嫦娥探月卫星上角反射器阵列的设计.docx

嫦娥探月卫星上角反射器阵列的设计.docx

《嫦娥探月卫星上角反射器阵列的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嫦娥探月卫星上角反射器阵列的设计.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

嫦娥探月卫星上角反射器阵列的设计

[doc]嫦娥探月卫星上角反射器阵列的设计

嫦娥探月卫星上角反射器阵列的设计

Vol_5No.2

Jun.,2008

天文研究与技术（国家天文台台刊）

ASTRONOMICALRESEARCH&TECHNOLOGY

第5卷第2期

2008年6月

CN53—1189/PISSN1672—7673

嫦娥探月卫星上角反射器阵列的设计

胡冰,熊耀恒

（中国科学院国家天文台云南天文台,云南昆明650011）

摘要:

分析了探月卫星激光测距的必要性和可行性,提出了安装在其上面的角反射器阵

列的设计方案,并介绍了角反射器的有效反射面积,发散角,分布设计,安装和环境适应

性.

关键词:

激光测距;角反射器

中图分类号:

P228.5文献标识码:

A文章编号:

1672—7673（2008）02—0156—05

激光测距是一项综合技术,它涵盖激光,光电探测,自动控制,空间轨

道等多个学科领域.1964

年10月,美国NASA发射了第一颗带有角反射器的卫星”Beacon—B”,并很快实现了对它的激光测

距.经过40多年的发展,激光测距技术在各方面都取得了很大的进步.它的原理是:

通过精确测定

激光脉冲从地面观测点到装有角反射器卫星的往返时间间隔,从而算出地面观测点至卫星的距离.这

种为了增加对信号的反射率而在目标表面设置的反射器,称为合作目标（LaserRetro—reflectArray,

简称LRA）,通常采用角反射器阵列_1].角反射器是一种高精度的光学元件,它的应用可以增大激光

脉冲回波能量,增加仪器的测程,提高测距精度等.用角反射器阵列作为合作目标,不但可以减小合

作目标的尺寸和重量,提高合作目标视场角,还可对激光传输中因大气非均匀性引起的畸变进行光学

补偿（准相位共轭作用）,减小光束发散角.

目前,国际上对角反射器阵列的设计,针对低轨卫星,通常采用半球或半圆台结构;而对于高轨

卫星,一般只能采取平面布阵,又分为正六边形密接布阵和圆形平面布阵两种形式.本文根据探月卫

星在高空中运行的一些特点,拟采用正六边形密接布阵的形式,这样既可以减轻角反射器阵列的重

量,又可以减少角反射器阵列所占面积,由此而很好的解决了飞行器上的负载和空间有限的问题.

1探月卫星激光测距的必要性分析

“嫦娥一号”探月卫星目前应用

VLBI（VeryLongBasetineInterferometry）技术精密定轨.VLBI

是一种射电干涉技术,它通过无线电干涉的方法,将间隔数百乃至数千千米的一些射电望远镜,合成

为巨大的综合孔径望远镜阵,其等效直径为望远镜之间的最长间隔即基线长度.通过延长基线,

VLBI能获得极高的分辨率,是目前分辨本领最高的天文观测技术,也是目前测角精度最高的定轨方

法.中科院VLBI网测角精度可以达到百分之几角秒,甚至更高,为”嫦娥一号”探月卫星的精密定

轨做出了贡献.

但是,单一的依靠VLBI技术精密定轨还存在一些缺陷,如果能够配合其它的定轨方法将会获得

更好的结果,激光测距技术就是很好的选择.

激光测距技术在测距精度上,由最初的米量级发展到今天的厘米量级,正在向毫米量级发展.到

目前为止,精确到厘米量级的地月间的激光测距是对月球测距精度最高的定轨方法.同样,对探月卫

星的激光测距也是测距精度最高的定轨方法.因此,将激光测距观测

到的数据与VLBI技术观测得到

的数据相结合,定能比单一的使用一种方法定轨的精度高得多.

