微波測(cè)距儀

用微波作載波信號(hào)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離的相位式測(cè)距儀器。 主要由分別架設(shè)在待測(cè)距離兩端的 主臺(tái)和副臺(tái)組成。由主臺(tái)向副臺(tái)發(fā) 射的測(cè)距信號(hào)，其相位為ω_At;副臺(tái) 接收主臺(tái)來的測(cè)距信號(hào)，其相位為 ω_At-ω_At_D; 副臺(tái)也發(fā)射測(cè)距信號(hào)， 其相位為ω′_At。這兩種信號(hào)在副臺(tái) 混頻后得到低頻測(cè)相信號(hào)的相位為(ω_A-ω_A′)·t-ω_At_D;副臺(tái)向主臺(tái)發(fā)射上述兩種信號(hào)，即 測(cè)距信號(hào)和低頻測(cè)相信號(hào)，其到達(dá) 主臺(tái)后相位分別為：ω_A′t-ω_A′t_D；(ω_A-ω_A′)t-(ω_A-ω_A′) t_D-ω_At_D，在主臺(tái)兩測(cè)試信號(hào)混頻后得到低頻 測(cè)相的AM信號(hào)，其相位為(ω_A-ω_A′)·t ω_A′t_D;另一路線則形成低頻測(cè)相的FM 信號(hào)，其相位仍為(ω_A-ω_A′)t-(ω_A-ω_A′) t_D-ω_At_D。在主臺(tái)通過測(cè)相電路比測(cè)AM和 FM的相位差，顯然其相位差為φ=2ω_At_D。

微波是指電磁波波段中頻率為300MHz到300GHz的電磁波，所對(duì)應(yīng)的電磁波長(zhǎng)范圍為在1米到1毫米。利用微波作為載波進(jìn)行測(cè)距具有不受天氣情況影響，測(cè)點(diǎn)布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。相位法測(cè)距是通過間接測(cè)定發(fā)射測(cè)距信號(hào)和接收到的測(cè)距信號(hào)之間的相位差進(jìn)行測(cè)距，具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

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

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

國外利用衛(wèi)星進(jìn)行地球重力場(chǎng)探測(cè)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(chǎng)探測(cè)和氣象實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星(GRACE)，以及在2010年發(fā)射的重力場(chǎng)和靜態(tài)洋流探測(cè)衛(wèi)星(GOCE) 這些衛(wèi)星探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行重力場(chǎng)測(cè)量的工作原理，基本上都是通過對(duì)在軌運(yùn)行航天器軌道攝動(dòng)情況的精確測(cè)量，并通過高靈敏、高精度星載加速度計(jì)的測(cè)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(dòng)等對(duì)在軌衛(wèi)星運(yùn)行的影響后，推演出重力場(chǎng)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響成份，重力場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星大都選擇在較低軌道(如300--SOOkm)運(yùn)行。此時(shí)，其它星體引力對(duì)航天器在軌攝動(dòng)的影響相對(duì)地球的影響會(huì)小得很多，以使分析處理結(jié)果對(duì)地球重力場(chǎng)的描述能更準(zhǔn)確一些。

在這些探測(cè)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(shí)高軌衛(wèi)星為GPS衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星則是專用的探測(cè)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(cè)量低軌衛(wèi)星的軌道攝動(dòng)，以確定擾動(dòng)重力場(chǎng)，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(cè)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(cè)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)。提出的星間鏈路主要完成距離、距離變化率的測(cè)量，而且主要考慮采用K波段微波測(cè)距系統(tǒng)或激光測(cè)距系統(tǒng)。

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

同時(shí)，編隊(duì)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(shì)。但要完成地面動(dòng)目標(biāo)探測(cè)等功能，必須要提供精確的星間位置信息，星間高精度測(cè)距技術(shù)成為衛(wèi)星編隊(duì)飛行的關(guān)鍵技術(shù)之一。

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行’'21世紀(jì)技術(shù)衛(wèi)星”(TechS at-21)計(jì)劃，它由3顆微小衛(wèi)星組成，星間測(cè)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(yàn)證三維非線性編隊(duì)飛行技術(shù)，從太空監(jiān)視與跟蹤地面活動(dòng)目標(biāo)。該計(jì)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(jì)劃”，以及美國航天司令部在其《長(zhǎng)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(jì)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(jì)、雙頻GPS接收機(jī)，國家在“十五，，期間己經(jīng)投入了大量財(cái)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(jí)的測(cè)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(cè)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。

由于在地面上直接丈量距離一般困難很多，三邊測(cè)量要求丈量所有的邊，困難尤甚。直到1948年和1956年先后出現(xiàn)光電測(cè)距儀和微波測(cè)距儀后，三邊測(cè)量法才得到實(shí)際應(yīng)用。