收发分置式月球激光测距方法、系统、存储介质及设备

本发明属于激光测距，尤其涉及一种收发分置式月球激光测距方法、系统、存储介质及设备。

背景技术：

1、目前，地球是人类的摇篮，目前80亿人寄居在地球，人类赖以生存的空间和资源日益紧张，寻求和拓展地外生存空间和资源是解决问题的重要途径。月球是地球唯一的天然卫星，月球蕴藏了地球、太阳系起源和演化的无穷奥秘，拥有丰富的特有资源。月球探测是研究月球和利用月球资源的前提和基础，对认识宇宙、深空探测及月球基地的建立都有着重要作用。承担月球探测任务的月球探测器需要有准确的月球轨道以及月球和天球参考框架等科学支撑。激光测月数据可以帮助我们解算出大量的参数，如月球的轨道、月球质心位置、速度、月球天平动等，对天文地球动力学、地月科学、月球物理学和引力理论等诸多学科的研究有着重要的价值。激光测月是月球探测器的坚实基础，实现对我国嫦娥工程中探月卫星、中继卫星以及月面角反射器的激光测距，是中国探月工程的需要，为后续月球资源开发利用、行星际深空探测和载人登月奠定坚实的技术基础。

2、月球激光测距(lunar laser ranging，llr)是由地面台站向放置于月面的角反射器发射激光脉冲，发射激光经月面角反射器后，返回到地面并被地面测站探测接收，通过精确测量激光脉冲往返时间来测定地月距离。

3、llr系统的探测能力和探测成功率对系统能否稳定测月有着重要影响。如式(1)所示，ne为单脉冲回波光电子数，r为目标到测站的距离，ar为接收望远镜有效面积，te为发射系统的光学效率，tr为接收系统的光学效率。根据式(1)，测距回波光子数目与距离r的4次方成反比关系，与接收望远镜的可接收面积ar、发射系统的光学效率te、接收系统的光学效率tr成正比。

4、

5、地面系统的探测距离及对小目标的探测能力均与望远镜有效接收面积成正比，地月距离约38.44039万公里，地面1角秒的角度变化相当于月球1.864公里的距离变化。因此，为了保证望远镜有尽量大的有效接收面积和激光发射光束有尽量小的发散角，目前的激光测月系统普遍采用的是口径较大的收发共光路望远镜系统。

6、现有的收发共光路望远镜系统，为了实现收发共光路，通过起到收发转换作用的转镜来切换。但由于转镜惯量大，使得共光路激光测距系统存在测距频率较低的不足。同时，共光路系统需要兼顾激光的发射和接收，使得共光路系统的光学效率较低。另外，共光路激光测月系统的接收光路与发射光路耦合在一起，系统有效接收面积固定，不可进一步扩展，局限性大。

7、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的收发共光路月球激光测距系统存在测距频率较低、光学效率较低、系统有效接收面积固定不可扩展的不足。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种收发分置式月球激光测距方法、系统、存储介质及设备。

2、本发明是这样实现的，一种收发分置式月球激光测距系统，所述收发分置式月球激光测距系统包括：

3、时频基准系统4：时频基准系统为整个测距控制系统提供时频参考信号，是获取高精度地月距离的基础。

4、观测控制系统5：观测控制系统用于协调设备通信、驱动设备在指定时序下有序完成测距任务，完成维持测距系统时间、控制激光发射模块工作、控制时间计时模块工作、控制探测器模块工作、控制伺服动作、控制系统差标校操作、采集气象环境数据、采集和记录观测数据、控制测距时序、实时显示和修改控制参数等。

5、激光发射系统6：具有独立运动的望远镜机架，接收来自观测控制系统5的激光发射和发射望远镜伺服运动等控制指令，完成激光通过发射望远镜从地面测站向月面角反射的发射；激光发射事件信号反馈给观测控制系统5进行记录；

