第八章-激光测卫(武大-魏二虎)

1、 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 1主讲：魏二虎 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 28.1、激光卫星测距原理8.2、激光卫星测量系统8.3、激光测距定轨原理8.4、激光卫星测距应用 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 31.激光激光激光LASER（Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation）是指光的受激辐射以实现光放大。激光的产生 当激光物质处于粒子数反转分布状态时，由自发辐射而产生的光子将引起其它原子受激跃迁，从而使光得到受激放大。 在光学谐振腔内沿腔轴方向传播的光受安置在两端的反射镜反射而往返传

2、播，在此过程中不断引起其他原子的受激跃迁，产生同频率的光子，使光迅速放大。 与腔轴不平行的光则在往返几次后逸出腔外，从而形成方向性极好的激光。 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 42、激光的特点六十年代初，美国Mainman在实验室研制成功世界上第一台红宝石激光器。它具有下述特点 高功率激光器的输出功率可达GW级。单位面积上的光能密度可高于太阳表面，作用距离到达几万公里高处的人造地球卫星甚至三十八万公里外的月球表面 ； 激光的谱线很窄，便于在接收系统中用窄带滤光片来消除天空背景的噪声，从而大大提高信噪比； 激光的发散角极小，在很远的距离上光能量仍能集中在一个很小的范围内，有的激光测距

3、系统发散角只有2，在月球表面上光斑直径也只有4km； 脉冲激光器的激光脉冲宽度可以达到很小的量级，而脉宽是决定测距精度的主要因素之一，因而激光测距的精度可以达到很高的精度。 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 53、激光测卫的提出 1963年第三届国际量子电子学会基于上述激光器的特点，就提出利用新光源测量卫星距离的可能性。 1964年10月美国通用电器公司和戈达德飞行中心（GFSC）先后成功的利用红宝石激光器测到了由美国宇航局（NASA）于当月发射的世界上第一颗带激光后向反射镜的人造地球卫星-探险者22号（BEB）的距离。 正是随着这第一次实验的成功，人卫激光测距（SLR）技术得到了迅

4、速的发展； 到现在人卫激光测距由当初希望的曙光变成了如日中天的最主要现代高技术空间大地测量手段之一。 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 64、测距过程、测距过程 用安装在地面测站的激光测距仪向安装了后向反射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。 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 75、测距原理 D=C.t/2+ D D为测距改正数 激光测激光测距仪距仪带反射棱镜的带反射棱镜的激光卫星激光卫星 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 85、测距原理 激光测

5、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+ t3 t1为工作钟与标准时间之间的差异； t2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 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 98.1、激光卫星测距原理 8.2、激光卫星测量系统8.3、激光测距定轨原理8.4、激光卫星测距应用 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 101激光测距系统主要包括地面部分和

6、空间部分 空间部分为带后向反射镜的卫星地面部分则包括：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。 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 112、激光测距卫星、激光测距卫星 专用卫星 Lageos卫星 Starlette卫星 Starlette 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 122、激光测距卫星、激光测距卫星 非专用卫星 ATS-6 海洋卫星Seasat-1 海洋地形试验卫星Topex/Poseidon 部分GPS卫星等。 这些卫星之所以安装激

7、光反射棱镜，主要是把激光测距作为一种定轨的手段。 TopexTopexSeasat-1Seasat-1ATS-6ATS-6GPSGPS卫星卫星 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 133、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) 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 143、激光仪分类 2）根

8、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。 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 154.人卫激光测距仪的结构人卫激光测距仪的结构 激光器； 望远镜； 光电头； 脉冲测量系统； 时频系统； 伺服系统； 计算机等部分组成的 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 16长春长春昆明昆明上海上海北京北京武汉

9、武汉TROS, Lhasa, Tibet TROS, Urumqi, China 5、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 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 175、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 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 188.1、激光卫星测距原理8.2、激光卫星测量系统 8.3、激光测距定轨原理8.4、激光卫星测距应用 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 19 已知卫星和测站到地心的距离

10、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。地心Rr卫星测站 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 20 长弧方程63311111MNocijklmijklmijklmxpEXvxpEX（5.3）2octcrR， 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏

11、二二二二虎虎虎虎 21 短弧方程 在人造卫星的精密定轨的过程中，由于理论模型不完善，产生与真实轨道不同的误差，加上积分导致误差累积致使对长弧的定轨精度不高，一般对不同轨道高度卫星选取不同的定轨弧段，对LAGEOS卫星定轨一个月左右的弧段比较好。 从另一方面讲，如果我们求解的参数的周期比较长，则在30天的短弧内，解出参数结果也不会好，当然有些参数是短周期的或者变化是比较快的，则需要在短的弧段内求解，如地球自转参数ERP，类大气阴尼系数，等。 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 22 为了避免长弧定轨精度低的缺点，通常采用的方法是把一段长弧分成若干段短弧； 那些须用长弧段来求解的参数称作公

12、共量； 而与短弧有关的量称作局部量； 这样分别在长弧和短弧段内求解相应的参数 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 238.1、激光卫星测距原理8.2、激光卫星测量系统8.3、激光测距定轨原理 8.4、激光卫星测距应用 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 241、地球自转参数测定、地球自转参数测定地球自转参数是指地球自转轴在地球本体和惯性空间的运动矢量，由于受太阳、月亮、大行星引力力矩以及地球内部动力学变化引起的位移影响，导致地球自转参数变化；通常用测定的 极移 日长变化（世界时） 岁差和章动序列来表示地球自转参数 通过多种技术观测 VLBI、SLR、GPS和DORIS SLR、

13、VLBI、GPS观测覆盖（统计至2005年） 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 252、人卫激光测距用于地球质心测定、人卫激光测距用于地球质心测定 地球参考系的原点可从两方面来定义，一是几何方面，如大地参考系，另一方面则是更加通用的从动力学方法来定义，即地球的质量中心。 地球质心位置为确定地球表面、大气以及空间位置的相对运动提供了参考原点。 它的位置需要通过地球固体表面的参考框架来反映。理论参考框架原点在地球质心上，实际原点通过地面测站网对卫星轨道长时间观测的平差结果、也受到观测误差的影响，故参考框架原点和地球质心有所不同。 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 262、人卫激

14、光测距用于地、人卫激光测距用于地球质心测定球质心测定 也可通过过地面测站网对卫星轨道观测确定地球质心及其变化，进而研究其变化的地球物理机制。 ITRF2005参考框架原点定义是基于13年人卫激光测距得到的地球质心，并使平均地球质心变化和变率为零。LAGEOS卫星SLR测定地心变化（时间单位：年） 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 273、人卫激光测距用于地球低阶重力场测定 在重力卫星资料应用以前，地球重力场测定主要靠卫星地面跟踪资料和地面重力测量资料联合确定。 地球重力场的中长波部分主要由卫星跟踪资料确定，卫星跟踪资料也主要来源于人卫激光测距资料。 重力卫星出现后，由于其卫星数目、轨

15、道及资料累积的局限，其低阶部分结果仍然分离不好，需要人卫激光测距资料结果来补充，特别是2阶项。人卫激光测距资料J2项月解 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 283、人卫激光测距用于地球低阶重力场测定 30多年累积的人卫激光测距资料也有其利用优势，如J2长期变化项、18.6年周期项确定以及用于GRACE重力卫星资料分离海洋和水的质量变化。 另外，从人卫激光测距资料获得的J2项变化分析发现其与ENSO（厄尔尼诺与南方涛动）现象密切相关，因此人卫激光测距也可以用来监测气候变化导致的长期地球重力场变化。人卫激光测距资料J2项长期变化结果 人卫激光测距资料J2项中18.6年潮汐项结果 主主主主讲讲讲讲：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 294、人卫激光测距用于地心引力常数GM测定 自第一颗人造地球卫星上天，卫星观测资料就用于地球重力场的确定，包括地心引力常数GM测定。 人卫激光测距技术出现后，GM值确定主要采用这一技术，特别是地球动力学卫星LAGEOS激光测距资料的应用； 现在广泛应用的GM值为398600.4415km3/s2，就是通过5年的LAGEOS-1资料处