾角64.8°,軌道周期為11 h 15 min,分布在3個軌道平面,后由俄羅斯繼續該計劃。截至2016年,GLONASS系統已發射百余顆衛星,實際在軌運行衛星已達30余顆,衛星大多配有激光反射器。目前,列入國際ILRS 組織觀測的有GLONASS123、125、128、129、131、133、134、136星[9-10]。

GLONASS系統激光反射器采取正六邊形切割,內接圓直徑28.3 mm,1996年前發射激光反射器由俄羅斯精密儀器工程研究所(The Institute for Precision Instrument Engineering)制造,外形尺寸平面正方形陣列(1200 mm×1200 mm),反射器數量396個,材質為熔融石英玻璃,為獲得最大觀測范圍,采用全角入射設計。GPS-35和GPS-36反射器就是俄羅斯提供給美國相似設計的小反射面積產品[10]。

圖3 GLONASS反射器(1996年前)Fig.3 LRR of GLONASS(before 1996)

1996年后發射的GLONASS衛星搭載了各種不同對稱布局的平面陣列激光反射器,反射器數量包括132、124(GLONASS-M)、112、123(GLONASS-K1)、36(GLONASS-K2)多種,鍍膜方式包括非鍍膜和鍍金屬鋁膜,為獲取高反射率,GLONASS-125以后的衛星反射器均采用非鍍膜方式[10]。

圖4 GLONASS反射器(1996年后)Fig.4 LRR of GLONASS(after 1996)

值得一提的是,俄羅斯不斷豐富和嘗試高精度激光反射器設計,1997年采取“單一方向僅有唯一反射器反射激光”構想,最大程度消除反射器分布效應影響,發射的“西太平洋衛星WESTPAC”反射器精度達到0.5 mm；1998年,俄羅斯空間設備研究所提出用Luneburg透鏡原理制成的在小角度范圍內近似無光程差的球形玻璃反射器,設計精度0.1 mm,2001至2006年隨Meteor-3M航天器進行測試,并于2009年發射BLITS納米衛星反射器,用于地震監測[4,7,10]。

圖5 俄羅斯新型反射器Fig.5 New LRR of Russian

3.3 歐洲GALILEO

GALILEO衛星導航系統(Galileo Satellite Navigation System)是由歐盟研制和建立的第一個基于民用的全球衛星導航定位系統[9]。系統由30顆衛星組成,衛星軌道高度約2.4萬公里,位于3個傾角為56°的軌道平面內,軌道周期14 h 22 min。截至2016年12月,已發射18顆工作衛星,具備早期操作能力(EOC),并計劃在2019年具備完全操作能力(FOC),全部30顆衛星(24顆工作衛星,6顆備份衛星)計劃于2020年發射完畢。為提高衛星在軌精度,每顆GALILEO衛星均搭載激光反射器,列入國際ILRS 組織觀測的有Galileo-101～104、Galileo-201～214星[10]。

GALILEO衛星激光反射器分別由中國和俄羅斯提供(圖6)。中國中電11所為GALILEO主供貨商之一ASTRIM公司提供了四顆IOV階段正式衛星(Galileo-101、102、103、104)激光反射器,俄羅斯為GALILEO另一主供貨商OHB公司提供2顆試驗衛星(GIOVE-A、B)和后續FOC階段的激光反射器。中電11所設計激光反射器采取類圓形平面布陣,正六邊形切割小邊切割,內接圓直徑33 mm,反射器數量84個,入射面鍍ITO導電膜,單角誤差0.8″±0.5″,直角反射面非鍍膜[10-12]；俄羅斯激光器GIOVE-A星采取梯形平面布陣,正六邊形切割,內接圓直徑27 mm,反射器數量76個,直角面鍍鋁膜；GIOVE-B星采取正方形平面布陣,正六邊形切割,內接圓直徑27 mm,反射器數量67個,直角面鍍鋁膜；FOC階段衛星反射器采取長方形平面布陣,正六邊形切割,內接圓直徑28.2 mm,反射器數量60個,制造誤差0.8″,入射面鍍增透膜@532 nm,直角面非鍍膜[10]。

圖6 GALILEO衛星反射器Fig.6 LRR ofGALILEO satellite

實際觀測數據結果比較,FOC階段中國制造的Galileo-101～104星反射器觀測效果和回波數整體好于同類國外產品[10]，如表1所示。

表1 GALILEO衛星反射器觀測效果比較 (截至2014.10.30,數據來自ILRS網站)Tab.1 Comparison of the effects of GALILEO satellite reflectors (截至2014.10.30,數據來自ILRS網站)

