用于中阿合作的衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來

用于中阿合作的衛(wèi)星激光測距(SLR)系^的現(xiàn)狀和未來劉衛(wèi)東;A.A.Gonzalez;韓延本;R.Podesta;王譚強;E.Actis;E.Alonso;趙勵民瀏承志;A.M.Pacheco【摘要】簡要介紹了用于中國科學院國家天文臺與阿根廷SanJuan大學合作觀測與研究的一個高精度衛(wèi)星激光測距(SLR)系統(tǒng).該望遠鏡口徑為60cm的SLR系統(tǒng)由中國研制，于2005年秋被運往阿根廷，安裝在阿根廷國立SanJuan大學天文臺SanJuan大學建立了觀測室.準備了工作條件.該系統(tǒng)于2006年2月底完成調(diào)試并開始運行.在過去的兩年I'虱該系統(tǒng)保持了良好的工作狀態(tài)，由于SanJuan具有良好的天氣條件，該系統(tǒng)取得了豐富的高精度觀測資料.國際激光測距服務認為該儀器的工作對國際激光測足巨系統(tǒng)是重要的,希望對其增加白天測距的功能文章也簡單介紹了該SLR站未來升級改造和發(fā)展的計劃.【期刊名稱】《天文研究與技術(shù)-國家天文臺臺刊》【年(卷)，期】2009(006)001【總頁數(shù)】7頁(P1-7)【關(guān)鍵詞】SLR;合作;南半球【作者】劉衛(wèi)東;A.A.Gonzalez;韓延本;R.Podesta;王譚弓雖;E?Actis;E?Alonso;趙勵民;劉承志;A.M.Pacheco【作者單位】中國科學院國家天文臺，北京,100012;ObservatorioAstronomicoFelixAguilar,SanJuan,Argentina;中國科學院國家天文臺，北京,100012;ObservatorioAstronomicoFelixAguilar,SanJuan,Argentina;中國不測繪科學研究院，北京,100039;ObservatorioAstronomicoFelixAguilar,SanJuan,Argentina;ObservatorioAstronomicoFelixAguilar,SanJuan,Argentina;中國科學院國家天文臺，北京,100012;中國科學院國家天文臺，北京,100012;ObservatorioAstronomicoFelixAguilar,SanJuan,Argentina【正文語種】中文【中圖分類】P228.5SanJuan衛(wèi)星激光測距站(國際編號：7406)是在中國國家科技部、中國科學院和阿根廷科技部門的支持下，由中國科學院國家天文臺與阿根廷圣胡安國立大學FelixAguilar天文臺合作建立的，以合作開展人造衛(wèi)星激光測距(SatelliteLaserRanging，SLR)的觀測與研究。該站裝備的中國研制的望遠鏡口徑為60cm的SLR，是國家天文臺委托中國測繪科學研究院房山人衛(wèi)站主持、兩單位聯(lián)合研制的。SanJuan大學為該儀器系統(tǒng)建立了觀測室，準備了工作條件，我們不妨稱其為CH-ARSLR系統(tǒng)。這是我國在國外運行的第一架中型天文儀器。衛(wèi)星激光測距通過精確測量激光脈沖在地面基準點與衛(wèi)星之間的往返運行時間，有關(guān)誤差經(jīng)系統(tǒng)修正后計算出衛(wèi)星到測站的精確距離。其資料主要用于衛(wèi)星精密定軌，SLR臺站坐標和運動速度的測定，國際地球參考框架的維持，板塊運動和區(qū)域性地殼形變的監(jiān)測，地球自轉(zhuǎn)參數(shù)測定，地球重力場變化及地球質(zhì)心運動的監(jiān)測，全球范圍的高精度時間傳遞，高精度海平面和冰蓋地形的測量與監(jiān)測，其他的地球物理參數(shù)和地球動力學參數(shù)的測定等［1~3］。因此SLR資料對開展天文學、測地學、地球物理學以及其他一些相關(guān)的研究具有重要價值。歷史的原因使全球50余個SLR站僅有少數(shù)幾個設在南半球，這對實現(xiàn)上述科學目標十分不利。