皮納衛(wèi)星是指質量為千克級、以微機電系統(tǒng)技術為基礎的小衛(wèi)星。皮納衛(wèi)星能夠通過組成星座、編隊或衛(wèi)星群完成單顆大衛(wèi)星難以實現(xiàn)的任務,廣泛的運用于科研、技術試驗、商業(yè)遙感等領域。皮納衛(wèi)星設計壽命短,在完成在軌服務后就會成為空間碎片,這時要想對皮納衛(wèi)星進行精準定位,就必須采用非合作目標的方式進行激光測距。按照目前空間非合作目標的激光探測能力,由于皮納衛(wèi)星尺寸小,導致返回的激光信號弱,探測難度大,且隨著皮納衛(wèi)星發(fā)射次數(shù)的增多,將嚴重影響人類的空間科技活動。因此設計出適合于皮納衛(wèi)星的激光測距合作目標,使得激光測距技術的高精度特性應用于皮納衛(wèi)星的目標監(jiān)測,這對空間目標高精度測量和提升碎片目標精密監(jiān)測與預警有著重要的實用價值。本論文緊緊圍繞研制出適合于皮納衛(wèi)星的微小激光反射器這一目標,立足于低軌皮納衛(wèi)星高難度的激光測距實用需求,設計質量輕、分布靈活、滿足在軌和成為空間碎片后任能采用常規(guī)的人衛(wèi)激光測距技術進行觀測、且便于標準化配置的微小衛(wèi)星激光反射器。論文的主要工作內(nèi)容如下:(1)理論計算并分析了星載激光測距合作目標的速差效應及其補償方法、有效視場角、有效反射器面積、可觀測時間、遠場衍射分布、質心誤差改正分布等核心技術參數(shù),并以低軌衛(wèi)星中常用的金字塔結構和八棱臺結構激光反射器為例進行分析,為皮納衛(wèi)星激光反射器設計提供理論依據(jù)。(2)針對軌道高度在250～1000Km的皮納衛(wèi)星,以標準立方體結構皮納衛(wèi)星為例,設計了質量不超過150g、視場角滿足360°、測距精度達厘米級、具有足夠回波強度、且便于標準化配置的微小激光反射器,并設計了長方體和多面體結構皮納衛(wèi)星激光反射器。(3)為我國第一顆大氣密度探測實驗衛(wèi)星PN1B設計了星載衛(wèi)星激光反射器,這是國內(nèi)首次采用通光口徑為1cm的微小激光反射器陣列,通過TROS1000流動人衛(wèi)激光測距系統(tǒng)對該衛(wèi)星進行的激光測距試驗,觀測期間其回波數(shù)最大值達314個/秒,驗證了微小激光合作目標能夠提供足夠的的回波光子數(shù)。(4)設計了一種適用于角錐棱鏡加工的靠體,在銑磨成型、粗磨及精磨和粗拋工序中直接通過該靠體的翻轉實現(xiàn)角錐棱鏡的成盤化加工,最后以配重分離器工藝進行精拋。使得角錐棱鏡整體工藝方案加工工序減少、生產(chǎn)節(jié)奏快、效率高、質量可保證。(5)為確保衛(wèi)星激光反射器發(fā)射成功后在太空環(huán)境中能正常工作,以皮納低軌衛(wèi)星激光反射器為例,介紹了激光反射器在地面進行的光學性能、力學性能、熱學性能及空間輻照性能測試。
【學位單位】：中國地震局地球物理研究所
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V443;TN249
【部分圖文】：

１．１空間目標的激光測距技術??１．１．１衛(wèi)星激光測距技術??衛(wèi)星激光測距技術（ＳＬＲ）是當今最為精密的定位觀測技術之一，它是由美國國家航空??航天局（ＮＡＳＡ）發(fā)起的利用空間技術研宄地球動力學、大地測量學、地球物理學和天文學??等的技術手段。１９６３年，ＮＡＳＡ?Ｇｏｄｄａｒｄ空間飛行中心的Ｈｅｎｒｙ?Ｐｌｏｔｋｉｎ提出將帶有激光反射??器裝置安裝在衛(wèi)星上的建議，測量的數(shù)據(jù)可應用大地測量。１９６４年１０月，美國ＮＡＳＡ發(fā)射??了第一顆帶有激光測距合作目標的衛(wèi)星＂Ｂｅａｃｏｎ－Ｂ＂，并獲得了衛(wèi)星激光測距數(shù)據(jù)。從此，衛(wèi)??星激光測距技術作為一種新的空間測量技術便發(fā)展起來。衛(wèi)星激光測距的原理是通過精確測??定激光脈沖信號從地面衛(wèi)星激光測距站到衛(wèi)星激光反射器之間的往返時間間隔，進而進行的??測距。衛(wèi)星激光測距技術在監(jiān)測大陸板塊運動、地殼形變、地球自轉，改進重力場和地心引??力常數(shù)，確定地球和海洋潮汐變化規(guī)律，監(jiān)測空間碎片等方面具有廣闊的應用前景（趙春梅，??２０１６）。??

圖１．２全球ＳＬＲ跟蹤網(wǎng)分布圖??中國衛(wèi)星激光測距網(wǎng)目前有北京、上海、長春、昆明、武漢５個固定ＳＬＲ站和１個流動??式ＳＬＲ站，并且與阿根廷合作在圣湖安建了?１個固定的ＳＬＲ站

年來我國流動式衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)對一系列激光衛(wèi)星的觀測實驗表明：觀測精度優(yōu)于??１０ｍｍ，最大測程達３．７萬公里，ＴＲＯＳＩＯＯＯ是目前世界上口徑最大的流動式衛(wèi)星激光測距系??統(tǒng)如圖１．４所示，該系統(tǒng)具有口徑大、測程遠、技術集成度高、流動便捷的特點。ＴＲＯＳＩＯＯＯ??在２０１１年測試驗收后，先后在武漢九峰地震臺、湖北咸寧、山東榮成地震臺等地實現(xiàn)了運??行觀測。未來ＴＲＯＳＩＯＯＯ將充分發(fā)揮其流動便捷的優(yōu)勢，赴新疆、青海、內(nèi)蒙古等西部地區(qū)??進行流動觀測，可大大改善我國中西部地區(qū)ＳＬＲ觀測空白的問題。??圖１．４我國流動式衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)ＴＲＯＳＩＯＯＯ??本論文以流動式衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)ＴＲＯＳＩＯＯＯ為基礎，如圖１．４所示，依托該系統(tǒng)的千??赫茲激光發(fā)射技術、配合高精密事件計數(shù)器、單光子雪崩二極管探測器、精密追蹤和時間、??空間濾波去噪技術進行衛(wèi)星激光反射器追蹤及測距試驗。??ＴＲＯＳＩＯＯＯ技術參數(shù)：??接收口徑：ｌｍ??系統(tǒng)質量：１５噸??測程：３７０００?Ｋｍ??激光發(fā)射頻率：１?ｋＨｚ??外形尺寸：長１５?ｍ、寬２．５?ｍ、高３．９?ｍ??脈沖能量：１．０?ｍｊ??５??
【參考文獻】

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本文編號：2871990