3.4 中國北斗

北斗導航衛星系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我國自行研制的全球衛星導航定位系統,在全球范圍內提供基本的導航、定位和授時服務,同時可為我國戰略重點地區提供高性能導航、定位、授時和短報文服務。北斗衛星導航系統空間段計劃由35顆衛星組成,包括5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星。北斗建設分為三步,第一步和第二步,北斗一號試驗星系統和北斗二號區域系統已經完成,目前正推進實施北斗三號全球系統建設,預計2020年建成[9-10]。

為提高星體在軌精度,北斗衛星也搭載激光反射器(圖7),并在實際測距中取得良好的應用效果。目前,上海天文臺和中電11所承擔了北斗衛星激光反射器研制工作[10,13]。

圖7 北斗系列衛星反射器Fig.7 LRR ofCOMPASS satellite

3.5 其他導航系統

除了上述全球4大系統,其他國家也在積極發展自己的區域系統或增強系統,區域系統主要包括日本的QZSS和印度的IRNSS[9]。

2006年,日本政府提出建立區域衛星導航系統——準天頂衛星系統(QZSS)。QZSS星座由7顆高軌衛星組成,包括3顆傾斜地球同步橢圓軌道(IGSO)衛星、1顆GEO衛星和3顆HEO衛星。 QZSS衛星軌道32,000-40,000 km,軌道傾角45°,設計壽命12年以上,現已發射2顆衛星,計劃2017年底再發射 2顆組成自己的區域系統,QZSS都配有激光反射器。列入國際ILRS 組織觀測的有QZS-1、QZS-2星[10]。

準天頂系列衛星激光反射器采取了和日本2006年發射的ETS-8通訊衛星(反射器數量36個)同樣的結構設計,但兩面角誤差取值不同。 QZSS衛星激光反射器(圖8)內接圓直徑1.6 in,反射器數量56個,速差兩面角誤差為0.8″±0.5″,表面不平度1/10λ@532 nm,直角反射面非鍍膜[10]。

印度的區域衛星導航系統(IRNSS)2006年啟動,2013年開始衛星發射,星座采用3GEO+4IGSO構形,現已發射6顆衛星,初步組成了自己區域系統。IRNSS衛星都配有激光反射器。反射器內接圓直徑38 mm,反射器數量40個,軌道傾角45°,誤差0.5″,除IRNSS-1A外,其他衛星設計壽命12年。列入國際ILRS 組織觀測的有IRNSS-1B、IRNSS-1C、IRNSS-1D、IRNSS-1E、IRNSS-1F星[10]。

圖8 日本、印度衛星反射器Fig.8 LRR of Japan and India satellite

4 主要技術問題和發展方向

4.1 主要技術問題

導航星載激光反射器設計目的在于確定合理的光學和機械物理結構參數,滿足衛星觀測指標,同時滿足必須的環境適應性要求,設計中應重點考慮下述方面問題。

4.1.1 光學設計

光學設計是激光反射器設計的核心,角反射器的形狀、切割方式、尺寸、角誤差、鍍膜等參數決定了反射器的主要性能(發散角、最大傾斜角、有效發射面積、發射率、遠場衍射光斑、速度光行差補償、回波能量、測距精度等)[1,12,14-15]。

a)速度補償角誤差

對反射器進行速差角誤差補償是必須的[12]。由于速差(Velocity Aberration)效應,當激光光束指向衛星,出射光相對入射光方向會有一個偏離角,反射光束光斑中心會偏離SLR位置。尺寸補償法通過設計合適的反射器尺寸可以改變SLR處的衍射光強,但反射器尺寸過小,加工不易,加之補償后的光雷達截面太小,不利于SLR的測量。角度補償法通過設計相應的直角面偏差可以分離出射子光束,從而增大SLR位置的激光光能密度和探測概率。

實際觀測結果也表明：通過光行差補償的反射器明顯好于不補償的反射器。俄羅斯GALILEO系列早期反射器、GPS35/36反射器、GIOVE-A、B等中高軌衛星都沒有速差角補償而明顯觀測率偏低,而我國設計的北斗和伽利略IOV反射器則均采用了速差補償設計而效果良好,目前俄羅斯、日本、印度等新設計的反射器或多或少、取值不一均進行了角度誤差補償。