SanJuanSLR站的成功建立對促進學科的發(fā)展，增強我國科學技術(shù)在國際上的影響，改善國際激光測距站的布局具有十分重要的意義。該SLR系統(tǒng)于2004年初在國內(nèi)完成研制和試觀測工作，2005年11月運抵阿根廷后開始安裝調(diào)試，2006年2月完成安裝調(diào)試(圖1),開始觀測并向國際激光測距服務組織(InternationalLaserRagingService，ILRS)提供觀測數(shù)據(jù)［4］。該觀測站位于阿根廷SanJuan市西北約12km處，站坐標為：中=31°30'31".050S,入=68°37'23”.377W,h=727.22m。CH-ARSLR系統(tǒng)的基本構(gòu)成該系統(tǒng)主要包括望遠鏡、轉(zhuǎn)臺、激光器、探測器及計數(shù)器等。望遠鏡：60cm口徑卡塞格林雙反射式光學接收系統(tǒng)，16cm伽利略激光發(fā)射望遠鏡和折軸光學系統(tǒng)，兩軸地平式結(jié)構(gòu)；激光器：自濾波被動鎖模倍頻染料激光器(圖2),半串脈沖能量30mJ,脈寬30~50ps；探測器：帶時間游動補償功能的單光子雪崩二極管探測器C-SPAD;計數(shù)器：SR-620時間間隔計數(shù)器，測時精度和計時分辨率20ps;主回波整形設備：脈沖分配器(PDM),具有小的抖動和高的穩(wěn)定性，輸出脈沖抖動小于1ps(RMS)；時頻系統(tǒng)：HP58503BGPS時間頻率接收機，頻率穩(wěn)定度5x10-12，同步精度100ns;氣象設備：VaisalaPTU200溫度、濕度和氣壓氣象儀。圖1安裝在SanJuan天文臺用于中阿合作的CH-ARSLR系統(tǒng)Fig.1TheCH-ARSLRsysteminstalledintheSanJuanObservatoryasacooperationbetweenChinaandArgentina圖2安裝在SanJuan天文臺的CH-ARSLR系統(tǒng)的激光器Fig.2TheLaseroftheCH-ARSLRsystemintheSanJuanObservatoryCH-ARSLR系統(tǒng)的運行情況SanJuanSLR站通過近2年的運行、調(diào)整，其觀測量和測距精度在不斷提高，取得了很好的結(jié)果。以ILRS全球各衛(wèi)星激光測距站2006年10月至2007年9月的年度觀測統(tǒng)計結(jié)果為例，顯示該SLR站的觀測數(shù)據(jù)量位列全球臺站的第3名達到7800圈（見圖3），其中高軌道衛(wèi)星和有交攵觀測時間名列第2位，在不具備白天觀測功能的全球SLR站中觀測數(shù)據(jù)量名列第一位。對于觀測難度很大的20000km高度的GPS和接近30000km的GIOVE（伽利略）衛(wèi)星的每圈有效數(shù)據(jù)可以達到500點以上，在天氣良好的條件下，Lageos衛(wèi)星觀測仰角可以低至9°，恒星觀測試驗可見星等達到14.7mag以上。這有賴于該SLR系統(tǒng)良好的工作狀態(tài)和當?shù)貎?yōu)良的氣象條件，該站晴天多，大氣透明度好，良好的天氣條件有利于得到較高的測距回波，從而有利于數(shù)據(jù)處理時剔除噪聲和離散度大的數(shù)據(jù)而得到較高的測距精度。ILRS提供的2007年3季度SanJuan站的Lageos單次測距精度的平均值11.2mm，正則點精度3mm，系統(tǒng)的地靶標校精度平均值為5.4mm。單次測距精度（內(nèi)符合）反映了測距過程的偶然誤差。該SLR系統(tǒng)設計時，根據(jù)對采用的系統(tǒng)設備產(chǎn)生的誤差和激光反射器對返回的激光脈沖寬度展寬引起的誤差的分析，對Lageos衛(wèi)星來講單次測距精度（內(nèi)符合）應在8.5~13.9mm之間，因此平均值11.2mm是符合系統(tǒng)配置的預期結(jié)果的。正則點精度3mm，優(yōu)于國內(nèi)各SLR站的結(jié)果。