收稿日期:

2007—11—19;修定13期:

2007—12—19

作者简介:

胡冰,女,硕士,研究方向:

激光测距

2期胡冰等:

嫦娥探月卫星上角反射器阵列的设计

目前,月球激光测距技术仍面临很大的困难,它的最大问题是:

地面观测站接收到的从月面角反

射器反射而回的激光光子数太少,只达到单光子探测的程度.而影响探测回波光电子数的因素很多,

有些是既定因素,无法改变;有些因素是可以改变,但局限于当前的技术水平和观测站的物质条件,

目前也只能维持现状.但有些因素还是可以改变的.因此,对激光测距技术做进一步的研究,为将来

进行激光测月做好前期准备,是中国探月工程的需要.

2探月卫星激光测距的可行性分析

传统的且目前广泛采用的激光测距回波光电子数方程为:

7r

式中,?

为在接收器件光敏面上产生的平均光电子数;E.为每个激光脉冲能量（532nm）;N为

每焦耳激光光子数;A为目标上角反射器有效面积;A,为接收镜面有效面积;Ta为大气对激光的透

过率;为发射系统光路的透过率;Tr为接收系统光路的透过率;77为接收器件的量子效率;O/为衰

减因子（包括反射器效率,大气抖动,湍流等影响）;R为地面测站与目标之间的距离;0为经过整

个系统后的激光发散角;0为角反射器发散角.

将云南天文台1.2m望远镜激光测距系统的参数值代人上式,取可利用的最大有效反射面积为

15836.8ram（激光从不同方向入射时,可利用有效反射面积的最小值）,以”嫦娥一号”探月卫星

的轨道变化为参考,计算得到激光能量,探月卫星高度不同时,探月卫星激光测距的回波光电子数,

具体数值参见表1（0.5J/脉冲为现有激光器所能达到的能量,2J/脉冲为预计达到的能量）.

表1探月卫星激光测距回波光电子数

Table1Laserrangingechooptoelectronicnumbersofthelunarexplorationsat

ellite

由表1可以看出,探月卫星激光测距是完全可以实现的,但由于大气湍流的影响,激光回波方向

光行差的影响以及探月卫星白天激光测距时天空背景的影响,使得实际激光测距时的回波光电子数要

比理论计算值少,所以安装在其上面的角反射器阵列的合理,实用的设计与分布就显得尤为重要.

3角反射器的设计

3.1角反射器的有效反射面积

单个角反射器是由三个相互垂直文研究与技术（国家天I文台台刊）5卷

77=n-t/.

t一taniT）COS

式中=（1一:

2tani）,i:

sin（sini./n）.

77为相对有效几何面积,.为光束入射角,i为光束折射角,n为反射器介质的折射率.

探月卫星上空间有限,所以安装在其上面的角反射器尺寸受到了一定的限制.根据这样的要求,

该设计拟采用底面为正六边形的角反射器,这样可以在尺寸受限的前提下获得最大的有效反射面积.

角反射器的参考尺寸:

底面对边距为31.5mm,有效通光口径为30.0mm,高为25.0mm.假设激光

正入射,计算得到单个角反射器的最大有效反射面积为700.0mm.

3.2角反射器的发散角

在理想情况下,一束激光从底面入射,相继经过三个直角面的反射后,出射光束将以与入射光束

平行的方向反向射出.但由于角反射器反射面的面形误差（表面不平度）,两面直角的角度误差以及

通光口径的衍射效应等因素的影响,出射光束将相对于入射光束发

生一定角度的偏离,从而引出了角

反射器发散角的问题.

角反射器的物理光学性能分析较为复杂,其远场衍射能量分布是远距离激光测量中最重要的一项

参数.在理想的角反射器中,出射光的远场能量分布与一般光学系统一样,同样受光的衍射的支配.

