人造卫星激光测距系统

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人造卫星激光测距系统
申请号	CN201410781776.1	申请日	2014-12-16	公开(公告)号	CN104535992A	公开(公告)日	2015-04-22
申请人	中国测绘科学研究院;			发明人	李谦; 赵春梅; 瞿锋; 卫志斌; 何正斌;
摘要	本发明提供了一种人造卫星激光测距系统，该人造卫星激光测距系统，其特征在于，包括测距控制计算机、激光器、发射望远镜、接收望远镜、数据采集计算机、事件计时器、距离门电路板、人造卫星跟瞄装置以及单光子雪崩二极管。本发明提供的人造卫星激光测距系统，通过事件计时器记录主波时刻和回波时刻，高分辨率高精度距离门的应用能够大大提高系统的信噪比，进而提高了有效回波数据量，同时显著地提高了系统的测距精度和测距能力。
权利要求	1.一种人造卫星激光测距系统，其特征在于，包括测距控制计算机、激光器、发射望远镜、接收望远镜、数据采集计算机、事件计时器、距离门电路板、人造卫星跟瞄装置以及单光子雪崩二极管；所述测距控制计算机实时的计算人造卫星在测站坐标系下的预报位置以及根据所述预报位置得到引导信息，并周期性地计算激光点火时刻和距离门预报时刻；所述人造卫星跟瞄装置与所述测距控制计算机、发射望远镜、接收望远镜相连，所述人造卫星跟瞄装置根据所述引导信息控制所述发射望远镜和接收望远镜跟随所述人造卫星转动；所述距离门电路板与所述测距控制计算机、激光器、单光子雪崩二极管相连，所述距离门电路板根据所述激光点火时刻控制所述激光器的点火，以及根据所述距离门预报时刻控制所述单光子雪崩二极管的使能；所述激光器与所述发射望远镜相连，在所述激光器产生的激光脉冲通过所述发射望远镜射向所述人造卫星的同时，从所述激光脉冲的发射光路中取部分激光并形成主波脉冲；所述单光子雪崩二极管与所述接收望远镜相连，所述单光子雪崩二极管将所述接收望远镜接收到的所述人造卫星的反射激光转换为电脉冲，所述电脉冲整形后形成回波脉冲；所述事件计时器记录所述主波脉冲的时刻作为主波时刻，记录所述回波脉冲的时刻作为回波时刻；所述数据采集计算机与所述事件计时器相连，所述数据采集计算机根据所述事件计时器记录的主波时刻和回波时刻进行测距。 2.根据权利要求1所述的人造卫星激光测距系统，其特征在于，所述距离门电路板包括锁存器、第一缓存器、本地时钟、比较器和第二缓存器；所述锁存器与所述第一缓冲器、所述本地时钟相连；所述比较器与所述本地时钟、第二缓冲器相连；所述第一缓冲器、所述第二缓冲器与所述测距控制计算机相连。 3.根据权利要求2所述的人造卫星激光测距系统，其特征在于，所述第一缓冲器、所述第二缓冲器通过并口与所述测距控制计算机相连。 4.根据权利要求1所述的人造卫星激光测距系统，其特征在于，还包括时间与频率基准提供装置，用于为所述人造卫星激光测距系统提供时间基准和频率基准，所述时间与频率基准提供装置包括GPS授时接收机、脉冲分配器和频率分配器，所述脉冲分配器与所述GPS授时接收机相连，所述频率分配器与所述GPS授时接收机相连。 5.根据权利要求1所述的人造卫星激光测距系统，其特征在于，所述激光器发射激光的重复频率为2KHz。
说明书全文	人造卫星激光测距系统技术领域 [0001] 本发明涉及激光测距领域，尤其涉及一种人造卫星激光测距系统。背景技术 [0002] 人造卫星激光测距(SLR)技术是以测量激光脉冲由观测站出发，经由合作目标(通常是装有后向反射器的卫星)反射，最后返回到观测站的飞行时间为基础的，单次测量精度可达厘米级乃至亚厘米级的卫星测距手段。 [0003] 在现有的卫星激光测距系统中，激光器产生的激光脉冲经曲折光路和Cude光路引入发射望远镜，发射望远镜将激光束准直后射向带有后向角反射器的人造卫星，同时在发射光路中取出很小一部分，通过主波取样电路形成电脉冲，分成两路，一路称为主波脉冲，经脉冲分配器整形后，作为开门信号或开始信号，用来启动时间间隔计数器(如HP5370B、SR620)，另一路进入计时电路为记录激光发射时刻服务，射向人造卫星的激光脉冲，经人造卫星的反射器反射后返回地面，由接收望远镜系统接收，在接收望远镜系统的焦点上经光电转换器件单光子雪崩二极管(C-SPAD)转换为电脉冲，再经脉冲分配器整形后形成回波脉冲，作为关门信号或停止信号，用来停止时间间隔计数器的计数，这样时间间隔计数器便记录下了主波脉冲和回波脉冲之间的时间间隔，即激光在观测站和人造卫星之间的往返飞行时间t，乘以光速c即可计算出测距值。 [0004] 然而，上述采用时间间隔计数器来测量单次激光脉冲的飞行时间的传统SLR技术，对于不同轨道高度的卫星，激光脉冲的一次飞行时间从数毫秒到数百毫秒不等，因此时间间隔计时技术限制了SLR系统的工作频率，对于高轨卫星，激光重复频率只能在10Hz以下，由于激光重复频率低则造成了系统信噪比低，使得系统在测量中高轨卫星以及地影中的低轨卫星时能力低下。