導(dǎo)航衛(wèi)星激光反射器技術(shù)發(fā)展綜述

呂華昌,陳念江,鐘聲遠(yuǎn),吳 健,李楠楠,李長(zhǎng)楨,郭麗娜,耿園園

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015)

1 引 言

1960年,美國(guó)T.H.Mamain在實(shí)驗(yàn)室研制成功世界首臺(tái)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(diǎn),1963年第三屆國(guó)際量子電子學(xué)會(huì)提出利用新光源測(cè)量衛(wèi)星距離的可能性。1964年10月，美國(guó)通用電器公司和戈達(dá)德飛行中心(GFSC)先后成功測(cè)得NASA發(fā)射的世界首顆帶激光反射器的衛(wèi)星-探險(xiǎn)者22號(hào)(BE—B)的距離。隨后,衛(wèi)星激光測(cè)距(Satellite Laser Ranging,SLR)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,在衛(wèi)星軌道測(cè)量、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)測(cè)定、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、大陸板塊運(yùn)動(dòng)、潮汐變化參數(shù)的精確測(cè)定等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,經(jīng)過(guò)三代的發(fā)展,目前精度為亞厘米級(jí),正在研制的四代衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)預(yù)期精度可達(dá)毫米量級(jí)。1998年11月,在德國(guó)第11界國(guó)際激光測(cè)距大會(huì)上正式成立國(guó)際激光測(cè)距服務(wù)(International Laser Ranging Service,ILRS)組織,統(tǒng)一組織SLR國(guó)際觀測(cè)和數(shù)據(jù)應(yīng)用。作為衛(wèi)星軌道單點(diǎn)測(cè)定精度最高(尤其是衛(wèi)星徑向精度)的一種技術(shù),SLR技術(shù)已成為當(dāng)今文地球動(dòng)力學(xué)一項(xiàng)重要觀測(cè)手段,與GPS技術(shù)、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量VLBI(Very Long Baseline Interferometry)共同組成空間大地測(cè)量主要新技術(shù)[1-5]。

衛(wèi)星激光角反射器(Laser Retro-Reflector,簡(jiǎn)稱(chēng)LRR)為無(wú)源光學(xué)器件,作為SLR技術(shù)空間載荷部分,裝載在衛(wèi)星表面,其作用是增強(qiáng)星體目標(biāo)對(duì)激光信號(hào)的反射率,將測(cè)距站發(fā)射的激光光束原方向反射回地面,以實(shí)現(xiàn)星地距離的精密測(cè)量。裝載激光反射器的衛(wèi)星,范圍遍及數(shù)百公里的近地軌道直至地球同步軌道,按分類(lèi)可分為測(cè)地衛(wèi)星、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、科學(xué)/實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星等。

導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)可為用戶提供高精度時(shí)空基準(zhǔn)和精確信息,在現(xiàn)代社會(huì)生活中發(fā)揮重要作用。為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道的精密標(biāo)定,導(dǎo)航系統(tǒng)大多組成星體都配有激光反射器,以輔助實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星精密定軌、GPS定軌結(jié)果標(biāo)校等用途,本文主要就導(dǎo)航衛(wèi)星激光反射器發(fā)展現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)主要問(wèn)題以及未來(lái)趨勢(shì)研究方向進(jìn)行了評(píng)述、討論和展望。

2 SLR測(cè)距和定軌原理

衛(wèi)星激光測(cè)距的原理是通過(guò)精確測(cè)定激光脈沖從地面觀測(cè)點(diǎn)到裝有激光反射器衛(wèi)星的往返時(shí)間間隔Δt,從而計(jì)算出衛(wèi)星質(zhì)心到測(cè)站儀器中心的距離D[6-7]。

D=CΔt/2+ΔD

(1)

式中，ΔD為測(cè)站測(cè)距修正數(shù),包括測(cè)站的潮汐修正、測(cè)站板塊運(yùn)動(dòng)修正、測(cè)站偏心修正、測(cè)站大氣延遲修正、測(cè)站廣義相對(duì)論修正、衛(wèi)星質(zhì)心修正等,計(jì)算過(guò)程中,還應(yīng)對(duì)測(cè)量光路和電氣系統(tǒng)的時(shí)延等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定[6]。

