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导语

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圆梦天宫，英雄凯旋！年4月16日9时56分神州十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆，为期天的飞行任务取得圆满成功，中国航天又站在了一个新的起点。

（太空限定行程卡）

在神十三完美着陆的过程中，伽马高度计可谓是大显神通，为其保驾护航。下面就让我们一起走进高度计吧。

高度计

高度计，顾名思义就是测量高度的仪器，在生活中也是屡见不鲜。例如气压高度计——利用大气压强与高度的关系计算海拔高度，在登山运动中扮演着不可或缺的角色。

（托里拆利发现了大气压强）

然而航天器工作环境具有特殊性，大多数时候都是在太空中，这导致气压高度计等一般高度计不能正常工作。因此用于航天事业的主要是以下三种特殊的高度计：伽马高度计、微波高度计和激光高度计。

神舟十三——伽马高度计

宇航员乘坐的返回舱回到地球一共分为五步，分别是与空间站分离，进入返回轨道，惯性滑行，进入大气层，然后着陆。在返回舱落地之前，最关键的一步便是着陆反推器启动，启动时太空舱底部会冒出一道火光，这决定着返回舱是否可以安全落在地面，是否可以保障宇航员的生命安全。

降落步骤

我们知道，在反推发动机工作前，由于返回舱经过大气层的减速，此时的速度已经降到米/秒以下，从距离地面10公里的地方开始打开舱盖，降落伞从返回舱弹出，将速度逐步降到8米/秒左右。

在返回舱离地1米高度时，反推发动机就登场了。4台反推发动机瞬间工作的同时，将产生12吨推力，短时间内将返回舱的下降速度降低到2米/秒，再加上返回舱座椅的缓冲效果，就能保证航天员的安全了。

那么如何确保发动机在离地面1米高度的时候精准点火呢？这就涉及一项精度可以达到厘米级的国产黑科技：伽马高度计。

工作原理

伽马高度计在工作时，其内部发射出的γ光子到达地面后会产生散射，飞向四面八方。飞船高度较高时，只有很小一部分散射回来的γ光子会被γ射线高度计接收到，但是当高度降低离地面1米时，散射回来的γ光子数量会急剧增长，而且对高度非常敏感。通过测量接收到的光子数量，就可推算出当前的高度值，精确度极高。

我国神舟飞船使用的伽玛射线高度计是自行研制的，在之前载人飞行和嫦娥探月任务中，表现十分优秀。这是目前精度最高的高度计，正是这个“黑科技”保驾护航下，神舟13号在着陆前一瞬间能准确发出点火信号，并在20毫秒内启动反推发动机，在一闪而过的火光和烟雾之后，返回舱稳稳地降落在地面上。

嫦娥一号——激光高度计

是她！激光高度计！拍摄了中国第一张全月球三维图。年10月24日，“嫦娥一号”卫星发射升空，11月28日在环月轨道上开机后，获取了共计万点有效月球三维高层数据，圆满地完成了观测月球的地形地貌探测任务。

至于“本职工作”——激光高度计怎么测量卫星到月球表面的距离呢？

工作原理

简单来说就是激光测距。激光高度计从卫星上发射一束大功率的窄脉冲激光到月球表面，并接收月球表面后向散射的激光信号，通过测量激光往返延迟时间来计算卫星到月表的距离。

但是，这可不是普通的激光测距。探月卫星的工作在恶劣的空间环境中开展，在不确定的热环境和电磁环境中，由于空间高能粒子的轰击、中子辐射、电磁风暴等因素，不仅会影响探月卫星的控制精度，而且会对探月卫星的各种有效载荷带来明显的测量误差，降低测量的可靠性和测量精度。所以为获得更精准的数据就得依靠更深入的研究和更合适的算法。

