星載激光雷達(dá)高精高穩(wěn)探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)保證技術(shù)

袁金如，汪自軍，董長(zhǎng)哲，劉繼橋，石新宇

(1. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109； 2. 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800)

0 引言

激光雷達(dá)遙感衛(wèi)星具備主動(dòng)發(fā)射能量集中、波長(zhǎng)短觀測(cè)精細(xì)，以及無(wú)光照限制全天時(shí)連續(xù)工作，可探測(cè)大氣成分垂直廓線(xiàn)等特點(diǎn)。1994年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)蘭利研究中心首次進(jìn)行星載激光雷達(dá)空間技術(shù)試驗(yàn)(LITE)[1]，驗(yàn)證了星載激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)全球氣溶膠探測(cè)的可行性，自此星載激光雷達(dá)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究蓬勃發(fā)展。2003年，隨著ICESat衛(wèi)星發(fā)射入軌，其裝載的地球激光測(cè)高系統(tǒng)(GLAS)開(kāi)始工作，主要應(yīng)用于全球的冰層地形及氣溶膠和云的垂直分布探測(cè)[2]，是世界上第1個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)全球大氣及地表進(jìn)行連續(xù)探測(cè)的星載激光雷達(dá)系統(tǒng)。2006年，美國(guó)CALIPSO衛(wèi)星發(fā)射成功，其裝載的雙波長(zhǎng)正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)CALIOP成為迄今為止工作壽命最長(zhǎng)的星載激光雷達(dá)[3]。2018年，歐洲太空局ADM-Aeolus/ALADIN測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)衛(wèi)星發(fā)射成功，是全球首顆用于觀測(cè)地球風(fēng)場(chǎng)的專(zhuān)用衛(wèi)星，其采集的風(fēng)廓線(xiàn)數(shù)據(jù)有望顯著提高氣象的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度[4]。法國(guó)與德國(guó)合作的“灰背隼”(MERLIN)衛(wèi)星利用積分路徑差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)甲烷柱狀濃度，以用于全球碳循環(huán)及溫室氣體效應(yīng)研究，計(jì)劃于2021年發(fā)射[5]。關(guān)于全球溫室氣體CO2柱線(xiàn)濃度測(cè)量項(xiàng)目主要還有歐洲太空局ASCOPE[6]和美國(guó)ASCENDS[7]，但均處于研究論證階段，暫未有研制計(jì)劃。在我國(guó)，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星是國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃中的科研衛(wèi)星，是我國(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要組成部分。衛(wèi)星裝載了大氣探測(cè)激光雷達(dá)(ACDL)、高精度偏振掃描儀等有效載荷，通過(guò)主、被動(dòng)手段結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣細(xì)顆粒物、污染氣體、溫室氣體、云和氣溶膠等大氣環(huán)境要素進(jìn)行大范圍、連續(xù)、動(dòng)態(tài)、全天時(shí)的綜合監(jiān)測(cè)[8]。作為主要載荷，ACDL采用雙體制3波長(zhǎng)激光雷達(dá)同步探測(cè)全球氣溶膠垂直廓線(xiàn)信息、CO2柱線(xiàn)濃度等重要大氣環(huán)境要素。氣溶膠探測(cè)綜合采用532，1 064 nm雙波長(zhǎng)后向散射、高光譜分辨和偏振接收方法。CO2柱線(xiàn)濃度測(cè)量采用雙脈沖1 572 nm激光積分路徑差分吸收方法。ACDL的高精度探測(cè)對(duì)整星機(jī)熱保障、高精度指向保證等提出了很高的要求。

本文針對(duì)大氣激光遙感衛(wèi)星CO2柱線(xiàn)濃度遙感探測(cè)，開(kāi)展了星載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)指標(biāo)體系梳理、探測(cè)精度影響敏感參數(shù)和功能模塊配置及保障要求分析等工作，重點(diǎn)從星載激光雷達(dá)光機(jī)頭部穩(wěn)定安裝、良好機(jī)熱環(huán)境及發(fā)射光軸絕對(duì)指向高精度測(cè)量等整星層面進(jìn)行總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)保證；同時(shí)就激光雷達(dá)波長(zhǎng)、能量精度及穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星對(duì)地光軸指向高精度測(cè)定和星地載荷光軸指向測(cè)量誤差標(biāo)定提出地面試驗(yàn)驗(yàn)證要求。大氣激光遙感衛(wèi)星在軌飛行示意圖如圖1所示。