内接圆切割角反射器的前向视图以及入射偏振光方向示意如图1所示.三条棱以及它们在相应侧

面的投影将圆底面分割为6部分,相当于6个子孔径,在正入射情况下,从某一部分（No.1）入射

的光线,将从对面的部分（No.4）出射.如果不考虑入射光线的偏振性,而且是全反射（反射后光

线的振幅和相位都不变）,则整个角反射器在夫琅和费衍射下的光强分布和相同大小的圆孔一样,是

爱里斑

图1圆切割角反射器的前向视图以及入射偏振光方向示意

Fig.1Schematicofthefrontfacepartitionandincidencepolarizedlight

根据不同的需要,角反射器加工精度的要求是不同的,对于用在探月卫星上的角反射器加工精度

要求较高,对其面形误差和角度误差的要求也将是较高的.我们知道随着面形误差和角度误差的增

加,角反射器发散角的发散程度将增加.结合云南天文台1.2m望远镜

激光测距系统的实际情况,在

加工过程中将引入合适的面形误差和角度误差,将角反射器的发散角控制在2,3.,

3.3角反射器的分布设计,安装和环境适应性

探月卫星从发射到进入轨道前直至在轨道上运行,其运动姿态是不断变化的,要保证在各个方向

上都有激光可以射到角反射器上,必须在其上安装角反射器阵列.以”嫦娥一号”探月卫星为参考,

它的星体形状是2000mm×1720mm×2200ram的立方体,两侧各有一个太阳帆板,该设计将角反射器

阵列分别装置在立方体每个面的四个角上,共装置24个角反射器阵列,如图2所示,这样不管卫星

2期胡冰等:

嫦娥探月卫星上角反射器阵列的设计159

如何运动,都可以保证有激光束射到角反射器阵列上.

（b）

图2角反射器阵列分布.（a）整体,（b）局部

每个角反射器阵列又由8个角反射器单元构成,紧密地安装在角反射器阵列的基座上.基座的尺

寸为98mm×118mmx28mm,采用铝合金材料,经整体加工而成,具有重量轻,刚度好的特点,能适

应星际环境温度的剧烈变化,使得每个角反射器在独立安装时能获

得良好的稳定性.角反射器阵列的

基座设计见图3.

图3角反射器阵列基座,尺寸为98mm×118mm×28mm

4结论

本文的工作主要集中在两方面:

首先是对角反射器的设计,其材料选用熔石英玻璃,以适应星载

环境的激烈变化;底面切割成正六边形结构,以减轻角反射器自身的重量和占地面积.其次是角反射

器阵列在探月卫星上的合理,实用分布,将24个角反射器阵列分别装置在立方体每个面的4个角上,

l6O天文研究与技术（国家天文台台刊）5卷

以满足激光从任何方向入射,都可以射到角反射器上.

致谢:

本文的工作得到了云南天文台1.2m望远镜激光测距团组全体老师和同学的大力支持,在

此表示衷心感谢!

参考文献:

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

万强,郭延龙等.卫星激光测距合作目标技术现状和进展[J].激光与光

电子学进展,

2005,42（5）:

20,23.

王绍民,赵道木.矩阵光学[M].北京:

高等教育出版社,2000.160,168.

扈荆夫,李鑫等.星载激光反射器阵列的有效反射面积分布的计算[J].中国科学G辑,

2004,34

（1）:

114,120.

王古常,王小兵,孙斌等.卫星激光合作目标中角反射器的密接布阵设

计[J].中国激

光,2004,31（6）:

673,676.

叶叔华,黄碱.天文地球动力学[M].山东:

山东科学技术出版

社,2000.103.

TheDesignoftheCubeCornerRetro—Reflector

ArrayonChangELunarExplorationSatellite

HUBing,XIONGYao—heng

（NationalAstronomicalObservatories/YunnanObservac0ry,ChineseAcad

emyofSciences,Kunming650011,China）

Abstract:

TheneedandthefeasibilityoftheLaserRangingusingthelunarexpl

orationsatellite

.

andthe

designproposalofthemountedcubecornerretro—reflectorarrayarepresent

edinthispaper.Theeffective

reflectionarea,beamdivergence,distributiondesign,mountingandthecircu

mstanceadaptabilityofthecube

reflectorarealsointroduced.cornerretro—

Keywords:

LaserRanging;cubecornerretro—reflector