第5章 - 空间大地测量技术SLR-LLR

内容要点
激光测卫
激光测月
2015/ 11/27
中南大学测绘与国土信息工程系
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激光测月
激光测月的提出
– 1964 年 10 月，美国 NASA 发射了 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 光后向反射器放臵于月球表面 ， 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) 放臵于月 面上预定的位臵。
• 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
• 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 • ρ为观测站至月球激光后向反射镜距离，即观测距离；
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
– 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。
– 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。
– 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 卫激光测距资料结果来补充，特别是2阶项。
o c
pi （2） Pi
o c 2 pi （3） Pi
激光测月距离的改正
激光卫星测距应用
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用的 从动力学方法来定义，即地球的质量中心。 – 地球质心位臵为确定地球表面、大气以及空间位 臵的相对运动提供了参考原点。 – 它的位臵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ρ0′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）；
Rp rq （） 1 R p R Re； rq r rm
卫星上的反射棱镜偏心改正 潮汐改正

卫星上的反射棱镜偏心改正

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
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。

潮汐改正

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 。读者需要时可参阅相关的参考文献。
激光测距卫星---导航卫星
GPS
Galieo
GLONASS
Compass
激光测距卫星
激光仪分类
1)按激光类型来分 – 脉冲式：激光波段的电压强度 – 相位式激光测距仪 • 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 往返测线一次所产生的相位延 迟； • 再根据调制光的波长，换算此 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 所需的时间。 t=φ/ω，
The International Laser Ranging Service
• http://ilrs.gsfc.nasa.gov/
ILRS Organization
激光卫星测距应用
卫 星
r

地 心
R 测 站
激光测距定轨
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
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
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 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，大气延迟改正是对流层延迟改正。
激光测月原理
– 用大功率激光测距仪向安 臵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
–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。
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 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。
• 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
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常数，并对观测值进
பைடு நூலகம்
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：
2GM日 r3 r2 S 2GM 地 RrS S ln( ) ln( ) 2 2 c r3 r2 S c RrS
D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω
=c/(4πf) (Nπ+Δφ)=c/4f (N+ΔN)
激光仪分类
2）根据其构造及精度分
– 第一代： 脉冲宽度在10～40ns， 测距精度约为1—6m。多数采用 带调Q开关的红宝石激光器。 – 第二代：脉冲宽度2～5ns，测距 精度为30～100cm,多数采用了脉 冲分析法 ； – 第三代：脉冲宽度为0.1～0.2ns, 测距精度为1～3cm，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 • 已经建立固定站
长春 北 京
–武汉、上海、长春
TROS, Urumqi, China
、北京和昆明等5个
上海
激光测卫站。 • 流动激光测卫站 –乌鲁木齐，拉萨
TROS, Lhasa, Tibet
武汉
昆明
中国流动卫星激光测距仪
TROS-Ⅰ
中国地震局地震研究所流动卫星 激光测距仪赴韩国观测
空间大地测量技术 SLR/LLR
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内容要点
激光测卫
激光测月
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激光测卫
激光形成
• 激光的最初中文名叫做“镭射”，是它的英文名称LASER 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 词。意思是“通过受激发射使光放大”。激光的英文全名 已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著 名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 更多的信息见http://baike.baidu.com/view/2695.htm • 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 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 ，从而形成方向性极好的激光。
行改正。
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 t N ，观测时刻可表示为：
t t N t1 t2 t3
• 式中 t1 为工作钟的钟差，即工作钟与标准时间之间 t 2 为工作钟取 的差异，此值可以通过时间比对求得； 样时刻和激光脉冲信号的发射时刻之间的差异，也称 t3 为信号传播时间改正，从激光脉冲 触发延迟改正； 离开测距仪至到达卫星间的时间 t3 S / c
激光卫星测距原理
测距原理
t d c two - way ranging 2
SLR观测方程
1 d ct d o d s d b d r 2
Remaining systematic & random observation errors Refraction correction Signal delay in the ground system
激光卫星测距应用
人卫激光测距用于地心引力常数GM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。
激光测月（LLR）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 反射镜放臵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。 • 月球体积巨大，在其表面可以放臵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。
Eccentricity correction at the satellite
Eccentricity correction on the ground Elapsed time of the laser pulse
Velocity of light
Computed range from station to satellite
式中 G、M日、M 地、r3、r2、R、r、S 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。
激光测距系统
–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
•地面部分则包括：
–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 脉冲接收处理系统、时间间隔计 数器、时间系统； –标校系统、计算机控制记录系统 、基石、电源系统、保护系统； –最后为数据传输系统。
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