激光測衛(wèi)和激光測月

激光測衛(wèi)和激光測月

小組成員：戴偉宋文濤范先錚2013.10目錄激光測衛(wèi)測月的發(fā)展背景激光測距的基本原理激光測衛(wèi)(SatelliteLaserRanging,SLR)和激光測月(LunarLaserRanging,LLR)激光測衛(wèi)測月的應(yīng)用激光測衛(wèi)測月的發(fā)展背景

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(xué)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(jīng)取得的成就可以說明它在科學(xué)技術(shù)上和實(shí)用上的重要性。六十年代初,激光技術(shù)剛問世不久,就有科學(xué)家把激光脈沖射向月球表面,并用大型天文望遠(yuǎn)鏡獲得了回波。1964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)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。1969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。1976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(xué)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(yù)報精度和測距精度。它的發(fā)射成功,使激光測衛(wèi)工作進(jìn)入了一個新的階段。激光測距的基本原理

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(jìn)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(dá)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：地面部分包括了激光發(fā)生系統(tǒng)、激光光學(xué)發(fā)射和接收系統(tǒng)、光學(xué)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(biāo)校系統(tǒng)、計算機(jī)控制記錄系統(tǒng)、基石、電源系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)，最后為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)?？臻g部分空間部分為帶后向反射鏡的衛(wèi)星。激光測衛(wèi)改正數(shù)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+△t3△t1為工作鐘與標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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激光測衛(wèi)激光衛(wèi)星測距原理D=C.⊿t/2+⊿D⊿D為測距改正數(shù)激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)激光測距系統(tǒng)主要包括地面部分和空間部分

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(xué)發(fā)射和接收系統(tǒng)、光學(xué)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(biāo)校系統(tǒng)、計算機(jī)控制記錄系統(tǒng)、基石、電源系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)；最后為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)常用衛(wèi)星：專用衛(wèi)星：Lageos衛(wèi)星Starlette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)星之所以安裝激光反射棱鏡，主要是把激光測距作為一種定軌的手段。激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)激光儀分類

1)按激光類型來分脈沖式：激光波段的電壓強(qiáng)度相位式激光測距儀用無線電波段的頻率，對激光束進(jìn)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=φ/ω，D=1/2ct=1/2c·φ/ω=c/(4πf)(Nπ+Δφ)=c/4f(N+ΔN)激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)激光儀分類2）根據(jù)其構(gòu)造及精度分第一代：脈沖寬度在10～40ns，測距精度約為1—6m。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2～5ns，測距精度為30～100cm,多數(shù)采用了脈沖分析法；第三代：脈沖寬度為0.1～0.2ns,測距精度為1～3cm，多數(shù)采用鎖模Nd:YAG激光器。能在計算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星的自動跟蹤和單光子檢測技術(shù)。

激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)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

激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)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激光測距定軌原理已知衛(wèi)星和測站到地心的距離R，r;r是通過衛(wèi)星的運(yùn)動方程積分得到的，由于衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動受到多種攝動力的作用，而與之相應(yīng)的攝動力學(xué)模型并不完善，加上積方運(yùn)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(zhǔn)確;另外，測算的空間位置矢R是由臺站的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到空間坐標(biāo)系中，這就要考慮到大地坐標(biāo)的準(zhǔn)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ρc與相應(yīng)時刻的觀測值ρo是不會完會相同的。激光測距定軌原理激光測月激光測月觀測方程由于地球和月球軌道星歷是以太陽系質(zhì)心坐標(biāo)系給出的，因此激光測月的觀測方程常在太陽系質(zhì)心坐標(biāo)系中建立；右圖給出了激光測月技術(shù)中的幾何關(guān)系。S為太陽系質(zhì)心Oe為地球質(zhì)心Om為月球質(zhì)心P為觀測站Q為月球激光后向反射鏡R為地球質(zhì)心至太陽系質(zhì)心距離；r為月球質(zhì)心至太陽系質(zhì)心距離Rp為觀測站至太陽系質(zhì)心距離rq為激光反射鏡至太陽系質(zhì)心距離Re為觀測站至地球質(zhì)心距離rm為激光后向反射鏡至月球質(zhì)心距離ρ為觀測站至月球激光后向反射鏡距離，即觀測距離；激光測月觀測方程則觀測距離在太陽系質(zhì)心坐標(biāo)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ρ0′為單程距離，實(shí)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(rèn)為這期間偏導(dǎo)數(shù)的變化可忽略；（5-91）式改寫為（5-92）；激光測月距離改正數(shù)與地球相關(guān)的因素測站大氣與月球相關(guān)的因素月球自轉(zhuǎn)月球自轉(zhuǎn)軸方向反射鏡潮汐位移月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)月球物理特性月球能量耗散

激光測月距離改正數(shù)與月球相關(guān)的改正月球激光后向反射鏡改正月球坐標(biāo)系原點(diǎn)取月球質(zhì)心；z軸為月球自轉(zhuǎn)軸；當(dāng)月球平黃經(jīng)等于軌道升交點(diǎn)黃經(jīng)時，通過地心的月面子午圈與月球赤道的交點(diǎn)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(biāo)系中位置通過坐標(biāo)變換到太陽系質(zhì)心坐標(biāo)系，可求得觀測站至反射鏡距離；經(jīng)過簡單推導(dǎo)可得到距離對反射鏡位置的偏導(dǎo)數(shù)。激光測月距離改正數(shù)與月球相關(guān)的改正月球天平動改正一般稱月球旋轉(zhuǎn)速率的變化為經(jīng)度方向上的自由天平動；旋轉(zhuǎn)軸繞它的Cassini位置和慣量主軸的運(yùn)動稱為緯度方向上的自由天平動；它們類似于地球運(yùn)動中的歲差和章動現(xiàn)象；另外月球非對稱性產(chǎn)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(guān)參數(shù)也可作為待估參數(shù)求解。激光測月距離改正數(shù)月球軌道改正從距離方程可知，月球軌道運(yùn)動對所觀測的距離產(chǎn)生影響，而月球質(zhì)心位置由月球星歷給出，其位置不準(zhǔn)確必然帶來影響，因此需要將月球軌道相關(guān)的參數(shù)作為待估參數(shù)求解它們包括月球平黃經(jīng)，平近點(diǎn)角，升交點(diǎn)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(yùn)動，日月角距等并作相對論效應(yīng)改正。還有些隨機(jī)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