GRACE-FO重力卫星激光干涉测距原始数据预处理 被引量：1

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作者 尹恒 朱紫彤 +5 位作者 闫易浩 王长青 钟敏 冯伟 朱炬波 谷德峰 《地球物理学报》 北大核心 2025年第5期1615-1632,共18页

GRACE-FO重力卫星激光干涉测距(LRI)具有以纳米级精度测量双星星间距离变化的能力,在高精度刻画中长空间尺度的地球重力场变化、地表物质迁移与分布方面具有巨大潜力.由于原始LRI测量相位中存在的时标误差、相位跳跃和测距系统误差等误... GRACE-FO重力卫星激光干涉测距(LRI)具有以纳米级精度测量双星星间距离变化的能力,在高精度刻画中长空间尺度的地球重力场变化、地表物质迁移与分布方面具有巨大潜力.由于原始LRI测量相位中存在的时标误差、相位跳跃和测距系统误差等误差源会直接影响相位转换到测距的精度,进而传播至后续的重力场解算及其科学应用中,因此需要对LRI测量相位进行精细的数据预处理.本文基于GRACE-FO卫星实测数据,深入研究了LRI测量数据特征、原始数据预处理流程以及相应的关键技术,生成了自主研发的激光干涉测距产品(LRI1B SYSU S10).针对美国喷气推进实验室(JPL)现有相位跳跃处理算法存在不能精确处理相位跳跃的不足,本文验证了相位跳跃模板法与相位跳跃平滑法结合可有效消除不同类型的相位跳跃.研究结果显示,本文LRI1B产品的有偏距离变率在0.1 Hz处的精度可达到1 nm·s^(-1)·Hz^(−1/2),优于JPL的RL04(Release 04)版本产品(5~10 nm·s^(-1)·Hz^(−1/2)),与德国爱因斯坦研究所(AEI)的同类产品相当;基于本文产品反演的大地水准面阶方差在30阶以上优于JPL产品的结果,与AEI结果一致性较好.本文开发的LRI数据预处理方法有效消除了原始测量相位中的各类误差,对未来采用LRI的GRACE类重力卫星任务(如天琴二号)的数据预处理、重力场反演和地表物质迁移研究具有重要意义. 展开更多

关键词 GRACE-FO 激光干涉测距 数据预处理 相位跳跃 重力场反演

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基于回声状态网络的空间激光干涉低低跟踪重力卫星数据恢复方法研究

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作者 江鸿 姚镇东 +2 位作者 杨立伟 徐鹏 强丽娥 《中国光学(中英文)》 北大核心 2025年第3期641-649,共9页

作为低低跟踪重力卫星GRACE任务的后续任务,激光干涉重力卫星任务GRACE Follow On双星之一的加速度计载荷在运行一个月后出现了异常,造成了关键科学测量数据的缺失,同时在GRACE服役期最后阶段也出现了类似情况。由此,加速度计数据恢复... 作为低低跟踪重力卫星GRACE任务的后续任务,激光干涉重力卫星任务GRACE Follow On双星之一的加速度计载荷在运行一个月后出现了异常,造成了关键科学测量数据的缺失,同时在GRACE服役期最后阶段也出现了类似情况。由此,加速度计数据恢复技术对GRACE尤其是GRACE Follow On任务探测目标的实现极为重要。本文提出了一种基于机器学习的回声状态网络模型来实现加速度计数据恢复与重建的全新方法。基于回声状态网络模型,构建双星之间加速度计数据的映射关系,并通过贝叶斯优化提高网络性能,可实现对缺失加速度计数据的高精度高效率重建。通过实测数据的实验比对,在重力场探测信号频段,模型预测结果在沿轨道方向和径向两个高灵敏轴可达到(甚至部分频段优于)10^(-8)m·s^(-2)√Hz量级水平,在轨道法向低灵敏轴到达10^(-8)m·s^(-2)√Hz~10^(-7)m·s^(-2)√Hz水平。这一重建精度达到甚至部分优于GRACE官方数据移植精度,可初步应用于重力场反演,实现低低跟踪任务加速度计高精度数据产品恢复。 展开更多

关键词 激光干涉测距重力卫星 低低跟踪 机器学习 数据处理

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基于激光干涉星间测距原理的下一代月球卫星重力测量计划需求论证 被引量：11

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作者 郑伟 许厚泽 +1 位作者 钟敏 员美娟 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第4期922-932,共11页