角度誤差對于觀測效果的影響大于鍍膜和尺寸等因素,設計中對反射器綜合角偏差和二面單角誤差均要進行嚴格控制,以提高光學遠場衍射光斑的均勻性。

b)角反射器尺寸

角反射器尺寸設計主要包括確定反射器直徑和切割方式(系數),反射器直徑和切割方式決定了單個角反射器的有效反射面積。

反射器的直徑大小決定反射器的激光雷達截面和影響探測概率大小,應以最大光雷達截面面積為原則設計；通過考慮角度補償分離后的6個子光束光強合成分布一致性(小于5%)而計算的直徑比前一種方法偏小,雖有利于保證單個反射器環帶能量的均勻性,但測距效果不如按光雷達截面設計的結果——實際上反射器陣列通常由多個反射器組成,可通過空間排列方式改善和提高分離衍射光束環的均勻性。這也是國內和國外激光反射器設計重要的一點不同[12,16]。

角反射器切割方式包括圓切割和正六邊形切割,正六邊形棱邊切割系數決定了單塊反射器有效反射面積的大小。切割系數越小,單塊反射器相對反射面積越大,越有利大角度斜入射光束的反射,但安裝穩定性和加工精度越難保證；圓切割工程適應性強,光學熱均勻性相對較好,但損失了小部分大角度斜入射光學面積。兩種切割方式在實際中均有應用,比如上海天文臺的北斗系列反射器就采取了圓切割,伽利略IOV階段就采取正六邊形小棱邊切割方式,只要設計得當,排布合理,均可以取得不錯的觀測效果。

c)鍍膜

直角面鍍膜能大大增加反射器的觀測范圍,對于低軌衛星,內全反射角僅有不到17°(對于石英玻璃)不能滿足反射器的觀測范圍指標要求,限定了反射器必須鍍膜；對于中高軌道衛星,反射率是需要解決的主要問題,鍍膜雖可以增大入射有效角度,但三次反射會嚴重降低反射率,同時空間輻照、高低溫交變也會影響膜層性能[1,12],實際觀測結果表明中高軌反射器鍍膜觀測效果不如非鍍膜,GALILEO系列鍍膜反射器、GPS35/36反射器、GIOVE-A、B觀測率低,數據量少印證了這一點,今后,中高軌衛星反射器非鍍膜方式將成為主流。

反射器入射面鍍增透膜能提高測距激光的透過率,同時一定程度上改善光學面形質量,但對增透膜長周期空間輻照適應性和高低溫性能須進行進一步設計和試驗驗證。

不同于國內,國外如歐空局特別注意通訊衛星的ESD設計,所以反射器表面是否需鍍ITO導電膜也是設計要考慮的因素。

d)角反射器表面特性

反射器的表面特性如入射和反射表面面形誤差和不平度誤差能改變入反射激光的光程,影響激光測距脈沖的光學傳遞,發散和減弱目標區域衍射能量,設計和加工中應嚴格確保光學表面足夠的加工質量,對于高精度激光反射器,光圈數N至少應小于0.2,表面不平度優于1/10λ,盡量降低出入射激光波面畸變[12,14]。

4.1.2 結構設計

a)反射器陣列布局

相對單一反射器,多個反射器組合陣列方式可以減小合作目標的尺寸和質量,提高反射器視場角,還可形成準相位共軛作用對激光傳輸中因大氣非均勻性引起的畸變進行光學補償,勻化遠場光斑,減小光束發散角。合理優化的空間排布可以進一步增強激光反射效率,提高探測概率和測距精度[1]。

不同于低軌反射器的球形或半圓臺布陣方式,中高軌反射器結構排布通常以平面圓形、類圓形、正方形、正多邊形對稱陣列為主[17-18]。

反射器布局設計中,應使結構緊湊,盡量減小外包絡直徑尺寸,降低反射器分布影響[7],提高測距精度；應盡量提高布陣面反射器單位面積密度[17],減少非光學反射作用區,增大光學有效反射面積,增強激光反射率和探測效率；采取各種結構布局設計方法勻化或增強(例如斜置反射器)[19]反射器衍射光斑環帶光場強度,提高不同或特定測距站觀測概率,提升測距效果和衛星定軌精度。

b)角反射器結構

作為高精度光學器件的結構支撐,角反射器結構既要能保證組件結構的完整性,使之承受相應的力學和熱環境溫度載荷、輻照壽命等星載環境適應性指標,又要確保角反射器光學性能,使其光學熱彈性應力對反射光束的遠場能量分布的影響在合理范圍內,做到最小應力安裝[18],應設計合理的彈性緩沖固定結構方式和材料確保光學和機械性能。

c)材料

反射器材料的選取應符合航天標準,保證剛度、強度、韌性、耐腐蝕性等機械結構性能,滿足相應的力學振動沖擊、溫度交變、空間環境穩定性、輻照壽命、熱物理性能、材料真空出氣要求和制造工藝性能要求。

