【读论文】Science 短讯2005 星际距离双向激光链路Two-Way Laser Link over Interplanetary Distance[J]

国标GB/T 7714标准论文引用格式SMITH D E, ZUBER M T, SUN X L, et al. Two-Way Laser Link over Interplanetary Distance[J]. Science, 2006, 311(5757): 53.全文逐字逐句对照翻译短讯星际距离双向激光链路戴维·E·史密斯¹*玛丽亚·T·朱伯¹,²孙晓莉¹格雷戈里·A·诺伊曼¹,²约翰·F·卡瓦诺¹简·F·麦加里¹托马斯·W·扎格沃茨基¹在星际距离上完成低能激光脉冲的探测与精密计时将推动基础物理、太阳系动力学领域取得突破性进展[¹]同时支撑深空高带宽通信技术发展[²,³]。信使号MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging水星表面、空间环境、地球化学与测距探测器[⁴]于2004年8月3日发射搭载水星激光高度计MLA[⁵]作为载荷套件的组成部分开启为期6.6年的水星航行。在一次地球飞掠前开展的试验中水星激光高度计成功实现对地测距并接收到美国国家航空航天局戈达德地球物理与天文观测台GGAO发射的激光脉冲[⁶]。在水星激光高度计试验之前人类仅在1992年完成过一次深空激光测距演示两台地面激光器对准伽利略号探测器探测器相机在6×106 km6×10^{6}\ \text{km}6×106km的距离上将激光信号记录为光带[⁷]。与之不同本次水星激光高度计对地测距试验采用异步应答器工作模式[⁸]星载与地面激光终端各自独立发射定时脉冲依靠稳定的星载时钟关联发射与接收脉冲时刻再利用成对观测时刻求解公共距离值与时钟偏差量[⁶]。信使号探测器搭载的时钟为恒温石英振荡器[⁴]用于计量任务流逝时间MET并会通过地面参考系统的地球动力学时定期同步至协调世界时UTC。2005年5月26日至31日测试期间经过水星激光高度计定期校准的星载时钟稳定度约十亿分之一ppb。试验共设置三段观测窗口每段窗口内水星激光高度计持续发射激光5小时探测器以16 mrad s−116\ \text{mrad}\ \text{s}^{-1}16mrads−1的速率沿间隔32 mrad32\ \text{mrad}32mrad的扫描线对地球进行扫描总扫描区域尺寸为3.2 mrad×3.2 mrad3.2\ \text{mrad} × 3.2\ \text{mrad}3.2mrad×3.2mrad。戈达德地球物理与天文观测台配备事件计时器记录脉冲发射与接收时刻时间基准溯源至协调世界时绝对时间精度优于100纳秒一台1吉赫兹数字示波器同步记录接收脉冲波形。2005年5月27日协调世界时19:47:24设备连续记录16组脉冲5月24日同步采集同类脉冲5月31日协调世界时19:42:02记录到更多脉冲信号。与此同时戈达德地球物理与天文观测台向上向水星激光高度计发射激光束。上行脉冲与被日光照射的地球产生的噪声触发信号会在每125毫秒发射间隔内、15毫秒测距窗口内被探测器捕获。仪器存储数据分析结果显示30分钟观测时段内共捕获90组脉冲其中17组信号分布在多通道脉冲计时结果与戈达德观测台发射时刻完全匹配。若要将上述事件分别解译为下行测距、上行测距数据需对星载时钟参数与轨道状态参数开展联合求解[⁶]图1。该求解模型可给出初始时刻时钟偏差、时钟漂移速率以及随探测器时刻变化的距离值表1[⁹]。下行观测数据拟合残差均方根为0.39纳秒上行链路信号质量较差拟合残差均方根为2.9纳秒。形式标准偏差表明测距精度可达±20厘米。本次试验测得的距离与X波段多普勒跟踪上行7.2吉赫兹、下行8.4吉赫兹重构星历计算出的距离差值不超过52米。本次试验实现亚纳秒级激光脉冲计时完成星际距离双向激光链路搭建同时创下激光发射与探测的最远传输距离纪录。图1说明翻译图1 水星激光高度计与戈达德观测台的脉冲接收时刻。图中可见地面激光脉冲黑色标记被水星激光高度计接收的时刻比理论预测值提前约0.35毫秒同理5月27日水星激光高度计发射脉冲被地面接收的时刻红色标记提前约0.34毫秒而5月31日对应接收时刻蓝色标记滞后约0.14毫秒。表1 求解参数参数数值差值距离米23964675381.3-0.0087时刻秒71163.729670967±6.6×10−1071163.729670967 ± 6.6 × 10^{-10}71163.729670967±6.6×10−100.000348692时钟漂移速率十亿分之一————参考文献与注释D. E. Smith, M. T. Zuber, J. J. Degnan, J. B. Abshire, paper presented at Marcel Grossman 8, Jerusalem, 1997.J. Bland-Hawthorn, A. Harwit, M. Harwit, Science 523, 293 (2002).B. L. Edwards et al., paper presented at AIAA (2003).A. G. Santo et al., Planet. Space Sci. 49, 1481 (2001).J. F. Cavanaugh et al., in preparation.Materials and methods are available as supporting material on Science Online.K. E. Wilson, J. R. Lesh, T.-Y. Yan, Proc. SPIE 1866, 138 (1993).J. J. Degnan, J. Geodynam. 34, 551 (2002).The range is not a true geometric time of flight because both terminals are accelerating, but the round-trip time is adequately constrained in this fashion.We gratefully acknowledge the efforts of the MESSENGER spacecraft team, the MLA instrument team, and the staff of NASA’s GGAO. The MESSENGER Project is supported by NASA’s Discovery Program.在线补充材料www.sciencemag.org/cgi/content/full/311/5757/53/DC1材料与方法附表S1参考文献与注释2005年9月12日收稿2005年11月9日录用10.1126/science.1120091¹美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心太阳系探索分部马里兰州格林贝尔特邮编20771²美国麻省理工学院马萨诸塞州剑桥市邮编02139–4307*通讯作者。电子邮箱dsmiththarsis.gsfc.nasa.gov《科学》杂志2006年1月6日第311卷第53页