圖1 大氣激光遙感衛(wèi)星在軌飛行示意圖Fig.1 Schematic diagram of atmospheric laserremote sensing satellite on orbit

1 探測(cè)原理及測(cè)量系統(tǒng)指標(biāo)體系框架

1.1 CO2柱線(xiàn)濃度測(cè)量原理

衛(wèi)星利用激光雷達(dá)積分路徑差分吸收體制測(cè)量CO2柱線(xiàn)濃度[7]。當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)某探測(cè)點(diǎn)時(shí)，分別發(fā)射波長(zhǎng)為λon和λoff的2束激光照射地面，其中λon波長(zhǎng)與CO2氣體分子中心譜線(xiàn)(帶)重合，該光束在大氣介質(zhì)中傳輸時(shí)，受到CO2氣體分子的強(qiáng)烈吸收而衰減，根據(jù)激光被吸收的程度可確定大氣中CO2氣體分子的濃度。同時(shí)為了減小大氣中其他氣體分子、氣溶膠造成的衰減，以及儀器參數(shù)等對(duì)探測(cè)精度的影響，選取另一波長(zhǎng)λoff對(duì)其進(jìn)行校正，該波長(zhǎng)處于CO2吸收譜線(xiàn)的谷值且略偏離λon，2束激光(雙脈沖)沿同一大氣路徑發(fā)射并傳輸，原理如圖2所示。

圖2 積分路徑差分吸收星載激光雷達(dá)探測(cè)CO2濃度原理Fig.2 Schematic diagram of detecting concentration of CO2 using integration path differential absorption space-borne lidar

由于2束激光被CO2吸收的能量不同，衛(wèi)星接收到的兩激光束反射回波能量就有區(qū)別。結(jié)合大氣溫度、壓強(qiáng)、水汽混合比等環(huán)境參數(shù)及衛(wèi)星指向測(cè)量不確定性等衛(wèi)星軌道姿態(tài)參數(shù)，根據(jù)接收的回波信號(hào)差別計(jì)算得到CO2柱線(xiàn)濃度。

1.2 星載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)指標(biāo)體系框架

根據(jù)應(yīng)用指標(biāo)要求，CO2柱線(xiàn)濃度測(cè)量精度為1×10-6/50 km(陸地)。影響積分路徑差分吸收激光雷達(dá)測(cè)量全球CO2柱線(xiàn)濃度的誤差主要包括載荷參數(shù)誤差、平臺(tái)參數(shù)誤差及大氣環(huán)境參數(shù)誤差[9]，體系框架如圖3所示。

圖3 CO2激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)指標(biāo)體系框架Fig.3 Index system of space-borne lidar on CO2 measurement

2 探測(cè)精度敏感參數(shù)指標(biāo)要求及激光雷達(dá)功能模塊配置

2.1 探測(cè)精度影響參數(shù)指標(biāo)要求

本文僅考慮激光雷達(dá)自身系統(tǒng)誤差及衛(wèi)星姿態(tài)指向精度影響，并著重考慮需要衛(wèi)星進(jìn)行保證的參數(shù)，而不考慮激光雷達(dá)探測(cè)隨機(jī)誤差及大氣壓力、溫度和濕度等環(huán)境引入誤差影響。

2.1.1 激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)

CO2柱線(xiàn)濃度的測(cè)量與發(fā)射光信號(hào)功率、接收光信號(hào)功率大小密切相關(guān)。激光波長(zhǎng)、能量、線(xiàn)寬、頻率穩(wěn)定性、光譜純度等不確定性因素都會(huì)帶來(lái)CO2濃度測(cè)量誤差，主要誤差項(xiàng)見(jiàn)表1。

2.1.2 衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)指標(biāo)