所以，考慮到該系統(tǒng)目前的配置，與國內(nèi)夕卜設備配置基本相同的SLR系統(tǒng)相比，SanJuan站的測距精度和觀測量已經(jīng)達到很高的水平。圖3全球各SLR站2006.10~2007.9觀測衛(wèi)星圈數(shù)統(tǒng)計Fig.3TotalpassesofallsatellitesobservedbyglobalSLRstationsfromOct.1,2006toSep.30,2007該系統(tǒng)使用了被動鎖模染料激光器，其優(yōu)點是調(diào)整相對容易，對環(huán)境要求不高，激光脈沖脈寬較窄（30~50ps）。但是它的激光脈沖能量的穩(wěn)定性不如主被動鎖模染料激光器，它對染料透過率的變化敏感，透過率的變化會造成光路和激光脈沖能量的較大變動，影響測距精度，也使維護工作量加大。如何保持激光器穩(wěn)定工作已經(jīng)成為當前維護工作的重點。地靶標校值精度和精度變化本身反映了硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性，激光脈沖能量不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差、激光脈沖寬度產(chǎn)生的誤差、起始信號探測誤差（PIN管和脈沖分配器PMD）、時間間隔測量誤差（SR620計數(shù)器）、回波信號探測誤差（C-SPAD和脈沖分配器PMD）等，均會給測距值帶來偶然誤差。因此，不斷總結(jié)經(jīng)驗，從細微處入手，挖掘各部分設備的潛力，是項目組一直注意的問題。由于雙方人員的共同努力，精心維護設備，使該SLR系統(tǒng)保持了良好的工作狀態(tài)。3提高測距精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法3.1確定地靶標校測量時激光回波脈沖能量的方法我們通常采用地靶回波率接近Lageos衛(wèi)星的回波率時來確定地靶標校的激光能量，但Lageos觀測的回波率有很大變化，地靶標校測量時采用的回波率如何確定是個值得探討的問題。由于C-SPAD帶有時間游動補償和無時間游動補償兩個輸出端子，兩種輸出的時間游動與接收光子數(shù)的關(guān)系詳見圖4。圖4C-SPAD補償和無補償輸出性能曲線圖Fig.4CurvesofC-SPADoutputtimewalk（compensatedanduncompensated）有時間游動補償輸出接收的光子數(shù)從單光子到10個光子的范圍內(nèi)，其時間游動只有幾個皮秒，相對單光子變化在士4ps的范圍內(nèi)，我們觀測Lageos衛(wèi)星的回波光子數(shù)主要是在單光子到十個光子之間，故地靶標校時C-SPAD接收的光子數(shù)也應控制在這個范圍內(nèi)。根據(jù)C-SPAD無時間游動補償輸出隨接收光子數(shù)增加時間游動快速變化的特性，可以通過測定單光子和多光子狀態(tài)下的地靶測距值判定測地靶時的激光能量是否合適。方法是：把無時間游動補償?shù)妮敵龆俗樱ù嬗袝r間補償輸出端子）接在時間間隔計數(shù)器的計時停止輸入端（SR620的B口），并選擇合適的觸發(fā)電平值（無時間游動補償輸出是負脈沖），加大對激光能量的衰減，使測量處于單光子狀態(tài)（回波率約20%），得到單光子接收狀態(tài)下的系統(tǒng)標校值（可多次平均）。逐步減小激光能量的衰減并得到多個地靶標校值，分別計算出它們和單光子狀態(tài)下的標校值之差。然后參照圖4（對SanJuan站的C-SPAD而言），標校值之差應選用與有時間游動補償輸出為1ps(6個光子)，相對應無時間游動補償輸出值25ps,即如果兩次地靶標校的差值在25ps左右(20~30ps),則此時測地靶狀態(tài)是理想的，從而能夠確定地靶標校時的激光能量的衰減程度。這樣做有利于防止因激光能量過強或過低而通過地靶標校值引入測距偏差。