[科普中國]-微波測距儀

基本概念

用微波作載波信號測量兩點(diǎn)間距離的相位式測距儀器。 主要由分別架設(shè)在待測距離兩端的 主臺和副臺組成。由主臺向副臺發(fā) 射的測距信號，其相位為ωAt;副臺 接收主臺來的測距信號，其相位為 ωAt-ωAtD; 副臺也發(fā)射測距信號， 其相位為ω′At。這兩種信號在副臺 混頻后得到低頻測相信號的相位為(ωA-ωA′)·t-ωAtD;副臺向主臺發(fā)射上述兩種信號，即 測距信號和低頻測相信號，其到達(dá) 主臺后相位分別為：ωA′t-ωA′tD；(ωA-ωA′)t-(ωA-ωA′) tD-ωAtD，在主臺兩測試信號混頻后得到低頻 測相的AM信號，其相位為(ωA-ωA′)·t+ωA′tD;另一路線則形成低頻測相的FM 信號，其相位仍為(ωA-ωA′)t-(ωA-ωA′) tD-ωAtD。在主臺通過測相電路比測AM和 FM的相位差，顯然其相位差為φ=2ωAtD。

星間微波測距技術(shù)研究現(xiàn)狀目前，國外利用衛(wèi)星進(jìn)行地球重力場探測的主要系統(tǒng)，大致包括在2000年7月發(fā)射的地球科學(xué)應(yīng)用衛(wèi)星(CHAMP) ，2002年3月發(fā)射的重力場探測和氣象實驗衛(wèi)星(GRACE)，以及在2010年發(fā)射的重力場和靜態(tài)洋流探測衛(wèi)星(GOCE) 這些衛(wèi)星探測系統(tǒng)進(jìn)行重力場測量的工作原理，基本上都是通過對在軌運(yùn)行航天器軌道攝動情況的精確測量，并通過高靈敏、高精度星載加速度計的測量，分離排除了各種非保守力，如大氣阻尼、太陽輻射光壓、衛(wèi)星軌道機(jī)動等對在軌衛(wèi)星運(yùn)行的影響后，推演出重力場的分布特性。而且，為了盡可能減小地球以外其它星體(如太陽、月亮等)保守力(引力)對測量結(jié)果的影響成份，重力場探測衛(wèi)星大都選擇在較低軌道(如300--SOOkm)運(yùn)行。此時，其它星體引力對航天器在軌攝動的影響相對地球的影響會小得很多，以使分析處理結(jié)果對地球重力場的描述能更準(zhǔn)確一些。

在這些探測系統(tǒng)中，大體采用了兩類星間鏈路，一類是高低軌道的星間鏈路，此時高軌衛(wèi)星為GPS衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星則是專用的探測衛(wèi)星，它通過GPS接收機(jī)與高軌GPS星座衛(wèi)星相鏈接(如CHAMP，即由若干高軌衛(wèi)星(如GPS星座衛(wèi)星)跟蹤測量低軌衛(wèi)星的軌道攝動，以確定擾動重力場，通常稱為高一低SST模式(HL-SST。另一類除上述高、低軌道星間鏈路外，運(yùn)行于低軌道的探測衛(wèi)星系統(tǒng)本身就至少包括兩顆衛(wèi)星(如GRACE)，每顆衛(wèi)星不僅通過GPS接收機(jī)與GPS星座衛(wèi)星聯(lián)系，而且處于同一軌道運(yùn)行的兩顆探測衛(wèi)星(相距約220士SOkm)之間也有星間鏈路，通常稱為低一低SST (LL-SST)。目前提出的星間鏈路主要完成距離、距離變化率的測量，而且主要考慮采用K波段微波測距系統(tǒng)或激光測距系統(tǒng)。

利用第一種高一低SST技術(shù)，所測定的低階重力場精度可以較現(xiàn)有模型(星間跟蹤和衛(wèi)星梯度觀測模式)提高1個數(shù)量級以上，使對應(yīng)的低階大地水準(zhǔn)面精度達(dá)到毫米級。利用第二類技術(shù)，可供處理的探測數(shù)據(jù)大幅度增加，而且低一低SST模式(LL-SST)測速、測距精度更高，達(dá)}m量級，該精度也是星間微波測量所達(dá)到的最高技術(shù)水平。其一個月的數(shù)據(jù)所解算出的地球重力場模型比過去三十年的綜合重力場資料所得到的低階重力場測量精度高兩個數(shù)量級，且中長波地球重力場測量精度也相應(yīng)提高一個數(shù)量級以上，己成為其它國家的主要分析研究對象。GRACE的巨大成功引起了人們對于其后續(xù)計劃的興趣，其中包括更高精度的干涉激光測距系統(tǒng)，測量精度可以達(dá)到1 nm/s，配合其它星上儀器，有望將GRACE目前的空間分辯率提高到100 km。