衛(wèi)星指向不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致沿軌、穿軌多普勒效應(yīng)。on-line和off-line足印不重合、激光路徑長(zhǎng)度不確定等均會(huì)引起全球CO2柱線(xiàn)濃度測(cè)量誤差。綜合分析，對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)精度指標(biāo)要求見(jiàn)表2。

表1 激光雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)要求

表2 衛(wèi)星姿態(tài)精度指標(biāo)要求

其中，衛(wèi)星姿態(tài)確定精度是指從激光雷達(dá)發(fā)射光軸到星敏光軸的指向測(cè)量精度，主要受星敏自身測(cè)量誤差、星敏支架變形誤差及激光雷達(dá)內(nèi)部光路傳輸誤差等影響。

2.2 激光雷達(dá)功能模塊配置

星載激光雷達(dá)主要通過(guò)具有高穩(wěn)定、高精度波長(zhǎng)及能量要求的激光發(fā)射及高靈敏度回波接收，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)PM2.5等細(xì)顆粒物及CO2柱線(xiàn)濃度的高精度遙感探測(cè)。根據(jù)激光雷達(dá)系統(tǒng)一般組成原理[10]，大氣遙感衛(wèi)星激光雷達(dá)包含激光發(fā)射、回波接收及服務(wù)保障三大模塊。其中：激光發(fā)射模塊主要由發(fā)射望遠(yuǎn)鏡、功率激光器和參考激光器等部分組成；回波接收模塊主要由接收望遠(yuǎn)鏡、后端光路和數(shù)據(jù)采集等部分組成；服務(wù)模塊主要由安裝結(jié)構(gòu)、能源供應(yīng)、溫度控制、內(nèi)部通信、遙測(cè)遙控等部分組成。激光雷達(dá)主要功能模塊配置如圖4所示。

圖4 激光雷達(dá)主要功能模塊配置Fig.4 Main functional module configuration of space-borne lidar

激光雷達(dá)功能模塊配置中，直接影響衛(wèi)星遙感探測(cè)精度的有發(fā)射望遠(yuǎn)鏡、功率激光器、參考激光器、接收望遠(yuǎn)鏡、后端光路、能量監(jiān)測(cè)等功能模塊，這些關(guān)鍵模塊一般集成于激光雷達(dá)光機(jī)頭部。其中，激光發(fā)射能量、波長(zhǎng)、線(xiàn)寬、光譜純度指標(biāo)主要取決于功率激光器、參考激光器性能，濾波器帶寬指標(biāo)主要取決于后端光路模塊性能。發(fā)射及接收功率測(cè)量精度主要取決于能量監(jiān)測(cè)模塊性能。工作環(huán)境條件尤其是力學(xué)環(huán)境及溫控水平對(duì)激光雷達(dá)以上性能參數(shù)影響很大。力熱引起的變形，輕則導(dǎo)致光束質(zhì)量變壞，重則引起元器件內(nèi)缺陷、表面灰塵污染，將導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)失效[11]。因此，需要衛(wèi)星提供穩(wěn)定的安裝結(jié)構(gòu)及良好的熱控環(huán)境保障。

3 激光雷達(dá)高精度探測(cè)保證措施

從總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)保證、地面試驗(yàn)專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)證和星地載荷光軸指向測(cè)量誤差標(biāo)定三大層面，提出激光雷達(dá)在光機(jī)頭部穩(wěn)定安裝條件、良好機(jī)熱環(huán)境及發(fā)射光軸絕對(duì)指向高精度測(cè)量技術(shù)的保證措施。

3.1 總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)保證

3.1.1 合理構(gòu)型

大氣激光綜合遙感衛(wèi)星整星采用中心承力筒+蜂窩板封閉式艙體構(gòu)型，大體積激光雷達(dá)光機(jī)頭部通過(guò)其箱體式整體框架水平安裝在衛(wèi)星載荷艙頂板上。整星主傳力路徑為激光雷達(dá)光機(jī)頭部→載荷艙隔板→中心承力筒→星箭連接環(huán)，路徑簡(jiǎn)潔，傳力高效。衛(wèi)星總體構(gòu)型如圖5所示。