6、激光接收系统7：具有独立运动的望远镜机架，接收来自观测控制系统5的探测器工作和接收望远镜伺服运动等控制指令，完成从月面角反射器反射回地面的激光通过接收望远镜被探测器捕获；激光捕获事件信号反馈给观测控制系统5进行记录；

7、辅助设备系统8：辅助设备系统为测距控制系统提供温度、气压、湿度、大气视宁度、全天区图像等观测辅助信息与数据。

8、进一步，所述时频基准系统包括：

9、频率输出模块：用于为整个测距时频设备和计时设备提供高稳定度频率参考；

10、时钟输出模块：作为地月激光测距系统进行合作目标激光星测距时的时钟参考，为局域网内设备提供ntp网络时间同步服务，使各设备保持与utc时间的同步；

11、钟差解算模块：用于获取并解算钟差，与本地时频输出信号进行比较，并通过时频标校修正模块完成对时频偏差和漂移的修正，实现对频率输出模块的定期标校，同时保障本地时频信号参考的短期和长期频率稳定度；

12、时频标校修正模块：用于通过时频标校修正模块对时频偏差和漂移进行修正；

13、频率分配模块：用于复制产生多路频率信号，激光测距望远镜系统中需要多路的频率信号，使用频率分配模块满足不同设备对频率信号的需求；

14、脉冲分配模块：用于复制产生多路1pps秒信号，满足多个测量设备的使用，使用脉冲分配模块产生统一的多路1pps秒信号。

15、进一步，所述观测控制系统包括：

16、测距控制模块：用于协调设备通信，驱动设备在指定时序下有序完成测距任务；

17、激光生成控制模块：用于根据测距控制模块的出光指令，输出点火信号，控制激光生成模块生成激光；

18、激光探测控制模块：用于根据测距控制模块的门控指令，输出门控信号，控制激光探测模块捕获激光；

19、指向跟踪控制模块：用于根据测距控制模块的跟踪指令，输出伺服控制指令，控制激光发射系统和激光接收系统的望远镜进行目标跟踪；

20、激光飞行计时模块：用于记录发射激光产生时刻和反射激光探测时刻，用于计算激光飞行时间。

21、进一步，所述激光发射系统包括：

22、激光生成模块：用于接收点火信号指令，根据点火信号产生激光；

23、激光发射模块：用于跟踪指向被测空间目标，将激光生成模块产生的激光进行光束处理后，射向被测空间目标；

24、发射激光探测模块：用于接收由激光生成模块产生的激光，探测激光并输出激光生成信号给观测控制系统。

25、进一步，所述激光接收系统由多个独立的激光接收子系统组成，每个激光接收子系统包括激光接收模块和反射激光探测模块；

26、激光接收子系统：用于根据观测控制系统的控制指令，独立完成反射激光的接收与探测，并将探测结果输出给观测控制系统；

27、激光接收模块：用于跟踪指向被测空间目标，对从被测目标返回的激光进行捕获接收，将接收到的激光传输到反射激光探测模块；

28、反射激光探测模块：用于根据测距控制模块的门控指令，输出门控信号；接收由激光接收模块传输过来的反射激光，探测激光并输出激光探测信号给观测控制系统。

29、进一步，所述辅助设备系统包括：

30、天区监视设备：作为一个对观测台站全天云量信息进行监视的工具，对天文观测的正常进行发挥着重要的作用；用于获取的全天云图信息全面，初期可以目测全天云图了解云量多少、云量分布信息；利用目前的数字图像处理软件处理和分析图像，获取有效信息，并结合计算机编程技术，实现云量信息的自动获取；

31、环境参数监测设备：用于探测地面大气参数，提供气象数据，用于激光测距的大气延迟量修正和信噪比计算；

32、飞机过境信息接收设备：飞机上安装一台发射机以快速的时间间隔向外发射自己的位置、身份、高度、速度等数据；地面站安装专门的信息接收设备，能够接收到飞机发射的数据跟踪飞机，地面站应用该信息接收设备能够预警观测站周边民用航空器飞行轨迹。