同時，編隊衛(wèi)星在體積、性能、費(fèi)用等方面比單顆大衛(wèi)星具有明顯的優(yōu)勢。但要完成地面動目標(biāo)探測等功能，必須要提供精確的星間位置信息，星間高精度測距技術(shù)成為衛(wèi)星編隊飛行的關(guān)鍵技術(shù)之一。

美國空軍研究實驗室目前正在進(jìn)行’'21世紀(jì)技術(shù)衛(wèi)星”(TechS at-21)計劃，它由3顆微小衛(wèi)星組成，星間測距精度可達(dá)1厘米，它的發(fā)射與運(yùn)行將在航天史上首次突破并演示驗證三維非線性編隊飛行技術(shù)，從太空監(jiān)視與跟蹤地面活動目標(biāo)。該計劃原定2003年發(fā)射現(xiàn)推遲到2006年，由于技術(shù)復(fù)雜可能再度推遲。美國還有在2008年開始部署，由24顆低軌小衛(wèi)星和3顆備份星組成的”天基雷達(dá)監(jiān)視計劃”，以及美國航天司令部在其《長期發(fā)展規(guī)劃一2020設(shè)想》中勾畫出的天基”全球防御信息網(wǎng)”等計劃。

我國LL-SST系統(tǒng)的研制正處于起步階段，重力衛(wèi)星有效載荷中的高精度加速度計、雙頻GPS接收機(jī)，國家在“十五，，期間己經(jīng)投入了大量財力和人力進(jìn)行預(yù)研，取得了一定的成果，但KBR系統(tǒng)沒有安排預(yù)研。KBR系統(tǒng)是微米量級的測距系統(tǒng)，在我國基本還是空白。由于前期投入力度不大，研制處于起步階段，能否開發(fā)出星間高精度K頻段測距系統(tǒng)將成為我國重力衛(wèi)星能否成功的瓶頸和關(guān)鍵之一。1

相位法微波測距基本原理微波是指電磁波波段中頻率為300MHz到300GHz的電磁波，所對應(yīng)的電磁波長范圍為在1米到1毫米。利用微波作為載波進(jìn)行測距具有不受天氣情況影響，測點(diǎn)布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。相位法測距是通過間接測定發(fā)射測距信號和接收到的測距信號之間的相位差進(jìn)行測距，具有測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

相位法微波測距是利用無線電波的微波段作為載波，運(yùn)載測距信號，進(jìn)行精密測距。利用微波作為測距信號的載波，可以避免激光測距儀發(fā)射激光帶來的測距精度受氣象條件影響不能全天候測量，以及激光系統(tǒng)是一個精密的光學(xué)系統(tǒng)不易維護(hù)等問題。假設(shè)測距信號的角頻率為w，經(jīng)過距離D的傳輸后到達(dá)待測目標(biāo)后沿原路返回的測距信號為I= A cosw(t0 - Δt)測距信號往返待測距離D之間的時間差為 Δt，只要能夠測定時間差我們就以求得待測距離。但是通過直接測量時間差來測距的精度很低，如時間測量精度為lns時，代入測距公式 Δp=cΔ(Δt)，計算得到測距精度僅為0.3 m，而在實際工程應(yīng)用中三維位移監(jiān)測的精度要求為厘米甚至是毫米級，所以通過測量時間差測距遠(yuǎn)不能滿足要求。相位法激光測距采用測相的方法實現(xiàn)了毫米級精度的距離測量，為了滿足三維位移變形監(jiān)測的精度要求，采用相位測距的方法來提高測量精度。2

相位法測距是間接測定發(fā)射的測距信號和往返待測距離傳輸后接收的測距信號包含距離信息的相位差來達(dá)到測距的目的。相位法測距的原理如圖所示。