根據(jù)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型特點(diǎn)，在推進(jìn)艙底板、服務(wù)艙底板、載荷艙底板、載荷艙中板、載荷艙頂板相應(yīng)處設(shè)置振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖5)，分別監(jiān)測(cè)主傳力路徑及激光雷達(dá)光機(jī)頭部安裝面結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)放大特性，具體頻響特性情況如圖6所示。

圖5 大氣激光遙感衛(wèi)星總體結(jié)構(gòu)構(gòu)型Fig.5 Structural configuration of atmospheric laser remote sensing satellite

圖6 衛(wèi)星主傳力路徑及激光雷達(dá)安裝面頻率響應(yīng)情況Fig.6 Frequency response of main load trans-pathof satellite and mounting surface of lidar

衛(wèi)星主傳力結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)放大傳遞隨衛(wèi)星結(jié)構(gòu)高度的增加而增大，曲線(xiàn)順滑無(wú)突變，衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)剛度特性較好；激光雷達(dá)安裝面響應(yīng)放大控制在8倍以?xún)?nèi)，安裝條件滿(mǎn)足相關(guān)要求。

3.1.2 統(tǒng)籌布局

激光雷達(dá)光機(jī)頭部整體外框采用碳纖維材料，熱傳導(dǎo)系數(shù)低，同時(shí)在衛(wèi)星載荷艙頂板連接處采用鈦合金鑲塊加強(qiáng)，阻止其與衛(wèi)星平臺(tái)之間的熱傳導(dǎo)耦合，以便實(shí)施獨(dú)立熱控。為防止海洋鏡面反射造成探測(cè)器損傷，激光雷達(dá)光機(jī)頭部沿衛(wèi)星X軸整體偏轉(zhuǎn)2°安裝，且遮光罩偏向背陽(yáng)面(+Y)一側(cè)，保證探測(cè)器接收能量安全，同時(shí)降低了太陽(yáng)光照射遮光罩內(nèi)側(cè)面積，提升熱控效率并減少雜散光影響。散熱板熱控組件分布安裝在整體外框背陽(yáng)面(+Y)一側(cè)，不直接與基準(zhǔn)板等高精度要求光學(xué)組件相連，既提供了高效散熱面，又不影響關(guān)鍵部位精度。

高精度大功率激光器通過(guò)多級(jí)力、熱隔離，實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定機(jī)熱環(huán)境工作條件。激光雷達(dá)光機(jī)頭部通過(guò)鈦合金箱盒式墊片與衛(wèi)星平臺(tái)隔熱安裝，高精度高導(dǎo)熱要求基準(zhǔn)板通過(guò)鈦合金柔性安裝腳安裝在激光雷達(dá)整體外框承載龍門(mén)架上，功率激光器則通過(guò)精確剛度/阻尼設(shè)計(jì)的鈦合金減振安裝腳固定在基準(zhǔn)板上。另外，大功耗功率激光器熱量通過(guò)異型外貼熱管傳導(dǎo)至散熱板輻射散出，異型熱管可高效導(dǎo)熱，亦可部分吸收安裝及熱變形應(yīng)力。星載激光雷達(dá)光機(jī)頭部總體布局如圖7所示。

圖7 星載激光雷達(dá)總體布局Fig.7 System layout for space-borne lidar

激光雷達(dá)發(fā)射光軸到星敏光軸的絕對(duì)指向高精度測(cè)量，對(duì)多頭星敏與激光雷達(dá)之間的連接件，即星敏支架熱變形提出了很高的要求。為保證星敏支架穩(wěn)定熱環(huán)境，根據(jù)太陽(yáng)同步軌道光照特點(diǎn)，在其外圍增加了封閉式熱控罩，然后再對(duì)星敏支架實(shí)施精密溫控，星敏熱量直接通過(guò)散熱板輻射散出。星敏支架安裝布局及典型工況下溫度分布如圖8所示。

星敏支架溫度處于19～21 ℃，滿(mǎn)足環(huán)境溫度水平要求。其中星敏安裝面溫度處于19.5 ～20.1 ℃，變化平滑，波動(dòng)為-0.3～0.3 ℃，滿(mǎn)足熱變形控制所需的局部溫度波動(dòng)要求。

3.1.3 星敏載荷一體化

圖8 星敏支架安裝布局及其溫度分布Fig.8 Layout and temperature distribution for mounting bracket of star sensors

為補(bǔ)償衛(wèi)星指向不確定導(dǎo)致的衛(wèi)星沿軌多普勒頻移效應(yīng)，需保證激光雷達(dá)發(fā)射光軸到星敏光軸的絕對(duì)指向測(cè)量精度，該指向測(cè)量精度主要受星敏自身測(cè)量誤差、星敏支架變形誤差及激光雷達(dá)內(nèi)部光路傳輸誤差等影響。為減少傳輸環(huán)節(jié)，將星敏支架與激光雷達(dá)基準(zhǔn)板一體安裝，且兩者均采用鋁基碳化硅材料，保證熱變形的一致性。星敏與激光雷達(dá)光機(jī)頭部一體化安裝設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 星敏與激光雷達(dá)一體化安裝布局設(shè)計(jì)Fig.9 Integrated layout design of starsensors and space-borne lidar

為定量測(cè)量激光雷達(dá)內(nèi)部光路傳輸情況，設(shè)置光軸監(jiān)視單元，測(cè)量其發(fā)射光軸到星敏支架之間的安裝及變形誤差。并將光軸監(jiān)視單元的激光合束棱鏡與星敏支架精測(cè)棱鏡合二為一，實(shí)現(xiàn)星敏安裝、測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)三基準(zhǔn)統(tǒng)一，進(jìn)一步減少誤差環(huán)節(jié)，如圖10所示。

圖10 星敏安裝、測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)統(tǒng)一基準(zhǔn)Fig.10 Installation, measurement and deformationmonitoring reference of star sensors

通過(guò)上述星敏與激光雷達(dá)一體化布局和安裝、測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)三基準(zhǔn)統(tǒng)一，光軸變形監(jiān)視等設(shè)計(jì)措施，激光雷達(dá)對(duì)地光軸指向測(cè)量確定精度可優(yōu)于28″，滿(mǎn)足基于沿軌多普勒頻移約束的衛(wèi)星指向不確定性控制要求。

3.2 地面試驗(yàn)驗(yàn)證要求

3.2.1 整星條件下激光雷達(dá)波長(zhǎng)、能量精度及穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

星載激光雷達(dá)為主動(dòng)式探測(cè)系統(tǒng)，激光波長(zhǎng)及發(fā)射能量的精度和穩(wěn)定性直接影響CO2反演探測(cè)精度。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)要求，1 572 nm波長(zhǎng)相對(duì)測(cè)量誤差需控制在0.6 MHz，單脈沖能量監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差需控制在5%，并在星上激光雷達(dá)系統(tǒng)中設(shè)置了相應(yīng)的波長(zhǎng)頻率及能量監(jiān)視系統(tǒng)。為驗(yàn)證激光雷達(dá)在裝星、測(cè)試及試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)射激光的性能及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度和穩(wěn)定性，需在地面建立整星條件下激光雷達(dá)波長(zhǎng)、能量精度及穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)激光雷達(dá)發(fā)射激光的能量和波長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與星上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)。地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)波長(zhǎng)檢測(cè)精度優(yōu)于0.3 MHz，能量檢測(cè)精度優(yōu)于2%。