SLR精密定軌采用動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)定軌方法,即基于星站距離觀測(cè)量和各種動(dòng)力學(xué)模型,用動(dòng)力學(xué)理論求解衛(wèi)星軌道根數(shù)和其他運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

精密定軌是在低精度的參考軌道(簡(jiǎn)稱(chēng)初軌)的基礎(chǔ)上,利用區(qū)域或全球跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)參考軌道進(jìn)行改進(jìn)。軌道改進(jìn)的同時(shí)還可以根據(jù)需要解算整周模糊度、測(cè)站坐標(biāo)、對(duì)流層延遲、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、天線相位中心偏差、地球質(zhì)心偏差等參數(shù)。

實(shí)際衛(wèi)星飛行運(yùn)動(dòng)中,初始狀態(tài)處于未知狀態(tài),其運(yùn)動(dòng)方程的物理常量和模型存在誤差,從而導(dǎo)致理論積分計(jì)算軌道與衛(wèi)星真實(shí)軌道間存在偏差。為獲得接近真實(shí)軌道的積分軌道參數(shù),必須對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤觀測(cè),通過(guò)觀測(cè)量的約束不斷優(yōu)化迭代衛(wèi)星狀態(tài)矢量,使之滿足預(yù)設(shè)精度,最后綜合衛(wèi)星跟蹤幾何信息和星體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力信息來(lái)估算衛(wèi)星初始狀態(tài)及參數(shù),這其中,SLR測(cè)距采樣量精度決定了衛(wèi)星定軌精度的高低[8]。

3 導(dǎo)航衛(wèi)星激光反射器發(fā)展現(xiàn)狀

導(dǎo)航衛(wèi)星激光反射器是衛(wèi)星激光反射器的一個(gè)主要應(yīng)用方向。美國(guó)GPS、中國(guó)北斗、俄羅斯GLONASS和歐洲GALILEO系統(tǒng)并稱(chēng)為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),發(fā)展迅速,日本、韓國(guó)、印度等國(guó)家為本國(guó)或本地區(qū)利益考慮,也在積極發(fā)展各自區(qū)域系統(tǒng)[9]。導(dǎo)航衛(wèi)星軌道范圍從10000多公里直至40000多公里,從分類(lèi)上歸為中高軌道衛(wèi)星,采用多個(gè)反射器組合平面陣列方式。

圖1 四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.1 Four major satellite navigation systems

3.1 美國(guó)GPS

美國(guó)GPS(Global Positioning System)是世界首個(gè)建成的導(dǎo)航定位系統(tǒng),全球信號(hào)覆蓋率達(dá)98%。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,GPS星座已共發(fā)射50多顆衛(wèi)星,在軌運(yùn)行衛(wèi)星30余顆,星座構(gòu)形趨向于一種6個(gè)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(jīng)歷一代和二代的發(fā)展,目前處于GPSⅢ現(xiàn)代化階段[9]。這其中,僅有1993年8月和1994年3月發(fā)射的地球同步衛(wèi)星GPS-35和GPS-36配有俄羅斯空間設(shè)備研究所提供的激光反射器,軌道高度36000 km,平面長(zhǎng)方形陣列,正六邊形切割,內(nèi)接圓直徑28.6 mm,反射器數(shù)量32個(gè),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(wèi)星中觀測(cè)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(lián)20世紀(jì)80年代初開(kāi)始建設(shè)的衛(wèi)星定位系統(tǒng),系統(tǒng)架構(gòu)、定位原理和方案規(guī)劃都與GPS類(lèi)似,衛(wèi)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(gè)軌道平面,后由俄羅斯繼續(xù)該計(jì)劃。截至2016年,GLONASS系統(tǒng)已發(fā)射百余顆衛(wèi)星,實(shí)際在軌運(yùn)行衛(wèi)星已達(dá)30余顆,衛(wèi)星大多配有激光反射器。目前,列入國(guó)際ILRS 組織觀測(cè)的有GLONASS123、125、128、129、131、133、134、136星[9-10]。

GLONASS系統(tǒng)激光反射器采取正六邊形切割,內(nèi)接圓直徑28.3 mm,1996年前發(fā)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(shù)量396個(gè),材質(zhì)為熔融石英玻璃,為獲得最大觀測(cè)范圍,采用全角入射設(shè)計(jì)。GPS-35和GPS-36反射器就是俄羅斯提供給美國(guó)相似設(shè)計(jì)的小反射面積產(chǎn)品[10]。