月球卫星重力测量是21世纪国际开展深空探测的发展趋势和追逐热点。月球重力场的精密测量是国际探月计划的重要组成部分,它决定着月球探测器的轨道优化设计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取。本文首先介绍未来国际GRAIL(Gravity ... 月球卫星重力测量是21世纪国际开展深空探测的发展趋势和追逐热点。月球重力场的精密测量是国际探月计划的重要组成部分,它决定着月球探测器的轨道优化设计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取。本文首先介绍未来国际GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory)月球重力场探测双星计划的总体概述、关键载荷以及科学目标和研究方向。其次,重点阐述月球卫星观测模式可行性论证、月球卫星关键载荷的优化选取、卫星轨道参数的优化设计、仿真模拟研究的先期开展等我国将来月球卫星重力测量计划的实施建议。第一,由于高低/低低卫星跟踪卫星结合多普勒和甚长基线干涉系统观测模式(SST-HL/LL-Doppler-VLBI)对中长波月球重力场的探测精度较高,技术要求相对较低,月球重力场测定速度快、代价低和效益高,可借鉴地球重力卫星GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)系统的成功经验,对定轨精度的要求较低,而且可有效探测远月面区域的月球重力场信号,因此我国将来首期月球卫星重力测量计划采用SST-HL/LL-Doppler-VLBI观测模式较优。第二,我国应先期开展高精度的月球重力卫星关键载荷(激光干涉星间测距仪、非保守力补偿系统等)和地面Doppler-VLBI系统的研制工作。第三,月球卫星轨道高度(50～100 km)和星间距离(100±50 km)的优化设计是成功实施将来我国月球卫星重力测量计划的重要保证。第四,建议我国将仿真技术应用于月球重力卫星的方案论证、系统设计、部件研制、产品检验、实际应用、故障分析等研制和运行的全过程。本文的研究不仅对我国将来首期月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考价值,同时对未来国际太阳系行星重力探测的发展方向具有广泛的指导意义。 展开更多

关键词 月球重力场 卫星跟踪卫星 激光干涉星间测距系统 非保守力补偿系统 GRAIL

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空间激光干涉引力波探测 被引量：88

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作者 罗子人 白姗 +18 位作者 边星 陈葛瑞 董鹏 董玉辉 高伟 龚雪飞 贺建武 李洪银 李向前 李玉琼 刘河山 邵明学 宋同消 孙保三 唐文林 徐鹏 徐生年 杨然 靳刚 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2013年第4期415-447,共33页

为印证广义相对论和开拓引力波天文学窗口,引力波探测是当前国际研究热点.本文围绕空间激光干涉引力波探测,对其科学意义、发展状况、关键技术等进行了回顾.与地面激光干涉引力波探测相比,空间探测的工作频段更低,从104～10Hz,在工作距... 为印证广义相对论和开拓引力波天文学窗口,引力波探测是当前国际研究热点.本文围绕空间激光干涉引力波探测,对其科学意义、发展状况、关键技术等进行了回顾.与地面激光干涉引力波探测相比,空间探测的工作频段更低,从104～10Hz,在工作距离为百万公里量级上,预计能探测到双致密星系统、超大质量比双黑洞绕转系统、中等质量比双黑洞绕转系统,以及星系合并引起的超大质量黑洞并合等波源.为此,测距精度须达到皮米的量级,并且保证测距技术有效工作的无拖曳航天技术亦有很高的要求.本文以欧洲的空间激光引力波探测计划为例,主要对上述两项技术进行分析和阐述,并展望了空间引力波探测在我国的发展趋势和前景. 展开更多

关键词 引力波探测 激光干涉测距系统 无拖曳航天技术 惯性传感器 微推进器 引力波天文学

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激光干涉测量三维点坐标的PDOP模型研究和应用 被引量：7

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作者 范百兴 李广云 +2 位作者 李佩臻 易旺民 杨振 《测绘通报》 CSCD 北大核心 2015年第11期28-31,共4页

激光跟踪仪的激光干涉测距精度可以达到0.5μm/m,利用激光干涉精密距离测量值可以建立高精度的三维控制网,点位误差受到测站点和定向点的空间几何分布影响。建立三维位置几何精度衰减因子模型,可以计算空间点的三维坐标测量精度随着空... 激光跟踪仪的激光干涉测距精度可以达到0.5μm/m,利用激光干涉精密距离测量值可以建立高精度的三维控制网,点位误差受到测站点和定向点的空间几何分布影响。建立三维位置几何精度衰减因子模型,可以计算空间点的三维坐标测量精度随着空间位置的变化,估算激光干涉三维测距网的先验精度信息,避免不利测量位置,提高空间点测量精度。本文基于激光干涉三维测距网PDOP值计算模型,仿真计算了PDOP值的空间分布等值线模型,分析了体积值与PDOP值和点位误差的关系,并对实际算例进行了解算。 展开更多

关键词 激光跟踪仪 激光干涉测距 三维测边网 PDOP值 等值线

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基于Root-MUSIC算法的激光扫频干涉测量方法研究 被引量：1

