第5章 - 空间大地测量技术SLR-LLR

1、中南大学测绘与国土信息工程系2022-4-19中南大学测绘与国土信息工程系2022-4-19 激光测卫 激光测月内容要点激光测卫激光形成激光形成 激光的最初中文名叫做激光的最初中文名叫做“镭射镭射”，是它的英文名称，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是词。意思是“通过受激发射使光放大通过受激发射使光放大”。激光的英文全名激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程已完全表达了制造激光的主要过程

2、。1964年按照我国著年按照我国著名科学家钱学森建议将名科学家钱学森建议将“光受激发射光受激发射”改称改称“激光激光”。 更多的信息见更多的信息见http:/ 测距的激光：在光学协振腔轴内沿腔轴方向传播的光被测距的激光：在光学协振腔轴内沿腔轴方向传播的光被安置在两端的反射镜反射而往返传播，在此过程中不断安置在两端的反射镜反射而往返传播，在此过程中不断引起其它原子的受激跃迁，产生同频率的光子，使光迅引起其它原子的受激跃迁，产生同频率的光子，使光迅速放大。而与腔轴不平行的光则在往返几次后溢出腔外速放大。而与腔轴不平行的光则在往返几次后溢出腔外，从而形成方向性极好的激光。，从而形成方向性极好的激光。

3、激光卫星测距原理测距原理ranging way - two2ctd SLR观测方程dc tddddosbr12Computed range from station to satelliteVelocity of lightElapsed time of the laser pulseEccentricity correction on the groundEccentricity correction at the satelliteSignal delay in the ground systemRefraction correctionRemaining systematic &

4、random observation errors测距仪仪器常数改正测距仪仪器常数改正 这项误差是由于激光测距仪脉冲信号在测距仪内部这项误差是由于激光测距仪脉冲信号在测距仪内部传播时的时间延迟以及计数器的位置与测距仪的几传播时的时间延迟以及计数器的位置与测距仪的几何中心不一致而引起的。何中心不一致而引起的。 仪器常数可以可以通过在观测前后对地面靶的校正仪器常数可以可以通过在观测前后对地面靶的校正观测来测定。地面靶至仪器中心间的距离事先已采观测来测定。地面靶至仪器中心间的距离事先已采用其它方法精确测定。将测距仪的测距结果与精确用其它方法精确测定。将测距仪的测距结果与精确的已知值比较后即可求得仪器

5、常数，并对观测值进的已知值比较后即可求得仪器常数，并对观测值进行改正。行改正。观测时间改正观测时间改正 在激光测卫中一般都采用激光脉冲信号到达卫星的时刻作为观测时间。设仪器从工作钟取样所得到的时间为 ，观测时刻可表示为： 式中 为工作钟的钟差，即工作钟与标准时间之间的差异，此值可以通过时间比对求得； 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，也称触发延迟改正； 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321tttttNNtcSt/31t2t3t大气延迟改正大气延迟改正此项改正是由于激光脉冲信号在传播过程中需往返两次穿过大气层而此项改正是由于激光脉冲信号在传播过程中需

6、往返两次穿过大气层而产生的。大气延迟一般可分为电离层延迟和对流层延迟两项。由于激产生的。大气延迟一般可分为电离层延迟和对流层延迟两项。由于激光测距仪使用的是频率极大的光信号，而电离层延迟又是与信号频率光测距仪使用的是频率极大的光信号，而电离层延迟又是与信号频率的平方成反比，故电离层延迟可以视为零而无需考虑。故对于激光测的平方成反比，故电离层延迟可以视为零而无需考虑。故对于激光测距仪而言，距仪而言，大气延迟改正是对流层延迟改正大气延迟改正是对流层延迟改正。卫星上的反射棱镜偏心改正卫星上的反射棱镜偏心改正潮汐改正潮汐改正n卫星上的反射棱镜偏心改正卫星上的反射棱镜偏心改正l激光测卫测定的是从测距仪至

7、反射棱镜间的距离，而定激光测卫测定的是从测距仪至反射棱镜间的距离，而定轨时需要确定的是卫星质心的位置。反射棱镜与卫星质轨时需要确定的是卫星质心的位置。反射棱镜与卫星质心不重合，因而在观测值上需对这种偏差加以改正。此心不重合，因而在观测值上需对这种偏差加以改正。此项改正在卫星发射前可精确测定，向用户公布。项改正在卫星发射前可精确测定，向用户公布。n潮汐改正潮汐改正l固体潮及海洋负荷会引起测站坐标的变化从而影响距离固体潮及海洋负荷会引起测站坐标的变化从而影响距离观测值。潮汐改正的公式较为复杂，此处不再一一列出观测值。潮汐改正的公式较为复杂，此处不再一一列出。读者需要时可参阅相关的参考文献。读者需要

8、时可参阅相关的参考文献。 相对论改正相对论改正 按照爱因斯坦广义相对论原理，光线在引力场中传播时，传播速度会变慢，路径也会产生弯曲，这就是电磁波在引力场中的延迟效应，同时考虑太阳和地球的引力场时，其改正公式如下：式中 分别为万有引力常数、太阳的质量、地球的质量、太阳至测站的距离、太阳至卫星的距离、地心至测站的距离、地心至卫星的距离、距离观测值。)ln(2)ln(2223232SrRSrRcGMSrrSrrcGMS地日SrRrrMMG、地日23激光测距系统主要包括地面部分和空间部分主要包括地面部分和空间部分 空间部分为带后向反射镜的卫星空间部分为带后向反射镜的卫星地面部分则包括：地面部分则包括：

9、激光发生系统、激光光学发射和激光发生系统、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、时间间隔计脉冲接收处理系统、时间间隔计数器、时间系统；数器、时间系统；标校系统、计算机控制记录系统标校系统、计算机控制记录系统、基石、电源系统、保护系统；、基石、电源系统、保护系统；最后为数据传输系统。最后为数据传输系统。 激光测距卫星激光测距卫星-导航卫星导航卫星GPSGLONASSGalieoCompass激光测距卫星激光仪分类激光仪分类1)按激光类型来分按激光类型来分脉冲式：激光波段的电压强度脉冲式：激光波段的电压强度相位式激光测距仪相位式激光测距仪 用无线电

10、波段的频率，对激光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往返测线一次所产生的相位延迟；迟； 再根据调制光的波长，换算此再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用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间接方法测定出光经往返测线所需的时间。所需的时间。t=/，D=1/2 ct=1/2 c/=c/(4f) (N+)=c/4f (N+N) 激光仪分类2）根据其构造及精度分 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,

11、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。 中国的卫星激光测距站中国的卫星激光测距站长春长春昆明昆明上海上海北北京京武汉武汉TROS, Lhasa, Tibet TROS, Urumqi, China 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 中国流动卫星激光测距仪中国地震局地震研究所流动卫星激光测距仪赴韩国观测TROS-The International Laser Ranging Service http:/

12、/ILRS Organization激光卫星测距应用地心Rr卫星测站激光测距定轨激光卫星测距应用激光卫星测距应用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；通常测定下列参数 极移 日长变化（世界时） 岁差和章动序列来通过多种技术观测 VLBI、SLR、GPS和DORIS 激光卫星测距应用激光卫星测距应用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

13、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。激光卫星测距应用人卫激光测距用于地球低阶重力场测定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。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

14、踪资料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。，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、轨道及资料累重力卫星出现后，由于其卫星数目、轨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，特别是卫激光测距资料结果来补充，特别是2阶项。阶项。激光卫星测距应用激光卫星测距应用人卫激光测距用于地心引力常数人卫激光测距用于地心引力常数GM测定测定 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

15、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资料处理在1992年解算得到的，但在解算过程中卫星质心误差没有仔细考虑，同时大气折射模型误差也会带来影响。 2005年利用12年LAGEOS-1和LAGEOS-2激光测距资料确定的GM值为398600.44163 km3/s2，解算精度也比1992年结果提高了一倍。 中南大学测绘与国土信息工程系2022-4-19 激光测卫 激光测月内容要点激光测月激光测月的提出激光测月的提出 1964年10月，美国NASA发射了

