激光測衛(wèi)和激光測月

1、 小組成員：戴偉 宋文濤 范先錚 2013.10l激光測衛(wèi)測月的發(fā)展背景l(fā)激光測距的基本原理l激光測衛(wèi)(Satellite Laser Ranging ,SLR)和激光測月(Lunar Laser Ranging ,LLR)l激光測衛(wèi)測月的應用激光測衛(wèi)測月是六十年代中期發(fā)展起來的研究地球動力學和大地測量基本問題的一種重要手段。它的迅速發(fā)展的歷史和已經取得的成就可以說明它在科學技術上和實用上的重要性。l六十年代初, 激光技術剛問世不久, 就有科學家把激光脈沖射向月球表面, 并用大型天文望遠鏡獲得了回波。l1964年10月, 美國發(fā)射了第一順帶角反射器的衛(wèi)星探險者22號。不久, 即獲得了激光測距數(shù)

2、據(jù)。其后, 美、法等國又陸續(xù)發(fā)射了一些帶角反射器的衛(wèi)星。l1969年7月阿波羅11號登月, 在月面安放了一組角反射器, 為高精度測月提供了條件。隨后, 美、蘇又各放上二組角反射器。l1976年5月4日, 美國發(fā)射了一顆專供激光測距用的“ 激光地球動力學衛(wèi)星” (Lageos )。它的密度很大, 軌道高約5900公里,偏心率很小, 傾角110度, 表面密布了426塊角反射器, 軌道穩(wěn)定, 幾乎不受地球重力場的干擾, 因而可以獲得極高的預報精度和測距精度。它它的發(fā)射成功的發(fā)射成功, , 使激光測衛(wèi)工作進入了一個新使激光測衛(wèi)工作進入了一個新的階段。的階段。用安裝在地面測站的激光測距儀向安裝了后向反射

3、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)星質心間的距離。目前的測距精度可達1cm左右。 用公式可表示為： d=c*t/2激光測距系統(tǒng)主要包括：l 地面部分 包括了激光發(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)。l 空間部分 空間部分為帶后向反射鏡的衛(wèi)星。激光測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+ t3t1為工作鐘與標準時間之間的差異；t2

4、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D=C.t/2+ DD為測距改正數(shù) 激光測距系統(tǒng)主要包括地面部分和空間部分 l空間部分為帶后向反射鏡的衛(wèi)星l地面部分則包括：l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)；l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)；l最后為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。常用衛(wèi)星： 專用衛(wèi)星：lLageos衛(wèi)星lStarlette衛(wèi)星 非專用衛(wèi)星：ATS-6l

5、海洋衛(wèi)星Seasat-1l海洋地形試驗衛(wèi)星Topex/Poseidonl部分GPS衛(wèi)星等。 這些衛(wèi)星之所以安裝激光反射棱鏡，主要是把激光測距作為一種定軌的手段。 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(jù)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)激光儀分類2）根據(jù)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(shù)采用帶調Q開關

6、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。 激光測衛(wèi)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(wèi)站。 流動激光測衛(wèi)站烏魯木齊，拉薩 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：ILS已知衛(wèi)星和測站到地心的距離 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，而與之相應的

7、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。2octcrR，63311111MNocijklmijklmijklmxpEXvxpEX（5.3）激光測月觀測方程l由于地球和月球軌道星歷是以太陽系質心坐標系給出的，因此激光測月的觀測方程常在太陽系質心坐標系中建立；l右圖給出了激光測月技術中的幾何關系。lS為太陽系質心lOe為地球質心lOm為月球質心l

8、P為觀測站lQ為月球激光后向反射鏡lR為地球質心至太陽系質心距離；lr為月球質心至太陽系質心距離lRp為觀測站至太陽系質心距離lrq為激光反射鏡至太陽系質心距離lRe為觀測站至地球質心距離lrm為激光后向反射鏡至月球質心距離l為觀測站至月球激光后向反射鏡距離，即觀測距離；則觀測距離在太陽系質心坐標系可表示為（5-88）；距離方程線性化后可得觀測方程（5-91）；注意上式中0為單程距離，實際測量為雙程距離，且激光往返地月時間在2.5秒左右，可以認為這期間偏導數(shù)的變化可忽略；（5-91）式改寫為 （5-92）；5882pqpeqmociiociiRrRRRrrrpPpP（）；（5-91）（5-92

9、）與地球相關的因素測站大氣與月球相關的因素月球自轉月球自轉軸方向反射鏡潮汐位移月球內部結構月球物理特性月球能量耗散 與月球相關的改正月球激光后向反射鏡改正 月球坐標系原點取月球質心；z軸為月球自轉軸；當月球平黃經等于軌道升交點黃經時，通過地心的月面子午圈與月球赤道的交點為x軸指向；以右手法則確定y軸。月球激光后向反射鏡在月球坐標系中位置通過坐標變換到太陽系質心坐標系，可求得觀測站至反射鏡距離；經過簡單推導可得到距離對反射鏡位置的偏導數(shù)。與月球相關的改正月球天平動改正一般稱月球旋轉速率的變化為經度方向上的自由天平動；旋轉軸繞它的Cassini位置和慣量主軸的運動稱為緯度方向上的自由天平動；它們類似于地球運動中的歲差和章動現(xiàn)象；另外月球非對稱性產生的受迫天平動都會對反射鏡位置帶來影響，需要加以改正；相關參數(shù)也可作為待估參數(shù)求解。月球軌道改正從距離方程可知，月球軌道運動對所觀測的距離產生影響，而月球質心位置由月球星歷給出，其位置不準確必然帶來影響，因此需要將月球軌道相關的參數(shù)作為待估參數(shù)求解它們包括月球平黃經，平近點角，升交點角距月球軌道偏心率，月球軌道傾角，地月平均距離月球平均運動，日月角距等并作相對論效應改正。還有些隨機因素的影響, 如發(fā)射激光能量的波動, 光電倍增管電壓的波動和觸發(fā)閡值的波動。其他一些因素如大氣湍流,衛(wèi)星角反射器陣