激光測(cè)衛(wèi)和激光測(cè)月

激光(jīguāng)測(cè)衛(wèi)和激光測(cè)月

小組(xiǎozǔ)成員：戴偉宋文濤范先錚2013.10共二十五頁(yè)目錄(mùlù)激光測(cè)衛(wèi)測(cè)月的發(fā)展背景(bèijǐng)激光測(cè)距的基本原理激光測(cè)衛(wèi)(SatelliteLaserRanging,SLR)和激光測(cè)月(LunarLaserRanging,LLR)激光測(cè)衛(wèi)測(cè)月的應(yīng)用共二十五頁(yè)激光(jīguāng)測(cè)衛(wèi)測(cè)月的發(fā)展背景

激光測(cè)衛(wèi)測(cè)月是六十年代中期發(fā)展起來(lái)的研究地球動(dòng)力學(xué)和大地測(cè)量基本問(wèn)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(shuō)明它在科學(xué)技術(shù)上和實(shí)用(shíyòng)上的重要性。六十年代初,激光技術(shù)剛問(wèn)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(guó)發(fā)射了第一順帶角反射器的衛(wèi)星——探險(xiǎn)者22號(hào)。不久,即獲得了激光測(cè)距數(shù)據(jù)。其后,美、法等國(guó)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(hào)登月,在月面安放了一組角反射器,為高精度測(cè)月提供了條件。隨后,美、蘇又各放上二組角反射器。共二十五頁(yè)1976年5月4日,美國(guó)發(fā)射了一顆專供激光測(cè)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(jīhū)不受地球重力場(chǎng)的干擾,因而可以獲得極高的預(yù)報(bào)精度和測(cè)距精度。它的發(fā)射成功,使激光測(cè)衛(wèi)工作進(jìn)入了一個(gè)新的階段。共二十五頁(yè)激光測(cè)距的基本原理

用安裝在地面測(cè)站(cèzhàn)的激光測(cè)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(hào)；該信號(hào)被棱鏡反射后返回測(cè)站，精確測(cè)定信號(hào)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(cè)距精度可達(dá)1cm左右。用公式可表示為：d=c*t/2共二十五頁(yè)激光測(cè)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(tái)、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)(bǎohù)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。共二十五頁(yè)激光(jīguāng)測(cè)衛(wèi)改正數(shù)激光測(cè)距觀測(cè)值誤差改正測(cè)距儀儀器常數(shù)改正不同(bùtónɡ)儀器之間的常數(shù)改正地面大氣延遲改正觀測(cè)時(shí)間改正△t=△t1+△t2+△t3△t1為工作鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的差異；△t2為工作鐘取樣時(shí)刻和激光脈沖信號(hào)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(hào)傳播時(shí)間改正，從激光脈沖離開測(cè)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(duì)論改正共二十五頁(yè)激光(jīguāng)測(cè)衛(wèi)共二十五頁(yè)激光衛(wèi)星(wèixīng)測(cè)距原理D=C.⊿t/2+⊿D⊿D為測(cè)距改正(gǎizhèng)數(shù)共二十五頁(yè)激光(jīguāng)衛(wèi)星測(cè)量系統(tǒng)激光測(cè)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(jīguāng)發(fā)生系統(tǒng)、激光(jīguāng)光學(xué)發(fā)射和接收系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)、激光(jīguāng)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)。共二十五頁(yè)激光(jīguāng)衛(wèi)星測(cè)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(yàn)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(fǎnshè)棱鏡，主要是把激光測(cè)距作為一種定軌的手段。共二十五頁(yè)激光衛(wèi)星(wèixīng)測(cè)量系統(tǒng)激光(jīguāng)儀分類

1)按激光類型來(lái)分脈沖式：激光波段的電壓強(qiáng)度相位式激光測(cè)距儀用無(wú)線電波段的頻率，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返測(cè)線一次所產(chǎn)生的相位延遲；再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測(cè)定出光經(jīng)往返測(cè)線所需的時(shí)間。t=φ/ω，D=1/2ct=1/2c·φ/ω=c/(4πf)(Nπ+Δφ)=c/4f(N+ΔN)共二十五頁(yè)激光(jīguāng)衛(wèi)星測(cè)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(kuāndù)在10～40ns，測(cè)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(cè)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(cè)距精度為1～3cm，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(duì)衛(wèi)星的自動(dòng)跟蹤和單光子檢測(cè)技術(shù)。