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

1996年后發(fā)射的GLONASS衛(wèi)星搭載了各種不同對(duì)稱(chēng)布局的平面陣列激光反射器,反射器數(shù)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(wèi)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(shè)計(jì),1997年采取“單一方向僅有唯一反射器反射激光”構(gòu)想,最大程度消除反射器分布效應(yīng)影響,發(fā)射的“西太平洋衛(wèi)星WESTPAC”反射器精度達(dá)到0.5 mm；1998年,俄羅斯空間設(shè)備研究所提出用Luneburg透鏡原理制成的在小角度范圍內(nèi)近似無(wú)光程差的球形玻璃反射器,設(shè)計(jì)精度0.1 mm,2001至2006年隨Meteor-3M航天器進(jìn)行測(cè)試,并于2009年發(fā)射BLITS納米衛(wèi)星反射器,用于地震監(jiān)測(cè)[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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo Satellite Navigation System)是由歐盟研制和建立的第一個(gè)基于民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[9]。系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成,衛(wèi)星軌道高度約2.4萬(wàn)公里,位于3個(gè)傾角為56°的軌道平面內(nèi),軌道周期14 h 22 min。截至2016年12月,已發(fā)射18顆工作衛(wèi)星,具備早期操作能力(EOC),并計(jì)劃在2019年具備完全操作能力(FOC),全部30顆衛(wèi)星(24顆工作衛(wèi)星,6顆備份衛(wèi)星)計(jì)劃于2020年發(fā)射完畢。為提高衛(wèi)星在軌精度,每顆GALILEO衛(wèi)星均搭載激光反射器,列入國(guó)際ILRS 組織觀測(cè)的有Galileo-101～104、Galileo-201～214星[10]。

GALILEO衛(wèi)星激光反射器分別由中國(guó)和俄羅斯提供(圖6)。中國(guó)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(wèi)星(Galileo-101、102、103、104)激光反射器,俄羅斯為GALILEO另一主供貨商O(píng)HB公司提供2顆試驗(yàn)衛(wèi)星(GIOVE-A、B)和后續(xù)FOC階段的激光反射器。中電11所設(shè)計(jì)激光反射器采取類(lèi)圓形平面布陣,正六邊形切割小邊切割,內(nèi)接圓直徑33 mm,反射器數(shù)量84個(gè),入射面鍍ITO導(dǎo)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(nèi)接圓直徑27 mm,反射器數(shù)量76個(gè),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(nèi)接圓直徑27 mm,反射器數(shù)量67個(gè),直角面鍍鋁膜；FOC階段衛(wèi)星反射器采取長(zhǎng)方形平面布陣,正六邊形切割,內(nèi)接圓直徑28.2 mm,反射器數(shù)量60個(gè),制造誤差0.8″,入射面鍍?cè)鐾改532 nm,直角面非鍍膜[10]。

圖6 GALILEO衛(wèi)星反射器Fig.6 LRR ofGALILEO satellite

實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果比較,FOC階段中國(guó)制造的Galileo-101～104星反射器觀測(cè)效果和回波數(shù)整體好于同類(lèi)國(guó)外產(chǎn)品[10]，如表1所示。

表1 GALILEO衛(wèi)星反射器觀測(cè)效果比較 (截至2014.10.30,數(shù)據(jù)來(lái)自ILRS網(wǎng)站)Tab.1 Comparison of the effects of GALILEO satellite reflectors (截至2014.10.30,數(shù)據(jù)來(lái)自ILRS網(wǎng)站)

3.4 中國(guó)北斗

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),在全球范圍內(nèi)提供基本的導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù),同時(shí)可為我國(guó)戰(zhàn)略重點(diǎn)地區(qū)提供高性能導(dǎo)航、定位、授時(shí)和短報(bào)文服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段計(jì)劃由35顆衛(wèi)星組成,包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。北斗建設(shè)分為三步,第一步和第二步,北斗一號(hào)試驗(yàn)星系統(tǒng)和北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)已經(jīng)完成,目前正推進(jìn)實(shí)施北斗三號(hào)全球系統(tǒng)建設(shè),預(yù)計(jì)2020年建成[9-10]。