发明内容 [0005] (一)要解决的技术问题 [0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种人造卫星激光测距系统，能够提高系统的信噪比。 [0007] (二)技术方案 [0008] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种人造卫星激光测距系统，包括测距控制计算机、激光器、发射望远镜、接收望远镜、数据采集计算机、事件计时器、距离门电路板、人造卫星跟瞄装置以及单光子雪崩二极管； [0009] 所述测距控制计算机实时的计算人造卫星在测站坐标系下的预报位置以及根据所述预报位置得到引导信息，并周期性地计算激光点火时刻和距离门预报时刻； [0010] 所述人造卫星跟瞄装置与所述测距控制计算机、发射望远镜、接收望远镜相连，所述人造卫星跟瞄装置根据所述引导信息控制所述发射望远镜和接收望远镜跟随所述人造卫星转动； [0011] 所述距离门电路板与所述测距控制计算机、激光器、单光子雪崩二极管相连，所述距离门电路板根据所述激光点火时刻控制所述激光器的点火，以及根据所述距离门预报时刻控制所述单光子雪崩二极管的使能； [0012] 所述激光器与所述发射望远镜相连，在所述激光器产生的激光脉冲通过所述发射望远镜射向所述人造卫星的同时，从所述激光脉冲的发射光路中取部分激光并形成主波脉冲； [0013] 所述单光子雪崩二极管与所述接收望远镜相连，所述单光子雪崩二极管将所述接收望远镜接收到的所述人造卫星的反射激光转换为电脉冲，所述电脉冲整形后形成回波脉冲； [0014] 所述事件计时器记录所述主波脉冲的时刻作为主波时刻，记录所述回波脉冲的时刻作为回波时刻； [0015] 所述数据采集计算机与所述事件计时器相连，所述数据采集计算机根据所述事件计时器记录的主波时刻和回波时刻进行测距。 [0016] 进一步地，所述距离门电路板包括锁存器、第一缓存器、本地时钟、比较器和第二缓存器； [0017] 所述锁存器与所述第一缓冲器、所述本地时钟相连； [0018] 所述比较器与所述本地时钟、第二缓冲器相连； [0019] 所述第一缓冲器、所述第二缓冲器与所述测距控制计算机相连。 [0020] 进一步地，所述第一缓冲器、所述第二缓冲器通过并口与所述测距控制计算机相连。 [0021] 进一步地，还包括时间与频率基准提供装置，用于为所述人造卫星激光测距系统提供时间基准和频率基准，所述时间与频率基准提供装置包括GPS授时接收机、脉冲分配器和频率分配器，所述脉冲分配器与所述GPS授时接收机相连，所述频率分配器与所述GPS授时接收机相连。 [0022] 进一步地，所述激光器发射激光的重复频率为2KHz。 [0023] (三)有益效果 [0024] 本发明提供的人造卫星激光测距系统，通过事件计时器记录主波时刻和回波时刻，高分辨率高精度距离门的应用能够大大提高系统的信噪比，进而提高了有效回波数据量，同时显著地提高了系统的测距精度和测距能力。附图说明 [0025] 图1是本发明实施方式提供的一种人造卫星激光测距系统的示意图； [0026] 图2是本发明实施方式提供的另一种人造卫星激光测距系统的示意图； [0027] 图3是本发明实施方式提供的一种人造卫星跟瞄装置的示意图； [0028] 图4为本发明实施方式提供的一种距离门电路板的示意图。具体实施方式 [0029] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 [0030] 图1是本发明实施方式提供的一种人造卫星激光测距系统的示意图，包括测距控制计算机1、激光器2、发射望远镜3、接收望远镜4、数据采集计算机5、事件计时器6、距离门电路板7、人造卫星跟瞄装置8以及单光子雪崩二极管9； [0031] 所述测距控制计算机实时的计算人造卫星在测站坐标系下的预报位置以及根据所述预报位置得到引导信息，并周期性地计算激光点火时刻和距离门预报时刻； [0032] 所述人造卫星跟瞄装置与所述测距控制计算机、发射望远镜、接收望远镜相连，所述人造卫星跟瞄装置根据所述引导信息控制所述发射望远镜和接收望远镜跟随所述人造卫星转动； [0033] 所述距离门电路板与所述测距控制计算机、激光器、单光子雪崩二极管相连，所述距离门电路板根据所述激光点火时刻控制所述激光器的点火，以及根据所述距离门预报时刻控制所述单光子雪崩二极管的使能； [0034] 所述激光器与所述发射望远镜相连，在所述激光器产生的激光脉冲通过所述发射望远镜射向所述人造卫星的同时，从所述激光脉冲的发射光路中取部分激光并形成主波脉冲； [0035] 所述单光子雪崩二极管与所述接收望远镜相连，所述单光子雪崩二极管将所述接收望远镜接收到的所述人造卫星的反射激光转换为电脉冲，所述电脉冲整形后形成回波脉冲； [0036] 所述事件计时器记录所述主波脉冲的时刻作为主波时刻，记录所述回波脉冲的时刻作为回波时刻； [0037] 所述数据采集计算机与所述事件计时器相连，所述数据采集计算机根据所述事件计时器记录的主波时刻和回波时刻进行测距。 [0038] 其中，所述激光器发射激光的重复频率为2KHz。 [0039] 本发明实施方式提供的人造卫星激光测距系统，通过事件计时器记录主波时刻和回波时刻，能够大大提高系统的信噪比，进而提高了有效回波数据量，同时显著地提高了系统的测距精度和测距能力。 [0040] 图2是本发明实施方式提供的另一种人造卫星激光测距系统的示意图，该人造卫星激光测距系统包括测距控制计算机、人造卫星跟瞄装置、数据采集计算机、激光器、事件计时器、距离门电路板、发射系统、接收系统和单光子雪崩二极管(C-SPAD)，还包括时间与频率基准提供装置； [0041] 其中，人造卫星跟瞄装置可包括伺服模块及时间模块，如图3所示，其中伺服模块包括直流力矩电机、Renishaw圆光栅、测速发电机、直流伺服驱动器、编码器计数卡及D/A卡；时间模块可包括GPS授时接收机(如HP58503)、天线、计数器卡(如TMC-10)，在卫星激光测距系统中，一般采用国际激光测距服务网(ILRS)提供的卫星轨道预报参数计算得到卫星在测站坐标系下的三维坐标值(方位角、俯仰角、时间)，通过使该时间模块与UTC时间保持同步，从而能够保证望远镜精确地指向过境卫星。其中，上述的D/A卡、编码器计数器卡、计数器卡可内嵌至测距控制计算机中。 [0042] 具体地，测距控制计算机主要负责实时计算卫星在测站坐标系下的预报位置并且将引导信息下发到伺服模块，并周期性地计算距离门预报时刻和激光点火时刻并向距离门电路板下发； [0043] 伺服模块接收来自测距控制计算机的引导信息控制发射系统中的发射望远镜和接收系统中的接收望远镜跟随卫星转动； [0044] 该时间与频率基准提供装置用于为人造卫星激光测距系统提供时间基准和频率基准，具体包括GPS授时接收机、脉冲分配器和频率分配器，其中，脉冲分配器与GPS授时接收机相连，频率分配器与GPS授时接收机相连。； [0045] 距离门电路板依据来自测距控制计算机的时刻信息精确控制激光器的点火和C-SAPD的使能； [0046] 数据采集计算机周期性地从事件计时器读入主波时刻序列和回波时刻序列，依据卫星预报对主波时刻和回波时刻进行精确匹配，从而计算得出激光飞行时间。具体地，在激光器产生的激光脉冲通过发射望远镜射向人造卫星的同时，通过光电探头、恒比鉴时器从激光脉冲的发射光路中取部分激光并形成主波脉冲；当接收望远镜接收到人造卫星的反射激光时，通过单光子雪崩二极管将该反射激光转换为电脉冲，而后通过接口电路板将该电脉冲整形从而形成回波脉冲；在上述过程中，事件计时器记录主波脉冲的时刻作为主波时刻，记录回波脉冲的时刻作为回波时刻，而后数据采集计算机根据事件计时器中记录的主波时刻和回波时刻进行测距。 [0047] 如图4所示，上述的距离门电路板包括锁存器、第一缓存器、本地时钟、比较器和第二缓存器；其中，所述锁存器与所述第一缓冲器、所述本地时钟相连；所述比较器与所述本地时钟、第二缓冲器相连；所述第一缓冲器、所述第二缓冲器与所述测距控制计算机相连。 [0048] 具体地，可采用Xilinx Spartan3系列FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)器件作为该距离门电路板的核心器件。该距离门电路板内部主要实现三大功能，分别是本地时钟的建立、门控时刻比较输出、主波历元锁存输出。具体地，本地时钟通过接收到的1PPS信号和10MHz信号建立分辨率为5ns，与UTC时间同步精度小于30us的本地时钟值；当有主波信号到达，则将此时的时钟值锁存并送入缓存，周期性地通过并口发送到计算机；周期性地接收从计算机下发的距离门预报时刻和激光点火时刻，将这些时刻和当前时钟进行比较，如果相等则输出脉冲信号到C-SPAD或激光器，其中，所述第一缓冲器、所述第二缓冲器可通过并口与所述测距控制计算机相连，从而实现距离门电路板与测距控制计算机之间的数据传输。 [0049] 本发明通过将较高激光重复频率的激光器及其技术引入SLR领域，采用事件计时器记录主波时刻和回波时刻，并根据卫星轨道预报进行匹配，进而获得激光飞行时间，能够大大提高了单位时间内数据密度和探测成功概率，在探测中高轨卫星及地影中的低轨卫星时相对于传统的SLR技术表现出极大的优势。 [0050] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。