双向式测距系统性能最优化研究及其应用

　　1　引　言

　　常规卫星激光测距技术[1](又称双程激光测距)利用测量地面激光脉冲发射时刻和经卫星光学反射器反射的脉冲接收时刻来获得距离,接收能量与距离(测站到反射器)的四次方成反比,导致了这种测距方式最远仅能测量到月球的距离。双向式测距技术[2](又称应答式测距,Transponder)利用在地面和空间飞行器的两套测距系统分别向对方发射激光并接收对方激光脉冲,计时器分别记录发射激光脉冲时刻和从对方收到激光脉冲的时刻,进而得到两端距离和时钟钟差。双向式测距的接收能量仅与距离的平方成反比,因而测距能力大大提高,可开展对行星际距离目标的精确测距。双向式测距涉及星地两套独立的测距设备,因此需要认真研究两套系统如何配置才能使两端同时的测距效果最好。

　　由于仅仅在两端同时探测到相匹配的信号时我们才能准确计算星地两端的钟差和距离,因此为了增加同时探测到有效信号的概率,需要研究双向式测距系统的构成,以最优化两端的测距性能。通过下面分析可以看到,构成平衡系统和最大化采样率即能使双向式测距性能达到最优化,这样可以减少星端资源增加地面资源而通过提高测距频率达到最大的采样率。从已经成功的双向式测距试验MLA的系统中我们也可看到,MLA系统也采用了此优化方法。

　　2　平衡系统

　　在双向式测距中,一端(A表示)一次激光发射中被另一端(B表示)探测器接收的平均光子数可以由下面双向式测距雷达公式计算[3](对于测距两端情况对称的公式,仅写出B端,下同):

　　如果两端测站激光束的束散角,探测器和光学输出效率都大致相等,那么从式(1)可以推出,下面式(3)成立,比较两端测站的每秒整体探测光子数可以得到:

　　满足的系统称为平衡系统。我们把一端激光发射功率和另一端望远镜口径的乘积PAAB称为混合功率口径积。它是双向式激光测距中非常关键的因素,脉冲信号的探测概率与混合功率口径积PAAB成正比,它包含测距两端的特性。由于在双向式测距飞行器上严格的尺寸、质量和激光发射能量的限制,不能使用大体积和强能量的激光器来增加飞行器上的发射信号强度。在保持平衡系统的情况下,我们就可以按比例的增加地面端的激光发射功率和望远镜口径,同时减小空间端的功率和望远镜口径,这样两端测距系统就能得到优化的系统配置。

　　3　最大采样率

　　改变测距两端的PA积配置,还不能完全提高信号采样率,因为测距频率也会影响采样率的大小。在测距一端每秒的采样率由激光发射频率和探测概率的乘积得到[3]: