CN2657015Y - 正六边形角反射器密接布阵合作目标 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种正六边形角反射器密接布阵合作目标，涉及一种卫星激光合作目标，具体地说，涉及角反射器的密接布阵。本实用新型包括机座和角反射器，机座或为方形机座1，或为圆形机座2，或为球形机座，或为其它任意形状机座；反射器为正六边形角反射器3；在机座上，正六边形角反射器3呈密接布阵固定。本实用新型采用正六边形密接布阵的结构，使合作目标在体积和重量受限的情况下，获得了最大的有效反射面积，提高了接收光子数。计算表明，在设计尺寸一定的情况下，与圆形角反射器有空隙的布阵结构相比，重量减轻15.5％，有效反射系数提高10.6％，回波光子数提高10.3％。

Description

正六边形角反射器密接布阵合作目标

技术领域

本实用新型涉及一种卫星激光合作目标，具体地说，涉及角反射器的密接布阵。

背景技术

卫星激光测距(Satellite Laser Ranging，简称SLR)是二十世纪60年代出现的一种高精度空间测量技术。其原理是从地面激光测距站发射脉冲激光，经卫星表面的激光反射镜反射后返回脉冲到地面，由测距站的光电系统接收，根据脉冲返回时延计算测距站到卫星的距离。

卫星激光合作目标技术是指安装在卫星表面上的激光角反射器或反射器阵列(Laser Retroreflector Array，简称LRA)，为SLR系统提供跟踪目标，以增大激光脉冲回波能量，增加测程，提高测距精度的一门技术。它广泛应用于导弹、人造卫星、月球等的激光测距系统中，并已成为这些应用得以实现的关键技术之一。

通常将带有合作目标的卫星称为激光测距卫星。它分为两大类：第一类是专门用于激光测距的卫星，如GFZ、Stella、Lageos-1/2、Etalon-1等，其表面布满了激光反射器，呈球形结构，完全是被动的卫星，除了激光角反射器外再无其他传感器；第二类是装有激光反射器的应用科学卫星，如美国的Janson地球观察系列卫星、欧洲遥感卫星(ERS-1，ERS-2)和海神卫星(Topex/Poseidon)等，除了角反射器外，还搭载有其他传感设备。

国外，截止到2000年12月，全球共有50多个SLR站，其中包括美国宇航局(NASA)网9个站、欧洲网(EUROLAS)18个站、西太平洋网(WPLTN)15个站和中国网7个站，已经发射了45颗激光测距卫星(1990年后就发射了31颗)。其中NASA网长期处于国际SLR界的领先地位，技术先进，测距精度高达1cm。

国内，我国SLR网虽然有5个固定站和2个流动站，分布上海、武汉、长春、北京和昆明等地，但迄今为止，我国尚无激光测距卫星在天运行，2002年底，将发射由我国上海天文台研制的低轨(300公里左右)激光测距卫星。

无论是国内，还是国外，其传统的卫星激光合作目标均是一种角反射器有空隙的布阵结构。圆形角反射器有空隙的方形布阵结构如图4所示，即圆和圆相切布阵后，构成无数三角形的空隙。

鉴于激光测距卫星在地球科学研究和军事航天领域的独特地位和作用，我国必须在制定空间战略的基础上，尽快突破卫星激光合作目标关键技术，大力发展我国的激光测距卫星，为我国载人航天技术、中远程导弹精确打击、卫星发射与探测技术提供支援。

发明内容

本实用新型的目的是要克服现有一种角反射器有空隙的布阵结构所存在问题和不足，而提供一种正六边形角反射器密接布阵合作目标。具体地说，结合星载条件和空间环境，结合我国研制合作目标的技术条件，设计出具有高可靠性、长寿命、体积小、重量轻的合作目标。

本实用新型的目的是这样实现的：

角反射器的阵列组合是其关键技术。

(1)角反射器单元尺寸及有效反射面积

合作目标作为星载定向反射镜，要求尽可能多的反射激光，目前在星际运行的合作目标，其角反射器底面入射面大多为圆形或正六边形，以获得最大的有效反射面积。

激光正入射时有效反射面积最大(即为其底面几何面积)。其中，圆形和正六边形的角反射器单元，其最大有效反射面积分别为：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2---\left(1\right)$

$A=\frac{3\sqrt{3}}{2}{L}^2---\left(2\right)$

式中：A-激光正入射时，角反射器单元有效反射面积

      D-圆形角反射器底面直径

      L-正六边形角反射器底面边长

角反射器的单元尺寸一般为20～40mm，相应最大有效反射面积为3.1～13cm²。如GPS-35、36合作目标，角反射器单元最大有效反射面积为6.33cm²，用32个单元构成棱镜阵列，阵列最大有效反射面积202.6cm²。

由于卫星合作目标在天际运行，不能保证激光总是正入射，因此，有效反射面积A(i)是随入射角i变化的函数。当激光以i₀斜入射时，归一化有效反射面积变为：

$\mathrm{NEA}=\frac{A\left(i_0\right)}{A}=\frac{2}{\mathrm{\π}}({\sin }^{-1}\mathrm{\μ}-\sqrt{2}\·\mathrm{\μ}\·{\mathrm{tgi}}_r)\·{\cos i}_0---\left(3\right)$

式中：NEA-归一化有效反射面积

      i₀-光束入射角

      i_r-光束折射角

$i_r={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin i_0}{n}\right)$

      μ＝(1-2tg²i_r)^1/2

      n-融石英玻璃的折射率。

(2)角反射器阵列的组合

用角反射器单元构成阵列作为合作目标，可以减小合作目标的尺寸和重量、提高合作目标视场角(FOV-Field of View)，球形角反射器阵列还可以使卫星不需要控制其姿态。

合作目标阵列布阵形式主要由其所在卫星遂行的任务决定。第一类卫星合作目标，一般处于低轨，反射器数量多，体积、重量大，其布阵多为球状，如Lageos-1，2卫星，426块角反射器构成直径60cm的球状阵列，具有360°的视场角。第二类卫星合作目标，由于受体积、重量以及在卫星上位置的限制，通常采用平面、环状、半球等布阵方式，如Jason卫星合作目标，9个棱镜构成半球状阵列分布，具有近180°的视场角。

第二类卫星中的中高轨卫星合作目标一般为平面布阵方式，如Glonass-62～84处于接近20000公里的轨道，由396块棱镜构成120×120cm²平面阵列。平面角反射器阵列的视场角由角反射器单元的视场角，即能够完成激光测距的入射激光的最大倾斜角决定：

$i_{\max }={\sin }^{-1}\[n\sin ({\tan }^{-1}\sqrt{2}-{\sin }^{-1}\frac{1}{n})\]---\left(4\right)$

式中i_max-最大倾斜入射角

    n-材料的折射率

对于折射率为1.46的熔融石英材料，可以算出i_max＝16.6°。

Glonass-62卫星合作目标视场角16.6°，面向地球时，能够覆盖足够的地面观测站，实现SLR激光测距。

在合作目标尺寸和重量一定的前提下，通过对角反射器单元的不同组合，使阵列获得最大的有效反射面积是合作目标研究的难题之一。

由于角反射器中心对称反射，入射面为圆形或六边形的角反射器单元具有最大的相对有效反射面积，当光线正入射时，最大相对有效反射面积为100％。构成阵列时，由于用来固定的机械部分存在漫反射，有效反射面积不同，显然，正六边形角反射器密接布阵(无空隙)获得的相对有效反射面积要大一些，经过计算，六边形角反射器阵列比圆形角反射器阵列有效反射面积高出近10％，但其机械强度要低一些，而且显而易见的是，其光学加工和机械固定的难度要比圆形角反射器阵列复杂得多。

(3)角反射器及阵列的设计

采用底面为正六边形的角反射器，利用全内反射显著提高有效反射率，还可以减小空间环境变化对角反射器性能的影响，正入射时获得大于92％的有效反射率。

阵列中正六边形角反射器单元间隔为2mm，构成密接平面矩形布阵形式。反射器阵列几何尺寸、面形与角度误差的控制，是合作目标功能能否实现的关键，为了达到预定的精度要求，采用机械成型与精加工工艺，面形与角差精度由手修控制，用长焦距自准直仪或Zygo干涉仪进行质量检验。

(4)机械结构设计

激光反射器阵列框架、基座均采用铝合金(LY12-CZ)或钛合金材料整体加工而成，具有重量轻，刚度好的特点。每个反射器独立安装，稳定性好。为了适应环境温度的剧烈变化，机械设计时，留有适当的间隙，每个角反射器单元采用特制弹性尼龙托座，既能保证最大有效反射面积，又能够可靠固定角反射器，使反射器不会由于温度变化引起碎裂。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

目前，对角反射器阵列的设计，国际上普遍采用的是圆形角反射器有空隙布阵方案。随着卫星搭载的有效载荷的增加，合作目标的体积和重量受到了严格约束。本实用新型采用正六边形密接布阵的结构，使合作目标在体积和重量受限的情况下，获得了最大的有效反射面积，提高了接收光子数。

计算表明，在设计尺寸一定的情况下，与圆形角反射器有空隙的布阵结构相比，重量减轻15.5％，有效反射系数提高10.6％，回波光子数提高10.3％，对卫星激光测距有较大贡献。

附图说明

图1-正六边形角反射器密接方形布阵结构示意图；

图2-正六边形角反射器密接圆形布阵结构示意图；

图3-圆形角反射器有空隙的方形布阵结构示意图。

其中：

1-方形机座；

2-圆形机座；

3-正六边形角反射器；

4-圆形角反射器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明。

由图1可知，本实用新型由方形机座1、正六边形角反射器3组成，在长方形机座1上，38个正六边形角反射器3呈密接布阵固定。

所谓密接布阵，即一种无空隙的排列结构；也即惟有若干相同的正六边形的相接排列方可实现的一种蜂窝状结构。

由图1、图3可知，本实用新型由圆形机座2、正六边形角反射器3组成，在圆形机座1上，38个正六边形角反射器3呈密接布阵固定。

对其它任何形状的机座，如球形机座，均是在机座上，正六边形角反射器3呈密接布阵固定。

Claims (2)

1、一种正六边形角反射器密接布阵合作目标，包括机座和角反射器，其特征在于：

机座或为方形机座(1)，或为圆形机座(2)，或为球形机座，或为其它任何形状的机座；

反射器为正六边形角反射器(3)；

在任何形状的机座上，正六边形角反射器(3)呈密接布阵固定。

2、按权利要求1所述的一种正六边形角反射器密接布阵合作目标，其特征在于：基座均采用铝合金或钛合金材料整体加工而成。

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