皮納衛(wèi)星是指質(zhì)量為千克級(jí)、以微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)的小衛(wèi)星。皮納衛(wèi)星能夠通過(guò)組成星座、編隊(duì)或衛(wèi)星群完成單顆大衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)的任務(wù),廣泛的運(yùn)用于科研、技術(shù)試驗(yàn)、商業(yè)遙感等領(lǐng)域。皮納衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命短,在完成在軌服務(wù)后就會(huì)成為空間碎片,這時(shí)要想對(duì)皮納衛(wèi)星進(jìn)行精準(zhǔn)定位,就必須采用非合作目標(biāo)的方式進(jìn)行激光測(cè)距。按照目前空間非合作目標(biāo)的激光探測(cè)能力,由于皮納衛(wèi)星尺寸小,導(dǎo)致返回的激光信號(hào)弱,探測(cè)難度大,且隨著皮納衛(wèi)星發(fā)射次數(shù)的增多,將嚴(yán)重影響人類(lèi)的空間科技活動(dòng)。因此設(shè)計(jì)出適合于皮納衛(wèi)星的激光測(cè)距合作目標(biāo),使得激光測(cè)距技術(shù)的高精度特性應(yīng)用于皮納衛(wèi)星的目標(biāo)監(jiān)測(cè),這對(duì)空間目標(biāo)高精度測(cè)量和提升碎片目標(biāo)精密監(jiān)測(cè)與預(yù)警有著重要的實(shí)用價(jià)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(biāo),立足于低軌皮納衛(wèi)星高難度的激光測(cè)距實(shí)用需求,設(shè)計(jì)質(zhì)量輕、分布靈活、滿(mǎn)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(cè)距技術(shù)進(jìn)行觀測(cè)、且便于標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算并分析了星載激光測(cè)距合作目標(biāo)的速差效應(yīng)及其補(bǔ)償方法、有效視場(chǎng)角、有效反射器面積、可觀測(cè)時(shí)間、遠(yuǎn)場(chǎng)衍射分布、質(zhì)心誤差改正分布等核心技術(shù)參數(shù),并以低軌衛(wèi)星中常用的金字塔結(jié)構(gòu)和八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)激光反射器為例進(jìn)行分析,為皮納衛(wèi)星激光反射器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。(2)針對(duì)軌道高度在250～1000Km的皮納衛(wèi)星,以標(biāo)準(zhǔn)立方體結(jié)構(gòu)皮納衛(wèi)星為例,設(shè)計(jì)了質(zhì)量不超過(guò)150g、視場(chǎng)角滿(mǎn)足360°、測(cè)距精度達(dá)厘米級(jí)、具有足夠回波強(qiáng)度、且便于標(biāo)準(zhǔn)化配置的微小激光反射器,并設(shè)計(jì)了長(zhǎng)方體和多面體結(jié)構(gòu)皮納衛(wèi)星激光反射器。(3)為我國(guó)第一顆大氣密度探測(cè)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星PN1B設(shè)計(jì)了星載衛(wèi)星激光反射器,這是國(guó)內(nèi)首次采用通光口徑為1cm的微小激光反射器陣列,通過(guò)TROS1000流動(dòng)人衛(wèi)激光測(cè)距系統(tǒng)對(duì)該衛(wèi)星進(jìn)行的激光測(cè)距試驗(yàn),觀測(cè)期間其回波數(shù)最大值達(dá)314個(gè)/秒,驗(yàn)證了微小激光合作目標(biāo)能夠提供足夠的的回波光子數(shù)。(4)設(shè)計(jì)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(guò)該靠體的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)角錐棱鏡的成盤(pán)化加工,最后以配重分離器工藝進(jìn)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(zhì)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(jìn)行的光學(xué)性能、力學(xué)性能、熱學(xué)性能及空間輻照性能測(cè)試。
【學(xué)位單位】：中國(guó)地震局地球物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：V443;TN249
【部分圖文】：

