第八章-激光測衛(wèi)(武大-魏二虎)

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(wèi)星測距原理8.2、激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)8.3、激光測距定軌原理8.4、激光衛(wèi)星測距應(yīng)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(xiàn)光放大。激光的產(chǎn)生 當激光物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)時，由自發(fā)輻射而產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(wèi)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(tǒng)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(fā)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(nèi)，有的激光測距

3、系統(tǒng)發(fā)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(wèi)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(wèi)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(fā)射的世界上第一顆帶激光后向反射鏡的人造地球衛(wèi)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(wèi)激光測距（SLR）技術(shù)得到了迅

4、速的發(fā)展； 到現(xiàn)在人衛(wèi)激光測距由當初希望的曙光變成了如日中天的最主要現(xiàn)代高技術(shù)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(wèi)星發(fā)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(wèi)星質(zhì)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(shù) 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(wèi)星激光衛(wèi)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(shù)改正 不同儀器之間的常數(shù)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(fā)射時刻之間的差異，也稱為觸發(fā)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(wèi)星間的時間，t3=S/c 大氣延遲改正 衛(wèi)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(wèi)星測距原理 8.2、激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)8.3、激光測距定軌原理8.4、激光衛(wèi)星測距應(yīng)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(tǒng)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(wèi)星地面部分則包括：激光發(fā)生系統(tǒng)、激光光學發(fā)射和接收系統(tǒng)、光學系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺、激光脈沖接收處理系統(tǒng)、時間間隔計數(shù)器、時間系統(tǒng)；標校系統(tǒng)、計算機控制記錄系統(tǒng)、基石、電源系統(tǒng)、保護系統(tǒng)；最后為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 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(wèi)星、激光測距衛(wèi)星 專用衛(wèi)星 Lageos衛(wèi)星 Starlette衛(wèi)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(wèi)星、激光測距衛(wèi)星 非專用衛(wèi)星 ATS-6 海洋衛(wèi)星Seasat-1 海洋地形試驗衛(wèi)星Topex/Poseidon 部分GPS衛(wèi)星等。 這些衛(wèi)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(wèi)星衛(wèi)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(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所產(chǎn)生的相位延遲； 再根據(jù)調(diào)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(jīng)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(jù)其構(gòu)造及精度分 第一代： 脈沖寬度在1040ns，測距精度約為16m。多數(shù)采用帶調(diào)Q開關(guān)的紅寶石激光器。 第二代：脈沖寬度25ns，測距精度為30100cm,多數(shù)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(shù)采用鎖模Nd:YAG激光器 。能在計算機控制下實現(xiàn)對衛(wèi)星的自動跟蹤和單光子檢測技術(shù)。 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 154.人衛(wèi)激光測距儀的結(jié)構(gòu)人衛(wèi)激光測距儀的結(jié)構(gòu) 激光器； 望遠鏡； 光電頭； 脈沖測量系統(tǒng)； 時頻系統(tǒng)； 伺服系統(tǒng)； 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(wèi)站中國 已經(jīng)建立固定站武漢、上海、長春、北京和昆明等5個激光測衛(wèi)站。 流動激光測衛(wèi)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(wèi)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)：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(wèi)星測距原理8.2、激光衛(wèi)星測量系統(tǒng) 8.3、激光測距定軌原理8.4、激光衛(wèi)星測距應(yīng)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(wèi)星和測站到地心的距離

10、R，r; r是通過衛(wèi)星的運動方程積分得到的，由于衛(wèi)星繞地球的運動受到多種攝動力的作用，而與之相應(yīng)的攝動力學模型并不完善，加上積方運動方程所需的衛(wèi)星初始狀態(tài)和算法上帶來的誤差，使得計算的衛(wèi)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)、章動、歲差等。 因此，理論計算的距離值c與相應(yīng)時刻的觀測值o是不會完會相同的。地心Rr衛(wèi)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(wèi)星的精密定軌的過程中，由于理論模型不完善，產(chǎn)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(wèi)星選取不同的定軌弧段，對LAGEOS衛(wèi)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(shù)的周期比較長，則在30天的短弧內(nèi)，解出參數(shù)結(jié)果也不會好，當然有些參數(shù)是短周期的或者變化是比較快的，則需要在短的弧段內(nèi)求解，如地球自轉(zhuǎn)參數(shù)ERP，類大氣陰尼系數(shù)，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?。?那些須用長弧段來求解的參數(shù)稱作公

12、共量； 而與短弧有關(guān)的量稱作局部量； 這樣分別在長弧和短弧段內(nèi)求解相應(yīng)的參數(shù) 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(wèi)星測距原理8.2、激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)8.3、激光測距定軌原理 8.4、激光衛(wèi)星測距應(yīng)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(zhuǎn)參數(shù)測定、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)測定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)是指地球自轉(zhuǎn)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(nèi)部動力學變化引起的位移影響，導致地球自轉(zhuǎn)參數(shù)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(zhuǎn)參數(shù) 通過多種技術(shù)觀測 VLBI、SLR、GPS和DORIS SLR、

13、VLBI、GPS觀測覆蓋（統(tǒng)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(wèi)激光測距用于地球質(zhì)心測定、人衛(wèi)激光測距用于地球質(zhì)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(zhì)量中心。 地球質(zhì)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(zhì)心上，實際原點通過地面測站網(wǎng)對衛(wèi)星軌道長時間觀測的平差結(jié)果、也受到觀測誤差的影響，故參考框架原點和地球質(zhì)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(wèi)激

14、光測距用于地、人衛(wèi)激光測距用于地球質(zhì)心測定球質(zhì)心測定 也可通過過地面測站網(wǎng)對衛(wèi)星軌道觀測確定地球質(zhì)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(wèi)激光測距得到的地球質(zhì)心，并使平均地球質(zhì)心變化和變率為零。LAGEOS衛(wèi)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(wèi)激光測距用于地球低階重力場測定 在重力衛(wèi)星資料應(yīng)用以前，地球重力場測定主要靠衛(wèi)星地面跟蹤資料和地面重力測量資料聯(lián)合確定。 地球重力場的中長波部分主要由衛(wèi)星跟蹤資料確定，衛(wèi)星跟蹤資料也主要來源于人衛(wèi)激光測距資料。 重力衛(wèi)星出現(xiàn)后，由于其衛(wèi)星數(shù)目、軌

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