共二十五頁(yè)激光衛(wèi)星測(cè)量(cèliáng)系統(tǒng)激光測(cè)衛(wèi)站中國(guó)(zhōnɡɡuó)已經(jīng)建立固定站武漢、上海、長(zhǎng)春、北京和昆明等5個(gè)激光測(cè)衛(wèi)站。流動(dòng)激光測(cè)衛(wèi)站烏魯木齊，拉薩

共二十五頁(yè)激光衛(wèi)星(wèixīng)測(cè)量系統(tǒng)激光測(cè)衛(wèi)站國(guó)際上目前在工作的SLR站如圖所示，圖中紅色三角形測(cè)站(cèzhàn)表示正在工作的測(cè)站(cèzhàn)，大約有44個(gè)站。觀測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)：ILS共二十五頁(yè)激光測(cè)距定軌原理(yuánlǐ)

已知衛(wèi)星和測(cè)站到地心的距離R，r;r是通過(guò)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)(xiāngyīng)的攝動(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(lái)的誤差，使得計(jì)算的衛(wèi)星星歷表不準(zhǔn)確;另外，測(cè)算的空間位置矢R是由臺(tái)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ρc與相應(yīng)時(shí)刻的觀測(cè)值ρo是不會(huì)完會(huì)相同的。共二十五頁(yè)激光測(cè)距定軌原理(yuánlǐ)共二十五頁(yè)激光(jīguāng)測(cè)月激光測(cè)月觀測(cè)(guāncè)方程由于地球和月球軌道星歷是以太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系給出的，因此激光測(cè)月的觀測(cè)方程常在太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系中建立；右圖給出了激光測(cè)月技術(shù)中的幾何關(guān)系。S為太陽(yáng)系質(zhì)心Oe為地球質(zhì)心Om為月球質(zhì)心P為觀測(cè)站Q為月球激光后向反射鏡R為地球質(zhì)心至太陽(yáng)系質(zhì)心距離；r為月球質(zhì)心至太陽(yáng)系質(zhì)心距離Rp為觀測(cè)站至太陽(yáng)系質(zhì)心距離rq為激光反射鏡至太陽(yáng)系質(zhì)心距離Re為觀測(cè)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(cè)站至月球激光后向反射鏡距離，即觀測(cè)距離；共二十五頁(yè)激光(jīguāng)測(cè)月觀測(cè)方程則觀測(cè)距離在太陽(yáng)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(cè)方程（5-91）；注意上式中ρ0′為單程距離，實(shí)際測(cè)量為雙程距離，且激光往返地月時(shí)間(shíjiān)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）；共二十五頁(yè)激光測(cè)月距離(jùlí)改正數(shù)與地球相關(guān)的因素測(cè)站大氣與月球(yuèqiú)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

共二十五頁(yè)激光測(cè)月距離(jùlí)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(shí)，通過(guò)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(quèdìng)y軸。月球激光后向反射鏡在月球坐標(biāo)系中位置通過(guò)坐標(biāo)變換到太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系，可求得觀測(cè)站至反射鏡距離；經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單推導(dǎo)可得到距離對(duì)反射鏡位置的偏導(dǎo)數(shù)。共二十五頁(yè)激光測(cè)月距離(jùlí)改正數(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(duì)稱性產(chǎn)生的受迫天平動(dòng)都會(huì)對(duì)反射鏡位置帶來(lái)影響，需要加以改正；相關(guān)參數(shù)也可作為(zuòwéi)待估參數(shù)求解。共二十五頁(yè)激光測(cè)月距離(jùlí)改正數(shù)月球軌道改正從距離方程可知，月球軌道運(yùn)動(dòng)對(duì)所觀測(cè)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(lái)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(qiújiě)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(duì)論效應(yīng)改正。共二十五頁(yè)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)星角反射器陣列的方位還未被完全認(rèn)識(shí),來(lái)自衛(wèi)星的相干輻射,也均可產(chǎn)生隨機(jī)的影響。為了免除這類隨機(jī)影響,對(duì)數(shù)據(jù)(shùjù)的預(yù)處理來(lái)講,必須確定超限差測(cè)量成果的探測(cè)程序、數(shù)據(jù)平滑程序和隨后的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算程序。具有高重復(fù)率的先進(jìn)激光測(cè)距系統(tǒng)能有效地減少標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的誤差(即約100個(gè)回波的平均值聯(lián)合系統(tǒng)誤差和偶然誤差將產(chǎn)生較高的統(tǒng)計(jì)概率)。共二十五頁(yè)內(nèi)容(nèiróng)總結(jié)激光測(cè)