33、本发明的另一目的在于提供一种基于所述收发分置式月球激光测距系统的收发分置式月球激光测距方法，所述收发分置式月球激光测距方法，包括以下步骤：

34、观测控制系统接收来自时频基准系统提供的基准时频信号；然后，在此基准时频下，观测控制系统协调设备间的通信，驱动激光发射系统和激光接收系统相关设备在指定时序下有序工作，完成目标跟踪；

35、观测控制系统控制激光发射系统生成激光并射向月面角反射器，同时观测控制系统根据激光发射系统反馈的激光生成信号，记录激光产生时刻；

36、激光经月面反射器返回地面时，观测控制系统控制激光接收系统捕获反射回波，同时观测控制系统根据激光接收系统反馈的激光捕获信号，记录激光捕获时刻；从而完成一个观测流程。

37、进一步，所述收发分置式月球激光测距方法的时频基准系统工作流程为：频率输出模块、时钟输出模块、钟差解算模块分别将频率信号、时钟信号和偏差输入给时频标校修正模块，时频标校修正模块将修正后的频率信号和时钟信号分别通过频率分配模块和脉冲分配模块复制出多路信号给不同的设备使用；

38、观测控制系统的工作流程为：测距控制模块依据输入的频率基准、时钟基准、辅助信息和用户指令，协调设备通信，有序输出点火信号、门控信号、伺服控制指令，并根据激光生成时刻和反射激光捕获时刻计算激光飞行时间；

39、激光发射系统的工作流程为：激光发射模块接收到来自观测控制系统的伺服控制指令，指向被测目标；激光生成模块接收来自观测控制系统的点火信号，产生激光；少量激光被光路系统分离后传输到发射激光探测模块，发射激光探测模块探测到激光后，输出激光生成信号给到观测控制系统；大量激光通过激光发射模块进行光束处理后，由激光发射模块射向被测目标；

40、激光接收系统的工作流程为：各激光接收子系统并行且独立运行；各激光接收子系统的激光接收模块接收来自观测控制系统的跟踪指向控制命令，对被测目标进行跟踪并接收反射激光，并将接收到的反射激光传输到反射激光探测模块；各激光接收子系统的反射激光探测模块根据接收到的门控信号进行控制探测器进行反射激光探测，并将探测结果输出给观测控制系统；

41、辅助设备系统的工作流程为：天区监视设备采集并显示观测台站的天区图像信息，供运维人员目测全天区云量等信息并进行人为决策，通过观测控制系统人为选择观测目标；另外通过数字图像处理软件处理和分析全天区监视图像，自动获取云量全天区信息，将信息自动反馈给观测控制系统，为观测控制系统进行自主决策提供数据支持；环境参数监测设备采集地面大气参数和气象数据，反馈给观测控制系统进行汇集记录；观测控制系统以飞机过境信息接收设备实时获取飞机的过境信息为输入，实时判断飞机是否进入危险区域，控制激光生成模块的出光情况，确保飞机安全。

42、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述收发分置式月球激光测距方法。

43、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述收发分置式月球激光测距方法。

44、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述收发分置式月球激光测距方法。

45、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

46、第一，目前国内外月球激光测距系统普遍采用收发同轴的共光路系统，由于光路中转镜惯量大和光路系统对发射和接收的兼顾性要求，使得收发同轴共光路激光测距系统的测距频率低、观测数据量少、光学效率较低。故发明了一种收发分置式月球激光测距系统，以确保系统充足的有效接收面积、提高系统的测距频率、增加系统的观测数据量、提升系统的光学效率。本发明通过收发分置式月球激光测距系统，在满足测月能力的基础上，具有测距频率高、光学效率好、有效接收面积大且可扩展的特征，提升了测距系统的探测能力和观测数据量，并可适用于多种空间目标的激光测距。