１．１空間目標(biāo)的激光測(cè)距技術(shù)??１．１．１衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)??衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)（ＳＬＲ）是當(dāng)今最為精密的定位觀測(cè)技術(shù)之一，它是由美國(guó)國(guó)家航空??航天局（ＮＡＳＡ）發(fā)起的利用空間技術(shù)研宄地球動(dòng)力學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)和天文學(xué)??等的技術(shù)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(cè)量的數(shù)據(jù)可應(yīng)用大地測(cè)量。１９６４年１０月，美國(guó)ＮＡＳＡ發(fā)射??了第一顆帶有激光測(cè)距合作目標(biāo)的衛(wèi)星＂Ｂｅａｃｏｎ－Ｂ＂，并獲得了衛(wèi)星激光測(cè)距數(shù)據(jù)。從此，衛(wèi)??星激光測(cè)距技術(shù)作為一種新的空間測(cè)量技術(shù)便發(fā)展起來(lái)。衛(wèi)星激光測(cè)距的原理是通過(guò)精確測(cè)??定激光脈沖信號(hào)從地面衛(wèi)星激光測(cè)距站到衛(wèi)星激光反射器之間的往返時(shí)間間隔，進(jìn)而進(jìn)行的??測(cè)距。衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)在監(jiān)測(cè)大陸板塊運(yùn)動(dòng)、地殼形變、地球自轉(zhuǎn)，改進(jìn)重力場(chǎng)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(cè)空間碎片等方面具有廣闊的應(yīng)用前景（趙春梅，??２０１６）。??

圖１．２全球ＳＬＲ跟蹤網(wǎng)分布圖??中國(guó)衛(wèi)星激光測(cè)距網(wǎng)目前有北京、上海、長(zhǎng)春、昆明、武漢５個(gè)固定ＳＬＲ站和１個(gè)流動(dòng)??式ＳＬＲ站，并且與阿根廷合作在圣湖安建了?１個(gè)固定的ＳＬＲ站

年來(lái)我國(guó)流動(dòng)式衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)對(duì)一系列激光衛(wèi)星的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)表明：觀測(cè)精度優(yōu)于??１０ｍｍ，最大測(cè)程達(dá)３．７萬(wàn)公里，ＴＲＯＳＩＯＯＯ是目前世界上口徑最大的流動(dòng)式衛(wèi)星激光測(cè)距系??統(tǒng)如圖１．４所示，該系統(tǒng)具有口徑大、測(cè)程遠(yuǎn)、技術(shù)集成度高、流動(dòng)便捷的特點(diǎn)。ＴＲＯＳＩＯＯＯ??在２０１１年測(cè)試驗(yàn)收后，先后在武漢九峰地震臺(tái)、湖北咸寧、山東榮成地震臺(tái)等地實(shí)現(xiàn)了運(yùn)??行觀測(cè)。未來(lái)ＴＲＯＳＩＯＯＯ將充分發(fā)揮其流動(dòng)便捷的優(yōu)勢(shì)，赴新疆、青海、內(nèi)蒙古等西部地區(qū)??進(jìn)行流動(dòng)觀測(cè)，可大大改善我國(guó)中西部地區(qū)ＳＬＲ觀測(cè)空白的問(wèn)題。??圖１．４我國(guó)流動(dòng)式衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)ＴＲＯＳＩＯＯＯ??本論文以流動(dòng)式衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)ＴＲＯＳＩＯＯＯ為基礎(chǔ)，如圖１．４所示，依托該系統(tǒng)的千??赫茲激光發(fā)射技術(shù)、配合高精密事件計(jì)數(shù)器、單光子雪崩二極管探測(cè)器、精密追蹤和時(shí)間、??空間濾波去噪技術(shù)進(jìn)行衛(wèi)星激光反射器追蹤及測(cè)距試驗(yàn)。??ＴＲＯＳＩＯＯＯ技術(shù)參數(shù)：??接收口徑：ｌｍ??系統(tǒng)質(zhì)量：１５噸??測(cè)程：３７０００?Ｋｍ??激光發(fā)射頻率：１?ｋＨｚ??外形尺寸：長(zhǎng)１５?ｍ、寬２．５?ｍ、高３．９?ｍ??脈沖能量：１．０?ｍｊ??５??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2871990