6

作者 金陈凯 许新科 +3 位作者 刘易 何泽聪 宋云峰 何闻 《激光杂志》 CAS 北大核心 2024年第2期58-62,共5页

玻璃的厚度作为工业生产中的一项重要的指标,如何对其快速的测量成为了研究热点。提出采用激光扫频干涉测量方法,将采样的信号进行插值拟合,校正其拍频非线性,再通过频谱估计法获取距离信息。当测量厚度较小的玻璃时,FFT算法因受栅栏效... 玻璃的厚度作为工业生产中的一项重要的指标,如何对其快速的测量成为了研究热点。提出采用激光扫频干涉测量方法,将采样的信号进行插值拟合,校正其拍频非线性,再通过频谱估计法获取距离信息。当测量厚度较小的玻璃时,FFT算法因受栅栏效应和频谱干涉的影响,导致难以在频谱图中将玻璃前后表面的频率区分出来。为解决该问题,采用Root-MUSIC算法处理信号,实验结果表明在FFT算法分辨临近目标频率失效的情况下,Root-MUSIC算法可以进行有效区分,运算效率也远高于MUSIC算法,且精度可达50微米左右,为解决玻璃厚度测量问题提供了思路。 展开更多

关键词 激光扫频干涉测距 厚度测量 ROOT-MUSIC算法 测距

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基于相参积累激光扫频干涉液位测量方法研究

7

作者 金陈凯 刘易 +1 位作者 何泽聪 许新科 《激光与红外》 CAS CSCD 北大核心 2024年第7期1037-1044,共8页

工业生产中,容器内液位高度的控制是生产运输过程中对确保设备正常运行和维护人员生命安全具有重要意义。本文提出采用激光扫频干涉测量系统对液位进行测量,该方法具有诸多优势,如测量范围大、非接触式测量、响应速度快和操作便捷等。... 工业生产中,容器内液位高度的控制是生产运输过程中对确保设备正常运行和维护人员生命安全具有重要意义。本文提出采用激光扫频干涉测量系统对液位进行测量,该方法具有诸多优势,如测量范围大、非接触式测量、响应速度快和操作便捷等。由于液体对红外光的吸收率相对较高,导致测量系统采集到的回光信号非常微弱,同时信噪比也不够理想。为解决此问题,本文引入相参积累方法,并将其与测量系统相结合,以提高液位检测的精准度。在信号的各个周期中,信号携带的有效信息保持一致,噪声信息是则随机的,因此通过相参积累方法处理后,不仅可以增强信号强度,还可以提升信噪比。再通过扩相频率采样法进行信号的非线性校正,最后对数据进行处理就,即可以获得液位信息。实验结果表明,相参积累方法对增加信号强度与信噪比有显著效果,为解决低信噪比下提升测量精度问题提供了思路。 展开更多

关键词 激光扫频干涉测距 相参积累 扩相频率采样法 液位测量

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三光路结构的调频连续波重采样测距方法 被引量：2

8

作者 张桐 曲兴华 张福民 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第4期1007-1011,共5页

调频重采样是一种绝对测距技术。这种方法采用的光源波长随时间变化,形成一束宽光谱激光。激光在各时刻的波长通过辅助干涉装置进行测量,并对其中频率间隔相同的部分进行重采样,使调频测距系统具有较大的线性光谱带宽,较高的分辨率及精... 调频重采样是一种绝对测距技术。这种方法采用的光源波长随时间变化,形成一束宽光谱激光。激光在各时刻的波长通过辅助干涉装置进行测量,并对其中频率间隔相同的部分进行重采样,使调频测距系统具有较大的线性光谱带宽,较高的分辨率及精度。在实际测量过程中,测量装置本身及待测物都容易受到振动的影响,导致待测距离及辅助光纤长度发生变化,引入测距误差。针对这个问题,分析了振动对重采样测量结果产生的误差:(1)待测物的移动引入一个多普勒频移分量;(2)辅助光纤的振动使重采样频率也发生变化。为了弥补这两种误差,提出了一种三光路结构的补偿方法,在辅助光路中,使用一种光路结构简单小巧,且测量速度更快的全光纤马赫泽德干涉仪等效代替光谱仪,实时的监测信号光的瞬时频率。在测量光部分,在测量光路中引入两个部分反射镜产生两路补偿光信号,并通过FFT算法产生频谱。频谱的三个峰值分别与三路信号相对应。通过测量信号与其中一路补偿信号的峰值相减即可补偿多普勒误差,通过两路补偿信号的频率差与相对距离的比值即可得出实际的辅助光纤长度。实验证明,传统的重采样测距方法精度为23.6μm,三光路测距方法的精度可达到11μm,可见这种方法能够对系统的振动误差进行有效补偿。 展开更多