16、第一颗带有后向反射器的卫星：“Beacon-B”，并很快实现了对其的卫星激光测距 SLR。 不久，C.Alley,P.Bender,R.Dicke等人提出了开创性的想法：将激光后向反射器放置于月球表面，以开展激光测月LLR（Lunar Laser Ranging）工作。 1969年7月21日阿波罗11号登月成功，宇航员N. Armstorng将激光后向反射器阵(A11)放置于月面上预定的位置。 激光测月的实现 1969年8月1日，美国Lick天文台用其3m望远镜成功地观测到来自Apollo 11反射器的激光测距回波讯号； 8月 22日，美国 McDonald天文台的 2.7m望远镜亦收到回波讯

17、号； 随后对Apollo 11反射器进行成功测距试验的还有：美空军在Arizona的Cambridge Research Laboratory；法国的Pic du Mdi天文台；以及日本的东京天文台。 从此开创了人类对地月间距离进行精确测量的历史 激光测月（激光测月（LLR）的特点）的特点 技术原理与激光测卫基本相同，只不过将卫星上的激光后向反射镜放置在月球上特定的观测点，原于月球的特点，激光测月与激光测卫也有所区别。 月球是地球天然卫星，比起人造地球卫星，月球在体积和质量方面要大得多，距离地球也要远得多。 由于其质量巨大、距离也远，月球绕地球运行轨道也特别稳定，更有利于地球动力学方面研究。

18、月球体积巨大，在其表面可以放置多个激光后向反射镜，有利于研究月球本身动力学性质； 同时月球距离遥远，激光测距仪必须加大激光能量输出、提高仪器指向精度，因而激光测月在技术上远比激光测卫复杂。激光测月原理用大功率激光测距仪向安置在月球表面上的反射棱镜发射激光脉冲信号；测定信号的往返传播时间；进而求出仪器到反射棱镜之间距离的方法和技术称为激光测月。 激光测月观测方程激光测月观测方程由于地球和月球轨道星历是以太阳系质心坐标系给出的，因此激光测月的观测方程常在太阳系质心坐标系中建立；右图给出了激光测月技术中的几何关系。 S为太阳系质心 Oe为地球质心 Om为月球质心 P为观测站 Q为月球激光后向反射镜

19、R为地球质心至太阳系质心距离； r为月球质心至太阳系质心距离 Rp为观测站至太阳系质心距离 rq为月球激光后向反射镜至太阳系质心距离 Re为观测站至地球质心距离 rm为激光后向反射镜至月球质心距离 为观测站至月球激光后向反射镜距离，即观测距离；激光测月观测方程激光测月观测方程则观测距离在太阳系质心坐标系可表示为（1）；距离方程线性化后可得观测方程（2）；注意上式中0为单程距离，实际测量为双程距离，且激光往返地月时间在2.5秒左右，可以认为这期间偏导数的变化可忽略；（2）式改写为 （3）；12pqpeqmociiociiRrRRRrrrpPpP（）；（2）（3）激光测月距离的改正 与地球相关的因

20、素 测站 大气 与月球相关的因素 月球自转 月球自转轴方向 反射镜潮汐位移 月球内部结构 月球物理特性 月球能量耗散 激光测月现状激光测月现状目前激光测月资料累积已超过38年，为月球本身、地月系、地球动力学、日地系的相关研究提供了丰富的资料； 早期激光测月资料主要用于研究月球轨道、月球引力场系数、惯量矩、月球自由天平动、月球轨道潮汐能量耗散、地心引力常数、地球自转参数等，已取得众多的成果 ；现在随着高精度观测资料出现，用激光测距资料可开展更深入的研究。 月球激光测距精度历史变迁 激光测月现状月球表面上的反射棱镜Apollo-11Apollo-14Apollo-15Lunakhod 1 Lunakhod 2 激光测月现状激光测月的激光观测站 美国Texas州的McDonald天文台 美国Hawaii州的Haleakala天文台 法国的Grasse观测站 德国的Wettzell观测站 澳大利亚Orrorral观测站美国Texas州的McDonald天文台美国Hawaii州的Haleakala天文台法国的Grasse观测站澳大利亚Orrorral观测站德国的Wettzell观测站激光测月的应用1、月球潮汐的测量月球潮汐的测量 月球在潮汐力的作用下产生的弹性形变也用勒夫数来表示。 月球潮汐