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(yīng)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(dòng)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。l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。l1964年10月, 美國發(fā)射了第一順帶角反射器的衛(wèi)星探險(xiǎn)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(dòng)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(bào)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(jìn)入了一個(gè)新使激光測衛(wèi)工作進(jìn)入了一個(gè)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(shí)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：l 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(shí)間間隔計(jì)數(shù)器、時(shí)間系統(tǒng)，標(biāo)校系統(tǒng)、計(jì)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)。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(shí)間改正t= t1+ t2+ t3t1為工作鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的差異；t2

4、為工作鐘取樣時(shí)刻和激光脈沖信號的發(fā)射時(shí)刻之間的差異，也稱為觸發(fā)延遲改正；t3為信號傳播時(shí)間改正，從激光脈沖離開測距儀至到達(dá)衛(wèi)星間的時(shí)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(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(shí)間間隔計(jì)數(shù)器、時(shí)間系統(tǒng)；l標(biāo)校系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制記錄系統(tǒng)、基石、電源系統(tǒng)、保護(hù)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(yàn)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(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(shí)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(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)

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(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星的自動(dòng)跟蹤和單光子檢測技術(shù)。 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(gè)激光測衛(wèi)站。 流動(dòng)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(gè)站。 觀測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)：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(yùn)動(dòng)方程積分得到的，由于衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動(dòng)受到多種攝動(dòng)力的作用，而與之相應(yīng)的

7、攝動(dòng)力學(xué)模型并不完善，加上積方運(yùn)動(dòng)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(jì)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(dòng)、歲差等。因此，理論計(jì)算的距離值c與相應(yīng)時(shí)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(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；l右圖給出了激光測月技術(shù)中的幾何關(guān)系。lS為太陽系質(zhì)心lOe為地球質(zhì)心lOm為月球質(zhì)心l

8、P為觀測站lQ為月球激光后向反射鏡lR為地球質(zhì)心至太陽系質(zhì)心距離；lr為月球質(zhì)心至太陽系質(zhì)心距離lRp為觀測站至太陽系質(zhì)心距離lrq為激光反射鏡至太陽系質(zhì)心距離lRe為觀測站至地球質(zhì)心距離lrm為激光后向反射鏡至月球質(zhì)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(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0為單程距離，實(shí)際測量為雙程距離，且激光往返地月時(shí)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）；5882pqpeqmociiociiRrRRRrrrpPpP（）；（5-91）（5-92

9、）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 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(shí)，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)。與月球相關(guān)的改正月球天平動(dòng)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(dòng)；旋轉(zhuǎn)軸繞它的Cassini位置和慣量主軸的運(yùn)動(dòng)稱為緯度方向上的自由天平動(dòng)；它們類似于地球運(yùn)動(dòng)中的歲差和章動(dòng)現(xiàn)象；另外月球非對稱性產(chǎn)生的受迫天平動(dòng)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。月球軌道改正從距離方程可知，月球軌道運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(dòng), 光電倍增管電壓的波動(dòng)和觸發(fā)閡值的波動(dòng)。其他一些因素如大氣湍流,衛(wèi)星角反射器陣