激光高度计优势

总的来看，该激光高度计是我国第一次自行研制的空间应用的激光主动遥感仪器，也是激光高度计系统首次工作在月球两极轨道激光高度计能有效地获取全月面，特别是月球南北两极的高程数据。国际上以前从未系统地获取过月球南北两极的高程数据，“嫦娥一号”激光高度计凭借其在轨一年的科学数据填补了这个空白。

嫦娥一号卫星首次绕月探测的成功，树立了中国航天的第三个里程碑，突破了一大批具有自主知识产权的核心技术和关键技术，使中国一举成为世界上为数不多具有深空探测能力的国家！

天宫二号——微波高度计

随着19年2月20日新一轮对地观测周期的结束，天宫二号已在轨运行天。截至当时，天宫二号运用到的微波高度计已经获取大量重点海区的观测数据。那么为什么探测海洋非微波高度计不可？

海洋灾害的发生往往伴随着海洋环境的异常变化。如“厄尔尼诺现象”（发生在热带太平洋海温异常增暖的一种气候现象），海面高度异常升高的幅度仅为分米级，只有微波高度计能够敏锐地捕捉到这种细微的变化，同时还需要去除赤潮、海啸和风暴潮的干扰。

微波高度计项目的实施可为研究全球的海洋动力环境（包括海平面高度，海面风浪和洋流）提供直接的科学观测数据，并且为全球能量交换、气候变化的研究提供不可或缺的科学依据。

工作原理

在天宫二号工作过程中微波高度计利用小入射角、一发双收的双天线和双通道接收机获取高相干海面回波；利用高度计的高精度干涉相位测量能力以及波形跟踪能力，精确获得宽刈幅（卫星扫过的宽度）范围内描述海面高度的干涉相位信息；通过对干涉相位进行处理，精确恢复高度计双天线相位中心与测量海面点的几何关系，从而确定平均海平面的高度值。

（天宫二号高度计观测示意图）

拟“天宫二号”高度计在轨获得的海面干涉条纹图，经过反演得到三维海面图。从三维海面图中，可以进一步得到海平面高度和海面浪高的测量结果。

传统海洋微波高度计在海洋观测中只能获得星下点（人造地球卫星在地面的投影点称星下点，用地理经、纬度表示）3km左右观测的范围，即获得沿轨迹方向星下点的一维海平面高度测量，“天宫二号”微波高度计在三维海洋表面观测方面是传统高度计幅宽的10倍，极大的提高了观测效率，从而获取相关的观测数据并且在研究全球的海洋动力环境（包括海平面高度，海面风浪和洋流）中发挥至关重要的作用。

微波高度计优势

天宫二号运用到的微波高度计实现了多方面的技术突破和创新。在总体技术方面，在国际上首次试验验证了采用小入射角和短基线干涉测量技术以及新型高度跟踪技术实现宽刈幅海平面高度厘米级测量精度的工作机理，并在国际上首次获得了三维海面形态观测结果；在高相干雷达系统的设计、仿真、研制技术以及高精度信号处理技术方面，雷达系统的干涉相位测量精度达到0.02度。所研制的高度跟踪器和自动增益控制算法实现了全球海陆观测的自动切换和自适应跟踪与控制。

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结语

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“神舟”飞天、“嫦娥”揽月、“天宫”遨游！中国航天到底有多浪漫？

“相期邈云汉”近在咫尺，“满船清梦压星河”不再遥不可及，“手可摘星辰”并非南柯一梦······中国航天人将古老的神话变现，满足古人留给我们关于飞天的无限想象。刚刚过去的4月24日是中国航天日，让我们一起向航天人致敬，星汉灿烂，因你们而滚烫！

[1]王东霞,宋爱国温秀兰.().嫦娥一号激光高度计在轨月球高程数据测量不确定度研究.计量学报(11),-.

[2].拍摄中国第一张全月球三维图的“嫦娥一号”卫星的激光高度计[J].科学通报,,55(23):.

作者：杜怡璇钟昉如张俊彦

图文排版：于洪彬

审核：赵然有