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

圖7 北斗系列衛(wèi)星反射器Fig.7 LRR ofCOMPASS satellite

3.5 其他導(dǎo)航系統(tǒng)

除了上述全球4大系統(tǒng),其他國(guó)家也在積極發(fā)展自己的區(qū)域系統(tǒng)或增強(qiáng)系統(tǒng),區(qū)域系統(tǒng)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(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)。QZSS星座由7顆高軌衛(wèi)星組成,包括3顆傾斜地球同步橢圓軌道(IGSO)衛(wèi)星、1顆GEO衛(wèi)星和3顆HEO衛(wèi)星。 QZSS衛(wèi)星軌道32,000-40,000 km,軌道傾角45°,設(shè)計(jì)壽命12年以上,現(xiàn)已發(fā)射2顆衛(wèi)星,計(jì)劃2017年底再發(fā)射 2顆組成自己的區(qū)域系統(tǒng),QZSS都配有激光反射器。列入國(guó)際ILRS 組織觀測(cè)的有QZS-1、QZS-2星[10]。

準(zhǔn)天頂系列衛(wèi)星激光反射器采取了和日本2006年發(fā)射的ETS-8通訊衛(wèi)星(反射器數(shù)量36個(gè))同樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),但兩面角誤差取值不同。 QZSS衛(wèi)星激光反射器(圖8)內(nèi)接圓直徑1.6 in,反射器數(shù)量56個(gè),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(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(IRNSS)2006年啟動(dòng),2013年開(kāi)始衛(wèi)星發(fā)射,星座采用3GEO+4IGSO構(gòu)形,現(xiàn)已發(fā)射6顆衛(wèi)星,初步組成了自己區(qū)域系統(tǒng)。IRNSS衛(wèi)星都配有激光反射器。反射器內(nèi)接圓直徑38 mm,反射器數(shù)量40個(gè),軌道傾角45°,誤差0.5″,除IRNSS-1A外,其他衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命12年。列入國(guó)際ILRS 組織觀測(cè)的有IRNSS-1B、IRNSS-1C、IRNSS-1D、IRNSS-1E、IRNSS-1F星[10]。

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

4 主要技術(shù)問(wèn)題和發(fā)展方向

4.1 主要技術(shù)問(wèn)題

導(dǎo)航星載激光反射器設(shè)計(jì)目的在于確定合理的光學(xué)和機(jī)械物理結(jié)構(gòu)參數(shù),滿足衛(wèi)星觀測(cè)指標(biāo),同時(shí)滿足必須的環(huán)境適應(yīng)性要求,設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮下述方面問(wèn)題。

4.1.1 光學(xué)設(shè)計(jì)

光學(xué)設(shè)計(jì)是激光反射器設(shè)計(jì)的核心,角反射器的形狀、切割方式、尺寸、角誤差、鍍膜等參數(shù)決定了反射器的主要性能(發(fā)散角、最大傾斜角、有效發(fā)射面積、發(fā)射率、遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑、速度光行差補(bǔ)償、回波能量、測(cè)距精度等)[1,12,14-15]。

a)速度補(bǔ)償角誤差

對(duì)反射器進(jìn)行速差角誤差補(bǔ)償是必須的[12]。由于速差(Velocity Aberration)效應(yīng),當(dāng)激光光束指向衛(wèi)星,出射光相對(duì)入射光方向會(huì)有一個(gè)偏離角,反射光束光斑中心會(huì)偏離SLR位置。尺寸補(bǔ)償法通過(guò)設(shè)計(jì)合適的反射器尺寸可以改變SLR處的衍射光強(qiáng),但反射器尺寸過(guò)小,加工不易,加之補(bǔ)償后的光雷達(dá)截面太小,不利于SLR的測(cè)量。角度補(bǔ)償法通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)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(cè)概率。

實(shí)際觀測(cè)結(jié)果也表明：通過(guò)光行差補(bǔ)償?shù)姆瓷淦髅黠@好于不補(bǔ)償?shù)姆瓷淦?。俄羅斯GALILEO系列早期反射器、GPS35/36反射器、GIOVE-A、B等中高軌衛(wèi)星都沒(méi)有速差角補(bǔ)償而明顯觀測(cè)率偏低,而我國(guó)設(shè)計(jì)的北斗和伽利略IOV反射器則均采用了速差補(bǔ)償設(shè)計(jì)而效果良好,目前俄羅斯、日本、印度等新設(shè)計(jì)的反射器或多或少、取值不一均進(jìn)行了角度誤差補(bǔ)償。