由于C-SPAD時間游動補償輸出隨接收的光子數(shù)增加，時間游動加大，當光子數(shù)達到1000時，時間游動14ps，而多數(shù)低軌衛(wèi)星觀測時其激光回波的光子數(shù)經(jīng)常在1000以上，由此導致的測距偏差在5mm以上。目前SanJuan站的SLR系統(tǒng)也存在這個問題，初步考慮在接收系統(tǒng)的準直鏡后加電調(diào)可變光闌，達到調(diào)整通過的光子數(shù)的目的，這一方法相對簡單易行。如果增加一臺時間間隔計數(shù)器實時測量SPAD有時間補償和無時間補償輸出的差值，經(jīng)處理可以實時控制可變光闌。3.2提高測距精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法根據(jù)激光器主波取樣電平和SPAD回波電平調(diào)整脈沖分配器的觸發(fā)電平：以輸入電平的20%~30%為觸發(fā)電平，不能太低，否則會造成誤觸發(fā)，通過地靶測試調(diào)整觸發(fā)電平值，每次改變0.05V，可提高地靶精度1~2mm。同樣，時間間隔計數(shù)器觸發(fā)電平設置在脈沖分配器輸出電平的20%-30%，在此范圍內(nèi)精細調(diào)整，并定期檢查。精細調(diào)整激光器的消光比可以提高測距精度，特別是對激光器做大調(diào)整后，消光比不好時會影響選擇半串脈沖的質(zhì)量，嚴重時會無法選擇半脈沖串。激光器穩(wěn)定工作是系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵，由于觀測量大，激光器染料透過率的變化成為影響激光器穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，每1~2天要做調(diào)整以保持染料濃度基本不變。由于隨著激光發(fā)射頻率的加大，Nd:YAG激光棒對激光束有匯聚作用導致激光發(fā)散角變化。同時激光器工作頻率不同，最佳氙燈泵浦光的要求不同。為使激光器處于最佳工作狀態(tài)，延長器件使用壽命，應選擇一個固定、合適的激光發(fā)射頻率，地靶標校和測衛(wèi)星也應使用相同的發(fā)射頻率。調(diào)整地靶標校時激光能量的衰減值，使地靶回波率接近衛(wèi)星回波率，同時在一定范圍內(nèi)調(diào)整衰減時，地靶標校值變化不應過大（1mm左右）。地靶標校時，應在放大級激光電源加點燈延時裝置，使放大級工作但無放大作用以保持激光棒的溫度和測衛(wèi)星時相同，獲取較準確的系統(tǒng)修正值。應選擇氣象站和激光器冷水機的合適位置，解決冷水機工作時產(chǎn)生的熱量對氣象站采集數(shù)據(jù)的影響。3.3SanJuan站氣象統(tǒng)計結(jié)果SanJuan天文臺所在地的晴天數(shù)量大，圖5給出了2006年10月~2007年9月—年間夜間天氣情況的統(tǒng)計結(jié)果。其中246天以晴和少云為主，51天是少云和多云為主，58天為多云到陰為主，這樣可觀測天數(shù)接近300天，目前我國國內(nèi)的任何天文臺站的可觀測天數(shù)都與此有較大差距。同時SanJuan天文臺所在地的大氣透明度好，非常適合天文觀測。圖52006年10月~2007年9月SanJuan夜間天氣情況統(tǒng)計Fig.5StatisticsofnightweatherinSanJuanduringOct.2006toSep.20074SanJuan站的未來發(fā)展計劃目前國家天文臺的SLR系統(tǒng)在SanJuan開展的中阿合作中取得的成績是令人鼓舞的。國際激光測距服務認為該儀器的工作不僅對中國和阿根廷，同時對ILRS系統(tǒng)是重要的，他們希望該系統(tǒng)能盡快增加白天測距的功能。我們的確也看到，目前的成績是以艱苦努力的工作以及消耗大量的備件為代價的?？茖W技術(shù)特別是國際上SLR技術(shù)的快速發(fā)展，使得該系統(tǒng)目前的測距精度滯后于SLR技術(shù)新的發(fā)展水平，其單次測距精度（約9~15mm,平均值11.2mm）與新一代SLR技術(shù)5~7mm的先進水平還有一定的距離。