1、 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 1主講：魏二虎 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 28.1、激光衛星測距原理8.2、激光衛星測量系統8.3、激光測距定軌原理8.4、激光衛星測距應用 主主主主講講講講：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）是指光的受激輻射以實現光放大。激光的產生 當激光物質處于粒子數反轉分布狀態時，由自發輻射而產生的光子將引起其它原子受激躍遷，從而使光得到受激放大。 在光學諧振腔內沿腔軸方向傳播的光受安置在兩端的反射鏡反射而往返傳

2、播，在此過程中不斷引起其他原子的受激躍遷，產生同頻率的光子，使光迅速放大。 與腔軸不平行的光則在往返幾次后逸出腔外，從而形成方向性極好的激光。 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 42、激光的特點六十年代初，美國Mainman在實驗室研制成功世界上第一臺紅寶石激光器。它具有下述特點 高功率激光器的輸出功率可達GW級。單位面積上的光能密度可高于太陽表面，作用距離到達幾萬公里高處的人造地球衛星甚至三十八萬公里外的月球表面 ； 激光的譜線很窄，便于在接收系統中用窄帶濾光片來消除天空背景的噪聲，從而大大提高信噪比； 激光的發散角極小，在很遠的距離上光能量仍能集中在一個很小的范圍內，有的激光測距

3、系統發散角只有2，在月球表面上光斑直徑也只有4km； 脈沖激光器的激光脈沖寬度可以達到很小的量級，而脈寬是決定測距精度的主要因素之一，因而激光測距的精度可以達到很高的精度。 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 53、激光測衛的提出 1963年第三屆國際量子電子學會基于上述激光器的特點，就提出利用新光源測量衛星距離的可能性。 1964年10月美國通用電器公司和戈達德飛行中心（GFSC）先后成功的利用紅寶石激光器測到了由美國宇航局（NASA）于當月發射的世界上第一顆帶激光后向反射鏡的人造地球衛星-探險者22號（BEB）的距離。 正是隨著這第一次實驗的成功，人衛激光測距（SLR）技術得到了迅

4、速的發展； 到現在人衛激光測距由當初希望的曙光變成了如日中天的最主要現代高技術空間大地測量手段之一。 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 64、測距過程、測距過程 用安裝在地面測站的激光測距儀向安裝了后向反射棱鏡的激光衛星發射激光脈沖信號； 該信號被棱鏡反射后返回測站，精確測定信號的往返傳播時間； 進而求出儀器到衛星質心間的距離。 目前的測距精度可達1cm左右。 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 75、測距原理 D=C.t/2+ D D為測距改正數 激光測激光測距儀距儀帶反射棱鏡的帶反射棱鏡的激光衛星激光衛星 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 85、測距原理 激光測

5、距觀測值誤差改正 測距儀儀器常數改正 不同儀器之間的常數改正 地面大氣延遲改正 觀測時間改正t= t1+ t2+ t3 t1為工作鐘與標準時間之間的差異； t2為工作鐘取樣時刻和激光脈沖信號的發射時刻之間的差異，也稱為觸發延遲改正； t3為信號傳播時間改正，從激光脈沖離開測距儀至到達衛星間的時間，t3=S/c 大氣延遲改正 衛星上的反射棱鏡偏心改正 潮汐改正 相對論改正 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 98.1、激光衛星測距原理 8.2、激光衛星測量系統8.3、激光測距定軌原理8.4、激光衛星測距應用 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 101激光測距系統主要包括地面部分和

6、空間部分 空間部分為帶后向反射鏡的衛星地面部分則包括：激光發生系統、激光光學發射和接收系統、光學系統轉臺、激光脈沖接收處理系統、時間間隔計數器、時間系統；標校系統、計算機控制記錄系統、基石、電源系統、保護系統；最后為數據傳輸系統。 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 112、激光測距衛星、激光測距衛星 專用衛星 Lageos衛星 Starlette衛星 Starlette 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 122、激光測距衛星、激光測距衛星 非專用衛星 ATS-6 海洋衛星Seasat-1 海洋地形試驗衛星Topex/Poseidon 部分GPS衛星等。 這些衛星之所以安裝激

7、光反射棱鏡，主要是把激光測距作為一種定軌的手段。 TopexTopexSeasat-1Seasat-1ATS-6ATS-6GPSGPS衛星衛星 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 133、激光儀分類 1)按激光類型來分脈沖式：激光波段的電壓強度相位式激光測距儀 用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調制并測定調制光往返測線一次所產生的相位延遲； 再根據調制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經往返測線所需的時間。t=/，D=1/2 ct=1/2 c/=c/(4f) (N+)=c/4f (N+N) 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 143、激光儀分類 2）根

8、據其構造及精度分 第一代： 脈沖寬度在1040ns，測距精度約為16m。多數采用帶調Q開關的紅寶石激光器。 第二代：脈沖寬度25ns，測距精度為30100cm,多數采用了脈沖分析法 ； 第三代：脈沖寬度為0.10.2ns,測距精度為13cm，多數采用鎖模Nd:YAG激光器 。能在計算機控制下實現對衛星的自動跟蹤和單光子檢測技術。 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 154.人衛激光測距儀的結構人衛激光測距儀的結構 激光器； 望遠鏡； 光電頭； 脈沖測量系統； 時頻系統； 伺服系統； 計算機等部分組成的 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 16長春長春昆明昆明上海上海北京北京武漢