角度誤差對(duì)于觀測(cè)效果的影響大于鍍膜和尺寸等因素,設(shè)計(jì)中對(duì)反射器綜合角偏差和二面單角誤差均要進(jìn)行嚴(yán)格控制,以提高光學(xué)遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑的均勻性。

b)角反射器尺寸

角反射器尺寸設(shè)計(jì)主要包括確定反射器直徑和切割方式(系數(shù)),反射器直徑和切割方式?jīng)Q定了單個(gè)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(dá)截面和影響探測(cè)概率大小,應(yīng)以最大光雷達(dá)截面面積為原則設(shè)計(jì)；通過(guò)考慮角度補(bǔ)償分離后的6個(gè)子光束光強(qiáng)合成分布一致性(小于5%)而計(jì)算的直徑比前一種方法偏小,雖有利于保證單個(gè)反射器環(huán)帶能量的均勻性,但測(cè)距效果不如按光雷達(dá)截面設(shè)計(jì)的結(jié)果——實(shí)際上反射器陣列通常由多個(gè)反射器組成,可通過(guò)空間排列方式改善和提高分離衍射光束環(huán)的均勻性。這也是國(guó)內(nèi)和國(guó)外激光反射器設(shè)計(jì)重要的一點(diǎn)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(shù)決定了單塊反射器有效反射面積的大小。切割系數(shù)越小,單塊反射器相對(duì)反射面積越大,越有利大角度斜入射光束的反射,但安裝穩(wěn)定性和加工精度越難保證；圓切割工程適應(yīng)性強(qiáng),光學(xué)熱均勻性相對(duì)較好,但損失了小部分大角度斜入射光學(xué)面積。兩種切割方式在實(shí)際中均有應(yīng)用,比如上海天文臺(tái)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(shè)計(jì)得當(dāng),排布合理,均可以取得不錯(cuò)的觀測(cè)效果。

c)鍍膜

直角面鍍膜能大大增加反射器的觀測(cè)范圍,對(duì)于低軌衛(wèi)星,內(nèi)全反射角僅有不到17°(對(duì)于石英玻璃)不能滿足反射器的觀測(cè)范圍指標(biāo)要求,限定了反射器必須鍍膜；對(duì)于中高軌道衛(wèi)星,反射率是需要解決的主要問(wèn)題,鍍膜雖可以增大入射有效角度,但三次反射會(huì)嚴(yán)重降低反射率,同時(shí)空間輻照、高低溫交變也會(huì)影響膜層性能[1,12],實(shí)際觀測(cè)結(jié)果表明中高軌反射器鍍膜觀測(cè)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(cè)率低,數(shù)據(jù)量少印證了這一點(diǎn),今后,中高軌衛(wèi)星反射器非鍍膜方式將成為主流。

反射器入射面鍍?cè)鐾改つ芴岣邷y(cè)距激光的透過(guò)率,同時(shí)一定程度上改善光學(xué)面形質(zhì)量,但對(duì)增透膜長(zhǎng)周期空間輻照適應(yīng)性和高低溫性能須進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

不同于國(guó)內(nèi),國(guó)外如歐空局特別注意通訊衛(wèi)星的ESD設(shè)計(jì),所以反射器表面是否需鍍ITO導(dǎo)電膜也是設(shè)計(jì)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?nèi)敕瓷浼す獾墓獬?影響激光測(cè)距脈沖的光學(xué)傳遞,發(fā)散和減弱目標(biāo)區(qū)域衍射能量,設(shè)計(jì)和加工中應(yīng)嚴(yán)格確保光學(xué)表面足夠的加工質(zhì)量,對(duì)于高精度激光反射器,光圈數(shù)N至少應(yīng)小于0.2,表面不平度優(yōu)于1/10λ,盡量降低出入射激光波面畸變[12,14]。

4.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

a)反射器陣列布局

相對(duì)單一反射器,多個(gè)反射器組合陣列方式可以減小合作目標(biāo)的尺寸和質(zhì)量,提高反射器視場(chǎng)角,還可形成準(zhǔn)相位共軛作用對(duì)激光傳輸中因大氣非均勻性引起的畸變進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償,勻化遠(yuǎn)場(chǎng)光斑,減小光束發(fā)散角。合理優(yōu)化的空間排布可以進(jìn)一步增強(qiáng)激光反射效率,提高探測(cè)概率和測(cè)距精度[1]。

