微波測距儀

用微波作載波信號測量兩點間距離的相位式測距儀器。主要由分別架設在待測距離兩端的 主台和副台組成。由主台向副台發 射的測距信號，其相位為ωt;副台 接收主台來的測距信號，其相位為 ωt-ωt; 副台也發射測距信號，其相位為ω′t。這兩種信號在副台 混頻后得到低頻測相信號的相位為(ω-ω′)·t-ωt;副台向主台發射上述兩種信號，即 測距信號和低頻測相信號，其到達 主台後相位分別為：ω′t-ω′t(ω-ω′)t-(ω-ω′) t-ωt在主台兩測試信號混頻后得到低頻 測相的AM信號，其相位為(ω-ω′)·t+ω′t;另一路線則形成低頻測相的FM 信號，其相位仍為(ω-ω′)t-(ω-ω′) t-ωt。在主台通過測相電路比測AM和 FM的相位差，顯然其相位差為φ=2ωt

目前，國外利用衛星進行地球重力場探測的主要系統，大致包括在2000年7月發射的地球科學應用衛星(CHAMP) ，2002年3月發射的重力場探測和氣象實驗衛星(GRACE)，以及在2010年發射的重力場和靜態洋流探測衛星(GOCE) 這些衛星探測系統進行重力場測量的工作原理，基本上都是通過對在軌運行航天器軌道攝動情況的精確測量，並通過高靈敏、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、衛星軌道機動等對在軌衛星運行的影響后，推演出重力場的分佈特性。而且，為了儘可能減小地球以外其它星體(如太陽、月亮等)保守力(引力)對測量結果的影響成份，重力場探測衛星大都選擇在較低軌道(如300--SOOkm)運行。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，以使分析處理結果對地球重力場的描述能更準確一些。

在這些探測系統中，大體採用了兩類星間鏈路，一類是高低軌道的星間鏈路，此時高軌衛星為GPS衛星，低軌衛星則是專用的探測衛星，它通過GPS接收機與高軌GPS星座衛星相鏈接(如CHAMP，即由若干高軌衛星(如GPS星座衛星)跟蹤測量低軌衛星的軌道攝動，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，運行於低軌道的探測衛星系統本身就至少包括兩顆衛星(如GRACE)，每顆衛星不僅通過GPS接收機與GPS星座衛星聯繫，而且處於同一軌道運行的兩顆探測衛星(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，而且主要考慮採用K波段微波測距系統或激光測距系統。

利用第一種高一低SST技術，所測定的低階重力場精度可以較現有模型(星間跟蹤和衛星梯度觀測模式)提高1個數量級以上，使對應的低階大地水準面精度達到毫米級。利用第二類技術，可供處理的探測數據大幅度增加，而且低一低SST模式(LL-SST)測速、測距精度更高，達}m量級，該精度也是星間微波測量所達到的最高技術水平。其一個月的數據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量級，且中長波地球重力場測量精度也相應提高一個數量級以上，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於其後續計劃的興趣，其中包括更高精度的干涉激光測距系統，測量精度可以達到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，編隊衛星在體積、性能、費用等方面比單顆大衛星具有明顯的優勢。但要完成地面動目標探測等功能，必須要提供精確的星間位置信息，星間高精度測距技術成為衛星編隊飛行的關鍵技術之一。

美國空軍研究實驗室目前正在進行’'21世紀技術衛星”(TechS at-21)計劃，它由3顆微小衛星組成，星間測距精度可達1厘米，它的發射與運行將在航天史上首次突破並演示驗證三維非線性編隊飛行技術，從太空監視與跟蹤地面活動目標。該計劃原定2003年發射現推遲到2006年，由於技術複雜可能再度推遲。美國還有在2008年開始部署，由24顆低軌小衛星和3顆備份星組成的”天基雷達監視計劃”，以及美國航天司令部在其《長期發展規劃一2020設想》中勾畫出的天基”全球防禦信息網”等計劃。

我國LL-SST系統的研製正處於起步階段，重力衛星有效載荷中的高精度加速度計、雙頻GPS接收機，國家在“十五，，期間己經投入了大量財力和人力進行預研，取得了一定的成果，但KBR系統沒有安排預研。KBR系統是微米量級的測距系統，在我國基本還是空白。由於前期投入力度不大，研製處於起步階段，能否開發出星間高精度K頻段測距系統將成為我國重力衛星能否成功的瓶頸和關鍵之一。

微波是指電磁波波段中頻率為300MHz到300GHz的電磁波，所對應的電磁波長範圍為在1米到1毫米。利用微波作為載波進行測距具有不受天氣情況影響，測點布置靈活等優點。相位法測距是通過間接測定發射測距信號和接收到的測距信號之間的相位差進行測距，具有測量精度高的優點。

相位法微波測距是利用無線電波的微波段作為載波，運載測距信號，進行精密測距。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，以及激光系統是一個精密的光學系統不易維護等問題。假設測距信號的角頻率為w，經過距離D的傳輸後到達待測目標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，而在實際工程應用中三維位移監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不能滿足要求。相位法激光測距採用測相的方法實現了毫米級精度的距離測量，為了滿足三維位移變形監測的精度要求，採用相位測距的方法來提高測量精度。

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