目前該系統(tǒng)激光器的脈沖頻率僅為1~10Hz，出現(xiàn)于2004年的kHz激光器（1000~2000Hz），可以提高SLR觀測的數(shù)據(jù)量和測距精度，千赫茲激光測距是目前衛(wèi)星激光測距的前沿技術(shù)。因此對儀器進行更高技術(shù)含量的升級改造，增加白天衛(wèi)星測距的功能，已勢在必行。在幾年前研制該套系統(tǒng)時，由于技術(shù)和經(jīng)費問題沒有考慮白天測距的功能。目前國際激光網(wǎng)常規(guī)觀測的SLR站中的近半數(shù)具有白天測距能力，具備常規(guī)的白天測距能力已成為優(yōu)秀SLR站的基本條件［5］。國內(nèi)各SLR站由于各種原因還沒有實現(xiàn)常規(guī)白天測距，實現(xiàn)白天測距是國內(nèi)衛(wèi)星激光測距站努力的目標之一。白天激光測距—般采用三項技術(shù)濾除白天天空背景噪聲。即空間濾波一利用可變視場光闌來進行空間濾波；光譜濾波一利用中心波長帶寬0.1~0.3nm的窄帶干涉濾光片進行光譜濾波；時間濾波一采用控制分辨率達到1ns的距離門發(fā)生器控制C-SPAD的開門時刻減小噪聲干擾的概率。采用上述技術(shù)可以實現(xiàn)白天激光測距，但為了提高白天測距的成功率達到常規(guī)白天測距的目標，除了提高軌道預報精度，跟蹤望遠鏡的動態(tài)和靜態(tài)指向精度外，還要解決好對白天測距成功率影響非常大的白天激光束監(jiān)視問題［5~7］。由于染料激光器和Coude光路穩(wěn)定性的缺陷常常導致發(fā)射激光束產(chǎn)生偏移，使激光束不能對準衛(wèi)星導致觀測失敗。使用計算機控制開啟時刻(與激光發(fā)射時間同步)和曝光時間的高靈敏CCD加窄帶干涉濾光片，接收激光發(fā)射時在空間產(chǎn)生的后向散射光，經(jīng)圖像采集處理顯示激光發(fā)射方向，調(diào)整激光束指向衛(wèi)星，可提高白天測距的成功率。在SLR臺站設置GPS基準站，并使之成為國際GPS服務組織(IGS)的成員是十分重要的，這已經(jīng)是一個SLR站能否成為ILRS重點SLR站的重要條件之一?，F(xiàn)代空間測量技術(shù)中SLR和GPS的并置觀測具有十分重要的科學意義。SLR和GPS站的資料是由各自不同的數(shù)據(jù)分析中心分析解算的，其各自運動學參考架的約定有所不同，綜合利用這兩種數(shù)據(jù)，必須使其統(tǒng)一在一個特定的運動學參考框架中，即采用SLR和GPS并置觀測的方法統(tǒng)一解算。目前國際上90%以上的ILRS臺站設有GPS基準站，國內(nèi)所有的ILRS站早在多年之前就已經(jīng)設置了GPS基準站，ILRS也對我們提出了設立GPS站點要求。因此我們計劃在此次SLR設備升級改造之際在我們的SLR站新建一個固定的GPS基準站，并使之成為IGS的新成員。目前我們正在制定系統(tǒng)的改造升級方案，目標是實現(xiàn)常規(guī)白天測距、提高測距精度，在系統(tǒng)設計時充分考慮kHz測距對系統(tǒng)的要求[8]，使系統(tǒng)具備支持kHz測距的能力，并建立和SLR并置觀測的GPS基準站，培養(yǎng)應用研究人員開展相關(guān)的應用研究。阿根廷SanJuan站良好的氣象條件使其成為優(yōu)良的天文觀測臺址，當國家天文臺的SLR系統(tǒng)被升級改造后，高性能的儀器與良好的天氣條件相結(jié)合，將取得更有意義的結(jié)果。致謝：中阿合作的SLR系統(tǒng)在研制過程中得到了國內(nèi)其他衛(wèi)星激光測距站的技術(shù)支持，在此表示感謝。參考文獻：DongDN,YunckT,HeflinM.Originoftheinternationalterrestrialreferenceframe[J].JGeophysRes,2003,108(B4):2200-2209.朱之蘭,馮初剛.用Lageos衛(wèi)星SLR資料解算地球定向參數(shù)及監(jiān)測地球質(zhì)心的運動[