不同于低軌反射器的球形或半圓臺(tái)布陣方式,中高軌反射器結(jié)構(gòu)排布通常以平面圓形、類(lèi)圓形、正方形、正多邊形對(duì)稱(chēng)陣列為主[17-18]。

反射器布局設(shè)計(jì)中,應(yīng)使結(jié)構(gòu)緊湊,盡量減小外包絡(luò)直徑尺寸,降低反射器分布影響[7],提高測(cè)距精度；應(yīng)盡量提高布陣面反射器單位面積密度[17],減少非光學(xué)反射作用區(qū),增大光學(xué)有效反射面積,增強(qiáng)激光反射率和探測(cè)效率；采取各種結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)方法勻化或增強(qiáng)(例如斜置反射器)[19]反射器衍射光斑環(huán)帶光場(chǎng)強(qiáng)度,提高不同或特定測(cè)距站觀測(cè)概率,提升測(cè)距效果和衛(wèi)星定軌精度。

b)角反射器結(jié)構(gòu)

作為高精度光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)支撐,角反射器結(jié)構(gòu)既要能保證組件結(jié)構(gòu)的完整性,使之承受相應(yīng)的力學(xué)和熱環(huán)境溫度載荷、輻照壽命等星載環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo),又要確保角反射器光學(xué)性能,使其光學(xué)熱彈性應(yīng)力對(duì)反射光束的遠(yuǎn)場(chǎng)能量分布的影響在合理范圍內(nèi),做到最小應(yīng)力安裝[18],應(yīng)設(shè)計(jì)合理的彈性緩沖固定結(jié)構(gòu)方式和材料確保光學(xué)和機(jī)械性能。

c)材料

反射器材料的選取應(yīng)符合航天標(biāo)準(zhǔn),保證剛度、強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性等機(jī)械結(jié)構(gòu)性能,滿足相應(yīng)的力學(xué)振動(dòng)沖擊、溫度交變、空間環(huán)境穩(wěn)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(biāo)光學(xué)要求,反射器光學(xué)材料的三向消應(yīng)力、光學(xué)高均勻性、光譜特性、應(yīng)力雙折射、顆粒不均勻性、氣泡、條紋等指標(biāo)是材料設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素,出于輻照壽命、熱變形等因素考慮,國(guó)內(nèi)外通常選取高純遠(yuǎn)紫外光學(xué)熔融石英玻璃作為角反射器的光學(xué)制造材料。

4.1.3 反射器光學(xué)測(cè)試和驗(yàn)證

單個(gè)反射器和反射器陣列制成后均應(yīng)進(jìn)行地面光學(xué)測(cè)試和檢測(cè),加工完畢未裝配的單個(gè)反射器可采用高精度ZYGO干涉儀測(cè)試,裝配后的角反射器和反射器陣列需搭建和研制專(zhuān)門(mén)設(shè)備。地面光學(xué)測(cè)試設(shè)備有助于更好的對(duì)反射器性能進(jìn)行指標(biāo)校驗(yàn)和光學(xué)調(diào)試[13]。

圖9 激光反射器地面光學(xué)測(cè)試設(shè)備Fig.9 Ground optical test equipment of LRR

4.2 未來(lái)發(fā)展展望

衛(wèi)星激光反射器伴隨SLR技術(shù)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展,取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但對(duì)于實(shí)際星載工程化,還有許多亟需解決和探討的技術(shù)難關(guān)。衛(wèi)星激光反射器作為一種綜合性學(xué)科,涉及天文學(xué)、光學(xué)、地球物理天地測(cè)量、機(jī)械、激光、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域,高精度衛(wèi)星測(cè)距不斷對(duì)激光反射器提出了更高的性能要求,未來(lái)反射器技術(shù)發(fā)展應(yīng)主要從以下幾個(gè)方面著眼和考慮：

a)星載精密測(cè)距理論和方法

激光反射器作為SLR技術(shù)的空間組成部分,工程設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)衛(wèi)星測(cè)距理論、精密定軌原理、天文軌道測(cè)算等知識(shí)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和研究,以完善和優(yōu)化反射器設(shè)計(jì)方案,更好的實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測(cè)目標(biāo)。