為保證反射器高精指標光學要求,反射器光學材料的三向消應力、光學高均勻性、光譜特性、應力雙折射、顆粒不均勻性、氣泡、條紋等指標是材料設計時必須考慮的因素,出于輻照壽命、熱變形等因素考慮,國內外通常選取高純遠紫外光學熔融石英玻璃作為角反射器的光學制造材料。

4.1.3 反射器光學測試和驗證

單個反射器和反射器陣列制成后均應進行地面光學測試和檢測,加工完畢未裝配的單個反射器可采用高精度ZYGO干涉儀測試,裝配后的角反射器和反射器陣列需搭建和研制專門設備。地面光學測試設備有助于更好的對反射器性能進行指標校驗和光學調試[13]。

圖9 激光反射器地面光學測試設備Fig.9 Ground optical test equipment of LRR

4.2 未來發展展望

衛星激光反射器伴隨SLR技術經過了幾十年的發展,取得了長足的進步,但對于實際星載工程化,還有許多亟需解決和探討的技術難關。衛星激光反射器作為一種綜合性學科,涉及天文學、光學、地球物理天地測量、機械、激光、數學等領域,高精度衛星測距不斷對激光反射器提出了更高的性能要求,未來反射器技術發展應主要從以下幾個方面著眼和考慮：

a)星載精密測距理論和方法

激光反射器作為SLR技術的空間組成部分,工程設計者應對衛星測距理論、精密定軌原理、天文軌道測算等知識進行深入學習和研究,以完善和優化反射器設計方案,更好的實現科學探測目標。

b)角反射器特性研究

角反射器特性研究包括進一步建立和完善現有的反射器光學理論和模型,對反射器光學結構參數包括速差效應補償、光學雷達口徑探測能力、表面加工精度、反射表面特性、陣列結構布局、地面動態光學測試等方面進行深層次研究,增強站點觀測概率和探測精度,改進和提高現有反射器設計水平和實際應用效果,同時應借鑒電磁雷達反射器技術,對無光程差的球形反射器、寬幅光學反射器、有源放大高增益反射器等新型激光反射器進行理論研究和工程探索[20]。

c)高精密反射器光學材料和加工

高精度反射器選材和加工是制約我國反射器航天工程應用和發展的關鍵因素,目前,國外跨國大公司(如賀利氏、肖特、康寧等)基本壟斷了中高端石英玻璃原材料市場,我國石英玻璃從上世紀八十年代開始,由部管產品下放為地方管理,企業大多規模較小、技術裝備落后、產品質量無法與國外競爭,近年來經過努力雖已初步實現反射器材料的國產化,但批次產品質量還不夠穩定,光學熔融技術、材料均勻性、三向消應力等核心光學指標尚需進一步提高；同時加工部門應進一步規范、完善高精反射器制造工藝,提高現有產品加工質量和成品率,對空心角反射器、異性多邊反射器、非平面曲面反射器等新型反射器光學加工技術進行探索、開發和試產。

d)反射器結構環境適應性技術

反射器組件結構和材料既要滿足高精光學性能,又要滿足衛星地面段、發射段以及軌道段的環境和載荷要求,目前導航衛星最高壽命設計已達25年、高低溫交變溫差達330 ℃,隨著今后我國更多中高軌衛星專項、航天深空探測任務的實施,對反射器結構和材料的力學、熱、輻照等環境適應性提出了更高的要求,有必要對反射器組件的結構封裝、材料選取、減振隔沖、ESD設計、輻照防護、熱控管理等方面進行更深度細化研究。

e)輕量化、小體積反射器設計。

輕質量、小體積是航天產品經濟性永恒的追求,目前國內外反射器結構依舊采用鋁基金屬材料,空心角反射器制造技術發展以及大量高強度高模量復合結構材料的成熟應用,為反射器設計輕量化提供了方向和技術支撐。

5 結 論

導航衛星激光反射器是星載反射器應用的一個主要分支,本文主要就導航衛星激光反射器國內外技術發展現狀、光機設計主要問題、未來趨勢和研究發展方向進行了簡要的評述、討論和展望。目前,激光反射器作為標配有效載荷,已在我國現階段載人航天、衛星導航、空間站對接等領域到了初步應用,隨著衛星激光測距技術的不斷成熟和推進,未來將繼續在星地測量、航天器編隊、探月、遠距離深空探測等航天廣闊領域發揮重要作用。

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