9、武漢TROS, Lhasa, Tibet TROS, Urumqi, China 5、激光測衛站中國 已經建立固定站武漢、上海、長春、北京和昆明等5個激光測衛站。 流動激光測衛站烏魯木齊，拉薩 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 175、激光測衛站 國際上 目前在工作的SLR站如圖所示，圖中紅色三角形測站表示正在工作的測站，大約有44個站。 觀測數據網絡：ILS 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 188.1、激光衛星測距原理8.2、激光衛星測量系統 8.3、激光測距定軌原理8.4、激光衛星測距應用 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 19 已知衛星和測站到地心的距離

10、R，r; r是通過衛星的運動方程積分得到的，由于衛星繞地球的運動受到多種攝動力的作用，而與之相應的攝動力學模型并不完善，加上積方運動方程所需的衛星初始狀態和算法上帶來的誤差，使得計算的衛星星歷表不準確; 另外，測算的空間位置矢R是由臺站的大地坐標轉轉換到空間坐標系中，這就要考慮到大地坐標的準確與否及地球極移、地球自轉、章動、歲差等。 因此，理論計算的距離值c與相應時刻的觀測值o是不會完會相同的。地心Rr衛星測站 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 20 長弧方程63311111MNocijklmijklmijklmxpEXvxpEX（5.3）2octcrR， 主主主主講講講講：魏魏魏魏

11、二二二二虎虎虎虎 21 短弧方程 在人造衛星的精密定軌的過程中，由于理論模型不完善，產生與真實軌道不同的誤差，加上積分導致誤差累積致使對長弧的定軌精度不高，一般對不同軌道高度衛星選取不同的定軌弧段，對LAGEOS衛星定軌一個月左右的弧段比較好。 從另一方面講，如果我們求解的參數的周期比較長，則在30天的短弧內，解出參數結果也不會好，當然有些參數是短周期的或者變化是比較快的，則需要在短的弧段內求解，如地球自轉參數ERP，類大氣陰尼系數，等。 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 22 為了避免長弧定軌精度低的缺點，通常采用的方法是把一段長弧分成若干段短弧； 那些須用長弧段來求解的參數稱作公

12、共量； 而與短弧有關的量稱作局部量； 這樣分別在長弧和短弧段內求解相應的參數 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 238.1、激光衛星測距原理8.2、激光衛星測量系統8.3、激光測距定軌原理 8.4、激光衛星測距應用 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 241、地球自轉參數測定、地球自轉參數測定地球自轉參數是指地球自轉軸在地球本體和慣性空間的運動矢量，由于受太陽、月亮、大行星引力力矩以及地球內部動力學變化引起的位移影響，導致地球自轉參數變化；通常用測定的 極移 日長變化（世界時） 歲差和章動序列來表示地球自轉參數 通過多種技術觀測 VLBI、SLR、GPS和DORIS SLR、

13、VLBI、GPS觀測覆蓋（統計至2005年） 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 252、人衛激光測距用于地球質心測定、人衛激光測距用于地球質心測定 地球參考系的原點可從兩方面來定義，一是幾何方面，如大地參考系，另一方面則是更加通用的從動力學方法來定義，即地球的質量中心。 地球質心位置為確定地球表面、大氣以及空間位置的相對運動提供了參考原點。 它的位置需要通過地球固體表面的參考框架來反映。理論參考框架原點在地球質心上，實際原點通過地面測站網對衛星軌道長時間觀測的平差結果、也受到觀測誤差的影響，故參考框架原點和地球質心有所不同。 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 262、人衛激

14、光測距用于地、人衛激光測距用于地球質心測定球質心測定 也可通過過地面測站網對衛星軌道觀測確定地球質心及其變化，進而研究其變化的地球物理機制。 ITRF2005參考框架原點定義是基于13年人衛激光測距得到的地球質心，并使平均地球質心變化和變率為零。LAGEOS衛星SLR測定地心變化（時間單位：年） 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 273、人衛激光測距用于地球低階重力場測定 在重力衛星資料應用以前，地球重力場測定主要靠衛星地面跟蹤資料和地面重力測量資料聯合確定。 地球重力場的中長波部分主要由衛星跟蹤資料確定，衛星跟蹤資料也主要來源于人衛激光測距資料。 重力衛星出現后，由于其衛星數目、軌

15、道及資料累積的局限，其低階部分結果仍然分離不好，需要人衛激光測距資料結果來補充，特別是2階項。人衛激光測距資料J2項月解 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 283、人衛激光測距用于地球低階重力場測定 30多年累積的人衛激光測距資料也有其利用優勢，如J2長期變化項、18.6年周期項確定以及用于GRACE重力衛星資料分離海洋和水的質量變化。 另外，從人衛激光測距資料獲得的J2項變化分析發現其與ENSO（厄爾尼諾與南方濤動）現象密切相關，因此人衛激光測距也可以用來監測氣候變化導致的長期地球重力場變化。人衛激光測距資料J2項長期變化結果 人衛激光測距資料J2項中18.6年潮汐項結果 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 294、人衛激光測距用于地心引力常數GM測定 自第一顆人造地球衛星上天，衛星觀測資料就用于地球重力場的確定，包括地心引力常數GM測定。 人衛激光測距技術出現后，GM值確定主要采用這一技術，特別是地球動力學衛星LAGEOS激光測距資料的應用； 現在廣泛應用的GM值為398600.4415km3/s2，就是通過5年的LAGEOS-1資料處