b)角反射器特性研究

角反射器特性研究包括進(jìn)一步建立和完善現(xiàn)有的反射器光學(xué)理論和模型,對(duì)反射器光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)包括速差效應(yīng)補(bǔ)償、光學(xué)雷達(dá)口徑探測(cè)能力、表面加工精度、反射表面特性、陣列結(jié)構(gòu)布局、地面動(dòng)態(tài)光學(xué)測(cè)試等方面進(jìn)行深層次研究,增強(qiáng)站點(diǎn)觀測(cè)概率和探測(cè)精度,改進(jìn)和提高現(xiàn)有反射器設(shè)計(jì)水平和實(shí)際應(yīng)用效果,同時(shí)應(yīng)借鑒電磁雷達(dá)反射器技術(shù),對(duì)無(wú)光程差的球形反射器、寬幅光學(xué)反射器、有源放大高增益反射器等新型激光反射器進(jìn)行理論研究和工程探索[20]。

c)高精密反射器光學(xué)材料和加工

高精度反射器選材和加工是制約我國(guó)反射器航天工程應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵因素,目前,國(guó)外跨國(guó)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(chǎng),我國(guó)石英玻璃從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始,由部管產(chǎn)品下放為地方管理,企業(yè)大多規(guī)模較小、技術(shù)裝備落后、產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng),近年來(lái)經(jīng)過(guò)努力雖已初步實(shí)現(xiàn)反射器材料的國(guó)產(chǎn)化,但批次產(chǎn)品質(zhì)量還不夠穩(wěn)定,光學(xué)熔融技術(shù)、材料均勻性、三向消應(yīng)力等核心光學(xué)指標(biāo)尚需進(jìn)一步提高；同時(shí)加工部門(mén)應(yīng)進(jìn)一步規(guī)范、完善高精反射器制造工藝,提高現(xiàn)有產(chǎn)品加工質(zhì)量和成品率,對(duì)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(xué)加工技術(shù)進(jìn)行探索、開(kāi)發(fā)和試產(chǎn)。

d)反射器結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)

反射器組件結(jié)構(gòu)和材料既要滿足高精光學(xué)性能,又要滿足衛(wèi)星地面段、發(fā)射段以及軌道段的環(huán)境和載荷要求,目前導(dǎo)航衛(wèi)星最高壽命設(shè)計(jì)已達(dá)25年、高低溫交變溫差達(dá)330 ℃,隨著今后我國(guó)更多中高軌衛(wèi)星專(zhuān)項(xiàng)、航天深空探測(cè)任務(wù)的實(shí)施,對(duì)反射器結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)、熱、輻照等環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求,有必要對(duì)反射器組件的結(jié)構(gòu)封裝、材料選取、減振隔沖、ESD設(shè)計(jì)、輻照防護(hù)、熱控管理等方面進(jìn)行更深度細(xì)化研究。

e)輕量化、小體積反射器設(shè)計(jì)。

輕質(zhì)量、小體積是航天產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性永恒的追求,目前國(guó)內(nèi)外反射器結(jié)構(gòu)依舊采用鋁基金屬材料,空心角反射器制造技術(shù)發(fā)展以及大量高強(qiáng)度高模量復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的成熟應(yīng)用,為反射器設(shè)計(jì)輕量化提供了方向和技術(shù)支撐。

5 結(jié) 論

導(dǎo)航衛(wèi)星激光反射器是星載反射器應(yīng)用的一個(gè)主要分支,本文主要就導(dǎo)航衛(wèi)星激光反射器國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、光機(jī)設(shè)計(jì)主要問(wèn)題、未來(lái)趨勢(shì)和研究發(fā)展方向進(jìn)行了簡(jiǎn)要的評(píng)述、討論和展望。目前,激光反射器作為標(biāo)配有效載荷,已在我國(guó)現(xiàn)階段載人航天、衛(wèi)星導(dǎo)航、空間站對(duì)接等領(lǐng)域到了初步應(yīng)用,隨著衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)的不斷成熟和推進(jìn),未來(lái)將繼續(xù)在星地測(cè)量、航天器編隊(duì)、探月、遠(yuǎn)距離深空探測(cè)等航天廣闊領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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