47、不同于收发共光路的月球激光测距系统，本发明所设计的收发分置式月球激光测距系统，激光发射系统和激光接收系统相互解耦，各自独立完成对月球目标的指向跟踪。与传统的月球激光测距系统相比，可灵活配置激光接收系统的数量，增加系统的有效接收面积，提升了系统的探测能力，可进行高频率测距，提高了系统的有效观测数据量，可实现激光在发射和接收过程中的高光学效率传输，减少了发射系统和接收系统激光传输过程中的能量损耗。本发明对月球激光测距及未来的深空激光测距应用具有重要价值。

48、第二，本发明设计一种发射光路与接收光路分置的激光测距系统、其发射光路和接收光路分别安放在不同的机械转台。本发明可以通过增加测距频率来增加观测数据，观测数据量的增加，可以有效地提高标准点的精度，有利于对被测目标的精密定轨。分置设计，可以提升激光测距系统的光学效率，增大测距系统的有效接收面积，有助于提升测距系统的探测能力。相对于现有技术，本发明具有测距频率高、光学效率好、有效接收面积大且可扩展的优点。

49、本发明进行高频率测距，提高了系统的有效观测数据量；可灵活配置激光接收系统的数量，增加系统的有效接收面积，提升了系统的探测能力；可实现激光在发射和接收过程中的高光学效率传输，减少了发射系统和接收系统激光传输过程中的能量损耗。

50、第三，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

51、目前，国内外现有的月球激光测距系统为收发同轴共光路系统，系统不兼顾测距频率大、光传输效率高、接收面积大且可扩展的能力，系统存在测距频率较低、光学效率较低、系统有效接收面积固定不可扩展的不足。本发明无限制测距频率的转镜，可实现大的测距频率；发射光路和接收光路独立，无需兼顾发射过程和接收过程，可实现高传输效率；通过灵活配置接收系统数量，可实现系统有大的接收面积。

52、第四，本发明实施例提供的收发分置式月球激光测距系统，相较于现有技术，取得了以下显著的技术进步：

53、1.提高测距精度

54、时间同步与精确计时：通过时频基准系统的高精度时钟和频率输出，实现了更为精确的时间同步和计时，从而大幅提高了测距精度。

55、高稳定度的频率参考：频率输出模块提供的高稳定度频率参考，对于保证整个测距过程中信号稳定性至关重要，进一步提升了测量精度。

56、2.系统的可靠性和稳定性增强

57、钟差解算与时频偏差修正：通过钟差解算模块和时频标校修正模块，系统能够自动修正时频偏差和漂移，保证了长期运行中的可靠性和稳定性。

58、多路信号复制：频率分配模块和脉冲分配模块的多路信号复制能力，确保了测距系统在多设备协同工作时的高效性和稳定性。

59、3.测距操作的自动化和智能化

60、自动化控制：观测控制系统的自动化程度高，能够精确协调各设备的工作，实现了测距操作的自动化和智能化。

61、灵活地目标跟踪：指向跟踪控制模块使得激光发射系统和接收系统能够灵活地跟踪目标，提高了系统的适应性和操作便捷性。

62、4.环境适应性和监测能力的增强

63、环境监测与调整：辅助设备系统提供的全面环境监测数据，使系统能够适应不同的观测条件，及时调整测量策略。

64、避免外部干扰：飞机过境信息接收设备的使用，增强了系统在执行测量任务时对外部干扰(如飞行器)的预警能力，避免了潜在的安全风险。

65、5.数据处理和分析的精确性

66、精确的飞行时间计算：激光飞行计时模块能够精确记录激光发射和接收的时间点，为计算激光飞行时间提供了准确的数据支持。

67、综合数据分析：系统集成的多个模块协同工作，提供了更多的数据和信息，为地月距离的精确计算和相关天文研究提供了可靠的数据支持。

68、本发明提供的月球激光测距系统在精度、稳定性、自动化、环境适应性以及数据处理方面均实现了显著的技术进步，为地月距离的精确测量以及相关天文学和空间科学研究提供了强有力的技术支持。