激光测卫和激光测月

1、 小组成员：戴伟 宋文涛 范先铮 2013.10l激光测卫测月的发展背景l激光测距的基本原理l激光测卫(Satellite Laser Ranging ,SLR)和激光测月(Lunar Laser Ranging ,LLR)l激光测卫测月的应用激光测卫测月是六十年代中期发展起来的研究地球动力学和大地测量基本问题的一种重要手段。它的迅速发展的历史和已经取得的成就可以说明它在科学技术上和实用上的重要性。l六十年代初, 激光技术刚问世不久, 就有科学家把激光脉冲射向月球表面, 并用大型天文望远镜获得了回波。l1964年10月, 美国发射了第一顺带角反射器的卫星探险者22号。不久, 即获得了激光测距数

2、据。其后, 美、法等国又陆续发射了一些带角反射器的卫星。l1969年7月阿波罗11号登月, 在月面安放了一组角反射器, 为高精度测月提供了条件。随后, 美、苏又各放上二组角反射器。l1976年5月4日, 美国发射了一颗专供激光测距用的“ 激光地球动力学卫星” (Lageos )。它的密度很大, 轨道高约5900公里,偏心率很小, 倾角110度, 表面密布了426块角反射器, 轨道稳定, 几乎不受地球重力场的干扰, 因而可以获得极高的预报精度和测距精度。它它的发射成功的发射成功, , 使激光测卫工作进入了一个新使激光测卫工作进入了一个新的阶段。的阶段。用安装在地面测站的激光测距仪向安装了后向反射

3、棱镜的激光卫星发射激光脉冲信号；该信号被棱镜反射后返回测站，精确测定信号的往返传播时间；进而求出仪器到卫星质心间的距离。目前的测距精度可达1cm左右。 用公式可表示为： d=c*t/2激光测距系统主要包括：l 地面部分 包括了激光发生系统、激光光学发射和接收系统、光学系统转台、激光脉冲接收处理系统、时间间隔计数器、时间系统，标校系统、计算机控制记录系统、基石、电源系统、保护系统，最后为数据传输系统。l 空间部分 空间部分为带后向反射镜的卫星。激光测距观测值误差改正测距仪仪器常数改正不同仪器之间的常数改正地面大气延迟改正观测时间改正t= t1+ t2+ t3t1为工作钟与标准时间之间的差异；t2

4、为工作钟取样时刻和激光脉冲信号的发射时刻之间的差异，也称为触发延迟改正；t3为信号传播时间改正，从激光脉冲离开测距仪至到达卫星间的时间，t3=S/c 大气延迟改正卫星上的反射棱镜偏心改正潮汐改正相对论改正D=C.t/2+ DD为测距改正数 激光测距系统主要包括地面部分和空间部分 l空间部分为带后向反射镜的卫星l地面部分则包括：l激光发生系统、激光光学发射和接收系统、光学系统转台、激光脉冲接收处理系统、时间间隔计数器、时间系统；l标校系统、计算机控制记录系统、基石、电源系统、保护系统；l最后为数据传输系统。常用卫星： 专用卫星：lLageos卫星lStarlette卫星 非专用卫星：ATS-6l

5、海洋卫星Seasat-1l海洋地形试验卫星Topex/Poseidonl部分GPS卫星等。 这些卫星之所以安装激光反射棱镜，主要是把激光测距作为一种定轨的手段。 激光仪分类 1)按激光类型来分脉冲式：激光波段的电压强度相位式激光测距仪 用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟； 再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。t=/，D=1/2 ct=1/2 c/=c/(4f) (N+)=c/4f (N+N)激光仪分类2）根据其构造及精度分 第一代： 脉冲宽度在1040ns，测距精度约为16m。多数采用带调Q开关

6、的红宝石激光器。 第二代：脉冲宽度25ns，测距精度为30100cm,多数采用了脉冲分析法 ； 第三代：脉冲宽度为0.10.2ns,测距精度为13cm，多数采用锁模Nd:YAG激光器 。能在计算机控制下实现对卫星的自动跟踪和单光子检测技术。 激光测卫站中国 已经建立固定站武汉、上海、长春、北京和昆明等5个激光测卫站。 流动激光测卫站乌鲁木齐，拉萨 激光测卫站 国际上 目前在工作的SLR站如图所示，图中红色三角形测站表示正在工作的测站，大约有44个站。 观测数据网络：ILS已知卫星和测站到地心的距离 R，r;r是通过卫星的运动方程积分得到的，由于卫星绕地球的运动受到多种摄动力的作用，而与之相应的

7、摄动力学模型并不完善，加上积方运动方程所需的卫星初始状态和算法上带来的误差，使得计算的卫星星历表不准确;另外，测算的空间位置矢R是由台站的大地坐标转转换到空间坐标系中，这就要考虑到大地坐标的准确与否及地球极移、地球自转、章动、岁差等。因此，理论计算的距离值c与相应时刻的观测值o是不会完会相同的。2octcrR，63311111MNocijklmijklmijklmxpEXvxpEX（5.3）激光测月观测方程l由于地球和月球轨道星历是以太阳系质心坐标系给出的，因此激光测月的观测方程常在太阳系质心坐标系中建立；l右图给出了激光测月技术中的几何关系。lS为太阳系质心lOe为地球质心lOm为月球质心l

8、P为观测站lQ为月球激光后向反射镜lR为地球质心至太阳系质心距离；lr为月球质心至太阳系质心距离lRp为观测站至太阳系质心距离lrq为激光反射镜至太阳系质心距离lRe为观测站至地球质心距离lrm为激光后向反射镜至月球质心距离l为观测站至月球激光后向反射镜距离，即观测距离；则观测距离在太阳系质心坐标系可表示为（5-88）；距离方程线性化后可得观测方程（5-91）；注意上式中0为单程距离，实际测量为双程距离，且激光往返地月时间在2.5秒左右，可以认为这期间偏导数的变化可忽略；（5-91）式改写为 （5-92）；5882pqpeqmociiociiRrRRRrrrpPpP（）；（5-91）（5-92

9、）与地球相关的因素测站大气与月球相关的因素月球自转月球自转轴方向反射镜潮汐位移月球内部结构月球物理特性月球能量耗散 与月球相关的改正月球激光后向反射镜改正 月球坐标系原点取月球质心；z轴为月球自转轴；当月球平黄经等于轨道升交点黄经时，通过地心的月面子午圈与月球赤道的交点为x轴指向；以右手法则确定y轴。月球激光后向反射镜在月球坐标系中位置通过坐标变换到太阳系质心坐标系，可求得观测站至反射镜距离；经过简单推导可得到距离对反射镜位置的偏导数。与月球相关的改正月球天平动改正一般称月球旋转速率的变化为经度方向上的自由天平动；旋转轴绕它的Cassini位置和惯量主轴的运动称为纬度方向上的自由天平动；它们类似于地球运动中的岁差和章动现象；另外月球非对称性产生的受迫天平动都会对反射镜位置带来影响，需要加以改正；相关参数也可作为待估参数求解。月球轨道改正从距离方程可知，月球轨道运动对所观测的距离产生影响，而月球质心位置由月球星历给出，其位置不准确必然带来影响，因此需要将月球轨道相关的参数作为待估参数求解它们包括月球平黄经，平近点角，升交点角距月球轨道偏心率，月球轨道倾角，地月平均距离月球平均运动，日月角距等并作相对论效应改正。还有些随机因素的影响, 如发射激光能量的波动, 光电倍增管电压的波动和触发阂值的波动。其他一些因素如大气湍流,卫星角反射器阵