3.2.2 衛(wèi)星對(duì)地光軸指向高精度測(cè)定

激光雷達(dá)收發(fā)光軸匹配精度及衛(wèi)星對(duì)地光軸指向測(cè)量精度是保證全球CO2柱線(xiàn)濃度反演精度的關(guān)鍵性指標(biāo)。激光雷達(dá)收發(fā)光軸匹配是指在軌期間收發(fā)光軸處于同軸狀態(tài)，即發(fā)射激光和接收望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)光軸時(shí)刻保持平行。受空間環(huán)境溫度變化等影響，激光雷達(dá)發(fā)射光軸和接收光軸會(huì)產(chǎn)生偏差，需要在軌進(jìn)行收發(fā)光軸的匹配調(diào)節(jié)。衛(wèi)星對(duì)地光軸高精度指向測(cè)量是用于補(bǔ)償激光雷達(dá)發(fā)射光軸指向不精確導(dǎo)致的沿軌多普勒頻移效應(yīng)引起的CO2探測(cè)誤差。根據(jù)任務(wù)分析，要求激光雷達(dá)發(fā)射光軸和接收光軸匹配精度控制在30 μrad以?xún)?nèi)，衛(wèi)星對(duì)地光軸指向測(cè)量精度控制在140 μrad以?xún)?nèi)，并在星上設(shè)置光軸監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。為驗(yàn)證激光雷達(dá)裝星測(cè)試過(guò)程及力熱試驗(yàn)前后收發(fā)光軸匹配性，以及衛(wèi)星對(duì)地光軸指向測(cè)量精度和穩(wěn)定性，需在地面建立衛(wèi)星對(duì)地光軸指向高精度測(cè)定系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與星上光軸監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)。衛(wèi)星對(duì)地光軸指向高精度測(cè)定系統(tǒng)收發(fā)光軸匹配測(cè)試精度優(yōu)于15 μrad，發(fā)射光軸指向測(cè)試精度優(yōu)于20 μrad。

3.3 星地載荷光軸指向測(cè)量誤差標(biāo)定

根據(jù)調(diào)研，國(guó)外類(lèi)似星載激光雷達(dá)光軸指向標(biāo)定方法主要有地面信標(biāo)標(biāo)定、航拍標(biāo)定、反射回波標(biāo)定和測(cè)距標(biāo)定4種方法。地面信標(biāo)標(biāo)定和反射回波標(biāo)定均需要布置地面信標(biāo)，且需有較為開(kāi)闊平整的地面定標(biāo)場(chǎng)，目前國(guó)內(nèi)缺乏相應(yīng)的條件。航拍定標(biāo)方法每次進(jìn)行定標(biāo)時(shí)需租用飛機(jī)進(jìn)行航拍，滿(mǎn)足衛(wèi)星連續(xù)業(yè)務(wù)化運(yùn)行要求成本極高。測(cè)距標(biāo)定方法利用星載GPS給出的高精度軌道位置和地球模型精確計(jì)算激光發(fā)射時(shí)衛(wèi)星理論高度，結(jié)合衛(wèi)星姿態(tài)信息計(jì)算衛(wèi)星的理論指向距離；然后與激光雷達(dá)自身的測(cè)距信息進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)幾何方法計(jì)算衛(wèi)星理論指向距離與激光雷達(dá)實(shí)測(cè)距離偏差，繼而得到激光雷達(dá)光軸指向誤差。測(cè)距定標(biāo)相關(guān)方法已應(yīng)用于機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)標(biāo)定[12]，經(jīng)過(guò)適應(yīng)性設(shè)計(jì)，該方法可用于星地激光發(fā)射光軸指向標(biāo)定，可滿(mǎn)足衛(wèi)星低成本、高精度、高頻度、連續(xù)業(yè)務(wù)化運(yùn)行實(shí)施要求。星載激光雷達(dá)測(cè)距標(biāo)定一般選在廣闊平靜的海面。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)大氣激光遙感衛(wèi)星CO2柱線(xiàn)濃度遙感探測(cè)原理，簡(jiǎn)要?dú)w納分析了星載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)指標(biāo)體系框架、探測(cè)精度影響敏感參數(shù)和功能模塊配置及星上保障需求，重點(diǎn)從星載激光雷達(dá)光機(jī)頭部的穩(wěn)定安裝、良好機(jī)熱環(huán)境保障及星敏載荷一體化布局等方面，開(kāi)展總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證，初步仿真結(jié)果表明方案可行。同時(shí)提出了激光雷達(dá)波長(zhǎng)、能量精度及穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星對(duì)地光軸指向高精度測(cè)定和星地載荷光軸指向測(cè)量誤差標(biāo)定的地面試驗(yàn)驗(yàn)證要求，為激光雷達(dá)遙感衛(wèi)星研制試驗(yàn)和產(chǎn)品保證提供參考。隨著工程研制的推進(jìn)，將陸續(xù)開(kāi)展各項(xiàng)地面試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和實(shí)施驗(yàn)證，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，同時(shí)為后續(xù)系列衛(wèi)星改進(jìn)提供技術(shù)參考。