关键词 调频连续波测距 激光雷达 激光干涉测距

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地球重力场空间探测:回顾与展望 被引量：14

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作者 罗子人 钟敏 +12 位作者 边星 董鹏 董玉辉 高伟 李洪银 李玉琼 刘河山 冉将军 邵明学 唐文林 徐鹏 杨然 靳刚 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2014年第1期291-337,共47页

地球重力场的科学数据在地球测绘学、冰川学、陆地水循环、固体地球物理、灾害监控及国防军事等领域具有重要应用价值.美、德合作研制的地球重力场反演与气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)卫星,有力地推动了地... 地球重力场的科学数据在地球测绘学、冰川学、陆地水循环、固体地球物理、灾害监控及国防军事等领域具有重要应用价值.美、德合作研制的地球重力场反演与气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)卫星,有力地推动了地球重力场测量、反演和应用.为进一步提高重力卫星科学数据的时、空分辨率,扩展应用领域,中国及欧美等国都考虑发射升级的重力卫星,即后GRACE计划(GRACE-follow-on).该文将简单回顾重力卫星的发展历程,介绍重力卫星的数据采集技术和反演方法,亦着重阐述后GRACE计划的测量方法学、关键技术及预期结果. 展开更多

关键词 空间地球重力场探测 激光干涉测距 无拖曳航天 精密卫星定轨

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中国空间引力波探测“太极计划”及“太极1号”在轨测试 被引量：83

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作者 罗子人 张敏 +2 位作者 靳刚 吴岳良 胡文瑞 《深空探测学报》 2020年第1期3-10,共8页

我国空间引力波探测“太极计划”将打开中低频段(0.1 mHz^1 Hz)的引力波观测窗口,为人类研究宇宙起源与演化、黑洞起源与演化、引力本质、暗能量和暗物质等提供全新的方法和手段。由于空间引力波探测涉及一系列关键技术,太极计划提出了... 我国空间引力波探测“太极计划”将打开中低频段(0.1 mHz^1 Hz)的引力波观测窗口,为人类研究宇宙起源与演化、黑洞起源与演化、引力本质、暗能量和暗物质等提供全新的方法和手段。由于空间引力波探测涉及一系列关键技术,太极计划提出了“单星”“双星”和“三星”3步走的发展路线图。目前“单星”计划——“太极1号”发射成功,并圆满完成了第一阶段的在轨测试。本文将简要介绍空间引力波探测的科学价值、国内外背景和关键技术分解,重点对太极计划及其3步走发展规划进行分析,并提出后续工作的一些设想和发展建议。 展开更多

关键词 空间引力波探测 太极计划 星间激光干涉测距系统 无拖曳控制系统 引力波天文学

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基于残余星间速度法精确和快速反演下一代GRACE Follow-On地球重力场

11

作者 郑伟 许厚泽 +2 位作者 钟敏 刘成恕 员美娟 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2014年第1期31-41,共11页

基于新型残余星间速度法(RIRM)反演了120阶GRACE Follow-On地球重力场.第一,由于GPS定轨精度相对较低,通过将激光干涉测距仪的高精度残余星间速度(测量精度10-7 m·s-1)引入残余轨道速度差分矢量的视线分量构建了新型RIRM观测方程.... 基于新型残余星间速度法(RIRM)反演了120阶GRACE Follow-On地球重力场.第一,由于GPS定轨精度相对较低,通过将激光干涉测距仪的高精度残余星间速度(测量精度10-7 m·s-1)引入残余轨道速度差分矢量的视线分量构建了新型RIRM观测方程.第二,基于2点、4点、6点和8点RIRM公式对比论证了最优的插值点数.如果相关系数和采样间隔一定,随着插值点数的增加,卫星观测值的信号量被有效加强,而卫星观测值的误差量也同时增加.因此,6点RIRM公式是提高下一代地球重力场精度的较优选择.第三,相关系数对地球重力场精度的影响在不同频段表现为不同特性.随着相关系数的逐渐增大,地球长波重力场精度逐渐降低,而地球中长波重力场精度逐渐升高.第四,基于6点RIRM公式,通过30天观测数据和采样间隔5s,分别利用星间速度和残余星间速度观测值,在120阶次处反演下一代GRACE Follow-On累计大地水准面精度为1.638×10-3 m和1.396×10-3 m.研究结果表明:(1)残余星间速度观测量较星间速度对地球重力场反演精度更敏感;(2)GRACE FollowOn地球重力场精度较GRACE至少高10倍. 展开更多

关键词 GRACE Follow-On卫星 残余星间速度法 激光干涉测距仪 下一代卫星重力反演 累计大地水准面精度

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